DE2017400C3 - Optoelektrische Feinmeßanordnung - Google Patents

Description

tensitälsänderung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichtes wird durch ein lichtempfindliches Element in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die zeitlichen Abstände zwischen dem \uftreten derartiger elektrischer Impulse werden beispielsweise in einem Computer in Angaben über die räumlichen Abstände der entsprechenden Schwarz-Weiß-Kar.ten un,gewandelt. Bei derartigen Anordnungen kann die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Meßstrahl und Meßobjekt relativ hoch gewählt werden. Die Genauigkeit der Meßergebnisse läßt aber insbesondere dann zu wünschen übrig, wenn die einzelnen Bereiche nicht in sich geschlossen sind, sondern mehr oder weniger kleine Inseln anderer Transparenz oder Reaktivität aufweisen. In diesem Fall ist die Form und Höhe der abgeleiteten elektrischen Impulse keine eindeutige Funktion der Lage der zu vermessenden Linien. Darüber hinaus ist die Genauigkeit der Meßergebnisse eine Funktion der Schärfe der Schwarz-Weiß-Übergänge und der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Lichtstrahl und Meßobjekt.

In der Literaturstelle »Feinwerktechnik«, 71. Jg., 1967, Heft 4, S. 161, rechte Spalte, letzter Absatz und S. 162, wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der zur Erhöhung der Meßgenauigkeit die in einer Richtung erfolgende Bewegung des abtastenden Strahles durch eine Wobbeibewegung überlagert wird. Durch diese Wobbeibewegung entsteht am Ausgang des lichtempfindlichen Elements an Stelle eines einzigen mehr oder weniger flachen elektrischen Impulses eine Reihe von sehr steilen elektrischen Impulsen, deren Einhüllende der weiteren Messung zugrunde gelegt wird. Auf diese Weise kann die Meßgenauigkeit beträchtlich erhöht werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Geschwindigkeit der obengenannten kontinuierlichen Relativbewegung viel kleiner als die Geschwindigkeit der zusätzlichen Wobbeibewegung sein muß, was bei den bekannten, mit mechanisch schwingenden Teilen arbeitenden Anordnungen zu einer Herabsetzung der Meßgeschwindigkeit führt. Ist nämlich die Geschwindigkeit der Relativbewegung nicht sehr viel kleiner als die der Wobbeibewegung, so ist die Form und die Höhe der abgeleiteten elektrischen Impulse immer andere dann von der Kantenschärfe sehr stark abhängig, wenn die durch den Wobbeivorgang bewirkte Bewegung im Augenblick des Überschreitens der Kante entgegengesetzt zur Richtung der kontinuierlichen Relativbewegung verläuft. Dieser Nachteil läßt sich weder durch eine Formung der elektrischen Impulse noch durch Schwellwertermittlung oder Differentiation vermeiden. Aus diesem Grunde war es mit den bisher bekannten Wobbeianordnungen nicht möglich, automatische Feinmeßvorrichtungen mit großer Meßgeschwindigkeit herzustellen.

Es hat sich weiterhin Strahls daß große Wobbelamplituden die auf die Wobbelung zurückführende Geschwindigkeit des Strahls zwar erhöhen aber eine Herabsetzung der Meßgenauigkeit zur Folge haben. Außerdem ist es mit den bekannten Anordnungen nicht möglich, Änderungen der Meßrichtiing ohne zeitraubendc Umstellungen der mechanischen Wobbclelcniente durchzuführen verfälschen Nachteile treten in verstärktem Maße beim automatischen Verfolgen einer Richtungsänderungen aufweisenden Kante auf.

In der deutschen Auslegeschrift 12 50 172 wird eine elektrooptische Anordnung beschrieben, bei der ein Strahl in Abhängigkeit von der Lage seiner mit elekimoniischen Mitteln mit großer Geschwindigkeit drehbaren Polarisationsebene in zwei oder mehrere verschiedene Lagen gebracht werden kann. Derartige Anordnungen wurden aber bisher nicht zum Wobbein von Lichtstrahlen bei optischen Feinmeßanordnungen verwendet, da sie relativ teuer sind und man nicht erkannt hatte, daß sie außer ihrer größeren Geschwindigkeit noch eine zusätzliche Versteilerung der abgeleiteten elektrischen Impulse dadurch ermöglichen, daß der Strahl nicht wie bei den bisher verwendeten Anordnungen eine Schwingung mit kleiner Amplitude durchführt, sondern periodisch abwechselnd an dicht benachbarten diskreten Punkten auftritt, ohne daß er eine die Flankensteilheit und Höhe der abgeleiteten elektrischen Impulse beeinflussende Bewegung zwischen diesen beiden Endlagen ausführt.

