DE3709485A1 - Anordnung zum fotoelektrischen erkennen des zusammenfallens zweier objektbilder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum fotoelektri­ schen Erkennen des Zusammenfallens zweier Objektbilder, insbesondere bei der optischen Antastung von Meßobjekten mittels fotoelektrisch arbeitender Feinmeßgeräte.

Aus der "Jenaer Rundschau" (1975), 4, Seiten 179-182 sind Doppelbildeinrichtungen bekannt, bei welchen mittels eines zentral- oder axialsymmetrischen Doppelbildprismas von einem Objekt zwei Bilder erzeugbar sind, welche sich in definierter Weise überlagern oder aneinanderlegen, wenn das Meßobjekt anvisiert ist. Diese Überlagerung wird visuell beobachtet.

In Leinweber "Taschenbuch der Längenmeßtechnik", Sprin­ ger-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg 1954, Seiten 348 und 349 und Zill "Messen und Lehren im Maschinen- und Feingerätebau" Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1956, Seiten 138 und 139, ist das Perflektometer beschrieben, welches in festem Abstand angeordnet und eine gemeinsame optische Achse besitzend, ein Projektions- und Beobachtungs­ mikroskop umfaßt. Eine in der Okularebene des Projektions­ mikroskopes liegende Marke wird in einer Objektebene ab­ gebildet und durch das Beobachtungsmikroskop beobachtet. Zwischen die Mikroskope wird etwa in Höhe der Objektebene die optisch anzutastende Meßfläche parallel zur optischen Achse herangeschoben. Dabei erscheint im Gesichtsfeld des Beobachtungsmikroskopes das an der Meßfläche gespiegelte Bild der Marke. Es fällt dann mit dem ohne Spiegelung gesehenen Projektionsbild zusammen, wenn die Meßfläche in der optischen Achse beider Mikroskope liegt. Auch hier wird das Zusammenfallen der Bilder visuell beobachtet.

Diese bekannten Einrichtungen und die mit ihnen durchge­ führten Antastverfahren besitzen Nachteile, die allen visu­ ellen Verfahren innewohnen. Vor allem subjektive Einflüsse des Beobachtenden beeinflussen stark die Meßgenauigkeit.

Zur fotoelektrischen Antastung von Körperkanten oder Schat­ tenbilder von Meßobjekten sowie von strichförmigen Meßstruk­ turen ist aus der DD-PS 1 56 290 eine Empfängeranordnung bekannt, die mindestens eine zentral angeordnete Empfänger­ fläche und mindestens eine die Zentralfläche umgebende periphere Empfängerfläche umfaßt, wobei die Summe der peripheren Empfängerflächen vorzugsweise gleich der zentra­ len Empfängerfläche ist. Mit dieser Empfängeranordnung ist es möglich, die Lage von Strukturen zweidimensional und richtungsunabhängig zu erfassen.

Das visuelle Doppelbildverfahren besitzt die bekannten grundsätzlichen Mängel visueller Antastung, wie Vorhan­ densein subjektiver Fehlereinflüsse, zusätzliche Meßun­ sicherheit bei längeren Messungen durch Ermüdung des Mes­ senden, statische Meßwerterfassung ohne one-line-Meßwert­ verarbeitung und damit große Meßzeiten. Eine Automatisie­ rung der Messungen ist nicht möglich.

Objektivierte Verfahren und die dazugehörigen Einrichtun­ gen, wie sie z. B. in der "Jenaer Rundschau" 30 (1985), 2, Seiten 68-70 beschrieben sind, arbeiten zur Struktur­ orterkennung bzw. berührungslosen Messung mit nur einem Objektbild. Die Vorteile, die Doppelbildmeßmethoden und das Perflektometerverfahren zur Erzielung einer hohen Meß­ genauigkeit besitzen, könne nicht voll genutzt werden.

