DD215645A1

DD215645A1 - DEVICE AND METHOD FOR LEVEL OF CONTACTLESS MULTI-COORDINATE MEASUREMENT

Info

Publication number: DD215645A1
Application number: DD25117183A
Authority: DD
Inventors: Gunther Blank; Bernhard Loewe; Eckhard Wenndorf
Original assignee: Tech Hochschule Ilmenau 6300 I
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1984-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein ebenes beruehrungsloses Mehrkoordinatenmesssystem und ein Verfahren, das in der Lage ist, die Messkoordinaten eines in der Ebene bewegten Koerpers zu erfassen und den Messwert fuer jede Koordinate getrennt auszugeben. In Verbindung mit entsprechenden Regeleinrichtungen und einem Antrieb entsteht ein Positioniersystem, das insbesondere zur Positionierung von Praeparatetraegern, bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen oder zur automatischen Bildstrukturanalyse eingesetzt werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit und gute Dynamik moeglich ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass fuer alle Messkoordinaten der Ebene nur eine gemeinsame Massverkoerperung (1) mit einem definierten Muster vorgesehen ist, zu deren Abtastung mindestens drei linienhafte Empfaenger (2) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Empfaenger (2) nicht parallel zu einem von den anderen Empfaengern (2) angeordnet ist.The invention relates to a planar contactless multi-coordinate measuring system and a method capable of detecting the measuring coordinates of a body moved in the plane and of outputting the measured value separately for each coordinate. In conjunction with corresponding control devices and a drive, a positioning system is produced, which can be used in particular for positioning of prepraparters, in the production of electronic components or for automatic image structure analysis, with high accuracy and good dynamics being possible. The essence of the invention is that for all measurement coordinates of the plane only one common Massverkoerperung (1) is provided with a defined pattern, the sampling at least three linear receiver (2) are provided, wherein at least one receiver (2) not parallel to one of the other receivers (2) is arranged.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur ebenen berührungslosen Mehrkoordinatenmessung Anwendungsgebiet der ErfindungDevice and method for planar non-contact multi-coordinate measurement Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein ebenes berührungsloses Mehrkoordinatenmeßsystem und ein Verfahren, das in der Lage ist, die x-, y- und -Koordinate eines in der Ebene bewegten Körpers zu erfassen und den Meßwert für jede Koordinate getrennt auszugeben. In Verbindung mit entsprechenden Regeleinrichtungen und einem Antrieb entsteht ein Positioniersystem, das insbesondere in der Gerätetechnik zur Positionierung von Präparateträgern, bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen oder zur automatischen Bildstrukturanalyse eingesetzt werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit und eine gute Dynamik möglich ist.The invention relates to a planar non-contact multi-coordinate measuring system and a method capable of detecting the x, y and coordinate of an in-plane moving body and outputting the measured value separately for each coordinate. In conjunction with corresponding control devices and a drive, a positioning system is produced, which can be used in particular in device technology for positioning specimen carriers, in the manufacture of electronic components or for automatic image structure analysis, with high accuracy and good dynamics being possible.

Characteristic of the known technical solutions

Bisher wurden zur Mehrkoordinatenmessung in Geräten und Maschinen zum Teil direkt arbeitende Einzelmeßsysteme eingesetzt. Hierfür ist es jedoch erforderlich, daß die Bewegungen in den einzelnen Koordinaten an bestimmten Stellen der mechanischen Übertragungskette entkoppelt vorliegen, was oft durch mechanische Koppelglieder erreicht wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme liegt darin, daß es durch die mechanischen Koppelgliederzu Spiel-, Stoß- und Ruckerscheinungen kommt und die Dynamik der Einrichtung durch die zusätzlichen bewegten Massen der Koppeigiieder und der Eihzelmeßsysteme sowie durch Reibeffekte verschlechtert wird. Die Meßgenauigkeit ist infolge des indirekten Meßverfahrens begrenzt. Mit der Anwendung von Mehrkoordinatenantriebssystemen ohne mechanische Bewegungswandler in Mehrkoordinatenpositioniersystemen wird der Einsatz von Einzelmeßsystemen uneffektiv bzw. ist in besonderen Fällen überhaupt nicht möglich. .Up to now, single-measurement systems that work directly have been used for multi-coordinate measurement in devices and machines. For this purpose, however, it is necessary that the movements in the individual coordinates are decoupled at certain points of the mechanical transmission chain, which is often achieved by mechanical coupling links. A major disadvantage of these systems is that the mechanical coupling links cause play, shock and jerking phenomena, and the dynamics of the device are degraded by the additional moving masses of the head members and the egg measuring systems, as well as by frictional effects. The measurement accuracy is limited due to the indirect measurement method. With the use of multi-coordinate drive systems without mechanical motion transducers in Mehrkoordinatenpositioniersystemen the use of Einzelmeßsystemen is ineffective or is not possible in special cases at all. ,