in der oben bereits zitierten Literaturstelle »Feinwerktechnik«, 71. Jg., 1967, Heft 4, werden auf S. 161 linke Spalte und rechte Spalte Absatz !, photoelektrische Vorrichtungen zum Einfangen von Markierungen beschrieben, bei denen ein Strahl abwechselnd auf zwei dicht nebeneinandergelegene Meßstellen gerichtet wird. Bei der in Fig. 2a beschriebenen Vorrichtung wird ein Lichtstrahl durch einen Strahlenteiler in zwei dicht benachbarte Teilstrahlen aufgespalten, die anschließend durch eine als »Chopper« wirkende halbkreisförmige rotierende Scheibe abwechselnd freigegeben bzw. unterbrochen werden. Zwar treten diese beiden Teilstrahlen, ohne Zwischenlagen zu durchlaufen, jeweils nur an zwei voneinander räumlich getrennten Punkten auf, die Freigabe bzw. die Unterbrechung der beiden Strahlen erfolgt aber in Zeitabschnitten, die sich mehr oder weniger stark überlappen. Eine Analyse der bei dieser Vorrichtung auftretenden Abtastsignale zeigt, daß beim Einfangen einer relativ zum Abtaststrahl schnell bewegten Kante Fehler auftreten, die die Meßgenauiigkeit stark herabsetzen können. Bei der in F i g. 2c dargestellten Vorrichtung wird ein Lichtstrahl in einem polarisierenden Strahlenteiler in zwei dicht benachbarte und senkrecht zueinander linear polarisierte Teilstrahlen aufgespalten, die anschließend einen rotierenden, als Analysator wirkenden Polarisator durchsetzen. Als Funktion der Drehlage des rotierenden Polarisators wird jeweils der eine oder der andere der beiden Strahlen unterbrochen, während der andere durchgelassen wird. Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß bei jeder halben Umdrehung der Polarisator eine Stellung einnimmt, in der beide Strahlen mit gleicher Intensität durchgelassen werden. Anschließend wächst die Intensität des einen Strahls, während die des zweiten Strahls abnimmt, bis der eine Strahl ungeschwächt durchgelassen und der andere Strahl vollständig — bei den in Frage kommenden Polarisatoren in der Regel nur nahezu vollständig — unterbrochen wird. Die Zeitabschnitte, in denen die zur Durchführung des Kanteneinfangs erforderliche Intensität des Strahls voll zur Verfügung steht, beiragen jeweils nur einen Bruchteil der für eine halbe Umdrehung erforderlichen Zeit Durch die sich ständig nach Art einer Sägezahnkurve verändernden Intensitäten der beiden Tcilstrahlen werden, wie leicht einzusehen ist, Unscharfen der zu ermit telndcn Kanten oder Markierungen vorgetäuscht, dit das Meßergebnis verfälschen. Da bei der zuletztge nannten Vorrichtung die beiden linear voneinander po larisierien Teilstrahlen erst nach 'hrer Aufspaltung den als Schalter wirkenden rotierenden Polarisator züge führt werden, wobei das Auftreten von Streulicht nich zu vermeiden ist, müssen diese Strahlen einen relati' großen Abstand voneinander haben. Im übrigen tretei

auch die im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Vorrichtungen besprochenen anderen Störungen ebenfalls, wenn auch in unterschiedlichem Umfang, auf. Die Abtastgeschwindigkeit, Abstand der Strahlen und die Schaltsleilheil der einzelnen Impulse reichen bei der zuletzt genannten, der vorliegenden Erfindung am nächsten kommenden Vorrichtung somit nicht aus, um die bei schnellen Relativbcwegungen zwischen Meßstrahl und Objekt auftretenden dynamischen Meßfehler klein zu halten, da sich die den einzelnen Strnhlcnbündcln zugeordneten Impulse in einer Weise zeitlich überlappen, die unter anderem eine Funktion der Kantenschärfe, der Abtastrichtung und der Abtastgeschwindigkeit ist. Nach diesem Stand der Technik werden somit zwar Lichtflecke an diskreten Orten erzeugt, eine zeitlich ausreichende Trennung der photoelektrischen Signale wird jedoch nicht gewährleistet.

