DD281650C4

DD281650C4 - ARRANGEMENT AND MEASURING METHOD FOR LOCALIZING OPTICAL STRUCTURAL ELEMENTS BY MEANS OF POSITION-SENSITIVE OPTOELECTRONIC SENSORS

Info

Publication number: DD281650C4
Authority: DD
Publication date: 1991-03-14

Description

Hierzu 9 Seiten ZeichnungenFor this 9 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung kann vorwiegend zur Längenmessung an periodisch oder nichtperiodisch sich wiederholenden optischen Strukturelementen, wie z. B. Strichmaßverkörperungen (Strichmaßstäbe, Nivellierlatten, Bandmaße, Rasterteilungen, Sonderteilungen u.a.) angewendet werden. Dabei können die Teilungsfehler der Maßverkörperungen mit z. B. oft sehr vielen Teilstrichen objektiv, vorwiegend dynamisch und automatisch mit hoher Präzision bestimmt werden, indem der jeweilige Strich oder allgemein ein optisches Strukturelement mit Hilfe positionsempfindlicher optoelektronischer Sensoren (POS) lokalisiert und gleichzeitig seine Position mit einem an und für sich bekannten Längenmeßgerät gemessen wird. Sowohl für meßtechnische Prüfstellen, Hersteller und Anwender o.g. Maßverkörperungen bzw. optischer Strukturen ist es günstig, die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das beschriebene Meßverfahren zu nutzen.The invention can be used primarily for measuring the length of periodically or non-periodically repeating optical structural elements, such. B. Strokes (line scales, leveling staffs, tape measures, grid divisions, special distributions u.a.) Are applied. The division error of the material measures with z. B. often very many graduations objectively, mainly dynamically and automatically determined with high precision by the respective bar or generally an optical structural element using position-sensitive optoelectronic sensors (POS) located and simultaneously measured its position with a known per se length measuring device , Both for metrological testing agencies, manufacturers and users o.g. Measuring standards or optical structures, it is favorable to use the arrangement according to the invention or the described measuring method.

Characteristic of the known technical solutions

Stand der Technik sind visuelle, aber vorwiegend fotoelektrische Mikroskope, die eine Stricherfassung mit höchster Präzision bis in den Submikrometerbereich ermöglichen, aber einen relativ komplizierten mechanisch-optischen Aufbau besitzen/1 /, 121,121, State of the art are visual, but predominantly photoelectric microscopes, which enable high-precision line detection down to the submicron range, but have a relatively complicated mechanical-optical structure / 1 /, 121.121,

Im allgemeinen besteht solch ein fotoelektrisches Mikroskop neben abbildenden optischen Systemen aus einem Teilerprisma mit Spaltblende, auf welches der zu untersuchende Maßstabsstrich meistens vergrößert abgebildet wird. Auch schwingende Spalte sind gebräuchlich. Die nach dieser geometrischen Strahlenteilung des Strichbildes entstehenden Teillichtströme werden durch jeweils einen fotoelektrischen Empfänger (z.B. Fotodiode, SEV, PIN-Diode u.a.) in elektrische Signale umgewandelt und ihre Differenz gebildet. Besitzt diese den Wert Null, dann ist der zu untersuchende Teilungsstrich symmetrisch bezüglich des Spaltes positioniert (Strichmittenverfahren).In general, such a photoelectric microscope in addition to imaging optical systems of a splitting plate prism with slit, on which the scale to be examined is usually displayed enlarged. Also swinging column are in use. The partial luminous fluxes resulting from this geometric beam splitting of the line image are converted into electrical signals by a respective photoelectric receiver (e.g., photodiode, SEV, PIN diode, etc.) and their difference is formed. If this has the value zero, then the graduation line to be examined is positioned symmetrically with respect to the gap (line center method).

Benutzt man nur einen Empfänger, kann man mit Hilfe festgelegter Signalpegel die linken und rechten Kanten derTeilungsstriche lokalisieren (Strichkantenverfahren).Using only one receiver, one can locate the left and right edges of the divisions by means of fixed signal levels (line edge method).

Durch Mittelwertbildung einander zugeordneter Kantenpositionen kann ebenfalls die Strichmittenposition ermittelt werden. Das Strichmittenverfahren besitzt den Nachteil, daß ein Empfängerpaar benutzt werden muß, dessen Einzelempfänger im allgemeinen ein unterschiedliches Driftverhalten zueinander aufweisen. Dieses kann Verschiebungen der Striche vortäuschen und somit Meßfehler verursachen.By averaging mutually associated edge positions, the line center position can also be determined. The Strichmittenverfahren has the disadvantage that a receiver pair must be used, the individual receiver generally have a different drift behavior to each other. This can simulate shifts in the lines and thus cause measurement errors.

Das Strichkantenverfahren besitzt einen anderen Nachteil: es müssen doppelt so viele Meßwerte erfaßt und registriert werden.The line edge method has another disadvantage: twice as many measured values must be recorded and registered.

