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Die Erfindung betrifft eine Positionssensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Objektes, mit einer mit dem Objekt koppelbaren oder gekoppelten Musterbereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung eines Musters, und einer Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung des bereitgestellten Musters, wobei die Bilderfassungseinrichtung einen Bildsensor mit einer Bildsensorfläche und ein dem Bildsensor zugeordnetes Objektiv aufweist.
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Eine Positionssensorvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument
DE 10 2015 209 259 A1 bekannt.
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Ein bewegliches Objekt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Spiegelelement, insbesondere einer Mikrolithographie-Belichtungsanlage.
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Die Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird mit einer Mikrolithographie-Belichtungsanlage durchgeführt, die ein Beleuchtungssystem und ein Projektionssystem aufweist. Das Bild einer mittels des Beleuchtungssystems beleuchteten Maske (Retikel) wird hierbei mittels des Projektionssystems auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichtetes und in der Bildebene des Projektionssystems angeordnetes Substrat, beispielsweise ein Siliziumwafer, projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrates zu übertragen.
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Um immer kleinere Strukturen integrierter Schaltungen herzustellen, sind EUV-Mikrolithographie-Belichtungsanlagen entwickelt worden, die Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 nm bis 30 nm, beispielsweise 13 nm oder 5 nm, verwenden. Bei solchen EUV-Belichtungsanlagen müssen wegen der hohen Absorption der meisten Materialien von Licht dieser Wellenlänge reflektierende Optiken, d.h. Spiegel, anstelle von brechenden Optiken, d.h. Linsen, eingesetzt werden.
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Die Spiegel können beispielsweise an einem Tragrahmen befestigt und wenigstens teilweise manipulierbar, insbesondere verkippbar ausgestaltet sein, um eine Bewegung eines jeweiligen Spiegels in bis zu sechs Freiheitsgraden, d.h. 6-dimensional, und damit eine hochgenaue Positionierung der Spiegel zueinander, insbesondere in pm-Bereich, zu ermöglichen. Somit können etwa im Betrieb der Belichtungsanlage auftretende Änderungen der optischen Eigenschaften, beispielsweise infolge von thermischen Einflüssen, ausgeregelt werden. Die Positionserfassung kann somit auch der Positionsregelung eines Objektes dienen und eine solche beinhalten.
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In dem oben genannten Dokument wird vorgeschlagen, die Position eines Spiegels einer Mikrolithographie-Belichtungsanlage bildbasiert zu ermitteln. Dazu weist die bekannte Positionssensorvorrichtung eine mit dem Spiegel gekoppelte oder koppelbare Musterbereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung eines Musters auf, sowie eine Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung des bereitgestellten Musters, und eine Bildauswerteeinrichtung zur Ermittlung der Position des Spiegels in Abhängigkeit von dem erfassten Muster.
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Eine solche bildbasierte Positionssensorvorrichtung hat gegenüber Positionssensorvorrichtungen, die auf optischen Gebern beruhen, und die beispielsweise um 90° zueinander phasenverschobene Niederspannungssignale erzeugen, den Vorteil, dass die Positionsbestimmung bei gleichen Kosten genauer durchgeführt werden kann.
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Unter einem Muster, das von der Musterbereitstellungseinrichtung bereitgestellt wird, wird in dem Dokument wie auch in der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche verstanden, die beispielsweise eine bearbeitete (strukturierte) Oberfläche des Objektes, eine bedruckte Oberfläche des Objektes, oder ein bedruckte und an dem Objekt angebrachte Unterlage sein kann. Das Muster kann auch beispielsweise ein lithographisch hergestelltes Muster sein. Das Muster kann einen Informationsgehalt von Ortsfrequenzen von zumindest 1/(500 µm) haben. Die Bilderfassungseinrichtung kann beispielsweise eine oder mehrere Kameras aufweisen. Die Bildauswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, das von dem Muster erfasste Bild in digitale Positionsdaten zu transferieren. Mit anderen Worten beruht die Positionsbestimmung auf der Auswertung des erfassten Bildes des Musters.
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Die Bilderfassungseinrichtung der bekannten Positionssensorvorrichtung weist einen Bildsensor auf, dem ein Kameraobjektiv zugeordnet ist, welches das Muster auf den Bildsensor abbildet. Eine solche Bilderfassungseinrichtung benötigt im Hinblick auf das Objektiv einen großen Bauraum.
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Im Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage für EUV-Anwendungen sind sogenannte Facettenspiegel vorhanden, die aus einer Mehrzahl einzelner kleiner Spiegelelemente (auch Facetten genannt) aufgebaut sind. Die einzelnen Spiegelelemente sind unabhängig voneinander verkippbar. Um die Kippwinkel der einzelnen Spiegelelemente unabhängig voneinander einstellen zu können, ist jedem Spiegelelement, d.h. jeder Facette, eine Aktuatorik zugeordnet. Aufgrund der Kleinheit der einzelnen Spiegelelemente und dem von der Aktuatorik der einzelnen Spiegelelemente eingenommenen Bauraum ist es schwierig, die Positionssensorvorrichtung aus dem eingangs genannten Dokument zur Positionserfassung der einzelnen Spiegelelemente des Facettenspiegels zu verwenden.
