DE4038183C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls relativ zu einem Bezugsobjekt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung eines Elektronenstrahles relativ zu einem eine Nutzgravur aufweisenden Bezugsobjekt, das als eine im wesentlichen zylindrisch gestaltete Walze ausgebildet ist, bei dem zunächst auf der Walze mit dem Elektronenstrahl eine Reihe von Ausnehmungen in Umfangs­ richtung als Referenzmarkierung für die Gravur erzeugt werden, bei dem an­ schließend mindestens ein Teil der Nutzgravur graviert wird, welche exakt zur Referenzmarkierung positioniert ist und bei dem nach der Nutzgravur während eines Meßbetriebes die Referenzmarkierung vom Elektronenstrahl durch Ab­ tasten in Längsrichtung der Walze detektiert und dann durch Abtasten in Um­ fangsrichtung der Walze ein Referenzpunkt ermittelt wird. Die Walze ist bei­ spielsweise ein Druckzylinder für den Tiefdruck oder eine Texturwalze zur Be­ arbeitung von Blechen.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens mit einem Elektronenstrahlgenerator, einem Rückstreuelektronen auffangenden als Blende ausgebildeten Meßaufnehmer und mit einem das Be­ zugsobjekt, das als eine im wesentlichen zylindrisch gestaltete Walze ausgebildet ist, in Längsrichtung positionierenden Längsantrieb sowie einen die Walze drehenden Rotationsantrieb.

Das einleitend genannte Verfahren sowie die einleitend genannte Vorrichtung sind aus der EP-PS 0 108 376 bekannt. Gemäß dieser Druckschrift erstreckt sich die aus einzelnen hintereinander angeordneten Ausnehmungen ausgebildete Refe­ renzmarkierung über den gesamten Umfang der Walze und weist lediglich an einer Stelle innerhalb der Referenzmarkierung statt einer Ausnehmung eine glatte Oberfläche auf. Dieser nicht mit einer Ausnehmung versehene Bereich wird als "Nordmarkierung" verwendet, um eine definierte Positionsbestimmung in Um­ fangsrichtung der Walze vornehmen zu können. Dieses nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren hat sich in der Praxis zwar gut bewährt, insbe­ sondere bei in industriellen Fertigungsanlagen häufig vorkommenden hohen Störungsbeaufschlagungen konnten jedoch noch nicht alle Anforderungen an eine hochgenaue Positionsbestimmung erfüllt werden. Vor allem erwies es sich als nachteilig, daß durch die relativ große Anzahl von Ausnehmungen im Bereich der Referenzmarkierung der Einfluß des einer einzelnen Ausnehmung zugeordneten Meßwertes nur relativ gering ist und deshalb das Auffinden der etwa der Fläche einer Ausnehmung entsprechenden "Nordmarkierung" mit Meßungenauigkeiten versehen ist. Darüber hinaus geht es bei dem bekannten Ausrichtungsverfahren gleichfalls wesentlich in die Meßgenauigkeit ein, daß die jeweils einer einzelnen Messung zugeordnete maximal zu erwartende Signalamplitude bekannt sein muß und eventuelle Abweichungen nicht automatisch ausgeglichen werden können.

Aufgrund dieser Meßungenauigkeiten ist das Verfahren nach der EP-PS O 108 376 für hochgenaue Positionierungen nur bedingt geeignet. Ins­ besondere bei der Gravur von Druckzylindern für qualitativ hochwertige Drucke ist es bei einem gegebenenfalls erforderlichen Nachgravieren unabdingbar, die Nachgravur exakt relativ zur bereits vorgenommenen Gravur zu plazieren. Die auch als "Einphasen" bezeichnete relative Positionierung des Elektronenstrahles bezüglich der Walze ist aber auch bei einer Unterbrechung der Gravur erfor­ derlich, wenn die Bearbeitung der Walze aufgrund einer Störung oder einer sonstigen Betriebsunterbrechung nach einer Pause fortgesetzt werden soll. In einer derartigen Betriebsart ist es erforderlich, exakt das Ende der bereits er­ zeugten Gravur aufzufinden, um die Gravur ortsgenau fortsetzen zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vor­ richtung der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß eine hochgenaue Positionierung des Elektronenstrahles unter Tolerierung von Meßsignalstörungen durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Referenzmarkierung bildenden Ausnehmungen in einem sich lediglich über einen Teil des Umfanges der Walze erstreckenden Umfangsbereiches erzeugt werden, und daß nach Auffindung der Positionierung der Referenzmarkierung in Längsrichtung der Walze während mehrerer Meßzyklen jeweils innerhalb eines Meßfensters vorgebbarer Dauer eine Positionsanalyse durch eine relative Auswertung von aufeinanderfolgenden Meßzyklen zugeordneten Meßsignal­ amplituden durchgeführt wird.