IM Pieles, H.: Verfahren zur Erzeugung elektrischer Signale für eine interferentielle Längenmeßmaschine. Symposium IM Pieles, H .: Method for generating electrical signals for an interferential length measuring machine. symposium

INSYMET, Bratislava 1972 121 Hartmann, 0.; Meixner, M.; Pieles, H.; Sparrer, G.: Messung von Strichmaßen mit Teilstrichabständen unter 0,1 mmINSYMET, Bratislava 1972 121 Hartmann, 0 .; Meixner, M .; Pieles, H .; Sparrer, G .: Measurement of line sizes with line spacing below 0.1 mm

mit dem 2m-Komparator. Feingerätetechnik 27 Jg. Heft 3/1978 S. 102 ff. /3/ Woschni, H.-G.: Zum Stricheinfang mit fotoelektrischen Mikroskopen. Feingerätetechnik 27. Jg. Heft 3/1978with the 2m comparator. Feingerätetechnik 27 Jg. Heft 3/1978 pp. 102 ff. / 3 / Woschni, H.-G .: For line tracing with photoelectric microscopes. Feingerätetechnik 27. Jg. Issue 3/1978

S. 112 ffP. 112 ff

/4/ DD WP 134 383 / 4 / DD WP 134 383

Prüfeinrichtung für Meßbänder aus Stahl und Stahlmaßstäbe /5/ DD WP 157 827Test equipment for measuring belts made of steel and steel scales / 5 / DD WP 157 827

Anordnung zur geschwindigkeitsabhängigen Steuerung des Zählerfrequenzgenerators eines Meßbandkomparators /6/ DD WP 149 569Arrangement for the speed-dependent control of the counter frequency generator of a measuring band comparator / 6 / DD WP 149 569

Automatisierter und transportabler Meßbandkomparator /7/ DE OF 2059106Automated and portable measuring band comparator / 7 / DE OF 2059106

Verfahren und Hilfsvorrichtung zum selbständigen Messen von Strichbreiten oder Kantenabständen kleiner Objekte /8/ DD WP 253 294 A1Method and auxiliary device for autonomous measurement of bar widths or edge distances of small objects / 8 / DD WP 253 294 A1

Automatisierter und transportabler LängenkomparatorAutomated and portable length comparator

/9/ DD WP 201 500 В1/ 9 / DD WP 201 500 В1

Verfahren zur Bestimmung der fotometrischen Mitte einer optisch wirksamen Struktur /10/ DD WP 201 500Method for determining the photometric center of an optically active structure / 10 / DD WP 201 500

Woschni, H.-G.; Christoph, R.; Reinsch, A.: Verfahren zur Lagebestimmung einer optisch wirksamen Struktur mitWoschni, H.-G .; Christoph, R .; Reinsch, A .: Method for determining the position of an optically active structure with

einer CCD-Zeile. Feingerätetechnik, Jg. 33 Heft 5/1984 S. 219 ffa CCD line. Feingerätetechnik, Jg. 33 Heft 5/1984 S. 219 ff

/11/ DD WP 208 858 / 11 / DD WP 208 858

Verfahren zur Messung des Ortes bewegter optisch wirksamer Strukturen mit Hilfe von Fotoempfä'ngerarrays /12/ DD WP 253 215Method for measuring the location of moving optically active structures with the aid of photoreceiver arrays / 12 / DD WP 253 215

Einrichtung zur fotometrischen Strukturorterkennung mit einem FotoempfängerarrayDevice for photometric structure identification with a photoreceptor array

Ein weiterer Nachteil fotoelektrischer Mikroskope gegenüber der weiter unten beschriebenen Erfindung ist ihr relativ komplizierter mechanisch-optischer Aufbau. Die in /5/ und /6/ beschriebenen Anordnungen zur Prüfung von Meßbändern benutzen als Prüfling und Normal zwei nebeneinander liegende Meßbänder, deren Teilungsfehler mittels eines Zeitverfahrens bestimmt werden. Die Anordnung besitzt den Nachteil, daß für hochgenaue Messungen durch die Verletzung des Komparatorprinzips Meßfehler hervorgerufen werden.Another disadvantage of photoelectric microscopes over the invention described below is their relatively complicated mechanical-optical design. The arrangements for testing measuring tapes described in / 5 / and / 6 / as test sample and normal use two adjacent measuring tapes whose pitch errors are determined by means of a time method. The arrangement has the disadvantage that measurement errors are caused for highly accurate measurements by the violation of the comparator principle.

Das in /7/ beschriebene Verfahren benutzt zur Darstellung der Hell-Dunkel-Übergänge eine Vidikonröhre. Die Abstände der Teilungsfehler werden ebenfalls nach einem Zeitverfahren bestimmt. Nachteil dieser Anordnung ist der komplizierte Aufbau der hierzu benötigten Kamera und eine erforderliche hohe Beleuchtungsstärke, um Meßfehler infolge Nachlaufeffekte hinreichend klein zu halten.The method described in / 7 / uses a vidicon tube to represent the light-dark transitions. The distances of the pitch errors are also determined by a time method. Disadvantage of this arrangement is the complicated structure of the camera required for this purpose and a required high illuminance to keep measurement errors due to tracking effects sufficiently small.

In /8/ ist ein automatisierter Längenkomparator zur Prüfung von Nivellierlatten und Meßbändern beschrieben. Dieser Längenkomparator bestimmt mit Hilfe zweier CCD-Kameras die Teilungsfehler der o.g. Prüflinge.In / 8 / an automated length comparator for testing leveling staffs and measuring tapes is described. This length comparator uses two CCD cameras to determine the division errors of the o.g. Examinees.

Weitere Anordnungen zur Lagebestimmung optisch wirksamer Strukturen mit CCD-Zeilen oder Fotoempfängerarrays werden in /9/, /10/, /11 /, /12/, /13/ angeführt. Die Anordnungen mit CCD-Zeilen verfügen über hohe Genauigkeiten, vor allem, wenn eine Grauwertverarbeitung der Meßsignale erfolgt. Sie besitzen die Nachteile, daß die CCD-Technikeinen sehr hohen Hardware- und Softwareaufwand erfordert.Further arrangements for determining the position of optically active structures with CCD lines or photoreceiver arrays are given in / 9 /, / 10 /, / 11 /, / 12 /, / 13 /. The arrangements with CCD lines have high accuracies, especially when gray value processing of the measuring signals takes place. They have the disadvantages that the CCD technique requires a very large amount of hardware and software.

