DE3143948A1

DE3143948A1 - "fotoelektrisches verfahren und empfaengeranordnung zur lageerkennung kantenfoermiger messstrukturen"

Info

Publication number: DE3143948A1
Application number: DE19813143948
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. Endter; Herbert Dipl.-Phys. DDR 6900 Jena Schulze; Hans-Günter Dr. Woschni
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1981-01-07
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1982-08-12
Also published as: GB2090657A; DD156290A1; FR2497568A1

Description

Fotoelektrisches Verfahren und Empfänperanordnung; zur Lapeerkennung; kantenförmiger Meßstrukturen

Die Erfindung betrifft ein fotoelektriachea Verfahren und eine Anordnung zur Lageerkennung kantenförmiger Meßstrukturen, die eine beliebige Orientierung zu einem feststehenden Bezugssystem (Koordinatensystem) aufweisen können. Anwendung findet die Erfindung z. B. in optischen Feinmeßgeräten (Koordinatenmeßmaschinen) zur Objektivierung des Positionierverfahrens in den Koordinatenrichtungen x, y und γ, wobei eine automatische Anmessung bewegter, d. h. nicht stationärer Strukturen möglich ist. Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung betrifft die Lageerkennung einfacher geometrischer Strukturen auf Schablonen bzw. Halbleiterchips in der Fotolithografie.

Fotoelektrische Systeme werden in vielfältiger Form für den Aufbau fotoelektrischer Mikroskope und von Wegmeßsystemen, aber auch zur Objekterkennung und Bildanalyse genutzt. In der Literatur werden dazu vor allem auf dem Gebiet der Fotolithografie eine Vielzahl von statischen und dynamisch arbeitenden fotoelektrischen Verfahren und Anordnungen zur Lagebestimmung von Kanten, besonders aber von strichförmigen ebenen Objekten, beschrieben (z. B. in Optik 21 (1964) S. 605 ff. und Wiss. Ztschr. Friedrich-Schiller-Üniversität Jena, Math.-Hat. R., 25. Jg. (1976) H. 5 S. 683).

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3Η3948

Diese Verfahren sind oft sehr aufwendig oder sie erfüllen die Anforderungen, die durch die Koordinatenmessung gestellt werden, nicht vollständig (z.B. Notwendigkeit von definierten Marken auf den anzumessenden Objekten^ Vororientierung zum Meßsystem).

Weiterhin sind Vorrichtungen zur fotoelektrischen Bestimmung der lage eines Objektes bekannt, bei denen eine Bildaufnahmeröhre als Wandler Verwendung findet (WP 128637 DD). Durch eine geeignete Ansteuerung der Ablenkeinheit wird eine ein- bzw. zweimalige Abtastung des Bildes in x- und y-Richtung in der Bildaufnahmeröhre vorgenommen. Eine geeignete Auswerteelektronik ermittelt die Fehllage gegenüber einer idealen Marke in x-, y- und γ -Richtung. Die Meßzeit ist <100 ms.

Außerdem ist ein Verfahren bekannt (OS 2405 102 DB), bei dem eine strich- oder kantenförmige Struktur mit Hilfe einer mechanisch abgelenkten und zirkulär rotierenden Punktlichtsonde abgetastet wird. Die dabei an einem Fotoempfänger entstehenden Meßsignale werden in Bezug auf ihre Phasenlage zur Rotationsbewegung für die Bestimmung der Winkellage der Struktur ausgewertet. Die Frequenzanalyse der Meßsignale liefert die Ablage zum RotationsZentrum.

Die beiden zuletzt genannten Lösungen sind durch ein dynamisches Meßprinzip gekennzeichnet. Der Einsatz mechanischer Ablenkmittel beschränkt dabei die Anwendung des Verfahrens auf quasistationäre Objekte. Aber auch der Einsatz nichtmechanischer Ablenkmittel (z. B. die Verwendung von Bildaufnahmeröhren) bringt wegen der begrenzten örtlichen Auflösung Probleme mit sich. Mcht zuletzt dürften die beiden Verfahren bei nichtidealen Strukturen zu erheblichen Meßfehlern führen, da der Strukturort nach keiner der allgemein anerkannten Ortsdefinitionen angemessen wird. In der OS 2102027 DB wird ein Verfahren beschrieben, das den Kantenort definitionsgemäß am Ort des maximalen Schwärzungsgradienten eines kantenförmigen Intensitätsprofils zu messen gestattet.

Hierzu wird auf optischem Weg die zweifache Ableitung des Intensitätsprofils gebildet. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren jedoch nur fur eine bzw. zwei (siehe OS 2017400 DB) Vorzugsmeßrichtungen einsetzbar.