Bei den in der deutschen Offenlegungsschrifi 19 24 787 beschriebenen Doppelbündelspcktrometer wird ein linear polarisierter Strahl über ein magnetooptisches Element und einen polarisierenden Strahlenteiler in ein MeIJ- und ein Vergleichslichtbündcl aufgespalten, die nach Durchführung der Messung wieder vereinigt und einem gemeinsamen Photoempfänger zugeführt werden. Das die steuerbare Drehung der Polarisationsebene bewirkende magnetooptische Element wird durch einen Rechteckgenerator gesteuert. Da bei dieser Vorrichtung weder eine Bewegung zwischen Meßobjekt und Meßstrahl noch eine Erfassung kontrastierender Kanten stattfindet, sind dieser Literaturstelle keine Hinweise zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe zu entnehmen.

Aufgabe

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus. eine Vorrichtung zur automatischen Feinmessung mit einem relativ zuii; Meßobjekt kontinuierlich bewegten Meßstrahl und einer zusätzlichen periodischen Lageveränderung des Meßstrahls anzugeben, bei der eine sehr schnelle Bewegung des Meßstrahls gegenüber dem Meßobjekt bei großer Meßgenauigkeit und unabhängig von Änderungen der Meßrichtung möglich ist. Insbesondere sollen die Meßergebnisse unabhängig von der Abtastrichtung sein, eine Eigenschaft, die mit den bisher bekannten Vorrichtungen nicht zu verwirklichen war. Auch eine automatische Führung des Strahls entlang einer beliebige Richtungsänderungen aufweisenden Kante soll möglich sein. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst..

Vorteile

Während bei den bisher bekannten Feinmeßvorrichtungen mit gewobbeltem Meßstrah! eine Verfälschung der Meßergebnisse als Funktion der Kantenunschärfe und der Abtastvorrichtung nicht zu vermeiden war, ist es mit der Feinmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, jede Verfälschung der Meßergebnisse, die durch die Unscharfe der abgetasteten Kante und durch die Abtastrichtung entsteht nahezu vollständig zu vermeiden. Diese Erhöhung der Meßgenauigkeit und Störfreiheit ist dadurch bedingt, daß der Meßstrahl nicht wie bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art entweder eine oszillierende Bewegung ausführt oder in den dicht benachbarten Meßpunkten zum Teil gleichzeitig mit gleichen Intensitäten auftritt, sondern in einander nicht überlappenden Zeitabschnitten abwechselnd mit großer Geschwindigkeit in zwei oder mehr dicht nebcneinanderliegcnclen MeIipunkten das Meßobjekt beaufschlagt. Wird die die periodische Versetzung des Mcßslrahls bewirkende elcktrooptische Vorrichtung mit Rechteckimpulsen betrieben, so treten am Ausgang des das vom Meßobjekt beeinflußte Licht aufnehmenden Detektors sehr scharfe, zeillich getrennte und vollkommen symmetrische elektrische Impulse auf, die eine einfache und genaue ίο Auswertung der optischen Abtastung ermöglichen und die die durch die Asymmetrie der mit den bisher bekannten Verfahren erzielten Impulse bedingten Fehler vollständig ausschalten. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist dadurch begründet, daß bei einer Richtungsänderung der abgetasteten Kante auch eine Änderung der Auslenkrichtung des gewobbcltcn Strahls durch Wirksamwerden eines weiteren, im Strahlengang angeordneten Ablenksystems erzeugt werden kann. Daher ist es möglich, zwei im Strahlcngang angeordnete verschiedene Ablenkrichtungen aulweisende Systeme gleichzeitig so zu betreiben, daß der Meßstrahl in rascher Folge entweder im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn an den Ecken eines gedachten Vielecks auftritt. Auf diese Weise könncn Muster mit sich ständig ändernden Kantenrichtungen ohne Eingriffe von Außen und ohne komplizierte Steuervorrichtungen abgetastet und vermessen werden. Je nach der Reihenfolge der dabei mit Hilfe einer im Strahlengang angeordneten Photozellc erzeugten elektrischen Hell- oder Dunkelimpulse kann mit Hilfe nicht näher angegebener nachgeschaltcter Auswerteinrichtungen die Lage, der Gradient und die Richtung einer Schwarz-Weiß-Kante festgestellt werden. Aul Grund dieser Feststellung können entweder die Meßergebnisse errechnet oder der Strahl entlang einer einmal aufgenommenen Kante automatisch geführt werden.