Die erfindungsgemäße Anordnung und Meßverfahren besitzt o.g. Nachteile-nicht. Sie ist einfach in ihrem optischen und mechanischen Aufbau, erfordert einen geringeren elektronischen Aufwand und ist deshalb bei zahlreichen Anwendungen ökonomisch günstiger.The arrangement and measuring method according to the invention has o.g. Cons-not. It is simple in its optical and mechanical structure, requires less electronic effort and is therefore economically cheaper in many applications.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist eine einfachere Anordnung von mechanischen, optischen und elektronischen Baugruppen sowie ein einfacheres Meßverfahren zur Lokalisierung von Teilungsstrichen und anderer sich wiederholender optischer Strukturelemente für genaue Längenmessungen, als dies mit den bekannten aber kompliziert aufgebauten fotoelektrischen Mikroskopen möglich ist. Die neue Anordnung bzw. das Meßverfahren soll aber dabei die guten Eigenschaften der fotoelektrischen Mikroskope im wesentlichen beibehalten. Das heißt, es muß möglich sein, dieTeilungsfehler einer Strichteilung oder allgemein sich periodisch oder nichtperiodisch wiederholender optischer Strukturelemente objektiv, schnell, automatisch, optoelektronisch und vorwiegend in einem dynamischen Meßvorgang mit Hilfe der Erfindung im Zusammenhang mit bekannten Längenmeßverfahren zu bestimmen. Dies soll je nach Meßobjekt im Auf- oder Durchlicht möglich sein.The aim of the invention is a simpler arrangement of mechanical, optical and electronic assemblies and a simpler measurement method for locating graduation marks and other repetitive optical structural elements for accurate length measurements, as is possible with the known but complicated constructed photoelectric microscopes. However, the new arrangement or the measuring method should essentially retain the good properties of the photoelectric microscopes. That is, it must be possible to determine the pitch errors of a pitch line or generally periodically or non-periodically repeating optical features objectively, rapidly, automatically, opto-electronically, and predominantly in a dynamic measuring operation using the invention in conjunction with known length measuring methods. This should be possible depending on the DUT in incident or transmitted light.

Ziel der Erfindung ist es auch, daß sowohl helle Strukturen auf dunklem Untergrund als auch umgekehrt, dunkle Strukturen auf hellem Untergrund erfaßt werden können.The aim of the invention is also that both light structures on dark ground and vice versa, dark structures can be detected on a light background.

Gegenüber den fotoelektrischen Mikroskopen soll bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf einen optischen Strahlenteiler verzichtet werden und an Stelle einer oder zweier Fotodioden (SEV, PIN-Fotodiode u.a.) ein POS benutzt werden.Compared to the photoelectric microscopes to be dispensed with in the inventive arrangement on an optical beam splitter and instead of one or two photodiodes (SEV, PIN photodiode u.a.) A POS can be used.

Ein Ziel der Erfindung ist auch, daß man bei der Lokalisierung von Strukturelementen weitgehend unabhängig von einer ungleichmäßigen Ausleuchtung oder Störungen der Umgebung eines Strukturelementes (z. B. Kratzer) ist.An object of the invention is also that in the localization of structural elements is largely independent of uneven illumination or disturbances of the environment of a structural element (eg scratches).

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, mit optisch-mechanischen oder elektronischen Mitteln nur von den interessierenden zu vermessenden Strukturelementen (z. B. Striche) eine Meßwertauslösung zuzulassen, während eine Meßwertausgabe von meßtechnisch uninteressanten Strukturelementen (z.B. Ziffern, Beschriftungen, Marken auf Teilungsträgern) unterdrückt werden soll.A further object of the invention is to permit triggering of measured values with optical-mechanical or electronic means only of the structural elements of interest (for example lines) while a measured value output of metrologically uninteresting structural elements (eg numbers, inscriptions, marks on graduation carriers) should be suppressed.

Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, Strukturelemente bei Bedarf auch zweidimensional lokalisieren zu können, um z. B. eine zweidimensionale Bestimmung von Teilungsfehlern zu ermöglichen.Finally, it is an object of the invention to be able to localize structural elements as needed two-dimensionally, to z. B. to allow a two-dimensional determination of pitch errors.

Explanation of the essence of the invention

Fotoelektrische Mikroskope gestatten hintereinander angeordnete optische Strukturenelemente, insbesondere Teilungsstriche objektiv, schnell, automatisch und dynamisch mit höchster Präzision zu lokalisieren. Im Gegensatz zu den genannten Vorteilen besitzen diese Mikroskope einige Nachteile:Photoelectric microscopes allow successively arranged optical structural elements, in particular graduation strokes objectively, quickly, automatically and dynamically with the highest precision to locate. In contrast to the advantages mentioned, these microscopes have some disadvantages:

1. Komplizierter mechanisch-optischer Aufbau1. Complex mechanical-optical construction

2. Driftverhalten der beiden Fotoempfänger zueinander beim Strichmittenverfahren2. drift behavior of the two photoreceptors to each other in the Strichmittenverfahren

3. Doppelter Datenanfall und Rechenaufwand beim Strichkantenverfahren.3. Double data acquisition and computational effort in the line edge process.