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßaufnehmer mit einer Integrationseinheit verbunden ist, die einen Integrations­ wert an eine Steuereinheit übermittelt sowie von der Steuereinheit rücksetzbar ist, daß die Steuereinheit über mindestens eine Positioniereinheit den Rotationsantrieb bzw. den Längsantrieb beaufschlagt, und daß ein aufeinanderfolgende Integrationswerte in Bezug zueinander setzender sowie iterativ über eine Lageveränderung des Meßfensters einen Maximalwert der Integrationswerte ermittelnder Koordinator vorgesehen ist.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist es möglich, ohne exakte Kenntnisse über die einer Ausnehmung zugeordnete maximale Signalamplitude und unter Eliminierung gegebenenfalls auftretender Störungseinflüsse mit äußerst hoher Genauigkeit einen vorge­ gebenen Punkt im Bereich der Walze aufzufinden. Relativ zu dieser "Nordmarke" können aufgrund von bekannten Walzengeometrien und bekannten Raster­ geometrien der Nutzgravur beliebige bereits erzeugte Ausnehmungen oder noch mit Ausnehmungen zu versehene Bereiche aufgefunden werden. Die Ausbildung der Referenzmarkierung aus Ausnehmungen, die lediglich im Bereich eines Teiles des Umfanges angeordnet sind, gewährleistet eine relativ starke Beeinflussung des resultierenden Meßergebnisses durch einzelnen Ausnehmungen zugeordnete Teilmeßwerte. Auftretende Störungen können hierdurch leicht erkannt werden, bzw. wirken sich nur unwesentlich aus. Während des Meßbetriebes von der Ober­ flächenstruktur der Walze reflektierte Rückstreuelektronen werden von einem Meßaufnehmer gesammelt und verursachen mit zunehmender Länge einer örtlichen Ausnehmungsschnittlinie eine zunehmende Amplitude des Meßsignales. Bei einem Meßfenster, dessen zeitliche Länge der Vorbeilaufzeit der Referenz­ markierung am Meßaufnehmer entspricht, kann somit durch ein iteratives Ver­ schieben der relativen örtlichen Position des Meßfensters bezüglich der Walzen­ oberfläche die exakte Lage der Referenzmarkierung ermittelt werden. Die iterative Verschiebung des Meßfensters wird solange durchgeführt, bis eine das Zusam­ menfallen von Meßfenster und Referenzmarkierung anzeigende maximale Signalamplitude ermittelt wurde. Unbekannte maximale Signalamplituden in Abhängigkeit von den Ausnehmungsdurchmessern sowie eventuell vorhandene konstante Offset-Störungen der Meßsignale sind bei diesem Meßverfahren un­ erheblich, da lediglich relative Veränderungen der Meßsignalamplituden ausge­ wertet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend dem Anspruch 2 ist vorgesehen, daß die Detektierung der Positionierung der Re­ ferenzmarkierung schrittweise durch Integration des Meßsignales jeweils während einer Umdrehung der Walze und durch Auffinden des Maximums der aufinte­ grierten Meßsignale durchgeführt wird. Diese Integration der Meßwerte während jeweils einer Umdrehung der Walze ermöglicht die Auffindung der Referenz­ markierung bei einer Suche in Richtung der Längsachse der Walze. Durch diese Integration kann die Koordinate der Referenzmarkierung in Richtung der Walzen­ längsachse ohne Kenntnisse bezüglich der Koordinaten der Referenzmarkierung in Umfangsrichtung der Walze bestimmt werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend Anspruch 5 ist das Meßfenster in Meßintervalle unterteilt, deren Anzahl der An­ zahl der Vertiefungen im Bereich der Referenzmarkierung entspricht. Gegenüber einem kontinuierlichen Meßfenster, das eine Ausdehnung entsprechend der Ausdehnung der Referenzmarkierung aufweist, ermöglicht die Unterteilung in Meßintervalle jeweils einer bestimmten Ausnehmung zugeordnete Meßvorgänge und ein Nachfahren des Elektronenstrahles in Richtung der Bewegung der Aus­ nehmung aufgrund der Rotation der Walze. Durch dieses Nachfahren des Elek­ tronenstrahles kann ein einer Ausnehmung zugeordneter stationärer Meßwert generiert werden, der bei einer iterativen Verschiebung des Meßfensters und damit der einzelnen Meßintervalle ein exaktes Auffinden der maximalen Aus­ dehnung der jeweiligen Ausnehmung und damit ein Auffinden des Mittelpunktes der jeweiligen Ausnehmung ermöglicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entsprechend den An­ sprüchen 3 und 6 erfolgt ein zyklisches Verschieben des Meßfensters solange, bis eine aktuelle Messung einen kleineren Wert als eine vorausgehende Messung liefert, mindestens jedoch solange, bis zwei aufeinanderfolgende Messungen mit steigenden Meßsignalamplituden aufgefunden wurden. Wurden noch nicht zwei aufeinanderfolgende Messungen mit steigenden Meßsignalamplituden ermittelt, so wird der Meßvorgang zwei Meßschritte vor dem aktuellen Meßbeginn erneut gestartet.

