DE2102027C2

DE2102027C2 - Verfahren zur optischen Erkennung der Lage von Grenzlinien und Einrichtungen zur Durchfühung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2102027C2
Application number: DE2102027A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Phys. Dr. 7030 Böblingen Schedewie
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-01-16
Filing date: 1971-01-16
Publication date: 1982-12-30
Also published as: FR2122152A5; GB1370368A; DE2102027A1; US3764218A; JPS547175B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erkennung der Lage von Grenzlinien nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Abtastung von Flächen durch Lichtstrahlen wird das reflektierte oder das durchgelassene Licht durch lichtempfindliche Elemente in elektrische Signale umgewandelt, die nach entsprechender Verarbeitung durch geeignete elektrische Anordnungen Kriterien für das Vorliegen bestimmter Gradienten der Reflektivität oder der Transparenz der abgetasteten Flächen liefern. Die Abtastung kann beispielsweise erfolgen, um das Vorhandensein von Störungen, die absolute oder die relative Lage von Linienkanten, insbesondere deren jo Abstände, die Form von zu erkennenden Zeichen usw. zu erkennen. Die Lichtpunktabtastung kann aber auch bei der Auswertung von Bildern mit verschiedenen Grauwert- oder Farbwert-Übergängen, wie Verschattungen, Auswertung von in Form von Grauwert-, Trübungs- oder Farbwertgradienten vorliegenden Analysen- oder Meßergebnissen oder dergL dienen.

Bei allen diesen Anwendungen dient der Lichtstrahl nur als »Sonde«, deren in Form von Strahlung gelieferte Informationen erst in elektrische Signale Mmgewandelt werden müssen, die erst nach einer mehr oder weniger komplizierten Verarbeitung durch elektrische Verfahren in die gewünschten Aussagen umgewandelt werden.

So wird beispielsweise in der Literaturstelle »Automatisches Vermessen und Protokollieren von Präzisionsmaßstäben« von K. Heinecke, Maschinenmarkt, 71, Mai 1965, Seite 33, eine Anordnung mit einem Lichtpunktabtaster beschrieben, bei der der abtastende Lichtstrahl bei Vorliegen einer Transparenz auf die Kante eines Prismas fällt, durch das er bei genauer Mittellage der Transparenz in zwei gleiche Komponenten aufgespalten wird. Die Gleichheit der Komponenten wird durch zwei Fotozellen und Vergleich der an ihren Ausgängen auftretenden Ströme festgestellt

Im gleichen Aufsatz werden Abtastverfahren mit Schwingblenden und mit Lochscheiben beschrieben. Auch bei diesem Verfahren dient das reflektierte oder das durchgelassene Licht nur als »Rohinformation«, die erst in elektrische Impulse umgewandelt werden muß, ehe sie nach weiterer Verarbeitung durch elektrische Verfahren in Aussagen über das Vorliegen bestimmter Verhältnisse auf der abgetasteten Fläche umgewandelt werden kann.

Die Anordnungen zur Durchführung der obenerwähnten elektrischen Verfahren können beispielsweise aus Brücken oder aus Gleichrichtern und Differenziergliedern zur Durchführung von Null-Abgieichen, aus Schwellwertschaltungen zur Feststellung von Maximaloder Minimalwr rten oder aus Zeitmeßschaltungen zur Messung von Impulsbreiten oder Impulsabständen so bestehen.

Abgesehen davon, daß bei der Umwandlung der Lichtwerte in elektrische Werte, beispielsweise durch Alterung der lichtelektrischen Wandler, Fehler entstehen können, die insbesondere bei Nullabgleichverfahren die Meßergebnisse stark verfälschen, sind auch die Anordnungen zur Weiterverarbeitung der möglicherweise schon fehlerbehafteten elektrischen Größen potentielle Störquellen, was insbesondere bei der Verarbeitung von Analogwerten zu schwerwiegenden Fehlergebnissen führen kann. Darüber hinaus arbeiten die obengenannten elektrischen Anordnungen zur Weiterverarbeitung der ihnen zugeführten Informationen, insbesondere wenn analoge Informationen mit großer Genauigkeit verarbeitet werden sollen, mit einer gewissen Zeitverzögerung, was in vielen Anwendungen störend ist.