Nach PEOS DT 1588018 ist eine Einrichtung zur x-y-Positionierung von Kreuztischen zur Realisierung bestimmter, periodisch wiederkehrender technologischer Prozesse, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bestehend aus einem optischen Abbildungssystem mit einem Strahlendetektor dadurch gekennzeichnet, daß für beide Bewegungsrichtungen (x,y) des Kreuztisches nur eine gemeinsame optisch elektronische Meßeinrichtung mit zwei Objektiven, von denen eins beweglich ist, beschrieben. In einem weiteren Anspruch wird auf die Verwendung einer integrierten Maßverkörperung für x- und y-Koordinate in Form einer Strich kreuztei Iu ng hingewiesen. Tritt jedoch eine Drehbewegung zwischen Maßstabsplatte und den Abtastern auf; so ist das System nicht mehr funktionsfähig, d.h. eine Verdrehung muß ausgeschlossen werden.According to PEOS DT 1588018 a device for xy positioning of cross tables for the realization of certain, periodically recurring technological processes, in particular for the production of semiconductor devices consisting of an optical imaging system with a radiation detector, characterized in that for both directions of movement (x, y) of the cross table only one common optical electronic measuring device with two lenses, one of which is movable described. In another claim, reference is made to the use of an integrated material measure for the x and y coordinates in the form of a dashed line. However, a rotational movement occurs between the scale plate and the scanners; so the system is no longer functional, i. a twist must be excluded.

Object of the invention

Die Erfindung ermöglicht ein ebenes berührungsloses Meßsystem sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Relativlage eines Körpers in der Ebene, das den Nachteil der Funktionsuntüchtigkeit bei Verdrehungen der Maßverkörperüng nicht aufweist und in der Lage ist, außer der x- und y-Koordinate auch die -Koordinate des in der Ebene bewegten'Körpers zu erfassen. Es wird eine integrierte Maßverkörperung verwendet, die gegenüber anderen Lösungen eine geringere Masse aufweist. MiJ dem gezeigten Auswerteverfahren ist auch eine Messung in anderen als den kartesischen Koordinaten, wie z. B. Polarkoordinaten, möglich.The invention enables a planar non-contact measuring system and a method for determining the relative position of a body in the plane, which does not have the disadvantage of inoperability in rotations of Maßverkörperüng and is able, in addition to the x- and y-coordinate and the coordinate of to detect bodies moving in the plane. It uses an integrated material measure, which has a lower mass than other solutions. The evaluation method shown is also a measurement in other than the Cartesian coordinates, such. B. polar coordinates possible.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einem Mehrkoordinatenantrieb ohne mechanischen Bewegungswandler und einer Regeleinrichtung als dynamisch hochwertiges Positioniersystem anwendbar.The invention can be used in conjunction with a multi-coordinate drive without a mechanical motion converter and a control device as a dynamically high-quality positioning system.

Darlegung des Wesens der Erfindung . . .Explanation of the essence of the invention. , ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ebenes berührungsioses Mehrkoordinatenmeßsystem und ein Verfahren zu schaffen, das eine berührungslose direkte Messung der Position eines Körpers in beliebigen Koordinaten der Ebene sowieThe invention has for its object to provide a planar contact Mehrkoordinatenmeßsystem and a method that provides a non-contact direct measurement of the position of a body in any coordinates of the plane and

eine Separierung der Lagegrößen ermöglicht. ,allows a separation of the position sizes. .