Durch diese Durchführung des Meßvorganges ist gewährleistet, daß bei einem vor der "Nordmarke" liegenden Meßbeginn eine Verschiebung des Meßfensters entgegen der Rotationsrichtung der Walze erfolgt und bei einem hinter der "Nord­ marke" liegenden Beginn der Messung eine Verschiebung des Meßfensters in Richtung der Rotationsbewegung ermöglicht wird. Eine Fehlinterpretation aufein­ anderfolgender Signalamplituden wird hierdurch vermieden.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 und 7 bis 10 an­ gegeben. In der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer sich in Umfangsrichtung einer Walze erstreckenden Einphasspur sowie eines Startpunktes des Einphas­ vorganges,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung der Positionierung von Meßfenstern relativ zur Referenzmarkierung,

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung von drei jeweils in einzelne Meßintervalle unterteilten Meßfenstern,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des aufintegrierten Meßsignales in Abhängigkeit von einer Anfangsposition des Meßfensters bei einer Messung entsprechend Fig. 2,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des aufintegrierten Meßwertes aus sämtlichen Meßintervallen eines Meßfensters in Abhängigkeit von der Anfangsposition des Meßfensters,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Form des Meßsignales bei der Detektion aufeinanderfolgender Ausnehmungen im Bereich der Referenzmarkierung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des aufintegrierten Meßsignales bei einer Integrationsdauer während jeweils einer Umdrehung der Walze und Positionsveränderung in Richtung der Walzenlängsachse,

Fig. 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung unterschiedlicher Formen der Ausnehmungen sowie zur Kennzeichnung einiger für Tiefdruckzylinder charakteristischer Ausnehmungen,

Fig. 9 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des Meßverfahrens,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 11 eine detaillierte Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 10,

Fig. 12 eine Prinzipdarstellung der wesentlichen Komponenten einer Strahl­ einrichtung zur Beaufschlagung eines Materials mit einem Elektro­ nenstrahl,

Fig. 13 eine Prinzipdarstellung der wesentlichen Bauelemente einer Vor­ richtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles sowie zur gezielten Fokussierung und Schärfeneinstellung des Elektronenstrahles, und

Fig. 14 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der wesentlichen Bauelemente zur Durchführung eines Einphasvorganges.

Eine in Fig. 1 dargestellte Referenzmarkierung (1) besteht aus Ausnehmungen (2), die in einer Umfangsrichtung (3) eines die Referenzmarkierung (1) tragenden Bezugsobjektes, nämlich einer Walze, angeordnet sind. In Form einer Walze aus­ gebildete Bezugsobjekte sind in den Fig. 10 bis 14 dargestellt. Die Aus­ nehmungen (2) sind als Krater (6) ausgebildet, die im wesentlichen ringförmig von Kraterwällen (7) begrenzt sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, die Ausnehmungen (2) ohne Kraterwälle (7) auszubilden. In der der Längsrichtung (8) der Walze (5) entgegengesetzten Richtung ist ein Startpunkt (9) angeordnet. Ausgehend von dem Startpunkt (9) durchläuft ein Elektronenstrahl (10) bei Rotation der Walze in Umfangsrichtung (3) eine Spur (11). Zur Ermittlung der Positionierung der Referenzmarkierung (1) wird die Spur (11) des Elektronenstrahles (10) schrittweise in Längsrichtung (8) verschoben und gemäß dem nachfolgend beschriebenen Meßverfahren die Position der Referenzmarkierung (1) bezüglich der Längsrichtung (8) ermittelt.

In Fig. 2 sind für eine aus zehn Ausnehmungen (2) ausgebildete Referenzmar­ kierung (1) unterschiedliche relative Lagen eines Meßfensters (12) zur Refe­ renzmarkierung (1) dargestellt. Das Meßfenster (12) weist jeweils eine der Ausdehnung der Referenzmarkierung (1) in Umfangsrichtung (3) entsprechen­ de Ausdehnung auf. Der gegenüber der Referenzmarkierung (1) dargestellte Versatz der Meßfenster (12) nach rechts wurde lediglich zur Verdeutlichung der jeweiligen Positionierung in Umfangsrichtung (3) vorgenommen. Die den jeweiligen Meßfenstern (12) zugeordneten Spuren (11) verlaufen jedoch im Bereich der Walze jeweils durch die sich in Richtung der Umfangsrichtung (3) erstreckenden Mittellinien der Ausnehmungen (2). Das in Fig. 2 benachbart zur Referenzmarkierung (1) eingezeichnete Meßfenster (12) ist mit seinem Anfang in Umfangsrichtung (3), die der Rotationsrichtung der Walze (5) entspricht, zu weit vor und das der Referenzmarkierung (1) abgewandt ein­ gezeichnete Meßfenster (2) ist entgegen der Umfangsrichtung (3) zu weit hinter dem Anfang der Referenzmarkierung (1) positioniert. Das mittig ein­ gezeichnete Meßfenster (12) weist eine exakte Positionierung auf.

