DE1623765C2 - Meßgerät zum mikroskopischen Bestimmen der Lage der Kante eines Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zum mikroskopischen Bestimmen der Lage der Kante eines Objektes, beispielsweise der Kante einer Marke, die die Grenzlinie zweier sich in der Helligkeit (Transparenz oder Reflexionsvermögen) unterscheidender Flächen bildet, mit einem einen oszillierenden Abtaststrahl erzeugenden optischen Abtastglied und mindestens einem fotoelektrischen Empfänger.

Die für das Einfangen bzw. Vermessen von Strichmarken bekannten mikroskopischen Meßverfahren sind zum Erfassen von Kanten eines Gegenstandes, z. B. der Kante einer Meßmarke, nicht geeignet, da sie alle auf der Benutzung beider Kanten der Marke zur Meßwertbildung beruhen. Nun ist aber beispielsweise durch die Entwicklung auf dem Gebiet der Halbleitertechnik heute oft die Aufgabe gestellt, die Lage einer Kante beisDielsweise einer Kopiermarke zu bestimmen und

gegebenenfalls in eine vorbestimmte Lage zu steuern.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum selbsttätigen Einstellen eines Strahlungsempfängers in einem Strahlungsfeld auf eine Flanke der Bestrahlungsstärke mit einem Stellmotor bekannt, wobei dem Stellmotor ein dem zweiten örtlichen Differentialquotienten der Bestrahlungsstärke proportionaler Strom zugeführt wird. Zur Bildung des zweiten Differentialquotienten müssen im Strahlungsfeld drei parallele Spalte angeordnet sein, deren mittlerer doppelt so breit ist wie die beiden symmetrisch zu ihm liegenden äußeren. Die durch die äußeren Spalte tretenden Strahlungsströme werden mittels einer Wechselblende gemeinsam im Wechsel mit denr von ihnen getrennten, durch den

IS mittleren Spalt tretenden Strahlungsstrom unterbrochen. Alle Strahlungsströme werden hinter der Wechselblende einem gemeinsamen Strahlungsempfänger zugeleitet.
Dieser Vorrichtung haftet der Nachteil an, daß das Signil zur Definition der Kantenlage zweimal differenziert werden muß. Bei jeder Differenziation werden nun die Amplituden der differenzierten Signalanteile proportional zu ihrer Frequenz angehoben. Eine zweifache Differenziation überhöht damit hochfrequente Signalunteile mit ω². Das Ausgangssignal eines fotoelektrischen Empfängers in einer mikroskopischen Anordnung der beschriebenen Art enthält nun stets höherfrequente Rauschanteile in beträchtlichem Umfang. Eine Signalverarbeitung in der oben beschriebenen Art scheitert daher in der Praxis daran, daß der gewünschte Nulldurchgang von den durch Rauschanteile vorgetäuschten Nulidurchgängen nicht mehr unterschieden werden kann.
In unseren Patenten 16 23 764 und 16 23 766 sind be-eits Meßgeräte beschrieben, welche sich zur Lösung der oben zitierten Aufgabe eignen und welche gegenüber bekanntem wesentlich bessere Meßergebnis?e liefern. Doch handelt es sich bei den in den beiden Anmeldungen beschriebenen Geräten um Spezialgeräte, die sich ohne Umbau nur zur Lösung der Kantenfindung benutzen lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, das sich außer zum Bestimmen der Lage einer Kante nach Umschaltung auch zum Bestimmen der Lage einer Strichmarke eignet und deshalb universell eingesetzt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Meßgerät der eingangs genannten Art, das gekennzeichnet ist durch die Vereinigung der folgenden Merkmale, daß an den fotoelektrischen Empfänger die Kettenschaltung aus einer Differenzierstufe und einem Doppelweggleichrichter hoher Linearität und eine an sich bekannte Auswerteschaltung zur Strichabtastung angeschlossen ist. Wesentlicher Teil des erfindungsgemäßen Geräts zur Bestimmung der Lage einer Kante ist somit eine an sich bekannte Auswerteschaltung zur Strichabtastung. Dabei können zwischen dem fotoelektrischen Empfänger und der Differenzierstufe einerseits sowie zwischen dem Doppelweggleichrichter und der bekannten Auswerteschallung andererseits synchron gesteuerte Schalter vorgesehen sein, die ein wahlweises Anschalten des fotoelektrischen Empfängers an die Differenzierstufe oder direkt an die Auswerteschaltung gestatten. Die Differenzierstufe kann zusammen mit dem Doppelweggleichrichter in einem eigenen Gehäuse bzw. in einem gemeinsamen Gußblock untergebracht sein.

