DE3616144A1 - Fotoelektrische messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Meßein­ richtung zur Erfassung von Relativbewegungen zweier Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei der Relativverschiebung zweier optischer Gitter kann in bekannter Weise ein elektrisches Ausgangs­ signal erzeugt werden, das mehr oder weniger ober­ wellenbehaftet ist. Aus den zahlreichen Druckschrif­ ten, die sich mit diesem Meßprinzip befassen, sei die DE-OS 25 00 798 genannt, aus der es bekannt ist, den Detektor für die Moir´-Streifen aus vier Teilfeldern aufzubauen. Die Anordnung der Teilfelder ist dabei so gewählt, daß Geraden, die durch die Flächenschwer­ punkte dieser Teilfelder gehen, sowohl zu den Moir´- Streifen als auch zueinander parallel verlaufen. Nach einem der Ausführungsbeispiele ergibt sich dabei eine bessere Oberwellenfilterung, als bei den anderen Aus­ führungsbeispielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer fotoelektrischen Meßeinrichtung die Oberwellenanteile gezielt aus dem Ausgangssignal zu eliminieren, ohne jedoch einen hohen apparativen Aufwand in Kauf nehmen zu müssen. Zusätzliche Bauelemente wie besonders ge­ formte Blenden sollen vermieden werden (s. DE-PS 16 73 988 und DE-PS 19 41 731). Außerdem soll die Meß­ einrichtung unempfindlich gegenüber sprungartigen Tei­ lungsfehlern sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung lie­ gen darin, daß durch gezielt ausgewählte Breiten und Formen der Detektor-Teilfelder und deren Lagezuordnung zu den Moir´-Streifen beliebige Oberwellen aus dem Aus­ gangssignal herausgefiltert werden können und daß durch die Mehrfachanordnung von Detektorsystemen Teilungsfeh­ ler nurmehr geringfügige Störungen hervorrufen.

Mit Hilfe der Zeichnungen soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Auf­ licht-Meßgerätes;

Fig. 2 ein Detektorsystem;

Fig. 3 ein variiertes Detektorsystem mit verschachtelten Teilfeldern;

Fig. 4 ein weiteres Detektorsystem;

Fig. 5 eine weitere Variante eines Detek­ torsystems;

Fig. 6 ein Detektorsystem mit sinus­ artigen Teilfeldern;

Fig. 7 ein Detektorsystem mit verschach­ telten Teilfeldern sinusförmiger Feldkontur und

Fig. 8 ein Detektorsystem mit in Reihe geschalteten Teilfeldern.

Eine besonders einfache Ausführung einer Meßeinrich­ tung ist in der Fig. 1 dargestellt. Eine Lichtquelle 1 erzeugt in Verbindung mit einem Kondensor 2 paral­ leles Licht, das durch eine Abtastplatte 3 aus Glas tritt, die auf einer Seite eine Abtastteilung 3 A trägt, und fällt auf einen Maßstab 4, der auf der der Abtast­ teilung 3 A zugewandten Seite eine inkrementale Teilung 4 A der Teilungsperiode P trägt. Das Licht wird vom Maß­ stab 4 reflektiert und trifft nach erneutem Durchgang durch die Abtastteilung 3 A auf Fotoelemente, die in zwei Reihen 5 und 6 auf einer Trägerplatte 7 angeord­ net sind. Die Periode P′ der Abtastteilung 3 A ist un­ terschiedlich zur Periode P der Maßstabteilung 4 A: P/P′ = 1-k, wobei k «1.

In dem Beispiel sei k = 0,1 gewählt. Abtastteilung 3 A und Maßstabteilung 4 A erzeugen zusammen ein Längs-Moir´- Muster, dessen Periode M das 1/k fache der Teilungspe­ riode P beträgt, also M = P/k. Beträgt die Teilungspe­ riode P = 0,1 mm, so ist in dem Beispiel die Moir´-Pe­ riode M 0,1/0,1 = 1 mm. Die Anordnung der Fotoelemente in den Reihen 5 und 6 zeigt Fig. 2. Von Mitte Fotoele­ ment zu Mitte Fotoelement beträgt der Abstand M/2, von einem Fotoelement der einen Reihe zu einem Fotoelement der anderen Reihe M/4. Die Fotoelemente a 1, b 1, c 1, d 1 sind also zueinander jeweils um 90°, bezogen auf die Moir´-Periode M, phasenversetzt. Sie erzeugen entsprechend um 90° zueinander phasen­ versetzte Abtastsignale, die in bekannter Weise miteinander verschaltet werden. Aus a 1 und c 1 entsteht ein Signal S 1 und aus b 1 und d 1 ein Si­ gnal S 2.

S 1 und S 2 sind zwei um 90° zueinander phasenversetzte, nullsymmetrische Abtastsignale. Die Fotoelemente a 1, b 1, c 1, d 1 bilden also bereits eine komplette Abtast­ einheit, die im vorgegebenen Rahmen ein oberwellen­ freies Ausgangssignal liefert, wenn die Fotoelemente a 1, b 1, c 1, d 1 so angeordnet und dimensioniert sind, daß das Abtastsignal einer Fourieranalyse unterzogen wird.