In Fig. 3 sind wiederum drei Meßfenster (12) dargestellt, die zur besseren zeichnerischen Darstellung quer zur eingezeichneten Umfangsrichtung (3) gegenüber der Referenzmarkierung (1) versetzt sind. Die Meßfenster (12) sind jeweils in Meßintervalle (13) unterteilt, deren zeitliche Dauer etwas geringer als die Vorbeilaufzeit einer Ausnehmung (2) an einer entsprechenden Meß­ vorrichtung ist. Mit Hilfe der in Meßintervalle (13) unterteilten Meßfenster (12) kann nach einer Grobpositionierung des Meßfensters (12) relativ zur Referenz­ markierung (1) eine hochgenaue Ausrichtung vorgenommen werden. Bei der meßtechnischen Auswertung eines kontinuierlichen Meßfensters (12) entspre­ chend Fig. 2 kann beispielsweise eine Schrittweite für die Veränderung der Meßfensterpositionierung vorgesehen werden, die etwa dem Abstand der Mittelpunkte von zwei Ausnehmungen (2) entspricht. Nach einer entsprechend vorgenommenen Grobjustierung kann bei einer Unterteilung der Meßfenster (12) in Meßintervalle (13) entsprechend Fig. 3 eine Schrittweite von etwa einem Zehntel des Abstandes von zwei Mittelpunkten von benachbarten Ausnehmungen (2) vorgesehen werden. In Abhängkeit von der angestrebten Positioniergenauigkeit können aber auch feinere oder gröbere Unterteilungen für die Schrittweite vorgesehen werden.

In Fig. 4 ist ein typischer Signalverlauf des mit den Vorrichtungen entspre­ chend Fig. 10, 11 und 14 ermittelten Meßsignales bei einer Verschiebung der Meßfenster (12) entsprechend Fig. 2 dargestellt. In Richtung einer Amplitu­ denachse (14) ist der jeweils während eines Meßfensters (12) aufintegrierte Meßwert dargestellt. Bei einer Verschiebung des Meßfensters (12) in Richtung der Umfangsachse (15) werden durch die Aufintegration der Meßsignale unterschiedliche Summenamplitudenwerte (16) erreicht. Da zum Integrations­ wert jeweils nur Messungen im Bereich einer Ausnehmung (2) beitragen, wird ein maximaler Summenamplitudenwert (16) bei einer Übereinstimmung der Positionierung des Meßfensters (12) mit der Referenzmarkierung (1) in Um­ fangsrichtung (2) erzielt.

In Fig. 5 sind die während sämtlicher Meßintervalle (13) innerhalb eines Meß­ fensters (12) nach Fig. 3 aufintegrierten Meßwerte in Abhängigkeit von einer Verschiebung des Meßfensters (12) in Umfangsrichtung (3) dargestellt. Auch hier sind wieder Summenamplitudenwerte (17) in einem aus einer Amplitu­ denachse (18) und einer Umfangsachse (19) gebildeten Koordinatenkreuz dar­ gestellt. Eine exakte Positionierung (20) ist bei einem Maximalwert der Sum­ menamplitudenwerte (17) erreicht. Durch die Unterteilung des Meßfensters (12) in Meßintervalle (13) und die entsprechende Verringerung der Schrittwei­ te kann eine gegenüber Störungen weitgehend unempfindliche hochgenaue Detektion einer beispielsweise als Mittelpunkt einer ersten Ausnehmung (2) ausgebildeten Nordmarke (21) durchgeführt werden. Diese exakte Ermittlung liegt vor, wenn ein dem Meßfenster (12) zugeordneter Meßbeginn (22) bei einem Auftrag in Umfangsrichtung (3) den gleichen Abstand zur Nordmarke (21) wie ein Intervallende (23) des in Umfangsrichtung (3) ersten Meßinter­ valles (13) hat. Ein Intervallende (23) des in Umfangsrichtung (3) letzten Meßintervalles (13) entspricht einem Meßende (24) des Meßfensters (12).

In Fig. 6 ist der Verlauf des Meßsignales bei einer Verschiebung der Spur (11) in Längsrichtung (8) dargestellt. Im aus einer Ortsachse (94) und einer Transla­ tionsachse (95) ausgebildeten oberen Koordinatenkreuz sind unterschiedliche Positionierungen von Ausnehmungen (2) relativ zur Spur (11) und im aus der Ortsachse (94) und einer Amplitudenachse (96) ausgebildeten unteren Koordi­ natenkreuz ist ein entsprechender Meßsignalverlauf (93) dargestellt. Es ist aus diesem Diagramm ersichtlich, daß eine maximale Signalamplitude bei einem von der Ausnehmung (2) umschlossenen langen Spursegment erreicht wird, und daß bei einer relativ zur Ausnehmung (2) in einem Randbereich angeord­ neten Spur (11) eine geringere Signalamplitude ermittelt wird. Zwischen Aus­ nehmungen (2) wird der Verlauf des Meßsignales im wesentlichen von unspezi­ fischen Rückstreuelektronen sowie Störungen bestimmt.