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Die Kippwinkel der Spiegelelemente der Facettenspiegel bestimmen die Ausleuchtung der Beleuchtungspupille. Die Genauigkeit der Einstellung der Kippwinkel der einzelnen Spiegelelemente bestimmt damit unmittelbar die Güte des Abbildungsverhaltens der EUV-Belichtungsanlage. Derzeit werden die Kippwinkel der Spiegelelemente in einem Regelkreis kontrolliert. Hierzu ist ein Sensorsystem erforderlich, das den jeweiligen Kippwinkel der Spiegelelemente misst. Hierzu wird ein magnetisches System verwendet. Da die Aktuatorik der einzelnen Spiegelelemente ebenso auf Magnetismus beruht, hat das derzeitige Sensorsystem den Nachteil, dass es zu einer störenden Wechselwirkung zwischen der Aktuatorik und dem Sensorsystem kommen kann, die das Abbildungsverhalten der Lithographiebelichtungsanlage vermindern kann. Des Weiteren sind die aktuell verwendeten Sensoren sehr empfindlich in Bezug auf Abstandsänderungen, d.h. Bewegungen der Spiegelelemente in Richtung der optischen Achse, wodurch die Kippwinkelmessung durch solche Bewegungen der Spiegel verfälscht werden kann.
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Es ist daher wünschenswert, die bisherigen magnetisch basierten Positionssensoren durch bildbasierte Positionssensoren zu ersetzen, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden. Hierbei besteht jedoch das Problem des sehr geringen Bauraums für den Einbau eines bildbasierten Positionssensors zur Positionsbestimmung von Spiegelelementen, bspw. eines Facettenspiegels.
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DE 10 2006 011 540 A1 offenbart eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrichtung zur Detektion von Maßverkörperungen mit einem Lichtsender, einem Abtastempfänger sowie einem Mikrolinsenarray, das oberhalb der Abtastblende auf dem Abtastempfänger angeordnet ist und das die Codefelder der Maßverkörperung auf die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers abbildet, wobei zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen ein Aperturblendenarray angeordnet ist.
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DE 10 2015 011 427 A1 offenbart ein Bildaufnahmesystem und Bildauswertesystem zur Bestimmung von geometrischen Raumpunkten und/oder Objekten, mit einer Lichtfeldkamera und mit einer Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, aus den Daten der Lichtfeldkamera 3D-Koordinaten zu ausgewählten Objektpunkten und/oder Raumpunkten zu bestimmen. In einer nachfolgenden Auswertung wird über eine Phasenrekonstruktion eine Wellenfront bestimmt und aus der Wellenfront werden für die ausgewählten Raumpunkte und/oder Objektpunkte neue 3D-Koordinaten mit verbesserter Auflösung bestimmt.
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US 2013/0 099 105 A1 offenbart eine Codiervorrichtung, die eine Skala mit ersten und zweiten periodischen Mustern und einen relativ zu der Skala beweglichen Detektor aufweist, dessen Detektionszustand zwischen einem ersten Detektionszustand, um das erste periodische Muster zu lesen und ein erstes Signal auszugeben, und einem zweiten Detektionszustand umschaltbar ist, um das zweite periodische Muster zu lesen und ein zweites Signal auszugeben. Ein Prozessor führt eine erste Verarbeitung durch, um eine erste absolute Position durch Verwendung der ersten und zweiten Signale zu detektieren und dann einen zweite Verarbeitung, um ein relatives Bewegungsmaß durch Verwendung eines spezifischen Signals zu berechnen, das das erste oder das zweite Signal ist, und eine zweite absolute Position unter Verwendung des relativen Bewegungsmaßes und der ersten absoluten Position zu detektieren. Das spezifische Signal wird von dem Detektor in einem selben Detektionszustand wie demjenigen, der in der ersten Verarbeitung zuletzt eingestellt worden ist, erhalten.
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US 2012/0 072 169 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Positionscodiervorrichtung, die eine Skala mit Strukturmerkmalen, die Positionsinformation definieren, und einen Lesekopf zum Lesen der Skala aufweist.
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DE 10 2013 110 190 A1 offenbart eine Sensorvorrichtung für eine optische Maßverkörperung mit einer Sendelinse zur Lenkung des von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichts auf die Maßverkörperung und einer Empfangslinse zur Abbildung der Maßverkörperung auf einen Lichtsensor, wobei zwischen der Sendelinse und der Empfangslinse ein Störlichtschutz angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionssensorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die in zumindest einer Dimension sehr klein baut bzw. in zumindest einer Dimension wenig Bauraum beansprucht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Positionssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist das Objektiv der Bilderfassungseinrichtung nicht wie ein herkömmliches Kameraobjektiv aufgebaut, sondern weist eine Mehrzahl an Mikrolinsen und/oder an Mikroaperturen auf. Im Falle der Ausgestaltung des Objektivs mit Mikrolinsen kann insbesondere die Bauhöhe des Objektivs (in Lichtausbreitungsrichtung gesehen) deutlich verringert werden gegenüber einem Objektiv mit einer Einzellinse und entsprechend größerer Dicke. Im Fall der Ausgestaltung des Objektivs mit einer Mehrzahl an Mikroaperturen, die ähnlich einer Anordnung von Lochkameras wirken, und die beispielsweise durch Löcher einer Lochplatte gebildet sein können, wird ebenfalls der Bauraum des Objektivs und damit der Bilderfassungseinrichtung verringert, so dass sich die erfindungsgemäße Positionssensorvorrichtung insbesondere zur Positionsbestimmung eines Spiegelelements eines Facettenspiegels eignet. Die Bilderfassungseinrichtung kann dabei vorteilhaft vollständig zwischen der Aktuatorik des Spiegelelements und dem Spiegelelement untergebracht werden.
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Die erfindungsgemäße Positionssensorvorrichtung ermöglicht somit eine bildbasierte Positionsbestimmung auch unter beengten Raumverhältnissen. Außerdem können im Falle einer reinen Kippwinkelbestimmung des Objekts parasitäre translatorische Bewegungen des Objektes im Bild des Musters, bspw. anhand von durch diese Bewegungen verursachte Vergrößerungen oder Verkleinerungen des abgebildeten Musters, erkannt und entsprechend kompensiert werden.