Weiterhin soll die Masse der Maßverkörperung möglichst gering sein.Furthermore, the mass of the material measure should be as low as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für alle Meßkoordinaten der Ebene nur eine gemeinsame Meßverkörperung mit einem definierten Muster vorgesehen ist. Zur Abtastung der Maßverkörperung sind mindestens drei linienhafte Empfänger vorgesehen, wobei mindestens ein Empfänger nicht parallel zu einem von den anderen Empfängern' angeordnet ist Um den Meßfehler gering zu halten, wird ein besonderes Meßverfahren angewendet. Die von den Empfängern gelieferten Signale werden nicht direkt in die geforderten Meßkoordinaten transformiert, sondern zuerst richtungsabhängig in Zwischenspeichern summiert. Die Werte der Zwischenspeicher sind der Lage des Körpers adäquat und nicht fehlerbehaftet, sie sind jedoch noch nicht mit den Werten der geforderten Meßkoordinaten identisch.This object is achieved in that is provided for all measuring coordinates of the plane only a common Meßverkörperung with a defined pattern. At least three linear receivers are provided for scanning the measuring standard, at least one receiver being arranged not parallel to one of the other receivers. In order to keep the measuring error low, a special measuring method is used. The signals supplied by the receivers are not transformed directly into the required measurement coordinates, but first summed in buffers depending on the direction. The values of the latches are adequate to the position of the body and are not error-prone, but they are not yet identical to the values of the required measuring coordinates.

In der Auswerteeinrichtung, z. B. einem Rechenwerk, werden die Werte der Zwischenspeicher in die geforderten Meßkoordinaten transformiert. Da jeweils von den fehlerfreien Werten der Zwischenspeicher ausgegangen werden kann, addieren sich die Ruridungsfehler des Rechenwerkes nicht und der Meßfehler bleibt gering.In the evaluation, z. As an arithmetic unit, the values of the latches are transformed into the required Meßkoordinaten. Since each of the error-free values of the buffer can be assumed, the Ruridungsfehler of the calculator add not and the measurement error remains low.

Zur Erhöhung der Auflösung kann zwischen der Maßverkörperung und den Empfängern eine vergrößernde Abbildungsoptik angeordnet werden.To increase the resolution, a magnifying imaging optics can be arranged between the material measure and the receivers.

Eine Verkleinerung des Strahlendetektors wird erreicht, wenn die linienhaften Empfänger zu einem matrixförmigen Empfänger zusammengefaßt sind. Besonders bei dieser Anordnung kann es günstig sein, die Maßverkörperung fest und den Empfänger zusammen mit dem Körper, dessen Lage bestimmt werden soll, beweglich anzuordnen.-A reduction of the radiation detector is achieved when the line-like receiver are combined to form a matrix-shaped receiver. Especially with this arrangement, it may be convenient to the material measure fixed and the receiver together with the body whose position is to be determined to arrange movable.-

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. · ,The invention will be explained below with reference to two embodiments. ·,

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings show:

Fig. 1 Meßsystemanordnung mit drei linienhaften Fotoempfängern .Fig. 1 measuring system arrangement with three linear photoreceivers.

Fig. 2 Meßsystemanordnung mit matrixförmigem Empfänger und optischer Vergrößerung In Fig. 1 ist eine Anordnung eines berührungsloseq Meßsystems zur Bestimmung derx-, y- und -Koordinate eines Objektes in der Ebene dargestellt. Eine Maßverkörperung 1, die durch eine nichtdargestellte Führung in der Ebene geführt und mit dem Objekt gekoppelt ist, wird durch drei in geringem Abstand zur Maßverkörperung 1 stehenden linienhaften Fotoempfängern abgetastet und die relative Änderung der Lage zwischen Maßverkörperung 1 und jedem Fotoempfänger 2 in einem zugehörigen Zwischenspeicher 3 richtungsabhängig summiert. Aus den Werten der Zwischenspeicher 3 kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit einer Auswerte- oder Rechenschaltung 4 die Lage des Objektes zu einem Bezugspunkt und einer Bezugsrichtung ermittelt werden. Die Beleuchtung der Maßverkörperung erfolgt im Durchlichtverfahren.FIG. 1 shows an arrangement of a contactless measuring system for determining the x, y and coordinate of an object in the plane. FIG. A material measure 1, which is guided by an unillustrated guide in the plane and coupled to the object is scanned by three standing at a small distance to the measuring scale 1 linear photoreceptors and the relative change in position between the measuring scale 1 and each photoreceiver 2 in an associated buffer 3 summed depending on the direction. From the values of the latches 3, the position of the object relative to a reference point and a reference direction can be determined at any desired time with an evaluation or calculation circuit 4. The lighting of the material measure is done by transmitted light.