Die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angeführten Bauteile bzw. Baugruppen sind je für sich

vorbekannt und insoweit nicht Gegenstand des Schutzbegehrens.

Gleiches gilt für einen aus zwei in Serie geschalteten OP-Verstärkern, einer im Rückkopplungszweig des einen OP-Verstärkers liegenden Antiparallel-Schaltung zweier Dioden sowie aus Koppekviderstlnden aufgebauten Doppelweggleichrichter, denn ein solcher ist durch die Druckschrift »the application of linear microcircuits« der Firma Fairchild, Ausgabe 1966, grundsätzlich vorbekannt wenngleich die dort beschriebene Gleichrichterschaltung zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet ist, da es ihm an hoher Linearität mangelt.

Ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt Eine Lampe 1 beleuchtet über einen Kondensor 2 eine Blende 3, die mit einer schlitzförmigen öffnung 5 versehen ist. Sie wird von einem Antriebssystem 4, beispielsweise einem Tauchspulsystem oder einem Motor, oszillierend bewegt. Unter Zwischenschaltung eines Teilerwürfels 17 bildet ein Objektiv 6 die leuchtende Öffnung 5, die auch durch einen Selbstleuchter ersetzt werden kann, in die Objektebene 7 ab. In der Objektebene 7 befindet sich ein Objekt, das spiegelnde Teile Tc sowie einen geschwärzten Teil Td aufweist. Die Schwingungsamplitude der Blende 3 ist so gewählt, daß das auf das Objekt auftreffende Lichtstrahlenbündel nur die K^nte 7a, nicht aber in der gleichen Objektlage auch die Kante Tb überfahren kann. Die reflektierten Lichtanteile werden über das Objektiv 6 und den Teiler 17 einem fotoelektrischen Empfänger 9 zugeführt, dessen Ausgangssignale einer Differenzierstufe 30 zugeführt werden. Die Ausgangssignale dieser Stufe, die noch wechselsymmetrisch zur Nullage beide Polaritäten aufweisen, werden mittels einer Doppelweggleichrichterstufe 31 derart umgeformt, daß nur noch positive Signalanteile vorhanden sind. Diese werden einer der bekannten Schaltungsanordnungen 32 zur Auswertung von beim Einfangen von Maßstabsstrichen anfallenden Signalen (beispielsweise nach dem britischen Patent 9 95 076) zugeführt, die ihre Referenzsignale vom Antrieb 4 her erhält Zwischen den fotoelektrischen Empfänger 9 und die Differeniierstufe 30 sowie zwischen die Gleichrichterstufe 31 und die Schaltungsanordnung 32 ist je ein doppelpoliger Schalter 33, 34 gelegt, die synchron betätigt werden können. Sie machen es möglich, den Empfänger 9 direkt an die Schaltung 32 anzuschließen und dann das Gerät in bekannter Weise für die Vermessung von Maßstabsstrichen zu benutzen.

Der besondere Vorteil des Gerätes liegt also einmal darin, daß man es wahlweise zum Anmessen von Maßstabsstrichen oder Kanten verwenden kann. Zum anderen aber läßt sich eine Vielzahl bekannter, für das Messen von Maßstabsstrichen bestimmter Geräte durch Einfügen der Baugruppen JO und 31 in Geräte zum Kantenmessen umwandeln. Es sind alle die für das Einfangen von Maßstabsstrichen bekannten Auswerteschaltungen dazu geeignet, die eine Diskriminatorspannung entsprechend der Ablage des Meßobjektes in bezug auf die Zielrichtung der optischen Einrichtung liefern.