Die im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Anordnung besitzt diese Nachteile nicht, während die Vorteile der fotoelektrischen Mikroskope im wesentlichen beibehalten werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sehr einfach: sie besteht aus einem Abbildungsobjektiv, einem unterteilten (z.8. Differenzfotodiode, Quadrantenempfänger u.a.) oder vorwiegend einem nicht unterteilten positionsempfindlichen optoelektronischen Sensor (z.B. Streifenfotodiode, VoIIfIächendiode) und einer Beleuchtungseinrichtung. Mittels Objektiv wird der zu vermessende Strukturausschnitt in geeigneter Weise auf den positionsempfindlichen optoelektronischen Sensor (POS) abgebildet. Bei einer Relativbewegung zwischen der optischen Struktur, z. B. von Strichen, und dem POS senkrecht zur Längsachse der Striche, ergibt sich an dem der Meßrichtung entsprechenden Elektrodenpaar ein alternierendes elektrisches Signal, welches genau dann gleich Null ist, wennThe arrangement according to the invention described below does not suffer from these disadvantages, while substantially retaining the advantages of the photoelectric microscopes. The arrangement according to the invention is very simple: it consists of an imaging objective, a subdivided (e.g., differential photodiode, quadrant receiver, etc.), or predominantly a non-subdivided position sensitive opto-electronic sensor (e.g., strip photodiode, full-wave diode) and illuminator. By means of a lens, the structure section to be measured is imaged in a suitable manner on the position-sensitive optoelectronic sensor (POS). In a relative movement between the optical structure, for. B. of dashes, and the POS perpendicular to the longitudinal axis of the lines, results in the measuring direction corresponding electrode pair an alternating electrical signal, which is exactly zero when

entweder die Strichmitte oder die Mitte der Strichlücke mit der elektrischen Null des POS koinzidiert. Dabei ist es gleichgültig, welches Verhältnis zwischen Strukturbreite und Breite der Lücke besteht und ob die Strukturelemente mit konstanten oder sich ändernden Teilungsschritten angeordnet sind.either the center of the line or the middle of the line gap coincides with the electrical zero of the POS. It does not matter which relationship exists between the structure width and the width of the gap and whether the structure elements are arranged with constant or changing graduation steps.

Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit ist es z. B. bei Strichteilungen erforderlich, möglichst den größten Teil der Strichlänge auf den POS abzubilden. Ist der Teilungsschritt S zwischen den Strukturelementen etwa gleich der Länge der Strukturelemente selbst (Quotient ungefähr gleich Eins), wird es vorteilhaft sein, bei der meist eindimensionalen Meßaufgabe einen zweidimensionalen POS (Vollflächendiode, Quadrantenempfänger) einzusetzen, wenn das Verhältnis zwischen Breite B_E und Länge L_E der aktiven Fläche des POS mit dem Verhältnis zwischen Teilungsschritt und Länge des Strukturelements in einem günstigen Verhältnis (z. B. Strichlänge) übereinstimmt und somit eine optimale Abbildung möglich ist.To achieve high accuracy, it is z. B. at Strichteilungen required to map most of the stroke length on the POS as possible. If the division step S between the structural elements is approximately equal to the length of the structural elements themselves (quotient approximately equal to one), it will be advantageous to use a two-dimensional POS (full-area diode, quadrant receiver) for the mostly one-dimensional measurement task, if the ratio between width B _E and length L _{E of} the active area of the POS coincides with the ratio between the pitch step and the length of the structural element in a favorable ratio (eg dash length) and thus optimal imaging is possible.

Die maximale Empfindlichkeit erhält man, wenn die Breite der Frontfläche des POS etwa der Schrittweite der Bilder der Teilungsschritte entspricht. Dies ist wie bereits oben beschrieben mit zweidimensionalen POS möglich. Stehen diese nicht mit geeigneten Abmessungen der Frontflächen zur Verfügung, können die gewünschten Abbildungsverhältnisse durch den Einsatz einer Linse erreicht werden, welche in Meßrichtung und in Richtung der Längsachse der Strukturelemente unterschiedliche Brechkräfte aufweist.The maximum sensitivity is obtained when the width of the front face of the POS is approximately equal to the pitch of the images of the division steps. This is possible as described above with two-dimensional POS. If these are not available with suitable dimensions of the front surfaces, the desired imaging ratios can be achieved by the use of a lens which has different refractive powers in the measuring direction and in the direction of the longitudinal axis of the structural elements.

Nimmt der Quotient aus Teilungsschritt und Länge des Strukturelementes einen großen Wert an, ist es meistens vorteilhaft, die Messungen mit eindimensionalen POS durchzuführen. Aufgabe der Meßelektronik ist es, ein verstärktes Differenzsignal der vom POS erzeugten Teilströme, die der Meßrichtung zugeordnet sind, zu bilden. Dieses Differenzsignal alterniert bei einer Meßbewegung. Jeweils beim Erreichen des dem Strich oder der Lücke entsprechenden Nulldurchganges wird ein Steuerimpuls für das angeschlossene Längenmeßgerät (z.B. Laserinterferometer) mittels eines Komparators bereitgestellt. Mittels eines Umschalters, dessen Schaltzustände der jeweiligen Meßbewegung (vorwärts oder rückwärts) angepaßt sind, kann entschieden werden (im Zusammenhang mit der Meßrichtung), ob die Strichmitten oder die Mitten der Strichlücken oder beide gleichzeitig gemessen werden sollen. In dem einen Zweig (z. B. Rückwärtszweig) befindet sich ein invertierender Verstärker, damit unabhängig von der Meßbewegung immer der gewünschte Nulldurchgang detektiert wird.If the quotient of the division step and the length of the structure element assumes a large value, it is usually advantageous to carry out the measurements with one-dimensional POS. The task of the measuring electronics is to form an amplified differential signal of the partial currents generated by the POS, which are assigned to the measuring direction. This difference signal alternates during a measuring movement. Each time the zero or zero crossing corresponding to the bar or gap is reached, a control pulse for the connected length measuring device (e.g., laser interferometer) is provided by means of a comparator. By means of a changeover switch whose switching states are adapted to the respective measuring movement (forward or backward), it is possible to decide (in connection with the measuring direction) whether the dash centers or the centers of the line gaps or both should be measured simultaneously. In one branch (eg backward branch) there is an inverting amplifier so that the desired zero crossing is always detected independently of the measuring movement.