In Fig. 7 ist für eine Verschiebung der Spur (11) in Längsrichtung (8) entspre­ chend den Fig. 1 und 6 ein Summenamplitudenwert (25) dargestellt, der bei einer Aufintegration des Meßsignales jeweils während einer Umdrehung der Walze (5) ermittelt wurde. Der Summenamplitudenwert (25) ist in Fig. 7 in einem Koordinatenkreuz dargestellt, das aus einer Amplitudenachse (26) und einer Translationsachse (27) ausgebildet ist. Eine exakte Positionierung (28) in Längsrichtung (8) liegt auch hier wieder bei einem maximalen Summen­ amplitudenwert (25) vor.

Die Amplitude des Meßsignales wird neben der Abhängigkeit von der relativen Anordnung der Spur (11) zu den Ausnehmungen (2) auch von der Gestaltung der Ausnehmungen (2) beeinflußt. Mögliche geometrische Gestaltungen der Ausnehmungen (2) sind in Fig. 8 dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß so­ wohl der Durchmesser der Ausnehmungen (2) als auch ihre Tiefe mit erhebli­ chen Variationsbreiten versehen ist. Markierungen (29) charakterisieren typi­ sche Gestaltungen von Ausnehmungen (2) bei der Gravur von Tiefdruckzylin­ dern mit Hilfe von Elektronenstrahlen.

Sowohl die Lokalisierung der Referenzmarkierung (1) in Längsrichtung (8) als auch die Lokalisierung der die Referenzmarkierung (1) ausbildenden Ausneh­ mungen (2) in Umfangsrichtung (3) erfolgt iterativ mittels eines Meßverfah­ rens, dessen prinzipieller Ablauf im Blockschaltbild entsprechend Fig. 9 dar­ gestellt ist. Ausgehend von einer Startposition erfolgt zunächst eine Messung A, die als Bezugswert für weitere Messungen verwendet wird. Nach der Durch­ führung der Messung A wird das Meßfenster (12) um eine Schrittweite verscho­ ben und anschließend eine weitere Messung B durchgeführt. Wird anschließend festgestellt, daß die Messung B einen größeren Summenamplitudenwert als die Messung A geliefert hat, so wird das Meßfenster (12) um einen weiteren Schritt verschoben und erneut eine Messung durchgeführt. Bei einer erneuten Abfrage wird als Bezugswert A der Meßwert B des vorausgegangenen Meß­ zyklus verwendet. Wird bei der Abfrage festgestellt, daß die Messung B zu einem kleineren Summenamplitudenwert als die Messung A geführt hat und wurden bereits mindestens zwei aufeinanderfolgende Messungen mit anstei­ genden Summenamplitudenwerten durchgeführt, so ist im Rahmen der durch die Schrittweite vorgegebenen Genauigkeit die exakte Position der Nordmarke (21), bzw. bei einer Lokalisierung der Referenzmarkierung (1) in Längsrichtung (8), die exakte Längskoordinate der Nordmarke (21) bestimmt. Wurden bei den beiden zurückliegenden aufeinanderfolgenden Messungen nicht ansteigende Summenamplitudenwerte festgestellt, oder wurde erst ein Meßzyklus durch­ laufen, so wird das Meßfenster (12) zeitlich um zwei Schrittweiten zurückver­ lagert und ein neuer Meßzyklus durchlaufen. Durch dieses Meßverfahren kann gewährleistet werden, daß sowohl bei einem zu frühen als auch bei einem zu späten Meßbeginn durch geeignete Veränderungen der Suchrichtung das Auf­ finden des jeweiligen maximalen Summenamplitudenwertes gewährleistet ist. Der während der Messungen verwendete Elektronenstrahl (10) weist relativ zu einem zur Gravur der jeweiligen Ausnehmungen (2) verwendeten Elektronen­ strahles (10) eine geringere Energiedichte auf. Ein typisches Verhältnis der Energiedichten von Gravurstrahl zum Meßstrahl beträgt 6 : 1, eine Verbesse­ rung der Meßgenauigkeit kann durch ein Verhältnis von 10 : 1 unterstützt werden.