Durch die Verwendung elektrooptischer oder magnctooptischcr Mittel in der oben angegebenen Ar! wird somit nicht nur eine wesentlich höhere Wobbelfrequenz als bei den bekannten Vorrichtungen möglich: es können vielmehr ohne zeitraubende Umstellungen Wobbelbewegungcn in mehreren Richtungen durchgeführt und die durch die bei der Abtastung erzeugten Lichtimpulse entstehenden elektrischen Signale mil den nachgeschalteten Auswerteinrichtungen in relativ einfacher Weise optimal synchronisiert werden, was be Verwendung von Resonanzfrequenzen aufweisender schwingenden Spiegelsystemen oder rotierenden PoIa risatoren nur in geringem Umfange möglich ist.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figu ren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer ein Meß mikroskop enthaltenden optoelektrischen Feinmeßan Ordnung,

F i g. 2 die schmatische Darstellung eines anderen eil Meßmikroskop enthaltenden Ausführungsbeispiel einer optoelektrischen Feinmeßanordnung,

F i g. 3 die schematische Darstellung einer dem Meß

mikroskop nachschaltbaren elektronischen Anordnung

F i g. 4 die schematische Darstellung des Verlaufs de

das elektrooptische Element in der Anordnung nad

F i g. 1 steuernden Spannung,

F i g. 5 die schematische Darstellung der räumliche! Lage der Abtastpunkte.

Das durch einen Laser I erzeugte linear polarisiert Strahlenbündel 2 tritt in ein aus den Linsen 3 und 1 bestehendes Meßmikroskop ein. Ein im Strahlengan dieses Mikroskops angeordneter Strahlenteiler 4 et

laubt im Zusammenhang mit einer Linse 12 eine Beobachtung des auf einem Meßtisch 13 angeordneten Objektes. Das linear polarisierte Strahlenbündel 2 durchsetzt die Linse 3 und den Strahlenteiler 4 und wird in einer λ/4-Plattc 5 in einen zirkulär polarisierten Strahl umgewandelt. Ein elektrooplisches Element 6 besteht aus einer durchsichtigen, den elektrooptischen Longitudinalcffckt aufweisenden Substanz, die an in Richtung des Strahls 2 gegenüberliegenden Seiten mit durchsichtigen Elektroden versehen ist. Mit Hilfe einer Hochfrequenzqucllc 17 kann an diese Elektroden eine Sinusspannung gelegt werden, die von Spitze zu Spitze gemessen gleich der λ/2-Spannung ist. Diese Spannung bewirkt in an sich bekannter Weise, daß die das elektrooptische Element 6 verlassende Strahlung im Takte der Wechselspannung abwechseln in zwei zueinander senkrecht liegenden Ebenen linear polarisiert ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß das elektrooptisch^ Element 6 während der in negativer Richtung verlaufenden Halbwelle die in der λ/4-Platte 5 erzeugte Phasenverschiebung rückgängig macht, während sie zur Zeit der in positiver Richtung verlaufenden Halbwelle die in der λ/4-Platle erzeugte Phasenverschiebung von λ/4 auf λ/2 erweitert. Das hat zur Folge, daß die das elcktrooptische Element 6 verlassende Strahlung unter der Wirkung einer in negativer Richtung verlaufenden Halbwelle der durch die Hochfrequenzquelle 17 erzeugten Wechselspannung in einer Richtung und während einer in positiver Richtung verlaufenden Halbwelle in einer senkrecht dazu liegenden Ebene linear polarisiert ist. In einem Strahlenteiler 7 in Form eines WoI-laston-Prismas wird der Strahl in Abhängigkeit von der Lage seiner Polarisationsebene über jeweils einen von zwei möglichen Wegen weitergeleitet, so daß der mit Hilfe der Linse II auf das auf dem Meßtisch 13 liegende Objekt fokussierte Strahl einen Lichtfleck mit einem sehr kleinen Durchmesser erzeugt, der synchron mit der durch die Hochfrequenzquelle 17 erzeugten Wechselspannung abwechselnd an zwei dicht benachbarten Orten auftaucht. Befindet sich der Strahl, wie in F i g. 1 dargestellt, in unmittelbarer Nähe der rechten Kante des auf dem Meßtisch 13 liegenden Objektes, so wird die Intensität der den Meßtisch 13 verlassenden Strahlung synchron mit der durch die Hochfrequenzquelle 17 erzeugten Wechselspannung moduliert. Diese Strahlung wird mit Hilfe der Linse 14 auf eine Photodiode 15 fokussiert, deren Ausgang der in F i g. 3 dargestellten elektronischen Schaltung 16 zugeführt wird. Die Scharfeinstellung des Meßmikroskops auf die Meßebene kann mit Hilfe des Strahlenteilers 4 und der Linse 12 in bekannter Weise erfolgen.