Die theoretischen Abhandlungen zur Berechnung der Fourier- Koeffizienten und die technischen Zusammenhänge zwischen dem Abtastsignal und der Eliminierung der Oberwellen sind in der DE-OS 32 39 108 und in der DE-PS 34 12 128 ausführ­ lich erläutert, so daß hier darauf verwiesen werden kann.

S 1 enthält also nur die Grundwelle sin γ, während die beiden Oberwellen mit sin 2 γ, cos 2 γ und sin 3 γ, cos 3 γ, also die 2. und 3. Oberwelle bei der beschrie­ benen Anordnung eliminiert werden. Für das Signal S 2 läßt sich der gleiche Beweis führen. Für die einzelnen Teilfelder a 1, c 1 ... an, cn ist dabei die Bedingung zu erfüllen, daß zur Eliminierung der zweiten Oberwelle der Abstand von Feldmitte zu Feldmitte die Hälfte der Moir´-Periode M beträgt, und daß zur Eliminierung der dritten Oberwelle die Breite eines Teilfeldes a 1, c 1 ... an, cn ein Drittel der Moir´-Periode M beträgt. Das gleiche gilt für S 2 mit den Teilfeldern b 1, d 1 ... bn, dn.

Werden nun entsprechend Fig. 2 mehrere Detektor­ systeme D 1 ... Dn, bestehend aus je vier Fotoele­ menten a 1, b 1, c 1, d 1; a 2, b 2, c 2, d 2 usw. im Ab­ stand M, 2 M usw. angeordnet, entstehen weitere Si­ gnalpaare, die bei fehlerfreier Teilung 3 A, 4 A iden­ tisch mit S 1, S 2 sind und zu diesen parallel geschal­ tet werden können.

Damit sich bei Winkelbewegungen um eine Achse senk­ recht zur Teilungsebene der Phasenwinkel zwischen a 1, c 1, und b 1, d 1 usw. und damit zwischen S 1 und S 2 nicht ändert, ist es zweckmäßig, mindestens ein­ mal die Anordnung der Fotoelemente zu tauschen, so daß z. B. a 3, c 3, in der Reihe mit b 1, d 1, und b 3, d 3 in der Reihe mit a 1, c 1 liegen.

Die Anordnungen der Fotoelemente a 1, b 1, c 1, d 1 usw. gemäß der Fig. 3, 4 und 5 zeigen die Variations­ möglichkeiten für die Gestaltung der Detektorsysteme D 1 bis Dn, wobei die Längen der Teilbereiche der Foto­ elemente entsprechend dem Cosinus des Phasenwinkels variiert sind.

Gemäß Fig. 3 lassen sich beispielsweise vier Oberwellen herausfiltern, und in Fig. 4 ist eine optimierte Ver­ schachtelung der Fotoelemente a 1, b 1, c 1, d 1 usw. dar­ gestellt, durch die die Meßeinrichtung unempfindlicher gegen Änderungen des Phasenwinkels zwischen den Aus­ gangssignalen wird.

In Fig. 5 ist eine weitere Variante von verschachtelt angeordneten Fotoelementen a 1, b 1, c 1, d 1 usw. darge­ stellt. Diese Anordnung stellt eine Lösung für sechs Oberwellen dar. Es werden zwölf Teilfelder im Abstand von 360°/12 = 30° = M/12 vorgesehen.

Führt man diesen Lösungsweg über 12, 24 usw. Oberwel­ len fort, so kommt man in stufenförmiger Annäherung allmählich zu einer sinusförmigen Feldkontur, wie in Fig. 6 dargestellt ist. In besonders vorteilhafter Weise sind die Teilfelder a 1 ... dn auf einem Sili­ ziumträger 7 integriert. Das gleiche gilt für die An­ ordnung nach Fig. 7, bei der die Teilfelder a 1 ... dn bestmöglich ineinander geschachtelt sind. Die Feld­ breiten sind in den Fällen der Fig. 6 und 7 die Hälfte der Moir´-Periode M, wobei die Teilfelder also die Fotoelemente - durch schmale, nicht dotierte Zo­ nen 8 gegeneinander isoliert sind.

Es zeigt sich, daß zwischen der Lösung für die zweite und dritte Oberwelle gemäß Fig. 2 und den Lösungen für alle Oberwellen gemäß der Fig. 6 und 7 Lösungen für eine beliebige Anzahl von Oberwellen konstruiert werden können (s. Fig. 3 bis 5).

Fig. 8 schließlich zeigt eine Einrichtung zur Erzeu­ gung oberwellenfreier Signale, bei der die Fotoelemen­ te in einer Reihe angeordnet sind. Diese Anordnung er­ laubt, daß eine nicht dargestellte Zylinderlinse zwi­ schen Abtastplatte 3 und den Fotoelementen angebracht werden kann. Dadurch entsteht der Vorteil, daß eine große Fläche des Maßstabs abgetastet wird, was zur Er­ höhung der Genauigkeit beiträgt, wobei trotzdem nur kleinflächige Fotoelemente benötigt werden, was sich gün­ stig im Hinblick auf hohe Abtastfrequenzen und geringe Ko­ sten auswirkt.