In Fig. 10 sind die wesentlichen Bauelemente einer Einrichtung zur Elektro­ nenstrahlgravur von einer Walze (5) dargestellt. Die Walze (5) ist in einer Vaku­ umkammer (30) angeordnet und kann in Umfangsrichtung (3) von einem nicht dargestellten Rotationsantrieb (31) in eine Drehung in Rotationsrichtung (97) versetzt werden. Eine lediglich schematisch dargestellte Strahleinrichtung (32), die den Elektronenstrahl (10) erzeugt, schließt sich an die Vakuumkammer (30) an. Die wesentlichen Bauelemente zur Erzeugung des Elektronenstrahles (10) sowie zur gerätetechnischen Realisierung des Einphasvorganges entsprechen den in der EP-PS 0 108 376 beschriebenen Bauteilen, so daß nachfolgend nur kurz auf die jeweiligen Funktionen der einzelnen Bauelemente eingegangen wird. Zur Steuerung des Elektronenstrahles (10) ist eine Fokussierung (33) vorgesehen. Von der Oberfläche (34) der Walze (5) gehen Sekundärelektronen (35) sowie reflektierte Rückstreuelektronen (36) aus. Die Sekundärelektronen (35) sowie die Rückstreuelektronen (36) gelangen in den Bereich eines Meßauf­ nehmers, der im wesentlichen als eine ringförmig ausgebildete Blende (37) gestaltet ist, die über einen Meßwiderstand (38) an Masse liegt. Das von der Blende (37) gelieferte Meßsignal wird einem Maximumdetektor (39) zuge­ führt, von dem es nach einer Analog-Digital-Wandlung in einem Analog- Digital-Wandler (40) einer Schrittmotorsteuerung (41) zugeführt wird. Zur Koordinierung des Meßablaufes ist eine Einphaselektronik (42) vorhanden, die zum einen über einen Markendetektor (43) mit der Blende (37) verbunden ist und zum anderen mittels einer Rasterscheibe (44), die sich synchron mit der Walze (5) dreht, von einer ortsfesten Marke (45) Nordimpulse (46) erhält. Darü­ ber hinaus ist die Einphaselektronik (42) mit einer Stufe (47) zur Takterzeu­ gung verbunden, die erforderliche Frequenzen für eine Graviersteuerung (48) liefert. Die Einphaselektronik (42) sowie die Schrittmotorsteuerung (41) sind mit einem zentralen Steuerrechner (49) verbunden und generieren an ihren jeweiligen Ausgängen die für die Einphasung erforderlichen Impulse.

Die detaillierte Darstellung in Fig. 11 beinhaltet im wesentlichen die gleichen Bauelemente wie Fig. 10, es sind in einigen Bereichen jedoch mehr Details dargestellt. Die Schrittmotorsteuerung (41) ist aus einem Schrittmotorsteuer­ rechner (50), einer Schrittmotorleistungendstufe (51) sowie einem Schrittmo­ tor (52) ausgebildet. Die Schrittmotorleistungsendstufe (51) ist über eine Taktleitung (53), eine Vor-Rück-Steuerleitung (54) sowie eine Statusleitung (55) mit dem Schrittmotorsteuerrechner (50) verbunden. Der Schrittmotor­ steuerrechner (50) ist über eine beispielsweise als 12fach-Leitung ausgebildete Datenleitung (56) sowie eine Steuerleitung (57) mit dem Analog-Digital-Wand­ ler (40) verbunden. Der Meßwiderstand (48) ist als ein Strom-Spannungs- Wandler (58) ausgebildet. Der zentrale Steuerrechner (49) besteht aus einem Prozessor (59) sowie einer Schnittstelle (60). Der Prozessor (59) ist über einen Datenbus (61) mit dem Schrittmotorsteuerrechner (50) verbunden.

Der prinzipielle Aufbau einer Strahleinrichtung (32) zur Beaufschlagung der Walze (5) mit dem Elektronenstrahl (10) ist in Fig. 12 dargestellt. Der Elek­ tronenstrahl (10) erzeugt dabei während des Gravurbetriebes im Bereich einer beispielsweise als Texturwalze oder als Druckzylinder ausgebildeten Walze (5) eine Ausnehmung (2). Statt einer Texturwalze oder eines Druckzylinders ist es aber auch möglich, andere Materialien mit Hilfe der Strahleinrichtung (32) zu beaufschlagen.

Die Strahleinrichtung (32) weist eine der Walze (5) zugewandte Austrittsöff­ nung (63) auf. Innerhalb der Strahleinrichtung (32) ist die Fokussierung (33) angeordnet, die im wesentlichen als eine statische Linse (64) ausgebildet ist. Im Bereich der dem Elektronenstrahl (10) zugewandten Begrenzung der stati­ schen Linse (64) ist eine dynamische Linse (65) vorgesehen. Die statische Linse (64) und die dynamische Linse (65) sind jeweils als elektromagnetische Felder generierende Spulen ausgebildet. Die Strahleinrichtung (32) weist des weite­ ren eine erste Zoomlinse (66) sowie eine zweite Zoomlinse (67) auf. Die Zoom­ linsen (66, 67) bilden eine Schärfeneinstellung (68). Im Bereich der dem Elek­ tronenstrahl (10) zugewandten Begrenzung der ersten Zoomlinse (66) ist eine dynamische Linse (69) angeordnet.

Die wesentlichen Bauelemente der Strahleinrichtung (32) sowie der an die Strahleinrichtung (32) angeschlossenen Vakuumkammer (30) zur Aufnahme der Walze (5) sind in Fig. 13 dargestellt. Die Walze (5) ist in einem Innenraum (70) der Vakuumkammer (30) angeordnet. Die Strahleinrichtung (32) besteht im wesentlichen aus einem Strahlgenerator (71), Vakuumpumpen (72, 73) so­ wie einer den Strahlgenerator (71) sowie die Schärfeneinstellung (68) aufneh­ menden Hauptkammer (74) und einer die Fokussierung (33) aufnehmenden Zwischenkammer (75). Die Hauptkammer (74) und die Zwischenkammer (75) sind von einer Vakuumdrossel (76) getrennt, die zum Durchlaß des Elektronen­ strahles (10) eine Ausnehmung (77) aufweist.