Wesentlich bei der Erfindung ist es, daß mit dem POS nicht nur helle Strukturen auf dunklem Untergrund, sondern auch dunkle Strukturen auf hellem Untergrund ,lokalisiert werden können, d.h., daß der Empfänger immer die fotometrische Mitte der Struktur im Zusammenwirken mit der Meßelektronik detektieren kann und ein Auslöseimpuls für das nachgeschaltete Längenmeßgerät erzeugt wird.It is essential in the invention that with the POS not only light structures on dark ground, but also dark structures on a light background, can be localized, ie that the receiver can always detect the photometric center of the structure in cooperation with the measuring electronics and a trigger pulse for the downstream length measuring device is generated.

Ein Merkmal der Erfindung ist es auch, daß je nach Meßobjekt im Durch-oder Auflicht gearbeitet werden kann.It is also a feature of the invention that it is possible to work in transmitted or reflected light, depending on the object to be measured.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß unmittelbar in die Bildebene der Struktur bzw. der Frontfläche des POS ein Spaltblendenpaar eingefügt werden kann. Der Abstand der beiden Einzelspalte zueinander sowie ihre Breiten sind so dimensioniert, daß bei Koinzidenz des Striches in ihren Mitten die Kanten der Struktur erscheinen. Da also nur die Kanten der Striche und deren unmittelbare Umgebung erfaßt werden, ist es möglich, Meßfehler zu minimieren, die durch inhomogene Reflexions- (Auflicht) bzw. Transmissionsverhältnisse (Durchlicht) sowie unterschiedliche Ausleuchtung am Meßobjekt hervorgerufen werden können. Die beiden durch die Spalte gelangenden Intensitätsverteilungen, welche die zwei Kantenorte verkörpern, gelangen auf den POS. Letzterer detektiert den optischen Schwerpunkt der durch optische Addition gewonnenen resultierenden Intensitätsverteilung und somit den Ort des jeweiligen Strukturelementes (z. B. Strich- oder Luckenmitte).A further feature of the invention is that a slit diaphragm pair can be inserted directly into the image plane of the structure or the front surface of the POS. The distance between the two individual gaps and their widths are dimensioned so that coincidence of the stroke in their centers, the edges of the structure appear. Thus, since only the edges of the bars and their immediate surroundings are detected, it is possible to minimize measurement errors that can be caused by inhomogeneous reflection (reflected light) or transmission conditions (transmitted light) and different illumination on the test object. The two intensity distributions passing through the column, which embody the two edge locations, reach the POS. The latter detects the optical center of gravity of the resulting intensity distribution obtained by optical addition and thus the location of the respective structural element (eg center of line or center).

Bei der Messung an Strukturelementen mit homogenen Reflexions- oder Transmissionsverhalten, z. B. schwarze Striche, und inhomogener Intensitätsverteilung ihrer Umgebung kann als weiteres Merkmal der Erfindung an Stelle eines Blendenpaares auch nur eine Blende eingesetzt werden, die etwas breiter als der Strich ist bzw. deren Breite etwa dem Abstand der beiden äußeren Kanten des o.g. Blendenpaares entspricht.When measuring on structural elements with homogeneous reflection or transmission behavior, z. As black bars, and inhomogeneous intensity distribution of their environment can be used as a further feature of the invention instead of a pair of apertures, only one aperture, which is slightly wider than the line or whose width is about the distance between the two outer edges of the o.g. Aperture pair corresponds.

Ein Merkmal der Erfindung ist es auch, durch geeignete Blenden zu verhindern, daß z. B. für die Teilungsmessung uninteressante Informationen (z. B. Ziffern auf einem Teilungsträger) nicht auf die Frontfläche des POS gelangen können.A feature of the invention is also to prevent by suitable diaphragms that z. B. for the division measurement uninteresting information (eg., Numerals on a graduation carrier) can not get to the front surface of the POS.

Bei einer eindimensionalen Messung kann es bei Benutzung eines zweidimensionalen POS auch ein Merkmal der Erfindung sein, daß mit Hilfe des zweiten Elektrodenpaares und geeigneter Meßelektronik gemäß der Figuren 10 und 11 ebenfalls mit elektronischen Mitteln eine Unterdrückung der o.g. nicht interessierenden Informationen möglich wird.In a one-dimensional measurement, it may also be a feature of the invention when using a two-dimensional POS that with the help of the second pair of electrodes and suitable measuring electronics according to Figures 10 and 11 also with electronic means, a suppression of the o.g. not interesting information is possible.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, daß das zweite Elektrodenpaar des POS bzw. das an ihm anliegende elektrische Signal als objektives Justierkriterium dienen kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Längsachse z. B. eines Strichmaßstabes parallel zur Bewegungsachse des Meßschlittens auszurichten.Another feature of the invention may be that the second electrode pair of the POS or the electrical signal applied to it can serve as an objective Justierkriterium. In this way it is possible, the longitudinal axis z. B. to align a line scale parallel to the axis of movement of the measuring slide.

Schließlich ist es ein Merkmal der Erfindung, daß mit Hilfe eines zweidimensionalen POS und Benutzung der übrigen Baugruppen in doppelter Ausführung zwei Längenmeßsysteme angesteuert werden können und auf diese Weise eine zweidimensionale Lokalisierung von Strukturelementen möglich ist.Finally, it is a feature of the invention that with the help of a two-dimensional POS and using the other modules in duplicate two length measuring systems can be controlled and in this way a two-dimensional localization of structural elements is possible.