Wird der Meßtisch 13 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles bewegt, so entsteht beim Überstreichen der Kante des auf dem Meßtisch 13 liegenden Objekts durch den Meßstrahl am Ausgang der Photodiode 15 eine Wechselspannung mit zuerst größer werdender und dann wieder kleiner werdender Amplitude. In der in F i g. 3 dargestellten elektronischen Schaltung wird durch eine Anordnung 20 die Einhüllende dieser Wechselspannung erzeugt und in einer Anordnung 21 gleichgerichtet In einer Anordnung 22 wird die gleichgerichtete Einhüllende differenziert und einer Anordnung 23 «!geleitet, in der der Null-Durchgang festgestellt wird Über einen Ausgang 24 werden den Zeitpunkt des Null-Durchganges angebende Signale einem nachgetchaltetem Computer zur weiteren Auswertung zugeleitet. Mit der in F i g. 1 dargestellten Anordnung, bei der der Lichtfleck abwechselnd in zwei in einer parallel zur Zeichnungsebene verlaufenden Ebene liegendei Punkten auftritt, können nur senkrecht oder nahczi senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Kantei abgetastet werden. Bei parallel oder nahezu patalle zur Zeichnungsebene verlaufenden Kanten treten, wii leicht einzusehen ist, Schwierigkeiten auf, die bei der it F i g. 2 dargestellten Anordnung vermieden werdet können.

Die in I- i g. 2 dargestellte Anordnung gleicht bis au

ίο die Elemente 8, 9, 10 und 18 der in F i g. 1 dargestellter Anordnung. Wahrend das aus den Elementen 5. 6, 7 unc 17 bestehende System einen Lichtstrahl erzeugt, dei abwechselnd in zwei in einer parallel zur Zeichnung* ebene verlaufenden Ebene liegenden Punkten auftritt bewirkt das aus den Elementen 8, 9, 10 und 18 beste hende System, daß ein ihm zugeführter Lichtstrahl ab wechselnd in zwei dicht benachbarten, in einer senk recht zur Zeichnungsebene verlaufenden Ebene liegen den Punkten auftritt. Sind die durch die Hochfrequenz quellen 17 und 18 erzeugten Wechselspannungen gleicher Frequenz um eine viertel Wellenlänge versetzt, se tritt der auf dem Meßtisch 13 erzeugte Lichtfleck pe riodisch in aufeinanderfolgenden Zeiten in dicht nebeneinander angeordneten Punkten auf, die beispielsweise in den Ecken eines gedachten Vierecks liegen. Untei der Wirkung der ersten Halbwelle der durch die Hochfrequenzquelle 17 erzeugten Wechselspannung wird der die Strahlenteiler bzw. Wollastonprismen 7 und IC verlassende Lichtstrahl in Richtung der Zeichnungsebene um einen diskreten Betrag versetzt. Unter der Wirkung der um eine viertel Wellenlänge phasenverschobenen Halbwelle der durch die Hochfrequenzquelle 18 erzeugten Wechselspannung wird das der λ/4-Platte 8 zugeführtc Strahlenbündel beim Verlassen des WoIIaston-Prismas 10 senkrecht zur Zeichnungsebene um einen diskreten Betrag versetzt, um unter der Wirkung der zweiten Halbwelle der durch die Hochfrequenzquelle 17 erzeugten Wechselspannung in entgegengesetzter Richtung parallel zur Zeichnungsebene um den gleichen diskreten Betrag versetzt zu werden. In diesem Zustand wird die zweite Halbwelle der durch die Hochfrequenzquelle 18 erzeugten Wechselspannung wirksam, so daß der die Wollaston-Prismen 7 und 10 verlassende Strahl in entgegengesetzter Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene versetzt wird. Der auf dem Meßtisch 13 erzeugte Lichtfleck tritt daher periodisch zu aufeinanderfolgenden Zeiten in den Punkten 31, 32.

