DE2017400C3 - Optoelektrische Feinmeßanordnung - Google Patents
Optoelektrische FeinmeßanordnungInfo
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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
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,
mikroskop nachschaltbaren elektronischen Anordnung
das elektrooptische Element in der Anordnung nad
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)
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
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702017400 DE2017400C3 (de) | 1970-04-11 | Optoelektrische Feinmeßanordnung | |
JP1068871A JPS549065B1 (de) | 1970-04-11 | 1971-03-03 | |
FR7110275A FR2092469A5 (de) | 1970-04-11 | 1971-03-11 | |
GB1339514D GB1339514A (en) | 1970-04-11 | 1971-04-19 | Line machines corporation line detector apparatus catalysts for catalytic reactions of hydrocarbons |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702017400 DE2017400C3 (de) | 1970-04-11 | Optoelektrische Feinmeßanordnung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2017400A1 DE2017400A1 (de) | 1971-10-28 |
DE2017400B2 DE2017400B2 (de) | 1975-11-13 |
DE2017400C3 true DE2017400C3 (de) | 1976-07-01 |
Family
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