Die Genauigkeit derartigsr Verfahren mit elektronischer Signalverarbeitung ist außerdem von der Geschwindigkeit abhängig, mit der eine Grenzlinie abgetastet wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das photoelektrische Meßsignal beim Durchlaufen einer ausgezeichneten Relativstellung zwischen Meßstrahlengang und optischer Struktur einen Nulldurchgang mit hoher Steilheit aufweist und daher ohne weitere elektrische Signalformung verwendet werden kann (z. B. als Stell- oder Regelsignal); die Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sollen bei relativ geringem Aufwand eine hohe Meßgeschwindigkeit ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10, 14 und 15 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Verwendung zweier verschiedener Lichtfiguren mit einer gemeinsamen Symmetrielinie erfordert auf der optischen Seite wenig Aufwand und ist doch flexibel genug, um durch Änderung einfacher Parameter (Blendenform, Beleuchtungsstärke, Verstärkungsfaktoren der Photoempfänger) an verschiedene Meßaufgaben angepaßt zu werden. Einfache Kanten und sich kreuzende Kanten können bestimmt werden. Die Anfertigung spezieller Blendenformen kann entfallen, wenn zur Strahlaufspaltung elektrooptische Komponenten eingesetzt werden. Die Lage einer Kante wird mit deutlich verbesserter Genauigkeit (Bruchteile von μ) bestimmt; die Genauigkeit des Verfahrens ist unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen optischer Einrichtung und abgetasteter Oberfläche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 +la die schematische Darstellung der bei bekannten Abgleichverfahren auftretenden Signalverläufe;

F i g. 2 die schematische Darstellung der Leuchtdichte bei abwechselnder Beleuchtung durch einen Doppel- und einen Einfachspalt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

F i g. 3 die schematische Darstellung des Signalverlaufs bei der erfindungsgemäßen optischen Nullabgleichmethode;

Fig.4-9 Ausführungsbeispiele zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Aus der Photometric ist bekannt, daß der Abgleich der Helligkeit einer leuchtenden Fläche auf gleiche Helligkeit mit einer Vergleichsfläche mit viel größerer Genauigkeit vorgenommen werden kann als der Abgleich einer leuchtenden Fläche auf Helligkeitsmaximum oder Helligkeitsminimum. Ebenso ist es auf dem Gebiet der Frequenzmessung bekannt, daß eine Frequenz durch Überlagerung mit einer Vergleichsfrequenz und Abgleich auf Schwebungsfrequenz null exakter gemessen werden kann als durch Resonanzabstimmung mit einem geeichten Schwingkreis. Der Grund für diese Genauigkeitsunterschiede ist aus den Fig. 1 und la ersichtlich. Bei dem Nullabgleichverfahren nach F i g. 1 weist ein Meßsignal y an der Stelle der Meßwertbildung, d. h. im Nulldurchgang seine größte Steigung auf, so daß der Nullabgleich mit optimaler Empfindlichkeit vorgenommen werden kann. Dagegen wect die in F i g. la dargestellte Signalkurve ybei einem Abgleich auf Maximum öder Minimum an der Stelle der Meßwertbildung die Steigung Null auf, so daß das Signal gerade im entscheidenden Bereich von der Meßvariab-

I ί

• len χ unabhängig oder nahezu unabhängig ist. Dies bedingt eine relativ große Meßunsicherheit, unabhängig davon, ob der Abgleich manuell-visuell oder automatisch durchgeführt wird.