33 und 34 des in F i g. 5 dargestellten Vierecks auf.

Verläuft die abzutastende Kante des auf dem Meßtisch 13 liegenden Objektes in Richtung des in F i g. 5 eingezeichneten Pfeiles 35, so werden beim Übergang des Lichtfleckes vom Punkt 31 zum Punkt 32 und vom Punkt 33 zum Punkt 24 am Ausgang 24 der Anordnung 23 der in F i g. 3 dargestellten Schaltung elektrische Im-

pulse auftreten, während beim Übergang des Lichtflecks vom Punkt 32 zum Punkt 33 und vom Punkt 34 zum Punkt 31 keine elektrischen Impulse am Ausgang der Anordnung 23 auftreten. Verläuft jedoch die abzutastende Kante in Richtung des in F i g. 5 eingezeichne- ten Pfeiles 36, so treten beim Übergang des Lichtflekkes vom Punkt 32 zum Punkt 33 und vom Punkt 34 zum Punkt 31 am Ausgang 24 der Anordnung 23 Impulse auf, während beim Übergang des Lichtfleckes vom Punkt 31 zum Punkt 32 und vom Punkt 33 zum Punkt 34 keine Impulse auftreten. Bei im Verhältnis zur Vorschubgeschwindigkeit des Meßtisches 13 sehr hohen Frequenzen der Hochfrequenzquellen 17 und 18 wird die Meßgenauigkeit von der Richtung der jeweils abge-

tasteten Kanten in nur ganz geringem Umfang beeinflußt. Weiterhin ist es leicht einzusehen, daß die Richtung einer abgetasteten Kante durch einen Phasenvergleich der durch die Hochfrequenzquellen 17 und 18 erzeugten Wechselspannungen mit der zeitlichen Lage der am Ausgang der Anordnung 23 auftretenden Signale festgestellt werden kann. In ähnlicher Weise ist es möglich, durch entsprechende Auswertung der am Ausgang 24 der Anordnung 23 auftretenden Signale die Bewegung des Meßtisches 13 in zwei Richtungen so zu ,₀ steuern, daß die Kante eines Kurvenzugs durch den Meßstrahl verfolgt wird.