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Eine „Position“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Position in Bezug auf die drei Freiheitsgrade der Translation beispielsweise entlang dreier zueinander senkrechter Achsen als auch die drei Freiheitsgrade der Drehung beispielsweise um drei zueinander senkrechte Achsen.
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In der Bildsensorfläche verteilt sind eine Mehrzahl an Mikrolichtquellen zur Beleuchtung des Musters angeordnet.
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Insbesondere bei der Verwendung der Positionssensorvorrichtung zur Positionsbestimmung eines Spiegelelements eines Facettenspiegels ist diese Maßnahme vorteilhaft, da der Bauraum zwischen dem Spiegelelement und seiner Aktuatorik sehr gering ist, so dass eine Beleuchtung des Musters von der Seite, d.h. schräg zur Achse vom Spiegelelementfuß zur Aktuatorik schwierig ist. Durch die Integration einer Mehrzahl an Mikrolichtquellen in der Bildsensorfläche wird dieses Problem ohne Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für die Positionssensorvorrichtung vorteilhaft gelöst.
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Die Mikrolichtquellen sind einzeln in ihrer Intensität steuerbar, insbesondere einzeln ein- und ausschaltbar, um unterschiedliche Beleuchtungsmuster auf dem Muster zu erzeugen.
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Im Rahmen dieser Ausgestaltung kann eine Steuerungseinrichtung für die Mikrolichtquellen, die in der Positionssensorvorrichtung integriert sein kann, dazu ausgelegt sein, die Mikrolichtquellen gruppenweise ein- und auszuschalten, um unterschiedliche Beleuchtungsmuster zu erzeugen. Die unter verschiedenen Beleuchtungsmustern erfassten Bilder des Musters können miteinander kombiniert werden, um ein jeweils unterschiedliches „künstliches“ Bild des Musters zu erzeugen. Aufgrund der räumlichen Emissionseigenschaften der Mikrolichtquellen können insbesondere auch feine Texturen des Musters sichtbar gemacht werden. Beispielsweise können mehrere Bilder des Musters unter variierender Beleuchtung erfasst werden, während sich das Objekt während dieser Erfassung nicht oder nur vernachlässigbar bewegt.
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Es können auch Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen des Musters erfasst werden. Durch Lokalisieren des Bildes mit der maximalen Intensität innerhalb der Bildreihe kann ein neues Bild mit der Bildnummer, das dem Bild mit der maximalen Intensität innerhalb der Bildreihe entspricht, erzeugt werden. Hieraus kann dann die räumliche Orientierung des von der Bilderfassungseinrichtung erfassten Musters, beispielsweise die Oberflächentextur des Musters, ermittelt werden.
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Das bewegliche Objekt ist ein Spiegelelement, insbesondere ein Spiegelelement eines Facettenspiegels.
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Die Musterbereitstellungseinrichtung ist an einem Fußende des Spiegelelements angeordnet, und die Bilderfassungseinrichtung ist an einer dem Fußende zugewandten Außenseite eines Aktuators des Spiegelelementes angeordnet.
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Aufgrund der sehr klein bauenden Positionssensorvorrichtung gemäß der Erfindung kann selbst der kleine Raum zwischen dem Spiegelelement und dessen Aktuatorik für den Einbau der Positionssensorvorrichtung vorteilhaft genutzt werden.
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Nachfolgend werden weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Positionssensorvorrichtung beschrieben.
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So kann die Bildsensorfläche eine Mehrzahl an Bildpixeln aufweisen. Die Mikrolinsen und/oder Mikroaperturen können vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass jedes Bildpixel nur Licht, ausgehend von dem Muster, in einem räumlich schmalen Winkelbereich um eine Senkrechte zur Bildsensorfläche empfängt.
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Hierdurch wird es ermöglicht, dass im Idealfall jeder Punkt des Musters, idealerweise der dem jeweiligen Bildpixel unmittelbar gegenüberliegende Punkt, nur von einem Bildpixel erfasst wird. Ein solches ideales Bild kann dann mit einer Punktspreizfunktion gefaltet werden, die eine gewisse Verschmierung des Bildes induziert.
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Vorzugsweise ist jedem Bildpixel eine Mikrolinse und/oder Mikroapertur zugeordnet.
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Weiter vorzugsweise bewirken die Mikrolinsen und/oder Mikroaperturen eine 1:1-Abbildung des Musters auf die Bildsensorfläche.
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Für die Ermittlung parasitärer Bewegungen des Objektes, beispielsweise translatorische Bewegungen in Richtung zur Bilderfassungseinrichtung hin oder von dieser weg, können bei einer 1:1 -Abbildung diese parasitären Bewegungen nicht mehr durch unterschiedliche Vergrößerungen bzw. Verkleinerungen des Bildes erfasst werden, wobei jedoch andere Abbildungsänderungen im Bild oder Fokusänderungen verwendet werden können, um parasitäre Bewegungen zu ermitteln.
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Vorzugsweis sind die Mikrolinsen im Sinne einer möglichst kleinen Bauhöhe der Bilderfassungseinrichtung in unmittelbarer Nähe zur Bildsensorfläche angeordnet.
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Vorzugsweise ist ein Abstand der Bildsensorfläche von dem Muster kleiner oder gleich 10 mm, insbesondere kleiner oder gleich 5 mm, weiter insbesondere kleiner oder gleich 1 mm.
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Es kann auch eine Kombination aus einer Mehrzahl an Mikrolinsen und einer Mehrzahl an Mikroaperturen für das Objektiv verwendet werden.