Ausführungsbeispielembodiment

Im folgenden wird zunächst als Ausführungsbeispiel eine Meßanordnung zur Prüfung von Präzisionsnivellierlatten (schwarze Striche auf weißem Untergrund) erläutert:In the following, a measuring arrangement for testing precision leveling bars (black lines on a white background) will first be explained as an exemplary embodiment:

Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau des Sensorkopfes. Die Striche 1 des Maßstabträgers 2 werden hier einzeln mit Hilfe des Objektives 3 auf den POS 4 abgebildet (T). Die Beleuchtung erfolgt mit Hilfe eines oder zweier Lichtleiter 5, die so angeordnet sind, daß die Maßstabstriche vollständig, gleichmäßig und möglichst symmetrisch ausgeleuchtet werden. Objektiv, Beleuchtungseinrichtung und POS sind miteinander starr verbunden und bilden die wesentlichen Teile des Sensorkopfes. Wird bei der Messung eine Relativbewegung zwischen Maßstabträger und Sensorkopf gemäß Pfeilrichtung in Fig'ur 1 herbeigeführt, so kann man an dem der Bewegungsachse zugeordneten Elektrodenpaar 6 des POS ein alternierendes Differenzsignal abgreifen. Dieses ist immer dann gleich Null, wenn entweder die Strichmitte oder die Strichlücke mit der elektrischen Null des POS koinzidiert.FIG. 1 shows the schematic structure of the sensor head. The lines 1 of the scale carrier 2 are here individually with the aid of the lens 3 on the POS 4 shown (T). The illumination is carried out with the aid of one or two light guides 5, which are arranged so that the scale marks are illuminated completely, evenly and as symmetrically as possible. Lens, illumination device and POS are rigidly connected to each other and form the essential parts of the sensor head. If a relative movement between the scale carrier and the sensor head in accordance with the arrow direction in FIG. 1 is brought about during the measurement, an alternating difference signal can be tapped on the electrode pair 6 of the POS assigned to the movement axis. This is equal to zero whenever either the center of the stroke or the line gap coincides with the electrical zero of the POS.

Das hier nicht interessierende Strichlückensignal bzw. das entsprechende Nullsignal wird mit elektronischen Mitteln unterdrückt. In Figur 2 ist die Relativlage der Strichbilder T bezüglich der Frontfläche 7 des POS und die Intensitätsverteilung I auf dieser Frontfläche für die Stellung Strichmitte und Strichlücke schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Vollflächendiode mit quadratischer Frontfläche. Aus der Figur gehen auch die Abbildungsverhältnisse hervor.The missing gap signal or the corresponding zero signal is suppressed by electronic means. In Figure 2, the relative position of the line images T with respect to the front surface 7 of the POS and the intensity distribution I on this front surface for the position center line and line gap is shown schematically. The exemplary embodiment is a full-surface diode with a square front surface. From the figure also show the imaging conditions.

Zu ersehen ist:You can see:

1. Auf der Frontfläche wird ein möglichst großer Teil der Strichlänge abgebildet. Das Strichbild überdeckt hier in seiner Längsrichtung die Frontfläche des POS.1. The largest possible part of the stroke length is displayed on the front surface. The line pattern covers the front surface of the POS in its longitudinal direction.

2. Zur Erreichung einer maximalen Signalempfindlichkeit ist es günstig, wenn der Abstand zweier Strichbilder bzw. Bilder der Lücken (Teilungsschritt Ss bzw. SJ etwa so groß ist wie die Breite Bg der lichtempfindlichen Schicht des POS.2. To achieve maximum signal sensitivity, it is favorable if the distance between two line images or images of the gaps (division step Ss or SJ is about as large as the width Bg of the photosensitive layer of the POS.

In Figur 3 ist der alternierende Signalverlauf dargestellt, welcher bei einer Meßbewegung an dem Elektrodenpaar 6 (Figur 1) des POS abgegriffen werden kann. Die Nulldurchgänge für die interessierenden Striche bzw. Lücken sind in Figur 3 gekennzeichnet.In Figure 3, the alternating waveform is shown, which can be tapped at a measuring movement on the electrode pair 6 (Figure 1) of the POS. The zero crossings for the bars or gaps of interest are marked in FIG.

Aufgabe der Meßelektronik im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist es, die z. B. den Strichmitten zugeordneten Nulldurchgänge (hier der aufsteigenden Flanken nach Figur 3) zu finden und daraus geeignete Steuersignale für die Erfassung der jeweiligen Strichposition zu erzeugen. Bei Richtungsumkehr der Meßbewegung müssen wieder die gleichen Nulldurchgänge wirksam werden, allerdings dann bei absteigender Flanke. Dies geschieht gemäß Figur 4 mit Hilfe des Umschalters und invertierenden Verstärkers.Task of the measuring electronics in the embodiment of Figure 4 is the z. B. the dash centers associated zero crossings (here the rising edges of Figure 3) to find and to generate suitable control signals for the detection of the respective stroke position. When reversing the direction of the measuring movement, the same zero crossings must again take effect, but then with a descending edge. This is done according to Figure 4 using the switch and inverting amplifier.

In Figur 5 ist die Ausführung eines Spaltblendenpaares 8 dargestellt, welches nur Lichtströme in der Nähe der Kanten des Strichbildes 1' auf die Frontfläche 7 der Vollflächendiode hindurchläßt. Zusätzlich ist in der genannten Figur die Intensitätsverteilung auf dem POS schematisch dargestellt. Die Spaltblende wurde im Ausführungsbeispiel unmittelbar vor die Vollflächendiode gesetzt.FIG. 5 shows the embodiment of a pair of slit diaphragms 8, which only allow light fluxes in the vicinity of the edges of the line pattern 1 'to pass onto the front surface 7 of the solid surface diode. In addition, the intensity distribution on the POS is shown schematically in the cited figure. The slit diaphragm was set in the embodiment immediately before the full-surface diode.

In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem an Stelle des Doppelspaltes nach Figur 5 nur eine Blende 9 benutzt wird, die etwas breiter als das Strukturelement selbst, z. B. wie das Strichbild Y ist.In Figure 6, an embodiment is shown, in which instead of the double slit of Figure 5, only one aperture 9 is used, which is slightly wider than the structural element itself, for. B. as the line image Y is.