In Fig.4 wird der Verlauf und die Größe der zur Ansteuerung der elektrooptischen Elemente 6 und 9 erforderlichen Wechselspannung wiedergegeben. Die ,₅ Mittelachse dieser Wechselspannung verläuft symmetrisch zu einer die λ/4-Spannung wiedergebenden Geraden. Der niedrigste Wert ist gleich 0, der höchste Wert ist gleich der λ/2-Spannung, so daß die durch diese Spannung erregten elektrooptischen Elemente die Phasen der sie durchsetzenden ordentlichen und außerordentlichen Strahlen einmal um λ/4 in der einen Richtung und dann um λ/4 in der anderen Richtung verschieben. Zusammen mit der in den λ/4-Platten 5 u.id/oder 8 erzeugten Phasenverschiebung ergibt sich beim Austritt aus den Elementen 6 und/oder 9 jeweils eine Phasenverschiebung von 0 oder A/2. Diese Phasenverschiebung bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene der die elektrooptischen Elemente 6 und 9 verlassenden Strahlen um jeweils 90°, die ihrerseits eine Versetzung der Austrittsorte der die Wollaston-Prismen 7 bzw. 10 verlassenden Strahlen zur Folge hat. Die Größe der Seitenversetzung des auf dem Meßtisch 13 fokussierten Lichtfleckes hängt vom Aufspaltwinkel der Wollaston-Prismen 7 und 10, von ihrer Lage im Strahlengang und von der Vergrößerung des verwendeten Meßmikroskops ab. Bei Verwendung eines HeNe-Lasers mit einer Strahlung von einer Wellenlänge von 0,63 μ und eines Objektivs mit einer numerischen Apertur von 0,6 kann ein Lichtfleck mit einem Radius von 0,63 μ erzeugt weiden. Damit ist die gesamte Signalbreite gleich diesen 0,63 μ plus der periodischen seitlichen Versetzung des Strahls von etwa 0,3 μ, d. h. insgesamt etwa 1 μ. Die schließlich mit einer derart ausgelegten Anordnung erreichbare Meßgenauigkeit ergibt sich daraus, daß durch die nachfolgende Auswertelektronik das Maximum des Signals mit großer Genauigkeit bestimmt werden kann. Bei einer Lokalisierung des Maximums mit der leicht erreichbaren Genauigkeit von etwa 5% der Gcsamtsignalbrcite wäre die schließliche Meßgenauigkeit 0,05 μ. Werden die elektrooptischen Elemente 6 und 9 mit einer Frequenz von 5MHz erregt, so ergibt sich bei einer zulässigen Kantenbreite von 0,5 μ und den oben angegebenen Werten für das Meßmikroskop eine Meßgeschwindigkeit von 100 mm/sec. Die Λ/4-Plattcn können beispielsweise aus Kalkspat und die elektrooptischen Elemente 6 und 9 beispielsweise aus KDP-Kristallen bestehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Anordnung so zu treffen, daß der vom Laser 1 ausgehende linear polarisierte Strahl zunächst durch ein Wollaston-Prisma in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte, einen Winkel miteinander einschließende Komponenten aufgespalten wird, die anschließend ein steuerbares elektrooptisches Element durchsetzen. In diesem Element werden die senkrecht zueinander liegenden Polarisationsrichtungen der beiden nebeneinander verlaufenden linear polarisierten Strahlen steuerbar gemeinsam um jeweils 90° gedreht, so daß ein im weiteren Strahlengang angeordneter Analysator jeweils nur den einen Teil dieser beiden Komponenten durchläßt.

Hierzu 2 Blatt zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optoelektrische Feinmeßanordnung, bei der ein Lichtfleck zur Erfassung oder zur Verfolgung der die zu messenden Abstände begrenzenden Kanten in bezug auf ein Meßobjekt bewegbar ist, mil einem im Strahlengang angeordneten mindestens einen polarisierenden Strahlenteiler und mindestens ein die Polarisationsebene drehendes Element enthaltenden Lichtablenker, welcher das dei. Lichtfleck erzeugende Strahlenbündel periodisch und ohne Durchlaufen von Zwischenlagen abwechselnd auf mindestens zwei diskrete und dicht benachbarte Punkte des Meßobjekts lenkt sowie mit mindestens einem, das vom Meßobjekt ueeinflußte Licht in elektrische Signale umwandelnden lichtempfindlichen Element, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine die Polarisationsebene drehende Element ein von einer Hochfrequenzquelle (17) gesteuertes, magneto- oder elektrooptisches Element (6) ist.

2. Optoelektrische Feinmeßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren, aus einem die Polarisationsebene des Strahlenbündels (2) steuerbar drehenden Element (9) und einem Strahlenleiter (10) bestehenden Lichtablenker, dessen Auslenkrichtung senkrecht zur Auslenkrichtung des aus dem Element (6) und dem Strahlenteiler (7) bestehenden Lichtablenkers liegt.

3. Optoelektrische Feinmeßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des ersten und des zweiten, die Polarisationsebene steuerbar drehenden Elements (6, 9) durch um eine viertel Wellenlänge voneinander versetzte Wechselspannungen erfolgt, derart, daß der Lichtfleck in oder entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn zu aufeinanderfolgenden Zeiten in den Ecken eines Rechtecks auftritt.

4. Optoelektrische Feinmeßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die die Polarisationsebene steuerbar drehenden Elemente aus elektrooptischen Körpern bestehen, die mit an in Strahlenrichtung gegenüberliegenden Seiten angeordneten durchsichtigen Elektroden zur Anlegung einer λ/2-Wechselspannung versehen sind.