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Hierdurch kann das Objektiv gegenüber einer Ausgestaltung mit nur Mikroaperturen insgesamt lichtstärker ausgebildet werden, und bei einer reinen Lochkameraausbildung des Objektivs können Verschmierungen des Bildes auf der Bildsensorfläche verringert und das Bild damit schärfer gemacht werden.
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Die Bildpixel und die Mikrolichtquellen können auf einem gemeinsamen einzelnen Halbleiterchip alternierend angeordnet sein.
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Weiterhin kann jeder Mikrolichtquelle eine Lichtquellen-Mikrolinse zugeordnet sein, um das von den Mikrolichtquellen emittierte Licht auf das Muster zu richten, um dieses möglichst gut auszuleuchten.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Positionssensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Objektes am Beispiel eines Spiegelelementes eines Facettenspiegels, wobei 1 das Grundprinzip der Funktionsweise der Positionssensorvorrichtung veranschaulicht;
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer Positionssensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position des beweglichen Objektes in 1 mit erfindungsgemäßen Einzelheiten;
- 3 schematisch weitere Einzelheiten der Positionssensorvorrichtung in 2;
- 4 ein gegenüber 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Positionssensorvorrichtung;
- 5 ein noch weiteres, gegenüber 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Positionssensorvorrichtung;
- 6 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel in einer Abwandlung der Positionssensorvorrichtung in 2;
- 7 ein Blockschaltdiagramm einer Positionssensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Objektes einschließlich einer Regelung für die Position des beweglichen Objektes;
- 8 ein weiteres Blockschaltbild einer gegenüber 7 abgewandelten Positionssensorvorrichtung; und
- 9 ein weiteres Blockschaltbild einer Positionssensorvorrichtung im einfachen Fall der Ermittlung einer 1-dimensionalen Position einschließlich Geschwindigkeitsermittlung des Objektes.
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1 zeigt eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Positionssensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Objektes 12. 1 zeigt das Grundprinzip der Funktionsweise der Positionssensorvorrichtung 10, während praktische Ausführungsbeispiele später beschrieben werden.
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Das Objekt
12 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Spiegelelement
14 eines Facettenspiegels. Hinsichtlich der Ausgestaltung und Funktion eines derartigen Facettenspiegels wird auf das Dokument
DE 10 2014 216 075 A1 verwiesen, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in der vorliegenden Beschreibung aufgenommen ist.
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Das Spiegelelement 14 weist einen Spiegelkörper 16 auf, der eine reflektierende Spiegelfläche 17 aufweist. Das Spiegelelement 14 weist weiterhin einen Schaft 18 auf, über den das Spiegelelement 14 mit einer Tragstruktur 20 verbunden ist. Dabei ist das Spiegelelement 14 mit der Tragstruktur 20 gelenkig über ein Kipp- oder Drehgelenk 22 verbunden. Das Kippgelenk 22 kann entgegen der Darstellung in 1 zwei-dimensionale Kippbewegungen zulassen, d.h. Kippbewegungen beispielsweise um zwei zueinander senkrechte Achsen. Das Spiegelelement 14 ist um das Kipp- oder Drehgelenk 22 gemäß einem Pfeil 24 verkippbar, der hier nur einen der möglichen Kippfreiheitsgrade veranschaulicht.
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Das Spiegelelement
14 kann eines von einer Mehrzahl von Spiegelelementen eines Facettenspiegels sein, wobei ein solcher Facettenspiegel ebenfalls in dem vorstehend genannten Dokument beschrieben ist. Ebenso wird auf das Dokument
DE 10 2012 209 412 A1 verwiesen, das einen Facettenspiegel beschreibt, und dessen Inhalt ebenfalls hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Die Positionssensorvorrichtung 10 weist weiterhin eine Musterbereitstellungseinrichtung 26 auf, die mit dem Objekt 12 koppelbar oder gekoppelt ist. Im vorliegenden Fall ist die Musterbereitstellungseinrichtung mit dem Spiegelelement 14 gekoppelt, und zwar an einem von der Spiegelfläche 17 abgewandten Fußende des Schaftes 18, und zwar auf einer Fläche des Schaftes 18, die parallel zur Spiegelfläche 17 verläuft.
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Die Musterbereitstellungseinrichtung
26 stellt ein Muster
27 bereit, das in
1 rechts vergrößert dargestellt ist. Hinsichtlich der verschiedenen Möglichkeiten der Ausgestaltung des Musters
27 wird auf das Dokument
DE 10 2015 209 259 A1 verwiesen, dessen Inhalt durch Bezugnahme ebenfalls in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist. Das Muster
27 kann als aufgedrucktes oder aufgeklebtes Muster am Fußende des Schaftes
18 aufgebracht sein, oder es kann sich um eine bearbeitete Oberfläche, beispielsweise metallische Oberfläche, des Fußendes des Schaftes
18 handeln, in die das Muster
27 oder ein anderes Muster eingeschliffen ist.
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Die Positionssensorvorrichtung 10 weist eine Bilderfassungseinrichtung 28 zur Erfassung des bereitgestellten Musters 27 auf. Die Bilderfassungseinrichtung 28 ist beispielsweise als Kamera 30 ausgebildet, und weist einen Bildsensor 32 mit einer Bildsensorfläche 34 auf, auf die das Muster 27 mittels eines Objektivs 36 abgebildet wird. Im rechten Teilbild in 1 deutet ein Rahmen 38 das von der Bilderfassungseinrichtung 28 erfasste Bild des Musters 27 an.
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Mittels der Positionssensorvorrichtung 10 kann die Position des beweglichen Objektes 12 ermittelt werden, wobei im vorliegenden Fall die zu ermittelnde Position der 2-dimensionale Kippwinkel des Spiegelelements 14 um das Kipp- oder Drehgelenk 22 ist. Hauptsächlich aus der 2-dimensionalen translatorischen Bewegung des Musters im von der Bilderfassungseinheit 28 erfassten Bild kann der Kippwinkel berechnet werden.