Eine Anordnung von Fotoelementen in einer Reihe, so daß drei, fünf usw. Oberwellen eliminiert werden können, ist in Fig. 8 für drei Oberwellen erläutert. Zur Eli­ minierung von Oberwellen bis zur 3. werden sechs Ab­ tastsignale benötigt, die zueinander jeweils um 60° pha­ senverschoben sind. Die Amplitude der Abtastsignale wird entsprechend dem Cosinus des Phasenwinkels zur Grundwel­ le durch entsprechende Dimensionierung der Breite der Fotoelemente variiert. Die Breite der Fotoelemente wird außerdem so gewählt, daß die Fotoelemente - die die Abtaststellen zur Erzeugung von S 1 und S 2 bilden - in einer Reihe hintereinander angeordnet werden kön­ nen und die Abstände zwischen den einzelnen Fotoele­ menten minimiert werden.

Im gewählten Beispiel wird das Signal S 1 aus zwei Grup­ pen von Fotoelementen erzeugt, die gegeneinander in Differenz geschaltet sind. Die erste Gruppe besteht aus dem Fotoelement 0° mit der Breite B0 = 36° sowie den beiden Fotoelementen -60° (=300°) und +60°, mit der Breite B1. Dabei gilt: sinB0/sinB1 = cos0/cos60° = 1/2 dar­ aus ergibt sich: B1 = 17,1°.

Die zweite Gruppe besteht aus dem Fotoelement 180° mit Breite B0 und den beiden Fotoelementen 120° und 240° mit der Breite B1.

Entsprechend wird das Signal S 2 aus den 6 Fotoelementen 30°, 90°, 120°, sowie 210°, 270° und 330° gebildet.

Der Abstand L zwischen den Fotoelementen 0° und 30°, so­ wie zwischen den Fotoelementen 60° und 90° usw. beträgt in diesem Fall 3,45°.

Die Teilungsperiode auf der Abtastteilung wird im Ver­ hältnis zur Teilungsperiode der Meßteilung so gewählt, daß über das ganze parallel ausgeleuchtete Feld der Ab­ tasteinrichtung mehrere Moir´-Perioden auftreten. Pro Moir´-Periode wird, wie in Fig. 8 dargestellt, ein Satz von 2 × 6 Fotoelementen angeordnet, die zweckmäßig aus einem einzigen Silizium-Plättchen hergestellt wer­ den. Wählt man z. B. vier Moir´-Perioden, so sind ins­ gesamt 2 × 6 × 4=48 Fotoelemente erforderlich. Die elek­ trische Schaltung der Fotoelemente ist aus Fig. 8 ebenfalls ersichtlich. Sie kann auf dem Halbleiter aufgedampft oder außerhalb des Halbleiters auf der Trägerplatte aufgebracht sein.

Claims (7)

1. Fotoelektrische Meßeinrichtung zur Gewinnung von bis zu einer vorbestimmten Bandbreite oberwellen­ freien Signalen durch Abtastung einer Meßteilung mit einer Abtastteilung, bei der die Teilungs­ perioden beider Teilungen gleich oder im wesent­ lichen gleich sind, so daß bei der Abtastung eine Moir´-Schwebung entsteht, deren Periodenlänge deutlich größer als die Teilungsperioden der vor­ genannten Teilungen ist, und bei der die Moir´- Schwebung von einem Detektorsystem mit Teilfel­ dern in wenigstens ein periodisches elektrisches Ausgangssignal (S 1, S 2) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfelder (a 1, b 1, c 1, d 1 ... an, bn, cn, dn) hinsichtlich ihrer Breiten und Formen sowie in Bezug auf ihre Lage zu der genannten Moire-Schwebung so gewählt sind, daß Oberwellen der vorbestimmten Bandbreite aus dem Ausgangssignal (S 1, S 2) eliminiert sind.

2. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektor­ systeme (D 1 ... Dn) mit je wenigstens vier Teil­ feldern (a 1 ... dn) in Meßrichtung hintereinander angeordnet und elektrisch zusammengeschaltet sind.

3. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfel­ der (a 1 ... dn) der Detektorsysteme (D 1 ... Dn) flächig ineinander verschachtelt sind.

4. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfelder (a 1 ... dn) sinusartige Feldbegrenzungen aufweisen.

5. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfelder (a 1 ... dn) auf einem Siliziumträger (7) inte­ griert sind.

6. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfelder (a 1 ... dn) durch schmale, nicht dotierte Zonen (8) gegen­ einander isoliert sind.

7. Fotoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Siliziumträ­ ger (7) die elektrische Schaltungsanordnung für die Zusammenschaltung der Teilfelder (a 1 ... an) integriert ist.