Der Strahlgenerator (71) besteht im wesentlichen aus einer Kathode (78), einem Wehneltzylinder (79) sowie einer Anode (80). Im Bereich der Anode (80) ist ein den Elektronenstrahl (10) zweidimensional ablenkender Anodenzen­ trierer (81) angeordnet. In der Ausbreitungsrichtung (82) des Elektronen­ strahles (10) hinter der Anode (80) ist ein Folgezentrierer (83) angeordnet, der gleichfalls eine zweidimensionale Ablenkung des Elektronenstrahles (10) vor­ nimmt und Streuverluste vermeidet. Die Kathode (78) ist mit einer Hochspan­ nungseinheit verbunden, die eine Spannung bis zu etwa -50 kV generiert. Ein typischer Wert liegt bei etwa -35 kV. Bei einer derartigen Spannung können im Bereich der Oberfläche (34) der Walze (5) Ausnehmungen (2) mit einer typi­ schen Tiefe von etwa 7 Mikrometern erzeugt werden. Bei einer Reduktion der Hochspannung auf etwa -25 kV beträgt die typische Tiefe der Ausnehmung (2) etwa 3 bis 4 Mikrometer. Die Kathode (78) ist darüber hinaus über Heizan­ schlüsse (98, 99) mit einer Heizstromversorgung verbunden. Der Wehneltzylin­ der (79) wird von einem Spannungsgenerator gespeist, der gegenüber der an der Kathode (78) anliegenden Spannung ein Potential von etwa -1000 Volt erzeugt. Im Bereich der Anode (80) ist neben der einen Anodenzentrierer (81) bildenden Zentrierspule eine Ionensperre vorgesehen, die im Bereich der Anode (80) auftretende Ionen aus dem Bereich des Elektronenstrahles (10) ableitet. Als Material für die Kathode (78) sind insbesondere Wolframdrähte geeignet.

Die Schärfeneinstellung (68) besteht aus den in Ausbreitungsrichtung (82) hintereinander angeordneten Zoomlinsen (66, 67). Die dynamische Linse (69) ist lediglich im Bereich der ersten Zoomlinse (66) angeordnet. Die zweite Zoomlinse (67) weist dagegen keine dynamische Linse auf. Mit Hilfe der Vakuumpumpen (72, 73) wird das Vakuum im Bereich der Hauptkammer (74) und der Zwischenkammer (75) aufrechterhalten. Insbesondere ist daran gedacht, die Pumpen (72, 73) als Turbomolekularpumpen auszubilden. Im Bereich der Zwischenkammer (75) ist zwischen einer Wechselblende (84) und der Fokussierung (33) ein Zentrierer (85) angeordnet, der Streuverluste des Elektronenstrahles (10) vermeidet. Vor einem Eintritt in die Vakuumkammer (30) wird der Elektronenstrahl (10) durch eine Düse (100) hindurchgeleitet.

Fig. 14 faßt die wesentlichen Bauelemente zur Durchführung des Einphas­ vorganges schematisch zusammen. Innerhalb der Vakuumkammer (30) ist die Walze (5) angeordnet und kann rotatorisch vom Rotationsantrieb (31) sowie translatorisch von einem Längsantrieb (86) beaufschlagt werden. Der Rota­ tionsantrieb (31) sowie der Längsantrieb (86) sind über Positioniereinheiten (87, 88) mit einer Steuereinheit (89) verbunden. Die im Bereich des der Vaku­ umkammer (30) zugewandten Endes der Strahleinrichtung (32) angeordnete Blende (37) ist mit einem Integrator (90) verbunden, der die von ihm ermit­ telten Summenamplitudenwerte (16, 17, 25) an die Steuereinheit (89) übermit­ telt und über eine Rücksetzleitung (91) jeweils zum Ende eines Meßintervalles (13) bzw. zum Ende eines Meßfensters (12) zurückgesetzt wird. Die Steuerein­ heit (89) ist darüber hinaus mit einem Koordinator (92) verbunden, der eine Auswertung der Meßwerte vornimmt. In Abhängigkeit von den vom Koordi­ nator (92) gelieferten Ergebnissen ermittelt die Steuereinheit (89) die jewei­ ligen Positionsvorgaben für den Rotationsantrieb (31) und den Längsantrieb (86). Die Positioniereinheiten (87, 88) setzen diese Steuerinformationen in antriebsspezifische Koordinaten um.