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Parasitäre Bewegungen des Spiegelelements 14, die keine reine Kippbewegungen des Spiegelelements 14 um das Kipp- oder Drehgelenk 22 darstellen, können ebenso aus dem von der Bilderfassungseinheit 28 erfassten Bild des Musters 27 ermittelt werden. Beispielsweise können Bewegungen des Spiegelelements 14 senkrecht zur Spiegelfläche 17, d.h. Bewegungen von der Bilderfassungseinheit 28 weg oder zu dieser hin im Bild des Musters 27 durch eine Änderung der Vergrößerung (bzw. Verkleinerung) oder Defokussierung des Bildes 38 ermittelt werden. Durch eine geeignete Einrichtung (nicht gezeigt) können solche parasitären Bewegungen dann kompensiert werden.
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Während 1 das Grundprinzip einer bildbasierten Positionsbestimmung zeigt, bestehen insbesondere im Fall, dass es sich bei dem Objekt 12 um ein Spiegelelement 14 eines Facettenspiegels handelt, in der Realität bauraumbedingte Probleme der Realisierung einer solchen bildbasierten Positionssensorvorrichtung. Dies wird mit Bezug auf 2 näher beschrieben. Elemente in 2, die mit Elementen in 1 identisch, ähnlich oder vergleichbar sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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2 zeigt das Spiegelelement 14 und eine zu dem Spiegelelement 14 gehörige Aktuatorik 40, über die die Kippbewegungen des Spiegelelements 14 zur Einstellung eines gewünschten Kippwinkels aktuiert werden. Die Aktuatorik 40 ist in 1 nicht gezeigt, aber auch dort vorhanden. Die Aktuierung der Kippbewegungen des Spiegelelements 14 erfolgt dabei über Magnetfelder, die in der Aktuatorik 40 definiert erzeugt werden und mit einem Magneten im Fußende 42 des Spiegelelementes 14 zusammenwirken, um eine gewünschte Auslenkung des Spiegelelements 14 um das Kipp- oder Drehgelenk 22 zu bewirken. Ein Abstand d zwischen der Aktuatorik 40 und dem Schaft 18 ist dabei sehr klein und beträgt etwa 1 mm. Somit ist der Bauraum zwischen dem Fußende 42 des Schaftes 18 und der Aktuatorik 40 stark begrenzt. Dies bedeutet, dass eine Bilderfassungseinrichtung 28 wie in 1 gezeigt in dem Bauraum zwischen dem Fußende 42 und der Aktuatorik 40 nicht unterbringbar ist, wenn das Objektiv 36 der Bilderfassungseinrichtung 28 ein Standardobjektiv ist.
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Im rechten Teilbild von 2 sind ein Ausschnitt der Aktuatorik 40, das Fußende 42 des Schaftes 18 und die Bilderfassungseinrichtung 28 vergrößert dargestellt. Zur Lösung des Bauraumproblems zwischen dem Fußende 42 und der Aktuatorik 40 weist die Bilderfassungseinrichtung 28 anstatt eines Standardobjektivs ein Objektiv mit einer Mehrzahl an Mikrolinsen auf, von denen in 2 eine mit dem Bezugszeichen 44 versehen ist. Die Mikrolinsen 44 sind in Form eines Arrays angeordnet. Der Bildsensor 32 der Bilderfassungseinrichtung 28 weist eine Mehrzahl, insbesondere ein Array von Bildpixeln auf, von denen eines in 2 mit dem Bezugszeichen 46 versehen ist. Jedem Bildpixel 46 kann, wie in 2 gezeigt ist, eine Mikrolinse 44 zugeordnet sein. Die Mikrolinsen 44 sind insbesondere derart ausgebildet, dass jedes Bildpixel 46 nur Licht, das von dem Muster 27 ausgeht, in einem räumlich schmalen Winkelbereich um eine Senkrechte zur Bildsensorfläche 34 empfängt. Idealerweise empfängt jedes Bildpixel 46 nur Licht von einem Punkt 50, der dem jeweiligen Bildpixel 46 unmittelbar gegenüberliegt, wie in 2, rechtes Teilbild, für ein Bildpixel gezeigt ist. Ein solches ideales Bild des Musters 27 kann dann mit einer Punktspreizfunktion gefaltet werden, die eine gewisse Verschmierung des Bildes bewirkt.
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Die Bildpixel 46 können auf einer Keramikplatte 52 angeordnet sein, die mit elektrischen Leitern versehen ist, um die Bildpixel 46 zu kontaktieren, wie mit Drähten 54, 56 angedeutet ist.
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Der Abstand d im rechten Teilbild von 2 ist der Abstand d im linken Teilbild von 2, d.h. beträgt etwa 1 mm.
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Die Mikrolinsen 44 können das Muster 27 auf die Bildpixel 46 beispielsweise im Maßstab 1:1 abbilden. Im Falle einer 1:1-Abbildung des Musters 27 auf den Bildsensor 32 machen sich parasitäre Bewegungen, insbesondere Bewegungen senkrecht zur Bildsensorfläche 34 nicht durch eine Änderung des Abbildungsmaßstabes bemerkbar. Es können jedoch Verzeichnungen im Bild der Bilderfassungseinrichtung 28 oder Fokusänderungen verwendet werden, um parasitäre Bewegungen zu ermitteln.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Bilderfassungseinrichtung 28 in 2 mit zwei der Mikrolinsen 44, wobei 3 den Abbildungsstrahlengang vom Muster 27 zu der Bildsensorfläche 34 veranschaulicht. Die Mikrolinsen 44 sind unmittelbar auf der Bildsensorfläche 34, die durch die einzelnen Bildpixel 46 gebildet ist, angeordnet. 3 zeigt auch, dass Lichtstrahlen 58 bzw. 60, die aus einem größeren Winkelbereich auf die Mikrolinsen 44 einfallen, an der der Bildsensorfläche 34 zugewandten Austrittsfläche 62 der Mikrolinsen totalreflektiert werden, so dass mit anderen Worten im Wesentlichen nur solche Lichtstrahlen, die von einem kleinen Bereich des Musters 27 ausgehen, der einem Bildpixel 46 unmittelbar gegenüber liegt, das Bildpixel 46 erreichen.
