DE2422866C3

DE2422866C3 - Photoelektrischer Detektor zur Lagebestimmung eines Körpers

Info

Publication number: DE2422866C3
Application number: DE2422866A
Authority: DE
Inventors: Shinya Kawasaki Kanagawa Sasayama (Japan)
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1973-05-10
Filing date: 1974-05-10
Publication date: 1980-04-24
Also published as: JPS503362A; DE2422866B2; GB1465791A; DE2422866A1; US3912372A; JPS5525602B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen photoelektrischen Detektor zur Bestimmung der Lage eines mit einer Strichmarke versehenen Körpers gegenüber der optischen Achse einer Äbbildungsoptik in bezug auf ^hn eine Koordinate, mit einer Spaltplatte, auf die mit Hilfe der Abbildungsoptik die Strichmarke abbildbar ist, mit einem photoelektrischen Wandler, auf den das den Spalt der Spaltplatte passierende Licht fällt, mit einer Ablenkeinrichtung, die das durch die Abbildungsoptik ^h"' gelangte Lichtbündel periodisch quer zum Spall hin- und herbewegt, und mit einer Verarbeitungsschaltung.

Aus der DD-Patentschrift 67 591 ist ein Dhotoelektrischer Detektor der vorstehend beschriebenen Art bekannt, bei dem ein im Photometrierspalt gelegenes Scheideprisma das Lichtstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel teilt- Im Prinzip werden dabei die Intensitäten der beiden Teilstrahlenbündel miteinander verglichen. Wird also die hieraus abgeleitete Differenzspannung gleich Null, dann bedeutet dieses, daß sich die Strichmarke in der idealen Position befindet .Mit der bekannten Vorrichtung kann also festgestellt werden, ob sich eine Strichmarke in einer gewünschten Position befindet, nicht aber, wie weit die Strichmarke von der Sollposition entfernt ist, und auch nicht, ob sich die Strichmarke innerhalb eines vorbestimmten Bereiches befindet Hinzu kommt noch, daß die Nullspannungsanzeige für die Soll-Lage gegenüber Fehlersignalen, gleich welcher Herkunft (Rauschen), anfällig ist und zu Fehlbeurteilungen führt

Aus der DE-PS 9 16 229 ist weiterhin eine Vorrichtung zur photoelektrischen Messung der Lage eines Strichs bekannt, der einschließlich seiner Umgebung auf einen hierzu parallelen Photometrierspalt abgebildet und durch eine Ablenkungseinrichtung periodisch quer zum Spalt hin- und herbewegt wird. Hinter dem Photometrierspalt sitzt ein photoelektrischer Wandler, dessen nachgeordnete Schaltung so ausgelegt ist, daß diese auf die Ungleichheit der Zeiten anspricht, die zwischen den nacheinander vom photoelektrischen Wandler abgegebenen elektrischen Impulsen ausgehen. Auch hier ist die Anordnung so getroffen, daß bei Gleichheit dieser Zeiten ein elektrisches Nullsignal erzeugt wird, die vorstehenden Ausführungen treffen demgemäß auch hier zu.

Aus der bekanntgemachten deutschen Patentanmeldung L Il 554 VIIIb/21c ist es für eine Folgeregeleinrichtung zum Längsauftrennen ablaufender Bahnen, z. B. Stoffbahnen, bekannt, die beiden Ränder eines auf die Bahn gelegten, längsverlaufenden Kontraststreifens durch zwei Photozellen abzutasten und mit den hieraus abgeleiteten Signalen eine Servosteuerung zum Ausgleich von seitlichen Bahnauswanderungen zu steuern. Auch hier entspricht die Soll-Lage dem Nullspannungsfall, während Abweichungen von der Soll-Lage durch Signalspannungen des einen oder anderen Vorzeichens wiedergegeben werden, denen dann durch die Servosteuerung gegengesteuert wird.