Ein weiteres Beispiel für die Ausführung eines Spaltblendenpaares, z. B. für trapezförmige Striche von Präzisionsnivellierlatten ist in Figur 7 dargestellt.Another example of the execution of a slit pair, z. B. for trapezoidal strokes of Präzisionsnivellierlatten is shown in Figure 7.

Auch der in Figur 6 genannte Einzelspalt kann der Geometrie und Form des Strukturelementes angepaßt werden, z. B. für die o. g.Also, the single gap mentioned in Figure 6 can be adapted to the geometry and shape of the structural element, for. B. for the o. G.

trapezförmigen Striche in Figur 8.trapezoidal lines in Figure 8.

Figur 9 zeigt eine Teilung mit unterschiedlichen Teilungsschritten S_si, die ebenfalls mit der Meßeinrichtung erfaßt werden können. Gleiches gilt auch für die Teilungsschritte der Lücken S_Li. Nur bei gleichen Breiten der Strukturelemtente B₅-, bzw. By kann ein Doppel- oder Einzelspalt gemäß der Figuren 5 oder 6 eingesetzt werden. Ansonsten muß ohne Doppel- bzw. Einzelspalt gemessen werden.FIG. 9 shows a graduation with different graduation steps S _si , which can also be detected with the measuring device. The same applies to the division steps of the gaps S _Li . Only at the same widths of Strukturelemtente B ₅ -, or by a double or single nip according to the figures 5 or 6 can be used. Otherwise must be measured without double or single gap.

Die Figuren 10 und 11 illustrieren eine Möglichkeit zur Unterdrückung der Meßwertausgabe von Störsignalen auf Teilungsträgern (z. B. Ziffern, Beschriftungen, Marken), wenn zweidimensionale POS eingesetzt werden. In Figur 10a ist das Meßsignal U_x (t) dargestellt.Figures 10 and 11 illustrate a way of suppressing the measurement output of spurious signals on graduation carriers (eg, numerals, labels, marks) when two-dimensional POSs are employed. FIG. 10 a shows the measurement signal U _x (t).

Der Umschalter in Figur 11 ist so eingestellt, daß jeweils die Strichmitten bei absteigender Flanke erfaßt werden. Die Unregelmäßigkeiten im hinteren Abschnitt der Kurve in Figur 10a werden durch eine zweistellige Ziffer auf den Teilungsträger verursacht, und es käme zu vier nicht interessierenden Meßwertausgaben, wenn man letztere nicht unterdrückt. Zur Unterdrückung dieser Störsignale dient das in Figur 10b dargestellte Signal U_y (t), welches an dem zur Meßrichtung senkrecht liegenden Elektrodenpaar des zweidimensionalen POS abgegriffen wird. Ist die Symmetrie der Intensitätsverteilung in y-Richtung auf dem POS durch die beiden Ziffern im vorliegenden Beispiel gestört, d. h. U_v (t) liegt außerhalb des vorher festzulegenden Schwellwertfensters, ist das Tor in Figur 10c für die Meßwertausgabeso lange geschlossen und somit die Meßwertausgabe verriegelt, bis das Signal wieder innerhalb des Fensters liegt.The switch in Figure 11 is set so that each of the dash centers are detected at descending edge. The irregularities in the rear portion of the curve in Fig. 10a are caused by a two-digit number on the graduation carrier, and there would be four measurement outputs of no interest, unless the latter is suppressed. To suppress these interference signals, the signal shown in Figure 10b U _y (t), which is tapped at the perpendicular to the measuring direction pair of electrodes of the two-dimensional POS. If the symmetry of the intensity distribution in the y-direction on the POS is disturbed by the two digits in the present example, ie U _v (t) is outside the threshold window to be determined previously, the gate in FIG. 10c for the measured value output is closed for a long time and thus the measured value output is locked until the signal is within the window again.

Figur 11 entspricht dem Blockschaltbild in Figur 4, welches zusätzlich die beschriebene Störsignalunterdrückung enthält. Weitere Ausführungen (bildlich nicht dargestellt) ermöglichen eine zweidimensionale Lokalisierung von Strukturelementen, indem ein zweidimensionaler POS zur Anwendung kommt. An jedes der beiden Elektrodenpaare des Empfängers wird ein Exemplar der bereits beschriebenen Meßelektronik angeschlossen. Somit können zwei Längenmeßsysteme angesteuert werden. Zusätzlich ist es bei Bedarf möglich, die oben genannten Blenden für den zweidimensionalen Einsatz entsprechend zu modifzieren.FIG. 11 corresponds to the block diagram in FIG. 4, which additionally contains the described interference signal suppression. Further embodiments (not shown pictorially) allow a two-dimensional localization of structural elements by using a two-dimensional POS. To each of the two pairs of electrodes of the receiver, a copy of the measuring electronics already described is connected. Thus, two length measuring systems can be controlled. In addition, if necessary, it is possible to appropriately modify the above-mentioned diaphragms for two-dimensional use.

Claims

1. Arrangement for localization of optical structure elements (eg, dashes or gaps of a Strichteilung) by means of a position sensitive optoelectronic sensor (POS), for example, to determine their pitch error, wherein the step sizes (S ₃ , S _L ) of these structural elements and also their widths, (B _Si , B _Li ) can be constant or variable, and both bright structural elements (eg white lines) on a dark background and dark structural elements (eg black lines) on a light background or their gaps can be localized, characterized in that a suitable section of this optical structure is imaged onto this position-sensitive optoelectronic sensor (POS), which is the main component of the sensor head and the further components of the sensor head are predominantly an imaging objective, a lighting device and optionally a double or single diaphragm.

2. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claim 1, characterized in that in the optimal case, the structural element is imaged on the POS so that in its longitudinal axis as much as possible impinges on the photosensitive layer of the receiver, however so that the image in this axis is trimmed on both sides by the receiver itself something or if this optimal case can not be realized and a different optical imaging is allowed.

3. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 and 2, characterized in that in the measuring direction, the optical mapping of the structural elements in the optimal case on the POS so that the distance of the images of adjacent structural elements (division steps) is approximately coincides with the width of the active area of the POS, or a different optical image is allowed, if this optimal case can not be realized.

4. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 2 and 3, characterized in that an optimal mapping of the structural elements is achieved by the most frequently occurring one-dimensional measurement problem instead of a one-dimensional and a two-dimensional POS can be used , and the active surface of the POS has such dimensions as possible that the structural elements to be tested both in their longitudinal direction and in the measuring direction are optimally imaged on this surface and if no POS is available with suitable dimensions of the photosensitive layer, this optical image with a is achieved in and of itself known optical system, which has different refractive powers in the two directions.

5. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 4, characterized in that the object to be measured is illuminated as symmetrically and as homogeneously as possible or as homogeneous as possible in incident or transmitted light either in a known manner as in the photo-electronic microscopes or a plurality of suitably arranged light sources are arranged parallel or obliquely to the optical axis of the sensor head and the illumination plane is either parallel to the axis of the structural elements or (and) perpendicular to this axis or arranged arbitrarily.

6. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claim 5, characterized in that the illumination device is such that the light is transmitted directly or via one, two or more light guides.

7. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 6, characterized in that to increase the accuracy of the device in inhomogeneous illumination and inhomogeneous reflection (reflected light) or transmission conditions (transmitted light) of the measurement object immediately before the POS a pair of slit diaphragms or its image can be located, which at the symmetry position of the structural elements to be examined with respect to the electrical zero of the POS at the same time only light fluxes in the immediate vicinity of the image of a structural element, eg. B. a line, can reach the active area of the POS and automatically the photometric center of the resulting intensity distribution and thus the position of the respective structural element can be located by optical addition of these partial luminous flux.

8. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 6, characterized in that instead of a pair of apertures according to claim 7, only a slit or whose image can be arranged or imaged in front of the POS, and their width is slightly larger than the image width of a structure element.

9. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claim 7, characterized in that the individual gaps of the double slit can not have parallel to each other and (or) a shape corresponding to that of a structural element or its image.

10. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claim 8, characterized in that the edges of the single gap can not have parallel to each other and (or) a shape that matches the edge shape of a structural element or its image.

11. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 10, characterized in that for the suppression of interfering information on the scale carrier, such. As digits, labels and marks, suitable apertures can be arranged in front of the POS.

12. An arrangement for the localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 11, characterized in that connected to the arranged in the measuring direction electrode pair for triggering the control signals for the length measuring electronics, a measuring electronics, the most important components of which are known per se assemblies such as preamplifier, differential amplifier, voltage comparator, switch, inverting amplifier and pulse shaper stages.

13. Arrangement for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 1 to 12, characterized in that are used in the use of a two-dimensional POS, the described arrangements with the exception of the POS in duplicate, each dimension is assigned such, and thus the control of a second length measuring system for a two-dimensional measurement is possible.

14. Measuring method for localization of optical structure elements (eg, dashes or gaps of a Strichteilung) by means of a position-sensitive optoelectronic sensor (POS), z. To determine their pitch errors, where the pitches (S ₅ , S _L ) of these features and also their widths (B _Si , B _LI ) may be constant or variable, and both bright features (eg, white bars) dark background and dark structural elements (eg black lines) on a bright background or their gaps can be localized, characterized in that in a relative movement in the measuring direction (forward or backward) between the sensor head and the optical structure to be measured on the an alternating electrical difference signal is tapped whenever the center of gravity of the intensity distribution of the structure element imaged on the POS coincides with the electrical zero of the receiver and in this way the center of the structural element (e.g. Stroke or gap center) can be localized and with the help of the Meßel ektronik suitable control pulses for Meßwertregistrierung for coupled to the measuring device length measuring device (z. B. laser interferometer) is generated.

15. A measuring method for locating optical elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claim 14, characterized in that between the comparator and pulse shaper stage, a changeover switch and an inverting amplifier is used, with the aid of which the respective zero crossing, e.g. of the stroke on the ascending flank is also localized on reversal of the direction of movement, but then on descending flank, or the positions of the strokes, the gaps or both can be determined.

16. A measuring method for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 14 and 15, characterized in that when using two-dimensional POS for the most common one-dimensional measurement problems, the electrical signals of the second dimension can be used for control and adjustment purposes and on this way z. B. the longitudinal axis of a material measure in accordance with the direction of movement of the sensor head or this material measure can be brought.

17. Measuring method for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 14 to 16, characterized in that for suppressing the Meßwertausgabe of interference signals, z. As digits, labels, marks on graduation carriers, in the application of two-dimensional POS this perpendicular to the direction of measurement channel (y-channel) of this POS can be used by the normally constant waveform in this channel, as z. B. occurs during a relative movement in the measuring direction between well-adjusted lines or gaps and the POS, changes when an image of such a disturbing mark appears on the POS and by a gate circuit, the Meßwertausgabe this mark is prevented, as long as the electrical signal in y-channel is outside a threshold window (upper or lower threshold) to be determined beforehand, which is the case whenever a disturbance of the symmetry of the intensity distribution in the y-direction occurs.

18. Measuring method for localization of optical structure elements by means of a position-sensitive optoelectronic sensor according to claims 14 to 16, characterized in that when using a two-dimensional POS and the other modules in duplicate two length measuring systems can be controlled and thus a two-dimensional measurement can take place.