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4 zeigt eine Abwandlung der Bilderfassungseinrichtung 28, die anstelle von Mikrolinsen eine Mehrzahl an Mikroaperturen 64 aufweist. Die Mikroaperturen 64 können dabei so beschaffen sein, dass Licht aus einem Bereich A mit einer Erstreckung von etwa 0,2 mm in eine Zelle mit einer Erstreckung B von etwa 0,1 mm fällt.
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Die Bilderfassungseinrichtung 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Art einer (Mikro-)Loch-Kamera ausgebildet. Allerdings ist eine solche Lochkamera aufgrund der sehr kleinen Öffnungen 64 lichtschwach. Eine solche Loch-Kamera lässt sich jedoch ebenfalls innerhalb des Bauraums mit der Höhe d von etwa 1 mm zwischen dem Fußende 42 und der Aktuatorik 40 (2) realisieren.
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5 zeigt einen Ausschnitt des Objektivs 36 der Bilderfassungseinrichtung 28 gemäß einer weiteren Abwandlung, die im Wesentlichen eine Kombination der Ausführungsbeispiele in 3 und 4 ist. Hier wird jeweils eine Mikrolinse 44 in einer gegenüber den Mikroaperturen in 4 vergrößerten Mikroapertur 64 angeordnet. 5 zeigt nur eine einzelne Zelle mit der Mikrolinse 44 und der Mikroapertur 64, wobei es sich versteht, dass eine Vielzahl solcher Zellen entlang der Bildsensorfläche 34 des Bildsensors 32 (2) angeordnet sind. Anstelle einer Zuordnung von jeweils einer Mikrolinse 44 bzw. einer Mikroapertur 64 zu genau einem Bildpixel 46 kann auch vorgesehen sein, der jeweiligen Mikrolinse 44 und/oder Mikroapertur 64 eine Mehrzahl von Pixeln, beispielsweise 4 x 4 oder 5 x 5 Bildpixel 46 zuzuordnen und über die Bildpixel eine Mittelung durchzuführen. Dies kann dann im Ergebnis als größeres Bildpixel mit einer Mikrolinse 44 und/oder Mikroapertur 64 interpretiert werden.
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6 zeigt eine weitere Abwandlung der Bilderfassungseinrichtung 28.
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Die bildbasierte Positionsbestimmung durch Bilderfassung des Musters 27 erfordert auch eine Beleuchtung des Musters 27. In 1 ist eine Lichtquelle 70 gezeigt, die Licht seitlich auf das Muster 27 einstrahlt. Aufgrund des sehr geringen Bauraums zwischen dem Fußende 42 des Spiegelelements 14 und der Aktuatorik 40 (2) ist eine hinreichende Beleuchtung des Musters 27 von der Seite her ungeeignet. Vor diesem Hintergrund ist bei dem Ausführungsbeispiel in 6 eine Integration einer Mehrzahl von Mikrolichtquellen L1, ..., LM in der Bildsensorfläche 34 zur Beleuchtung des Musters 27 vorgesehen.
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Die in 6 mit D1, ..., DN bezeichneten Bildpixel 46 und die Mikrolichtquellen L1, ..., LM sind dabei vorteilhaft auf einem gemeinsamen einzelnen Halbleiterchip alternierend ausgebildet, wobei es sich versteht, dass sich Lichtquellen und Bildpixel 46 nicht streng untereinander abwechseln müssen, sondern auch eine andere ein- oder zwei-dimensionale Verteilung von Lichtquellen und Bildpixeln 46 möglich ist. Sowohl die Anzahl M an Lichtquellen 72 als auch die Anzahl N an Bildpixeln 46 kann gemäß den Anforderungen gewählt werden. Insbesondere können M und N unterschiedlich sein.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 6 ist jeder Mikrolichtquelle 72 eine Lichtquellen-Mikrolinse 74 zugeordnet.
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Die Mikrolichtquellen 72 sind insbesondere einzeln in ihrer Intensität steuerbar, insbesondere einzeln ein- und ausschaltbar, um unterschiedliche Beleuchtungsmuster auf dem Muster 27 zu erzeugen.
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Ein Halbleiterchip mit Bildpixeln 46 und Mikro-Lichtquellen 72 ermöglicht eine vorteilhafte Steuerung der Lichtquellen 72. Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, das Muster 27 mit unterschiedlichen Beleuchtungseinstellungen bzw. -mustern zu beleuchten. Die unter verschiedenen Beleuchtungsmustern erfassten Bilder des Musters 27 können miteinander kombiniert werden, um ein „neues“ künstliches Bild des Musters 27 zu erzeugen. Aufgrund der räumlichen Emissionscharakteristiken der Lichtquellen 72 (beispielsweise in Verbindung mit den Lichtquellen-Mikrolinsen 74) können feine Texturen des Musters 27 ebenso sichtbar gemacht werden.
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Beispielsweise können fünf Bilder unter jeweils unterschiedlicher Beleuchtung erfasst werden. Die Varianz über die Reihe von fünf Bildern kann dann für jedes Bildpixel 46 berechnet werden, um ein neues Bild zu erzeugen. Hierbei wird angenommen, dass sich das Spiegelelement 14 nicht bewegt oder seine Bewegungen vernachlässigt werden können während der Erfassung der fünf Bilder.