Bei den bekannten Meßmikroskopen wird der Meßstrahl zur genauen Feststellung des Auftretens einer Kante durch geeignete Mittel gewobbelt, wobei am Ort des größten Gradienten der Reflexion bzw. Transmission die zweite Ableitung als Funktion der Ortskoordinate verschwindet Dabei wird die zweite Ableitung auf elektronischem Wege gebildet, was, wie schon oben beschrieben, mit einer Reihe von Nachteilen verbunden ist

In Fig.2 wird der Verlauf der Leuchtdichten bei abwechselnder Beleuchtung einer Ebene durch einen Eitifachspali und einen Döppeispalt wiedergegeben, wobei die Leuchtdichte der durch den mittleren Spalt 5 erfolgenden Beleuchtung doppelt so groß ist wie die Leuchtdichte der durch die beiden seitlichen Spalte 6 und 7 erfolgenden Beleuchtung. Im oberen Teil der F i g. 3 ist die gleiche Leuchtdichtenverteilung wie in F i g. 2 wiedergegeben. Im mittleren Bereich der F i g. 3 werden fünf verschiedene Kantenlagen durch mit 0 bis 4 bezeichnete Linien angedeutet Im unteren Teil der F i g. 3 wird der Verlauf des Signals wiedergegeben, das beim Vorbeigang einer Kante durch die Symmetrielinie der in Fig.2 dargestellten Spaltanordnung entsteht. Beim durch die F i g. 3 veranschaulichten Verfahren werden anstelle eines gewobbelten Abtastspaltes in periodischem Wechsel ein Spalt und ein Doppelspalt mit demselben Lichtstrom erzeugt. Spalt und Doppelspalt liegen in diesem Falle symmetrisch zueinander. Der Meßort (Photodetektor) liegt auf der Symmetrielinie der Spaltanordnung. Das Ausgangssignal in F i g. 3 stellt die Differenz der Lichtintensitäten dar, die bei der Beleuchtung mit Einfachspalt einerseits und mit Doppelspalt andererseits gemessen werden.

Diese Konfiguration einer »Lichtsonde« gewährleistet einen Nulldurchgang des Ausgangssignals in dem Moment, wo eine zu lokalisierende Hell-Dunkel-Kante mit der Symmetrielinie der Sonde zusammenfällt In F i g. 3 wird der Gesamtverlauf des Ausgangssignals als Funktion der Kantenlage beschrieben.

Als Ausgangssituation sei angenommen, daß sich die Sonde in ihrer vollen Ausdehnung in einem Dunkelgebiet befindet Ein Kantenübergang von dunkel auf hell befindet sich in negativer x-Richtung außerhalb des Einfangbereiches in der mit 0 bezeichneten Lage. Das Meßobjekt bewegt sich in positiver x-Richtung, wobei die Kante den Einfangbereich der Lichtsonde überquert Sie nimmt dabei nacheinander die durch die Bezugszeichen 1 bis 4 angegebenen Lagen ein, die in bezug auf den Verlauf des Ausgangssignals aufgezeichnet sind.

In der mit 0 bezeichneten Ausgangslage entsteht wie leicht einzusehen ist, kein Ausgangssignal. Gelangt die Kante aber in den Einfangbereich der Anordnung, so baut sich allmählich eine Signalamplitude auf, wobei ein Detektor in jeder Halbperiode, in der der Doppelspalt, d. h. die Spalte 6 und 7 (F i g. 2), ausgeleuchtet ist einen Heil-Impuls empfängt Bei weiterer Verschiebung der Kante in positiver x-Richtung wächst das Signal und erreicht bei der mit 1 bezeichneten Kantenposition ein erstes Maximum. In dieser Stellung hat die Kante auch den Bereich des Einzelspaltes 5 (F i g. 2) erreicht, so daß auch während der ihm zugeordneten Halbperioden Heil-Impulse erzeugt werden. Die Intensität dieser Hellimpulse wächst nun bei weiterem Kantenvorschub in positiver ^-Richtung an, während die Intensität der

Hellimpulse des Doppelspaltes abnimmt.