-^- £3 1 I/I '- ^ - £ 3 1 I / I '

Die drei linienhaften Fotoempfänger 2 können dabei aus einer Anordnung einzelner Fotoempfänger (Fotodioden, Fototransistoren o. ä.) oder aus integrierten linienhaften Fotoempfängeranordnungen (z. B. CCD-Zeilen) bestehen. Als Muster auf der Maßverkörperung 1 kann z. B. ein strahlenförmiges Raster verwendet werden. Die Auflösung der Meßanordnung wird, sofern keine zusätzliche elektronische Interpolation erfolgt, von der Größe der lichtempfindlichen Gebiete auf dem linienhaften Fotoempfänger abhängig. The three linear photoreceivers 2 can consist of an arrangement of individual photoreceivers (photodiodes, phototransistors or the like) or of integrated line-like photoreceiver arrangements (eg CCD lines). As a pattern on the measuring scale 1 z. B. a radial grid can be used. The resolution of the measuring arrangement is dependent on the size of the photosensitive areas on the line-like photoreceiver, if no additional electronic interpolation occurs.

In Fig. 2 ist eine Meßanordnung dargestellt, bei der die linienhaften Fotoempfänger 3 zu einem matrixförmigen Fotoempfänger 6 zusammengefaßt sind. Zur Erhöhung der Auflösung ist ein optisch vergrößerndes Abbildungssystem zwischen Maßverkörperung 1 und matrixförmigem Fotoempfänger 6 angeordnet. Die Auswertung der Signale des matrixförmigen Fotoempfängers 6 kann wie in Fig. 1 dargestellt werden, oder durch ein bilderkennendes Auswertesystem erfolgen.In Fig. 2, a measuring arrangement is shown, in which the line-like photoreceptor 3 are combined to form a matrix-shaped photoreceiver 6. To increase the resolution, an optically magnifying imaging system between measuring scale 1 and matrix-shaped photoreceiver 6 is arranged. The evaluation of the signals of the matrix-shaped photoreceptor 6 can be represented as shown in FIG. 1 or by a picture-identifying evaluation system.

Die Beleuchtung der Maßverkörperung 1 ist auf Grund des Abbildungssystems 5 im Durchlicht- oder Auflichtverfahren möglich. . .The illumination of the material measure 1 is possible on the basis of the imaging system 5 in the transmitted light or incident light method. , ,

Claims

-3- 251171 4

Invention claim '-

1. A device for planar non-contact multi-coordinate measurement for determining the relative position of a body in the plane, consisting of a lighting device, a material measure (1) and optical receivers which scan the material measure, characterized in that for all measuring coordinates of the plane only a common measuring scale ( 1) is provided with a defined pattern, for the scanning at least three linear receiver (2) are provided, wherein at least one receiver (2) is not arranged parallel to one of the other receivers (2).

2. Apparatus for non-contact multi-coordinate measurement according to item 1, characterized in that the line-like receiver (2) are combined to form a matrix-shaped receiver (6).

3. A device for non-contact multi-coordinate measurement according to item 1 or item 2, characterized in that between the material measure (1) and the receivers (2) a magnifying imaging optics (5) is fixedly arranged.

4. A method for planar non-contact multi-coordinate measurement according to points 1 to 3, characterized in that the signals of the receiver (2) according to the movement of the object in latches (3) direction-dependent summed and the values of the buffer (3) by an evaluation or Arithmetic circuit (4) are transformed into the components of the required Meßkoordinaten.

See 1 page drawings'