Schließlich ist auch aus der US-PS 35 60 097 ein photoelektrisches Mikroskop bekannt, das mehrere Spalte, Marken und photoelektrische Wandler nur im Zusammenhang mit Messungen nach mehreren Koordinaten umfaßt, wobei mit der Messung bezüglich der einzelnen Koordinate im wesentlichen wie einleitend beschrieben verfahren wird.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung einen photoelektrischen Detektor der einleitend beschriebenen Art so weiterzubilden, daß mit diesem festgestellt werden kann, ob eine Strichmarke in einem vorgegebenen Sollbereich gelegen ist oder nicht, ohne daß dabei Zuflucht zu einer Nullspannungsanzeige für den einen oder anderen Fall genommen werden müßte.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für den pholoelektrischen Detektor der einleitend beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage der Markierung innerhalb eines Sollbereichs der Spalt an einer einem Ende des Sollbereichs entsprechenden Stelle angeordnet ist, daß eine weitere Spallplattc in der Abbildungsebene der Abbildungsoptik angeordnet ist, deren Spalt sich an einer dem anderen Ende des Sollbcreichs entsprechen-

den Stelle befindet, daß ein weiterer photoelektrischer Wandler vorgesehen ist, welcher dem Spalt der weiteren Spaltplatte nachgeordnet ist, daß die Ablenkeinrichtung das Lichtbündel auch über den Spalt aer weiteren Spaltplatte periodisch hin- und herbewegt und daß die Verarbeitungsschaltung ein Differenzsignal entsprechend der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden photoelektrischen Wandler derart bildet, daß allein die Polarität des so erzeugten Signals die Sollbereichslage der Strichmarke festlegt.

Es wird also mit dem erfindungsgemäßen Detektor erreicht, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, das beispielsweise positiv ist, wenn die Strichmarke innerhalb des Bereiches gelegen ist, aber negativ, wenn die Strichmarke außerhalb des Sollbereichs gelegen ist Auf diese Weise läßt sich ersichtlich eine von jeden Unsicherheiten freie Ja-Nein-Entscheidung realisieren.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Mikroskops bekannter Art;

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Versetzungs-Ausgangs-Kennlinie des in Fig. 1 dargestellten photoelektrischen Mikroskops;

Fig.3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig.4{a) und 4(b) graphische Darstellungen der Versetzungs-Ausgangs-Kennlinie der Ausführungsform nach F i g. 3 und

F i g. 5 eine schaubildliche Ansicht einer besonderen Form einer Abtasteinrichtung.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Stand der Technik ist ein anzuzeigender Körper 1 mit einer Strichmarke 2 versehen, die auf einen Spalt 4 durch eine Objektivlinse

3 abgebildet wird. Hinter dem Spalt 4 ist ein photoelektrischer Wandler 5 angeordnet Vor dem Spalt 4 befindet sich eine Abtasteinrichtung 6, die durch einen Oszillator 7 gesteuert wird. Die Abtasteinrichtung 6 wird in sinusförmige Schwingungen versetzt und kann so die Abbildung der Strichmarke 2 senkrecht zum Spalt

4 oder senkrecht zum Lichtstrahlenbündel abtasten. Die Abtasteinrichtung 6 kann durch eine Glasplatte gebildet sein, die durch ein Wechselfeld um ihre eigene Achse in Drehung und Schwingungen versetzt wird.

Das Ausgangssignal des photoelekHschen Wandlers

5 ist daher ein Signal, das mit einer Frequenz moduliert ist, die gleich der Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung

6 ist. Es wird durch einen Vorverstärker 8 verstärkt und dann durch eine Synchror.fijleichrichter-Schaltung 9 mit einer Frequenz gleichgerichtet, die gleich der Abtastfrequenz ist. Mit anderen Worten, der Synchrongleichrichter übernimmt eine Frequenzkomponente, die gleich der Abtastfrequenz ist, aus dem Ausgangssignal des Vorverstärkers 8.