Da für die erzeugte Ausgangssignalamplitude die Differenz der Helligkeiten in den Halbperioden maßgebend ist, nimmt nach der Position 1 das Signal wieder ab. Erreicht die Kante die Position 2, so wird das im unteren Teil der F i g. 3 dargestellte Signal gleich 0. In dieser Lage sind Spalt und Doppelspalt gleichzeitig zur Hälfte abgedeckt, so daß in beiden Halbperioden die gleiche Helligkeit empfangen wird. Gelangt die Kante in die mit 3 bezeichnete Position so erreicht die Amplitude des im unteren Teil der F i g. 3 dargestellten Signals ein Maximum, dessen Vorzeichen sich jedoch beim Nulldurchgang geändert hat. Man kann diesen Tatbestand auch durch eine Verschiebung der Phasenlage um 180° beschreiben. Macht man die Demodulation des Ausgangssignais phasenabhärigig, so überträgt sich der Vorzeichenwechsel auch auf das demodulierte Signal. Gelangt die Kante in die mit 4 bezeichnete Position, so liegt sie außerhalb des Einfangbereiches der Anordnung, so daß das im unteren Teil der F i g. 3 wiedergegebene Signal wieder auf 0 zurückgeht. Das im unteren Teil der F i g. 3 dargestellte Signal weist die für ein Nullabgleichverfahren typische Form auf. Es ist außerdem ersichtlich, daß Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Heil-Übergänge durch die Richtung des Nulldurchgangs unterschieden sind.

Es ist leicht einzusehen, daß der größtmögliche Wert der Steilheit im Bereich des Nulldurchganges allein von der Schärfe des mittleren Einzelspaltes der Sonde abhängt. Diese Steilheit wird etwas unter dem Optimalwert bleiben, wenn man im Interesse einer möglichst kleinen Gesamtsignalbreite einen sehr kleinen Doppelspaltabstand wählt. Dann tritt eine starke Überlappung der einzelnen Komponenten der Sonden-

konfiguration und damit insgesamt eine Abnahme der Maximalamplitude des Signal auf. Eine möglichst kleine Signalbreite ist dann erwünscht, wenn Linienbreiten bzw. Abstände gemessen werden sollen, die in der Größenordnung der Kantensignalbreite selbst liegen. Die in den Fig.2 und 3 dargestellten Anordnungen stellen einen guten Kompromiß dar. Die Maxima des Doppelspaltes fallen auf die ersten Nebenminima des Einzelspaltes. Verwendet man beispielsweise ein Objektiv der numerischen Apertur N. A. = 0,6 und das Licht eines HeNe-Lasers mit λ=0,63μ, so ist, eine ideal

scharfe Kante vorausgesezt die Gesamtsignalbreite

2 ■ 1,22 λ
N. A.

2,5 μ.

In den F i g. 4 bis 9 werden verschiedene Anordnungen zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens wiedergegeben.

Die in Fig.4 dargestellte Anordnung besteht aus einer Linse 10, doppelbrechenden Kristallen 11 und 12, einem elektro-optischen Element 13, einer Hochfrequenzspannungsquelle 14, einer λ/4-Platte 15, einer Linse 16 und einem in zwei zueinander senkrecht liegenden Richtungen und senkrecht zur Strahlenrichtung verschiebbaren Support 17 auf dem eine auszumessende Fläche 18 mit einer Linie 19 angeordnet ist Die Linse 10 mit der Brennebene 10/wird durch eine unter 45° zur Zeichnungsebene linear polarisierte Strahlung 9 durchsetzt Der doppelbrechende Kristall 11, der beispielsweise aus Kalkspat bestehen kann, ist so geschnitten und so ausgerichtet daß er von der Strahlung 9 unabgelenkt als ordentlicher Strahl ο und unter einem bestimmten Winkel abgelenkt als außerordentlicher Strahl ao durchsetzt wird. Die elektroopti-

sehe Anordnung 13 besteht aus einem den longitudinalen elektrooptischen Effekt aufweisenden Kristall, beispielsweise aus einem KDP-Kristall, der in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes gesehen an gegenüberliegenden Flächen mit durchsichtigen Elektroden versehen ist. Diese Elektroden werden mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 erregt, deren HaIbwellenamplituden jeweils gleich der sogenannten λ/4-Spannung sind. Das elektro-optische Element 13 ist in bezug auf die Polarisationsebenen der den dcppelbrechenden Kristall 11 verlassenden ordentlichen und außerordentlichen Strahlen so angeordnet, daß diese Strahlen bei erregtem Kristall in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten werden, deren gegenseitige Phasenlagen während der einen Haibweüe der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle in einer Richtung und während der anderen Halbwelle in der anderen Richtung um λ/4 gegeneinander verschoben werden. Das hat zur Folge, daß der den doppelbrechenden Kristall 11 senkrecht zur Zeichnungsebene linear polarisiert verlassende ordentliche Strahl ο bei Vorliegen einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 in eine linkszirkular polarisierte Strahlung und während der negativen Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 in eine rechtszirkular polarisierte Strahlung verwandelt wird. Der den doppelbrechenden Kristall 11 parallel zur Zeichnungsebene polarisiert verlassende außerordentliche Strahl ao wird im elektrooptischen Element 13 während der positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 in einen rechtszirkular polarisierten Strahl und während der negativen Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 in einen linkszirkular polarisierten Strahl umgewandelt.