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Eine Alternative hierzu kann darin bestehen, die Richtung, aus der die Beleuchtung emittiert wird, zu variieren, indem entsprechende der Lichtquellen 72 auf dem Halbleiterchip für die Lichtabgabe ausgewählt werden. Beispielsweise können 18 Bilder mit Lichtrichtungen von 0 bis 340° (in 20°-Schritten) erfasst werden. Durch Lokalisieren des Bildes mit der maximalen Intensität in der Reihe von 18 Bildern kann ein neues Bild mit der Bildnummer, das dem Bild mit der maximalen Intensität innerhalb der Bildreihe entspricht, erzeugt werden. Das resultierende Bild würde dann die räumliche Orientierung der Oberflächenstrukturen oder -elemente des beobachteten Musters 27 (die Oberflächentextur) repräsentieren. Dies bedeutet, dass es nicht notwendig ist, ein Muster von der Art eines Schwarz-Weiß-Musters zu benutzen. Das Muster kann ebenso ein speziell maschinell bearbeitetes (beispielsweise geschliffenes) Muster sein, das beispielsweise in das Metall des Fußendes 42 des Schaftes 18 des Spiegelelements 14 eingearbeitet ist.
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Es ist ebenso nicht notwendig, eine in bestimmter Weise oder definiert bearbeitete Textur des Musters 27 zu verwenden. Es könnte ebenso auch eine Option sein, einen Polierschritt auszulassen und einfach die verbleibende Textur aus dem vorhergehenden Metallbearbeitungsprozess zu verwenden, der kein vordefiniertes Muster ergibt.
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Mit Bezug auf 7 bis 9 wird ein weiterer Aspekt einer Positionssensorvorrichtung 100 beschrieben.
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7 zeigt ein Blockschaltbild mit den Hauptkomponenten der Positionssensorvorrichtung 100. Zu diesen Hauptkomponenten gehören eine Bilderfassungseinrichtung 102 (IA), eine Bildauswerteeinrichtung 104 (IP), eine Regelungseinrichtung 106 und eine Stelleinrichtung 108 (A). Die Positionssensorvorrichtung 100 dient wiederum dazu, eine Position eines beweglichen Objektes wie beispielsweise des Objektes 12 in 1, zu ermitteln und zusätzlich die Position des Objektes zu regeln (das Objekt ist in 7 nicht gezeigt). Das Objekt ist mit einem von einer nicht gezeigten Musterbereitstellungseinrichtung bereitgestellten Musters versehen. Ein solches Muster kann beispielsweise das Muster 27 in 1 sein. Die Bilderfassungseinrichtung 102 erfasst das bereitgestellte Muster. Die Bilderfassungseinrichtung 102 kann beispielsweise wie die Bilderfassungseinrichtung 28 in 1 ausgebildet sein.
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Die Bildauswerteeinrichtung 104 wertet das von der Bilderfassungseinrichtung erfasste Bild des Musters aus und berechnet aus den Bilddaten eine momentane Position des Objektes. Die Bildauswerteeinrichtung 104 weist dazu eine Positionsberechnungseinrichtung 110 (PC) auf.
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Die Regelungseinrichtung 106 ist beispielsweise in Form eines PID-Reglers ausgebildet und weist entsprechend ein Proportionalglied P, ein Integrierglied I und ein Differenzierglied D auf. KP, KI und KD bezeichnen die Regelparameter für das Proportionalglied (KP), das Integrierglied (KI) und das Differenzierglied (KD). Ein Integrierer ist mit dem Bezugszeichen 110 (I) und ein Differenzierer mit dem Bezugszeichen 112 (d/dt) versehen.
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Die Bilderfassungseinrichtung 102 liefert Bilddaten ID an die Bildauswerteeinrichtung 104, die die Bilddaten ID auswertet, um eine momentane Position des überwachten Objektes zu berechnen (PC). Die so gemessene Position MP (Ist-Position) wird von einer gewünschten Position SP (Soll-Position) subtrahiert und das Ergebnis in die Regeleinrichtung 106 gegeben.
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Die Positionssensorvorrichtung 100 ist nun dazu eingerichtet, nicht nur die momentane Position des Objektes zu ermitteln, sondern auch eine momentane Geschwindigkeit des beweglichen Objektes. In der Positionssensorvorrichtung 100 gemäß 7 kann dies durch den Differenzierer 112, d.h. durch das Differenzierglied D der Regeleinrichtung 106 erfolgen, indem die momentane Geschwindigkeit des beweglichen Objektes aus einer zeitlichen Änderung ermittelter momentaner Positionen des Objektes ermittelt wird.
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Die Signale im P-Pfad, I-Pfad, D-Pfad werden dann kombiniert und auf die Stelleinrichtung 108 gegeben, die dann die Position TP des Objektes regelt, um diese auf einer gewünschten Position zu halten.
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Mit der Positionssensorvorrichtung 100 kann somit eine bildbasierte, insbesondere kamerabasierte Positionsregelung für ein bewegliches Objekt erreicht werden, die auch Bewegungen des Objektes durch eine Geschwindigkeitsberechnung in die Regelung einbezieht.
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Die Geschwindigkeitsermittlung ist in dem Ausführungsbeispiel in 7 in dem Differenzierglied der Regelungseinrichtung 106 angesiedelt. Eine vorteilhafte Abwandlung zeigt 8, bei der die Geschwindigkeitsermittlung nicht in der Regelungseinrichtung 106 erfolgt, sondern in die Bildauswerteeinrichtung 104 verlagert ist. In dieser Ausgestaltung wird die momentane Geschwindigkeit des beweglichen Objektes unmittelbar aus den Bilddaten ID, die von der Bilderfassungseinrichtung 102 an die Bildauswerteeinrichtung 104 geliefert werden, ermittelt.