So sind auch das aus dem FE-Bericht T 81-191, Hege, G. "Berührungslose optische Antastsysteme", Bonn 1981 bekann­ te Verfahren und die Anordnung zur Objektivierung des Perflektometerverfahrens im Realisierungsaufwand zu hoch, da Kreisgitter, Fotodiodenmatrix und Bildverarbeitungs­ system für Moiremuster, Bildspeicher und Mikroprozessor Anwendung finden.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den Realisierungsaufwand bei hoher Antast- und Meßgenauigkeit zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum fotoelektrischen Erkennen des Zusammenfallens zweier Objektbilder zu schaffen, bei welcher bei geringem techni­ schem Aufwand unter Verwendung eines Kreis-Kreisring-Detek­ tors das Zusammenfallen der Bildmittelpunkte zweier Objekt­ bilder genau und schnell bestimmt werden kann und somit eine hochgenaue Antastung von Meßobjektflächen bei hoher Meßgeschwindigkeit erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zum fotoelektrischen Erkennen des Zusammenfallens zweier Objekt­ bilder, die Abbildungselemente zur Abbildung und zur opti­ schen Erzeugung zweier Bilder eines beleuchteten Meßobjektes oder einer Projektionsmarke oder Zielfigur umfaßt, wobei diese Mittel ein an sich bekanntes Doppelbildprisma oder eine das Licht reflektierende Fläche eines Meßobjektes sind, dadurch gelöst, daß in der Bildebene der Abbildungselemente ein Kreis-Kreisring-Detektor derart vorgesehen ist, daß im Zustand des Zusammenfallens der Mittelpunkte beider Bilder oder bei deren definiertem Versatz auf die Kreis­ und die Kreisringfläche des Detektors genau definierte Lichtanteile auftreffen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorteil­ haft, wenn auf die Kreis- und Kreisringfläche gleiche Lichtanteile auftreffen.

Ferner ist es vorteilhaft, daß beim Zusammenfallen der Bild­ mittelpunkte das Licht entweder überwiegend auf die Kreis­ fläche oder auf die Kreisringfläche des Detektors trifft und bei definiertem Versatz beider Bilder Kreis- und Kreis­ ringfläche gleiche Anteile erhalten.

Im Hinblick auf die durch den Detektor erzeugten Signal­ verlauf ist es ferner vorteilhaft, wenn das Symmetrie­ zentrum des verwendeten Doppelbildprismas vorzugsweise bildseitig annähernd in der Mitte des Kreis-Kreisring- Detektors liegt.

Bei Verwendung einer Perflektometeranordnung ist es vorteil­ haft, wenn die Mitte der Projektionsmarke der Perflekto­ meteranordnung bildseitig annähernd in der Mitte des KKR- Detektors liegt.

Zur Anpassung der Bildgröße des Meßobjektes, der Projek­ tionsmarke oder Zielfigur an die Detektorgröße ist es vorteilhaft, wenn als Abbildungselemente eine Variooptik vorgesehen ist.

Die Anordnung ist in Verbindung mit verschiedenen Objekten vorteilhaft anwendbar. Sie gestattet erstmalig, mit geringem Realisierungsaufwand Messungen im Doppelbild- oder Perflek­ tometerverfahren objektiv, d. h. ohne Beeinflussung durch den Messenden, mit hoher Genauigkeit unter Ausnutzung der Vorteile dieser Verfahren durchzuführen und derartige Mes­ sungen zu automatisieren.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch eine Anordnung mit Doppelbildprisma, Fig. 2 schematisch eine Perflektometeranordnung, Fig. 3 die Fläche eines Kreis-Kreisring-Detektors (KKR-Detektor),

Fig. 4 homogen leuchtende Kreisfläche als Objekt, Fig. 5 die Lage von versetzen Objektbildern in der KKR-Detektorebene,

Fig. 6 einen KKR-Detektor mit zusammenfallenden Bil­ dern und

Fig. 7 einen KKR-Detektor, bei dem sich die Bilder nicht überdecken.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt eine Beleuchtungs­ einrichtung 1 und ein Meßmikroskop 2, welches Abbildungs­ elemente in Form eines Objektives 3, ein an sich bekanntes Doppelbildprisma 4 und einen fotoelektrischen Kreis-Kreis­ ring-Detektor 5 (KKR-Detektor) besitzt, wobei dieser in der Bildebene des Objektives 3 angeordnet ist. Die foto­ empfindlichen Teile, Kreiselement 6 und davon isoliertes Kreisringelement 7 (Fig. 3), sind elektrisch in an sich bekannter Weise in Differenz geschaltet. Ihre Signale wer­ den einer nicht dargestellten Verarbeitungseinheit zuge­ führt. Beleuchtungseinrichtung 1 und Meßmikroskop 2 sind in festem Abstand zueinander am Meßgerät angeordnet. Zwi­ schen ihnen befindet sich das Meßobjekt 8.