Die λ/4-Platte 15 ist so geschnitten und so ausgerichtet, daß die den doppelbrechenden Kristall 11 als ordentlicher Strahl ο verlassende Strahlung nach ihrem Durchtritt durch das elektrooptische Element 13 während einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 die λ/4-Platte 15 als eine senkrecht zur Zeichnungsebene polarisierte Strahlung und während einer negativen Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 als eine parallel zur Zeichnungsebene polarisierte Strahlung verläßt Die den doppelbrechenden Kristall 11 als außerordentlicher Strahl ao verlassende Strahlung verläßt nach ihrem Durchtritt durch das elektro-optische Element 13 und die λ/4-Platte 15 während einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 als parallel zur Zeichnungsebene polarisierte Strahlung und während einer negativen Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 als senkrecht zur Zeichnungsebene polarisierte Strahlung. Das hat zur Folge, daß die den doppelbrechenden Kristall 11 als ordentlieher Strahl ο verlassende Strahlung den doppelbrechenden Kristall 12 während einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 unabgelenkt als ordentlicher Strahl durchsetzt, während die den doppelbrechenden Kristall 11 als außerordentlicher Strahl ao verlassende Strahlung im doppelbrechenden Kristall 12 so abgelenkt wird, daß sie sich mit der den doppelbrechenden Kristall als ordentlicher Strahl ο verlassenden Strahlung vereinigt und nach Durchtritt durch die Linse 16 auf der Fläche 18 einen einzigen Punkt oder Spalt 5 bildet Während der negativen Halbwelle der von der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 gelieferten Spannung wird die den

10

15

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65 doppelbrechenden Kristall 11 als ordentlicher Strahl ο verlassende Strahlung im doppelbrechenden Kristall 12 als außerordentlicher Strahl abgelenkt, während die den Kristall 11 als außerordentlicher Strahl ao verlassende Strahlung den doppelbrechenden Kristall 12 aufgrund der Lage ihrer Polarisationsebene unabgelenkt als ordentlicher Strahl durchsetzt. Das hat zur Folge, daß während einer negativen Halbwelle der durch die Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 erzeugten Spannung durch die Linse 16 auf der Fläche 18 zwei Punkte oder Spalte 6 und 7 abgebildet werden, die symmetrisch zu dem während einer positiven Halbwelle abgebildeten Punkt oder Spalt 5 liegen. Bei Verschiebung des Supports 17 nach rechts gelangt die Linie 19 in den Bereich der durch die drei Spalten 5, 6 und 7 gebildeten Lichtsonde. Die Anzeige des Kanteneinfangs erfolgt in der im Zusammenhang mit der üesprechung der F i g. 3 beschriebenen Weise.