F i g. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Lage (Versetzung) der Abbildung der Strichmarke zum Schwingungsmittelpunkt für die Spaltabtastung und das Ausgangssignal der Synchrongleichrichterschaltung. In F i g. 2 ist auf der Abszisse die Versetzung aufgetragen und auf der Ordinate das Ausgangssignal der Syn= f>o chrongleichrichterschaltung. Wenn die Versetzung Null ist, ist das Ausgangssignal ebenfalls Null. Für kleine Versetzungen ist das Ausgangssignal im wesentlichen proportional zur Versetzung, so daß die Lage der Strichmarke durch die Verwendung eines Meßgerätes <>> 10 dadurch ermittelt werden kann, daß die Stellung abgelesen wird, bei welcher das Ausgangssignal Null ist. Auf diese Weise ermöglicht das photoelektrische Mikroskop eine genaue Ermittlung der Position der Strichmarko bei der Versetzung Null, während es, wie erwähnt, keine genaue Ermittlung der Position der Markierung bei einer Versetzung in der Nachbarschaft von Null gewährleisten kann, wenn die Versetzungs-Ausgangssignalkennlinie unter dem Einfluß von Faktoren wie Breite der Strichmarke, Abtastamplitude, Helligkeit der Beleuchtung usw. veränderlich ist.

F i g. 3 dient zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein auszurichtender Körper 11 an seiner einen Fläche mit einer Strichmarke 12 versehen ist Die Strichmarke 12 wird durch eine Linse 13 und einen halbdurchlässigen Spiegel 17 auf eine erste und eine zweite Spaltplatte 14 bzw. 18 abgebildet Der Spalt der ersten Spaltplatte 14 verläuft parallel zur Strichmaske 12 und ist an einer Stelle vorgesehen, die dem einen Ende des eingestellten Sollbereiches entspricht und gegen die optische Achse der Linse 13 versetzt ist. Der Spalt der zweiten Spaltplatte 18 ist ebenfalls zur Strichmarke 12 parallel Lrfd an einer Stelle angeordnet, die dem anderen Ende des eingestellten Sollbereiches entspricht und gegen die optische Achse der Linse 13 versetzt ist Eine Abtasteinrich'-'ig, die mit 16 bezeichnet ist, kann in sinusförmige Schwingungen versetzt werden und das Abbild der Strichmarke 12 senkrecht zum ersten und zum zweiten Spalt 14 bzw. 18 abtasten, sie ist in der in Fig.5 gezeigten Weise aufgebaut

Hiernach ist ein Glaskörper 29, um den eine Spule 30 gewickelt ist, im Feld eines Magneten 31 angeordnet und zur schwingenden Bewegung an einem Stahldraht 32 gelagert. Die Speisung der Spule mit sinusförmigem Wechselstrom eines Oszillators 21 hat zur Folge, daß der Glaskörper 29 um den Stahldraht 32 in sinusförmige Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungen des Glaskörpers dienen zur schwingenden Ablenkung der Abbildung der Markierung 12 zu beiden Spaltplatten je senkrecht zu deren Spalten.

Wie in F i g. 3 gezeigt, sind photoelektrische Wandler 15 und 19 zum Empfang der Lichtstrahlenbündel vorgesehen, die den Spalt der ersten und zweiten Spaltplatte 14 bzw. 18 passieren, um entsprechende elektrische Signale zu erzeugen. Ein Differenzverstärker 20 ist so geschaltet, daß er die Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler 15 und 19 über die Vorverstärker 8 aufnimmt, um die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen zu bilden. Eine Synchrongleichrichterschaltung 22 übernimmt e. ie Frequenzkomponente, die gleich der Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung 16 ist, aus dem Ausgangssignal vom Differenzverstärker 20 in Übereinstimmung mit dem Signal eines Oszillators 21, während der Ausgang der Synch, ongleichrichterschaltung mit einem Anzeigegerät 23 verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Ausführungsform nat;h F i g. 3 ist die folgende:

Was vorangehend in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben wurde, trifft auch für die Betrachtung der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Synchrongleichrichterschaltung und der Versetzung des Körpers zu, wenn das Ausgleichssignal des einen photoelektrischen Wandlers synchron gleichgerichtet wird.