Insbesondere ist daran gedacht, mindestens einige Elemente der aus dem Integrator (90), der Steuereinheit (89), dem Koordinator (92) sowie den Posi­ tioniereinheiten (87, 88) ausgebildeten Bauteilgruppe als ein Digitalrechner­ programm zu implementieren, das von einem mit entsprechenden Kommu­ nikationsanschlüssen versehenen Prozessor (59) abgearbeitet wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ausrichtung eines Elektronenstrahles relativ zu einem eine Nutzgravur aufweisenden Bezugsobjekt, das als eine im wesentlichen zy­ lindrisch gestaltete Walze ausgebildet ist, bei dem zunächst auf der Walze mit dem Elektronenstrahl eine Reihe von Ausnehmungen in Umfangsrichtung als Referenzmarkierung für die Gravur erzeugt werden, bei dem anschließend mindestens ein Teil der Nutzgravur graviert wird, welche exakt zur Referenz­ markierung positioniert ist und bei dem nach der Nutzgravur während eines Meßbetriebes die Referenzmarkierung vom Elektronenstrahl durch Abtasten in Längsrichtung der Walze detektiert und dann durch Abtasten in Umfangs­ richtung der Walze ein Referenzpunkt ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Referenzmarkierung (1) bildenden Ausnehmungen in einem sich lediglich über einen Teil des Umfanges der Walze (5) erstreckenden Um­ fangsbereiches erzeugt werden, und daß nach Auffindung der Positionierung der Referenzmarkierung (1) in Längsrichtung (8) der Walze (5) während mehrerer Meßzyklen jeweils innerhalb eines Meßfensters (12) vorgebbarer Dauer eine Positionsanalyse durch eine relative Auswertung von aufeinan­ derfolgenden Meßzyklen zugeordneten Meßsignalamplituden durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektierung der Positionierung der Referenzmarkierung (1) in Längsrichtung (8) der Walze (5) schrittweise durch eine Integration des Meßsignales jeweils während einer Umdrehung der Walze (5) und durch Auffinden des Maximums der aufinte­ grierten Meßsignale durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß­ fenster (12) bei Beginn des Meßfensters (12) in Umfangsrichtung (3) vor der Referenzmarkierung (1) schrittweise solange verschoben wird, bis ein durch Integration des Meßsignals während einer Umdrehung der Walze (5) gewon­ nener Summenamplitudenwert (16, 17) kleiner als ein vorangegangener Sum­ menamplitudenwert (16, 17) ermittelt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßfenster (12) bei einer Lokalisierung der Referenz­ markierung (1) in Umfangsrichtung (3) mit einer der Ausdehnung der Referenzmarkierung (1) entsprechenden Ausdehnung versehen wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßfenster (12) in Meßintervalle (13) unterteilt wird, deren Anzahl der Anzahl der Ausnehmungen (2) im Bereich der Referenzmarkie­ rung (1) entspricht.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßfenster (12) nach der Ermittlung eines durch Integra­ tion des Meßsignals während einer Umdrehung der Walze (5) gewonnenen Summenamplitudenwertes (16, 17), der kleiner als ein in einem vorange­ gangenen Meßzyklus ermittelter Summenamplitudenwert (16, 17) ist und dem zeitlich nicht zwei aufeinanderfolgend zunehmende Summenamplitudenwerte (16, 17) vorausgehen, in Umfangsrichtung (3) der Walze (5) um zwei Schritt­ weiten verschoben wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßfenster (12) nach einer Groblokalisierung der Refe­ renzmarkierung (1) in Meßintervalle (13) unterteilt wird, und daß die Schritt­ weite der iterativen Messung bei einem in Meßintervalle (13) unterteilten Meßfenster (12) geringer als bei einem kontinuierlichen Meßfenster (12) gewählt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektronenstrahl (10) während des Ablaufes jeweils eines Meßintervalles (13) in Umfangsrichtung (3) der Walze (5) nachgeführt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Meßintervall (13) mit einer geringeren Ausdehnung als eine Ausnehmung (2) versehen wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein beliebiger Ort auf der Walze (5) durch eine Relativbewe­ gung des Elektronenstrahls (10) bezüglich einer im Bereich der Referenz­ markierung (10) lokalisierten Nordmarke (21) durch eine Koordinatenaddition angefahren wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Elektronenstrahlgenerator, einem Rückstreu­ elektronen auffangenden als Blende ausgebildeten Meßaufnehmer und mit einem die Walze in Längsrichtung positionierenden Längsantrieb sowie einem die Walze drehenden Rotationsantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (37) mit einer Integrationseinheit (90) verbunden ist, die einen Integrationswert an eine Steuereinheit (89) übermittelt sowie von der Steuer­ einheit (89) rücksetzbar ist, daß die Steuereinheit (89) über mindestens eine Positioniereinheit (87, 88) den Rotationsantrieb (31) bzw. den Längsantrieb (86) beaufschlagt, und daß ein aufeinanderfolgende Integrationswerte in Be­ zug zueinander setzender sowie iterativ über eine Lageveränderung des Meßfensters (12) einen Maximalwert der Integrationswerte ermittelnder Ko­ ordinator (92) vorgesehen ist.