Die in F i g. 5 dargestellte Anordnung ist bis auf den Ersatz der doppelbrechenden Kristalle 11 und 12 durch Wollaston-Prismen Uw und 12 w in gleicher Weise aufgebaut. Die durch einen Strahl 9 angedeutete, unter 45" zur Zeichnungsebene linear polarisierte Strahlung wird im Wollaston-Prisma 1Iw in eine senkrecht zur Zeichnungsebene polarisierte und in eine parallel zur Zeichnungsebene polarisierte Komponente aufgespalten. Im elektro-optischen Element 13, das in gleicher Weise wie das in der F i g. 4 dargestellte elektro-optische Element 13 ausgebildet ist werden die beiden Komponenten jeweils in einen außerordentlichen und einen ordentlichen Strahl aufgespalten. Durch die Erregung des elektrooptischen Elements 13 mit Hilfe der die sogenannte λ/4-Spannung erzeugenden Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 werden die ordentlichen Strahlen in bezug auf die außerordentlichen Strahlen in an sich bekannter Weise bei Vorliegen einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 um eine Viertel Wellenlänge in einer Richtung und bei Vorliegen einer negativen Halbwelle der gleichen Spannungsquelle um eine Viertel Wellenlänge in der anderen Richtung in bezug aufeinander verschoben. Das hat zur Folge, daß der das Wollaston-Prisma 11 w senkrecht zur Zeichnungsebene polarisiert verlassende Strahl das doppelbrechende Element 13 bei Vorliegen einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 linkszirkular polarisiert verläßt, während der andere Strahl des elektro-optische Element 13 rechtszirkular polarisiert verläßt Bei Vorliegen einer negativen Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 verläßt der erstgenannte Strahl das elektro-optische Element 13 rechtszirkular polarisiert während der andere Strahl dieses Elements linkszirkular polarisiert verläßt Beim Verlassen der λ/4-Platte 15 sind die beiden Strahlen bei Vorliegen einer positiven Halbwelle der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle 14 senkrecht bzw. parallel zur Zeichnungsebene und bei Vorliegen einer negativen Halbwelle parallel bzw. senkrecht zur Zeichnungsebene polarisiert Nach ihrem Durchtritt durch eine Linse gelangen die Strahlen zum Wollaston-Prisma 12 w, das sie in Abhängigkeit von ihrem Polarisationszustand entweder als ein mit der optischen Achse zusammenfallender Einzelstrahl oder zwei seitlich verlaufende Strahlen verlassen, um entweder einen Einzelspalt oder einen aus den Einzelspalten 6 und 7 bestehenden Doppelspalt auf der Fläche 18 zu erzeugen.

In Fig.6 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Die von einer Lichtquelle 21

ausgehende monochromatische Strahlung durchsetzt eine Kollimatorlinse 22, und eine Blende 23 und tritt in einen ersten Lichtablenker 24 ein, der ebenso wie der zweite Lichtablenker 27 aus einer Vielzahl von jeweils einen elektro-optisch steuerbaren Rotator und einen doppelbrechenden Kristall enthaltenden Ablenkstufen besteht. Nach dem Lichtablenker 24 ist eine Maske 26 angeordnet, die beispielsweise, wie aus F i g. 6a ersichtlich, aus einer undurchsichtigen Schicht mit einer Anzahl von durchsichtigen Bereichen besteht. Hinter der Maske "26 befindet sich der Lichtablenker 27, ein Strahlenteiler S'28, eine Linse 29 und ein in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen und senkrecht zur Strahlrichtung verschiebbarer Support 17, auf dem die zu vermessende Fläche 18 mit einem Strich 19 liegt. Die beiden Lichtablenker 24 und 27 werden durch die elektronische Steueranordnung 25 in solcher Weise betätigt, daß der den ersten Lichtablenker verlassende Strahl jeweils einen der Bereiche der Maske 26 durchsetzt und der die Information tragende Strahl durch den zweiten Lichtablenker in komplementärer Weise abgelenkt wird, so daß er jeweils an der gleichen Stelle in den Strahlenteiler 28 eintritt.

Durch geeignete Programmierung der Steueranordnung 25 kann der den ersten Strahlenteiler 24 verlassende Strahl beispielsweise abwechselnd auf die Felder 26c und 26d der Maske 26 gerichtet werden, so daß auf der Fläche 18 abwechselnd jeweils ein einzelner Spalt und ein dazu symmetrisch liegender Doppelspalt gleicher Gesamtfläche erzeugt wird. Das an der Fläche

18 bzw. an der Linie 19 reflektierte Licht durchsetzt die Linse 29 ein zweites Mal und wird durch den Strahlenteiler 28 teilweise in Richtung auf den Lichtdetektor 30 geworfen. Gelangt die Kante der Linie

19 in die Symmetrielinie der auf der Fläche 18 periodisch abgebildeten Spaltanordnung, so wird die am Ausgang 31 des Photodetektors 30 auftretende Spannung zur Anzeige des Verschwindens der zweiten Ableitung gleich 0 werden. Eine genaue Beschreibung des Vorganges wurde im Zusammenhang mit der Beschreibung der F i g. 3 gegeben.