Nachfolgend soll der Fall betrachtet werden, in dem die Signale der photoelektrischen Wandler 15 und 19 gesondert synchron gleichgerichtet werden. Die hierbei erhaltene Versetzungs-Ausgangssignal-Kennlinie ist dann wie durch die Kurven 24 und 25 in Fig.4(a) gezeigt. Die gestrichelten Linien in Fig.4(a) entspre-

ehen den Stellungen der Spalte der ersten und zweiten Spaltplatte 14 b '.w. 18 zur optischen Achse. Im Falle der Fig. 3 ist daher, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalcn der Wandler 15 und 19 übernommen und synchron gleichgerichtet wird, die Verselzungs-Ausgangssignal-Kennlinie einer solchen Differenz die Kurve 24 von F i g. 4(a) minus der Kurve 25 von F i g. 4(a). Das Ergebnis ist in F i g. 4(b) gezeigt. Hieraus ergibt sich, daß das Ausgangssignal der Synchrongleichrichterschaltung 22 in den eingestellten Stellungen 27 und 28 der Spalte Null ist und positiv oder negativ innerhalb bzw. außerhalb der eingestellten Stellungen Daher bestimmt der positive oder negative Wert de Ausgangs, wie er durch das Meßgerät 23 angezeigt wird ob der anzuzeigende Körper innerhalb des eingestellter Bereiches liegt oder nicht.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist eini Abtasteinrichtung verwendet, durch welche das l.icht strahlenbündel gegenüber dem Spalt bzw. den Spaltet in Schwingungen versetzt wird. Auch die kinematisch Umkehrung ist möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fotoelektrischer Detektor zur Bestimmung der Lage eines mit einer Strichmarke versehenen Körpers gegenüber der optischen Achse einer Abbildungsoptik in bezug auf eine Koordinate, mit einer Spaltplatte, auf die mit Hilfe der Abbildungsoptik die Strichmarke abbildbar ist, mit einem fotoelektrischen Wandler, auf den das den Spalt der Spaltplatte passierende Licht fällt, mit einer ^|0 Ablenkeinrichtung, die das durch die Abbildungsoptik gelangte Lichtbündel periodisch quer zum Spalt hin- und herbewegt, und mit einer Verarbeitungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage der Markierung innerhalb ι⁵ eines Sollbereichs der Spalt an einer einem Ende (27) des Sollbereichs entsprechenden Steile angeordnet ist, daß eine weitere Spaltplatte (18) in der Abbildungsebene der Abbildungsoptik (13) angeordnet ist, deren Spalt sich an einer dem anderen Ende (28) des Sollbereichs entsprechenden Stelle befindet, daß ein weiterer fotoelektrischer Wandler (19) vorgesehen ist, welcher dem Spalt der weiteren Spaltplatte (18) nachgeordnet ist, daß die Ablenkeinrichtung (16) das Lichtbündel auch über den Spalt der weiteren Spaltplatte (18) periodisch hin- und herbewegt und daß die Verarbeitungsschaltung (8,8, 20, 21, 22) ein Differenzsignal entsprechend der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden fotoelektrischen Wandler (15, 19) derart M bildet, daß allein die Polarität des so erzeugten Signals die Sollbereicfcslage ι··.τ Strichmarke festlegt.

2. Detektor nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Abbildungsoptik ^J5 ein halbdurchlässiger Spiegel (17) liegt, der den Strahlengang in zwei Teilstrahlengänge unterteilt, in denen die erste bzw. die zweite Spaltplatte (14, 18) angeordnet sind.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (16, 21) im Abbildungsstrahlengang vor dem halbdurchlässigen Spiegel (17) angeordnet ist.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung aufgebaut ist aus

a) einer Differenzverstärkerschaltung (8,20) und

b) einer Synchrongleichrichterschaltung (22) zur Ableitung einer Frequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung (8, 20), die der von der Ablenkeinrichtung (16,21) gelieferten Periode entspricht.