Bei Auswerteverfahren, bei denen das Oberwellenspektrum der Impulsfolge als Einfangkriterium benutzt wird, sind die Anforderungen an die Qualität der Doppelweggleichrichterstufe hoch, da durch den Gleichrichtervorgang keine zusätzlichen Verzerrungen des Impulsprofils auftreten dürfen. Hier läßt sich mit Vorteil die in Fig.2 gezeigte Schaltungsanordnung verwenden, die sowohl die Differenzierstufe 30 als auch die Doppelweg-Gleichrichterstufe 31 umfaßt.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung umfaßt die Reihenschaltung eines Kondensators Ci, eines ohmschen Widerstandes Ra sowie eines ohmschen Widerstandes Ri. Zum Widerstand Ra sind ohmsche Widerstände R\, R5 und /?2 in Serie liegend parallel geschaltet. Der Widerstand R$ ist mittels zweier bei gleicher Durchlaßrichtung in Serie geschalteter Gleichrichter Di, D2 überbrückt Ein Operationsverstärker Vi liegt mit seinem Eingang am Verbindungspunkt RyD₁, mit seinem Ausgang am Verbindungspunkt D]-Ch an. Ein weiterer Operationsverstärker V2 ist mit seinem Eingang an den Verbindungspunkt R4-R3 und mit seinem Ausgang an das andere Ende des Widerstandes Ri gelegt. Durch die Dioden im Rückführzweig des Verstärkers Vi ist sichergestellt, daß Auswirkungen des nichtlinearen Verlaufs der Durchlaßkennlinie der Dioden auf die Kurvenform des einzelnen Impulses vermieden sind.

Die in Fig.2 gezeigte Anordnung läßt sich mit Vorteil als Baugruppe in einem gestrichelt dargestellten Gehäuse 35 oder einem Gußblock 35 unterbringen. Durch Zwischenschalten dieser Baugruppe lassen sich dann für die Strichvermessung bekannte Geräte zur Kantenvermessung leicht umrüsten bzw. ergänzen.

Es bleibt zu erwähnen, daß das Gerät auch mit einer Durchlichtbeleuchtung versehen sein kann. Auch kann die Blende in Abweichung vom Dargestellten beispielsweise zwischen dem Objekt und dem fotoelektrischen Empfänger eingefügt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Meßgerät zum mikroskopischen Bestimmen der Lage der Kante eines Objektes, beispielsweise der Kante einer Marke, die die Grenzlinie zweier sich in der Helligkeit (Transparenz oder Reflexionsvermögen) unterscheidender Flächen bildet, mit einem einen oszillierenden Abtaststrahl erzeugenden optischen Abtastglied und mindestens einem fotoelektrischen Empfänger, gekennzeichnet durch die Vereinigung der folgenden Merkmale, daß an den fotoelektrischen Empfänger (9) die Kettenschaltung aus einer Differenzierstufe (30) und einem Doppelweggleichrichter (31) hoher Linearität und eine an sich bekannte Auswerteschaltung (32) zur Strichabtastung angeschlossen ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem fotoelektrischen Empfänger (9) und der Differenzierstufe (30) sowie zwischen dem Gleichrichter (31) und der Auswerteschaltung (32) synchron gesteuerte Schalter (33, 34) vorhanden sind, die wahlweise ein Anschalten der Differenzierstufe (30) oder der Auswerteschaltung (32) an den fotoelektrischen Empfänger (9) gestatten.

3. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierstufe und die Dopnelweggleichrichterstufe in einer Schaltung ausgeführt sind, die einen gegengekoppelten Operationsverstärker (Vi) aufweist, wobei der Gegenkopplungszweig aus einer Diode (D₂) mit dazu paraüelliegender Reihenschaltung aus einem ohmschen Widersfand (R₅) und einer zur genannten Diode umgekehrt gepolten Diode (Di) besteht, daß dem Eingang des Operationsverstärkers ein ÄC-Glied (Ci, R\) vorgeschaltet ist und daß die Potentiale am Kondensator (Ci) und an der Diode (Di) über Summierwiderstände (R*, R₂) an den Eingang eines zweiten, über einen Widerstand (R3) gegengekoppelten Operationsverstärker gelegt sind.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierstufe (30) und die Doppelweggleichrichterstufe (31) als Baueinheit in einem eigenen Gehäuse (35) bzw. in einem gemeinsamen Gußblock (35) zusammengefaßt sind.