Wird die Steueranordnung 25 so programmiert, daß abwechselnd die Felder 26a und 26b der Maske 26 vom Strahl durchsetzt werden, so entsteht auf der Fläche 18 abwechselnd, wie aus F i g. 8 ersichtlich, die Abbildung eines waagrechten und eines senkrechten Rechteckes. Erreicht eine abgetastete Kante die Symmetrielinie dieser Anordnung so verschwindet das am Ausgang 31 des Lichtdetektors 30 auftretende Signal ebenfalls. Es ist auch möglich, eine Abtastung durch eine Punktanordnung vorzunehmen, wie sie in F i g. 9 dargestellt wird. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, die Symmetrielage in bezug auf in zwei zueinander senkrecht liegenden Richtungen verlaufenden Kanten festzustellen. Zur Erzeugung der Punktanordnung wird bei der in Fig.6 dargestellten Anordnung die Steueranordnung 25 so programmiert, daß abwechselnd die Felder 26e, 26f, vom Strahl durchsetzt werden. Es sind selbstverständlich auch andere Spalt- oder Punktmuster möglich, beispielsweise können die einzelnen Spalte unterschiedliche Längen, unterschiedliche Intensitäten und unterschiedliche Symmetrielagen in bezug aufeinander aufweisen. Das gleiche gilt auch für die Punktanordnungen. Das an der Fläche 18 reflektierte Licht kann durch beliebige Anordnungen ausgewertet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Auswertung bei unterschiedlichen Transparenzen der Fläche 18 durchzuführen. In den F i g. 4 und 5 wurden zur Vereinfachung der Darstellung die zur automatischen Auswertung erforderlichen Strahlenteiler und Lichtdetektoren weggelassen.

In Fig.7 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das aus einer Lichtquelle 41, einem Kondensor 42, einer auszumessenden Maske 43, einem Mikroskopobjektiv 44 und einer Photodetektorenanordnung 45 besteht. Die Photodetektorenanordnung 45 ist in Fig.7a wiedergegeben und besteht aus vier Detektoren 45a, 45b, 45c und 45d Die mit Ui und 112 bezeichneten Klemmen sind mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 46 (Fig.7b) verbunden, dessen Ausgangssignal gleich 0 wird, wenn die Kante der auf der Maske 43 eingezeichneten Linie die Symmetrielinie 47 der Detektorenanordnung 45 erreicht. Die Vorgänge sind die gleichen wie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben, nur daß es sich im zuletzt genannten Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu den dynamischen Verfahren der ersten drei Ausführungsbeispiele um ein statisches Verfahren handelt

Hiemi 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1- Verfahren zur optischen Erkennung der Lage von Grenzlinien zwischen optisch verschiedenen Bereichen auf einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet,