Die Perflektometeranordnung nach Fig. 2 umfaßt ein Projek­ tionsmikroskop 9, welches eine Lichtquelle 10, eine vorzugs­ weise kreisförmige Projektionsmarke 11 und ein Projektions­ objektiv 12 besitzt. Das Projektionsmikroskop 9 ist mit einem Visiermikroskop 13 fest verbunden, welches ein Dbjek­ tiv 14 und in dessen Bildebene einen KKR-Detektor 5 ent­ hält. Die Projektionsmarke 11 ist so angeordnet, daß ihr optisches Bild zentrisch zur Mitte des KKR-Detektors 5 liegt. Zwischen Projektionsmikroskop 9 und Visiermikroskop 13 ist das Meßobjekt 15 angeordnet, an dessen reflektierender Fläche 16 die Projektionsmarke 11 optisch verdoppelt wird.

Der prinzipielle Aufbau eines KKR-Detektors ist in Fig. 3 dargestellt. Er besteht aus einem lichtempfindlichen Kreiselement 6, einer inaktiven Zone 17 und einem lichtemp­ findlichen Kreisringelement 7. Fig. 4 zeigt eine homogen leuchtende Kreisfläche 18 als Objekt, dessen Bilddurch­ messer d am KKR-Detektor gleich dessen Außendurchmesser ist. Beim Zusammenfallen der Mittelpunkte der Bilder der Kreisfläche 18, in der Ebene des KKR-Detektors 5 in dessen Mitte, welche durch das Doppelbildprisma 4, dessen Sym­ metriezentrum bildseitig annähernd in der Mitte des KKR- Detektors liegt, erzeugt werden, erhalten das Kreis- und das Kreisringelement gleichviel Licht und das gewonnene Differenzsignal ist gleich Null. Bei dem geringsten Ver­ satz a beider Bilder 18.1; 18.2, wie in Fig. 5 gezeigt, erhält das Kreiselement 6 noch das volle Licht,während das Kreisringelement 7 bereits weniger Licht erhält. Das Differenzsignal ist ungleich Null.

Fig. 6 zeigt einen KKR-Detektor mit einem Doppelbild 19 der Projektionsmarke 11 im Zustand der Überdeckung. Das Licht fällt dabei ausschließlich auf das Kreiselement 6. Es ergibt sich ein maximales Differenzsignal. Bei einem bestimmten, definierten Versatz b der Bilder, in Fig. 7 gekennzeichnet durch 19.1 und 19.2 belichten diese Bilder das Kreiselement 6 und das Kreisringelement 7 gleich­ stark (Differenzsignal 0). Diese Bildorte mit dem Diffe­ renzsignal Null werden dann rechnerisch zur Ermittlung des Ortes des Zusammenfallens der Bildmittelpunkte ge­ nutzt, da sie dazu symmetrisch liegen.

Für die Anpassung der Bildgröße an die Größe des KKR- Detektors ist es vorteilhaft, das Objektiv 3 als Vario­ objektiv auszubilden.

Claims (6)

1. Anordnung zum fotoelektrischen Erkennen des Zusammen­ fallens zweier Objektbilder, die Abbildungselemente zur Abbildung und zur optischen Erzeugung zweier Bil­ der eines beleuchteten Meßobjektes oder einer Projek­ tionsmarke oder Zielfigur umfaßt, wobei diese Mittel ein an sich bekanntes Doppelbildprisma oder eine das Licht reflektierende Fläche eines Meßobjektes sind, gekennzeichnet dadurch, daß in der Bildebene der Abbildungselemente ein Kreis- Kreisring-Detektor derart vorgesehen ist, daß im Zu­ stand des Zusammenfallens der Mittelpunkte beider Bil­ der oder bei deren definiertem Versatz auf die Kreis­ und die Kreisringfläche des Detektors genau definierte Lichtanteile auftreffen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf die Kreis- und Kreisringfläche gleiche Licht­ anteile auftreffen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Zusammenfallen der Bildmittelpunkte das Licht entweder überwiegend auf die Kreisfläche oder auf die Kreisringfläche des Detektors trifft und bei definier­ tem Versatz beider Bilder Kreis- und Kreisringfläche gleiche Anteile erhalten.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Symmetriezentrum des verwendeten Doppelbildpris­ mas vorzugsweise bildseitig annähernd in der Mitte des Kreis-Kreisring-Detektors liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Mitte der Projektionsmarke der Perflektometer­ anordnung bildseitig annähernd in der Mitte des KKR- Detektors liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Abbildungselemente eine Variooptik vorgesehen ist.