5. Optoelektrische Feinmeßanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine vor oder hinter jedem die Polarisationsebene steuerbar drehenden Element (6,

9) angeordnete λ/4-Platte (5, 8), die im Zusammenwirken mit dem betreffenden Element je nach dessen Erregungszustand eine Phasenverschiebung um 0 oder um λ/2 des ordentlichen gegenüber dem außerordentlichen Strahl und somit eine Drehung der Polarisationsebene um 90° beim Übergang von der negativen Halbwelle zur positiven Halbwelle einer das steuerbare Element erregenden λ/4-Spannung und umgekehrt bewirkt.

6. Optoelektrische Feinmeßanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des die Polarisationsebene steuerbar drehenden Elements (6,

9) durch rechteck- oder trapezförmige Spannungen f>5 oder Ströme erfolgt.

7. Elektrooptisch^ Feinmeßanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche ! bis 6, gekennzeichnet durch einen dem elektro- oder magnetooptischen Element (6) zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene vorgeschalteten, polarisierenden Strahlenteiler zur Aufspaltung des von der Lichtquelle (1) ausgehenden Strahls (3) in zwei senkrecht zueinander polarisierte, dem Elemem (6) zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene auf getrennten Wegen zuzuleitenden Komponenten und durch einen dem drehenden Element (6) nachgeschalteten, jeweils nur eine der ihm auf getrennten Wegen zugeleiteten senkrecht zueinander polarisierenden Komponenten durchlassenden Analysator.

Die Erfindung betrifft eine optoelektrische Feinmeßanordnung, bei der ein Lichtfleck zur Erfassung oder zur Verfolgung der die zu messenden Abstände begrenzenden Kanten in bezug auf ein Meßobjekt bewegbar ist, mit einem im Strahlengang angeordneten mindestens einen polarisierenden Strahlenteiler und mindestens ein die Polarisationsebene drehendes Element enthaltenden Lichtablenker, welcher das den Lichtfleck erzeugende Strahlenbündel periodisch und ohne Durchlaufen von Zwischenlagen abwechselnd auf mindestens zwei diskrete und dicht benachbarte Punkte des Meßobjekts lenkt sowie mit mindestens einem das vom Meßobjekt beeinflußte Licht in elektrische Signale umwandelnden lichtempfindlichen Element.

Stand der Technik

Auf vielen Gebieten der Technik und der Forschung ist das genaue Vermessen großer Mengen von Objekten oder das Nachfahren der Kanten von Linien erforderlich. Beispiele dafür sind: das Zählen und Messen von Mikroorganismen, von Zellen, Blutkörperchen, Staubteilchen, Gitterstrukturen, Korngrößen von verschiedenen Schliffen und das Nachfahren von Kurvenzügen. Besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit derartiger Messungen werden bei der Ausmessung und Qualitätskontrolle von sogenannten integrierten Schaltungen, sowohl während der einzelnen Verfahrensschritte als auch nach Fertigstellung ganzer Einheiten gestellt. Die Abmessungen dieser Schaltungen werden mit fortschreitender Miniaturisierung immer kleiner, während die Anzahl der aul einer Flächeneinheit untergebrachten Schahelemente und Verbindungsleitungen immer größer wird. Da die Anzahl der zu prüfenden und zu messenden Schaltun gen täglich in die Tausende geht, und der Einfluß vor Abweichungen von der vorgeschriebenen Lage, Längs und Breite der einzelnen Leiter- und Schaltelement! auf das elektrische Verhalten der Schaltungen von gm ßem Einfluß ist, sind optoelektrische Feinmeßanord nungen erforderlich, die eine möglichst bedienungs freie, schnelle und zuverlässige Vermessung der auto matisch durch Massenherstellung erzeugten integrier ten Schaltungen in mindestens zwei Dimensionen et möglichen.

Es sind Anordnungen zur automatischen Feinme; sung von flächenhaften Meßobjekten bekannt, bei de nen ein senkrecht zur Meßebene verlaufender Lieh strahl möglichst kleinen Querschnitts relativ zu den fli chenhaften Meßobjekten bewegt wird. Die beim Übe streichen einer Schwarz-Weiß-Kante auftretende Ii