daß die abzutastende Oberfläche periodisch abwechselnd mit zwei zu mindestens einer gemeinsamen Achse symmetrischen Lichtfiguren (26a, 26b; 26c; 26d; 26e; 26/} beleuchtet wird, daß die Differenz der in den beleuchteten Gebieten abwechselnd reflektierten bzw. durchgelassenen Lichtströme bestimmt wird und
daß die Verhältnisse der Flächen, der gegenseitigen Lagen und der Beleuchtungsstärken der einzelnen Lichtfiguren so aufeinander abgestimmt sind, daß die Differenz der Lichtströme erst verschwindet, wenn de? parallel zur Symmetrieachse verschobene Gradient von Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen eine voreinstellbare Relativlage zur Symmetrieachse erreicht
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfiguren gleiche Fläche aufweisen und mit gleichen Lichtströmen beleuchtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfiguren ungleiche Flächen aufweisen und mit gleichen Lichtströmen beleuchtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfiguren mit einem Spalt und einem diesen symmetrisch einschließenden Doppelspalt gleicher Fläche und gleicher Beleuchtungsstärke erzeugt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lichtfiguren die Beugungsmaxima des Doppelspaltes mit den ersten Beugungsminima des Einzelspaltes zusammenfallen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfiguren mit zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Doppellochblenden (Fig.9) gleicher Fläche und Beleuchtungsstärke erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfiguren mit zwei sich kreuzenden Rechteckblenden gleicher Fläche und Beleuchtungsstärke erzeugt werden (F i g. 8).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der abzutastenden Fläche reflektieren und/oder von ihr durchgelassenen Lichtintensitäten in einem lichtelektrischen Wandler in elektrische Signale umgewandelt werden, deren Verlauf das Vorliegen eines bestimmten Helligkeitsgradienten bzw. das Einfangen einer Kante anzeigt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Durchlauf der Lichtfiguren durch einen Weiß-Schwarz-Gradienten eine Sinusspannung erzeugt wird, die beim Durchlauf des Symmetriemittelpunktes der Lichtfiguren verschwindet und dann in eine um 180° phasenverschobene Sinusspannung übergeht und daß beim Durchlauf durch einen Schwarz-Weiß-Gradienten die Phasenänderung der Sinusspannung in entgegengesetzter Richtung erfolgt.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein im Verlauf des Einfangstrahls (9) angeordnetes erstes Element (11,11 w)zur Umwandlung des linear polarisierten Einfangstrahls in zwei getrennte, senkrecht zueinander linear polarisierte Komponenten (o, ao), ein eiektro-optisches Element (13) zur periodischen Umwandlung der linear polarisierten Komponenten (o, ao) in abwechselnd links- und rechtszirkular bzw. rechts- und linkszirku-Iar polarisierte Komponenten, eine λ/4-Platte (15) zur Umwandlung der zirkulär polarisierten Komponenten in periodisch in jeweils um 90° gedrehten und senkrecht zueinander liegenden Richtungen polarisierte Komponenten, ein zweites doppelbrechendes Element (12,12Wj)ZUr periodischen Vereinigung und Trennung der ihm zugeführten Komponenten in Abhängigkeit von ihren periodisch sich verändernden jeweiligen Polarisationszuständen und ein abbildendes System (16) zur abwechselnden Umwandlung der das zweite doppelbrechende Element (12, t2w) verlassenden Strahlen in einen Einfachspalt (5) und einen Doppelspalt (6,7).
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einfachstrahl (9) in zwei Komponenten aufspaltenden Elemente aus doppelbrerhenden Kristallen (11, 12), beispielsweise aus Kalkspat bestehen.
12. Anordnung nach Anspruch IC, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einfachstrahl (9) jeweils in zwei Komponenten aufspaltenden Elemente aus Wollastonprismen (11 w, 12u^bestehen.
13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einfangsstrahl jeweils in zwei Komponenten aufspaltenden Elemente aus Nikolprismen bestehen.
14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen ersten steuerbaren Lichtablenker (23), eine von dem den Lichtablenker verlassenden Strahl durchsetzt, mehrere einzeln ansteuerbare Felder (26a, 26ώ ... 26/? mit Spalten (26c/ Doppelspalten (260/ Punktgruppen (26e, 2bf) usw. enthaltende Maske (26), einen zweiten Lichtablenker (27) zur Rezenirierung des die Maske verlassenden Strahls, einen Strahlenteiler (28), ein abbildendes System (28) zur Abbildung der jeweils vom Einfangsstrahl durchsetzten Felder (26a, 26ύ,...) der Maske (26) auf einer auszumessenden Schicht (18), einen Lichtdetektor (30) zur Umwandlung der an der Schicht (18) reflektierten und ihm über den Strahlenteiler (28) zugeführten Lichtimpulse in elektrische Impulse, sowie durch eine Steuereinheit (25) zur komplementären Steuerung der Lichtablenker (24,27).
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (41), einen Kondensor (42), einen Träger für eine auszumessende Maske (43), ein Objektiv (44), eine aus Lichtdetektoren (45a, 456,45c und 45o^ bestehende Lichtdetektorenanordnung (45) mit einer Symmetrielinie (47) und einem Differentialverstärker (46).