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Hierzu weist die Bildauswerteeinrichtung 104 zusätzlich zu der Positionsberechnungseinrichtung 111 eine Geschwindigkeitsberechnungseinrichtung 114 (VC) auf. Die Geschwindigkeitsberechnungseinrichtung 114 liefert die gemessene Geschwindigkeit MV an die Regelungseinrichtung 106.
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Der Soll-Wert für die Geschwindigkeit des Objektes kann hierbei 0 sein. Ein Verstärkerblock 116 (G(-1)) wurde hier eingeführt, um das richtige Regelungsvorzeichen zu erhalten.
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Eine Modifizierung des Systems in 8 kann darin bestehen, dass die zeitliche Ableitung des Soll-Wertes SP der Position berechnet und von dieser die gemessene Geschwindigkeit MV subtrahiert wird, bevor dieses Signal in den D-Pfad der Regelungseinrichtung 106 gegeben wird.
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Die Geschwindigkeitsermittlung in der und durch die Bildauswerteeinrichtung 104 aus den Bilddaten kann anhand einer Ermittlung des optischen Flusses erfolgen. Der optische Fluss einer Bildsequenz ist das Vektorfeld der in die Bildebene projizierten Geschwindigkeit von sichtbaren Punkten des Objektraumes im Bezugssystem der Abbildungsoptik der Bilderfassungseinrichtung 102. Der optische Fluss kann aus den Bilddaten in einer Umgebung eines betrachteten Bildpunktes geschätzt werden. Verfahren zur Bestimmung des optischen Flusses sind beispielsweise in dem Artikel Horn, B.; Schunk, B.: Determining Optical Flow, in: Artificial Intelligence 17 (1981), Seiten 185 bis 203 oder im Falle einer 6-dimensionalen Geschwindigkeitsermittlung in dem Artikel Horn, Bachmann, Dang: Stereo Vision Based Ego-Motion Estimation with Sensor Supported Subset Validation, in: Proceedings of the 2007 IEEE Intelligence Vehicles Symposium, Istanbul, 2007 beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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9 zeigt eine einfache Realisierung der Positionssensorvorrichtung 100 in 8 anhand einer Ausführung, die eine 1-dimensionale Positionsregelung ermöglicht.
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In 9 wurden die gleichen Bezugszeichen wie in 8 verwendet, sofern nachfolgend nichts anderes angegeben ist.
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Die Positionssensorvorrichtung 100 dient zur Ermittlung der Position eines Objektes 120, das mit einem Muster 122 versehen ist, das im rechten Teilbild in 9 in Draufsicht nochmals in Alleinstellung gezeigt ist. Bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel besteht die Aufgabe darin, die x-Position des beweglichen Objektes 120 zu erfassen und seine Position auf der Basis von Positions- und Geschwindigkeitsinformationen zu regeln.
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Hierbei wird angenommen, dass es eine parasitäre Bewegung in y-Richtung gibt. Parasitäre Bewegungen in der y-Richtung sollen ebenfalls erfasst werden, um zu prüfen, ob Fehlerschwellwerte überschritten werden. Das Bewegungsmodell des beweglichen Objektes 120 ist daher ein 2-dimensionales Bewegungsmodell in einem 1-dimensionalen Positionsregel u ngskreis.
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Die Bilderfassungseinrichtung 102 weist hier einen Bildsensor 124 und ein Objektiv 126 auf, das das Muster 122 auf den Bildsensor 124 abbildet. Weiterhin weist die Bilderfassungseinheit eine Lichtquelle 128 auf, die in die Bilderfassungseinrichtung 102 integriert oder als separate Lichtquelle (wie beispielsweise in 1) angeordnet sein kann. Ein Lichtquellentreiber 130 steuert die Lichtquelle 128. Mit dem Bildsensor 124 ist eine Bilddaten-Ausleseschaltung 132 verbunden. Die von der Bilddaten-Ausleseschaltung 132 ausgelesenen Daten ID werden der Bildauswerteeinrichtung 104 zugeführt, die wie zuvor beschrieben aus den Bilddaten die momentane Position und Geschwindigkeit des beweglichen Objektes 102 ermittelt. Die gemessenen Positionsdaten MP und Geschwindigkeitsdaten MV werden dann in die Regelungseinrichtung 106 gegeben, die dann die Stelleinrichtung 108 ansteuert, um die Position des beweglichen Objektes 120 in der gewünschten Position zu regeln.
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Die Berechnung des optischen Flusses erfordert die Analyse von zumindest zwei Bildern einer Bildsequenz. In Systemen mit hoher Bewegungsdynamik (hohe Geschwindigkeiten) erfordert dies die Erfassung einer Bildsequenz mit einer hohen Bildrate oder zumindest zweier Bilder, deren zeitlicher Abstand nicht zu groß ist. Demzufolge sind Kameras vorteilhaft, die Bilder mit hoher Bildrate aufnehmen können. Als Alternative können spezielle Sensoren verwendet werden, die den optischen Fluss direkt ermitteln können, wobei es sich bei diesen Sensoren um integrierte Sensoren handelt, die den optischen Fluss bereits im Bildsensor (beispielsweise durch eine analoge Schaltung) berechnen. Ein solcher Sensor ist beispielsweise in dem Artikel Stocker, A.: Analog Integrated 2D Optical Flow Sensor, in: Analog Integrated Circuits and Signal Processing 46 (2006), Nr. 2, beschrieben, auf den hier verwiesen wird.