Ziel der Erfindung ist eine schnelle, objektive und berührungsfreie Meßgrößenerfassung bei der Vermessung optisch wirksamer Strukturen, die nicht notwendig stationär im Hinblick auf ein feststehendes Bezugssystem sind und die zu diesem keine Vorzugsorientierung aufweisen müssen. Speziell bei optischen Feinmeßgeräten, insbesondere Koordinatenmeßgeräten mit digitalem Wegmeßsystem, soll die Erfindung eine höhere Positioniergenauigkeit und Meßgeschwindigkeit durch den Ersatz der noch vorherrschenden visuellen Positiomerverfahren ermöglichen«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fotoelektrisches Verfahren und eine Empfängeranordnung zu entwickeln, die zur sichtungsunabhängigen Lageerkennung von optisch wirksamen, strich- oder kantenförmigen Meßstrukturen geeignet sind und das Ziel der Erfindung erreichen. Bei Koinzidenz des nach der fotometrischen Mittendefinition anvisierten Strukturorts soll ein geeignetes Steuersignal für eine periphere Meßelektronik, ζ. B. die Positionsausgäbe eines Wegmeßsystems, ableitbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein statisches fotoelektrisches Verfahren gelöst, welches durch eine zweidimensionale fotometrische Bewertung der von charakteristischen Strukturelementen abgegebenen Strahlungsflüsse die Lagebestimmung der Struktur unabhängig von deren Orientierung in einem feststehenden Bezugssystem (Koordinatensystem) bezüglich eines ausgezeichneten Zielpunktes (Koordinatenursprung) ermöglicht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum und das Maximum des Strahlungsflusses in der unmittelbaren Bähe des Kantenübergangs optisch integral zweidimensional erfaßt werden, die Summe dieser integralen Strahlungsflüsse entweder optisch mit einer peripheren Blendenfläche (z. B. Kreisring) gebildet und dazu ein proportionales elektrisches Signal abgeleitet wird oder

eine elektrische Summation einzelner Signalwerte erfolgt, wobei die einzelnen Signalwerte den durch mehrere periphere Blendenteilflächen hindurchtretenden Teilatrahlungaflüaaen proportional aind und daß weiterhin der integrale Strahlungsfluß des Kantenübergangs von einer zentralen Blendenfläche vollständig aufgenommen wird und dazu wiederum ein proportionales elektrisches Signal gewonnen wird. Anschließend erfolgt eine Differenzbildung der resultierenden elektrischen Signalwerte, wobei die Signale durch Vorverstärkung entsprechend dem Flächenverhältnis von peripherer Blendenfläche zu zentraler Blendenfläche bewertet werden. Für den Fall, daß die Flächen gleich groß sind, kann die Vorverstärkung selbstverständlich entfallen.

Vorzugsweise wird der im Differenzsignal auftretende ITuIldurchgang zur Anzeige einer definierten Relativlage von Meßstruktur und Koordinatenuraprung verwendet. Die von der zentralen und der peripheren Blendenfläche abgegebenen Strahlungsflösse werden entweder durch geeignete styahlführende Elemente auf zwei fotoelektriache Empfänger geleitet, oder sie werden zusammengefaßt und über einen Strahlunterbrecher auf einen Empfänger abgebildet (Chopperverfahren).

Es ist auch im Sinne der Erfindung, die Blendenflächen durch entsprechend gestaltete und angeordnete Empfängerflächen fotoelektrischer Empfänger zu bilden, wobei diese integriert auf einem Chip oder als Hybridaufbau hergestellt werden können. Die fotoelektriache Empfängeranordnung enthält gemäß der Erfindung mindestens eine zentral angeordnete Empfängerfläche und mindestens eine die Zentralfläche umgebende periphere Empfängerfläche. Die Empfängerflächen aind voneinander elektrisch isoliert angeordnet und die Signale der einzelnen Flächen sind frei verschaltbar* Die zentrale Empfängerfläche wird vorzugsweise kreisförmig oder quadratisch ausgeführt, die periphere Empfängerfläche kann kreisringförmig sein oder aus vier separaten Teilflächen gleicher Gestalt bestehen, wobei 3ede Teilfläche den gleichen Flächeninhalt wie die Zentralfläche hat, oder die periphere Summenfläche gleich der Zentralfläche ist.

Die erfindungsgemäße Empfängeranordnung gestattet neben der Verwirklichung des Verfahrens zum riehtungaunabhängigen Antasten von kantenförmigen Meßstrukturen durch die freie Verschaltbarkeit aller Einzelempfängerflächen auch die Realisierung des bekannten Zweizellendifferenzverfahrens zum Antasten von strichförmigen Objekten. Da das angewendete Verfahren prinzipiell ein statisches Meßverfahren darstellt, läßt sich die Anordnung besonders vorteilhaft zum Anmessen bewegter (nichtstationärer) Meßstrukturen benutzen.

Im folgenden werden einige Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Dabei zeigen:

Fig. 1a) Empfängeranordnung bestehend aus fünf integrierten quadratischen Empfängerdioden gleicher Abmessung

Fig. 1b) Empfängersignal bei Kanteneinfang durch Translation (f a O bzw. 45°)

Fig. 1c) Empfängersignal bei Kanteneinfang durch Drehung Fig. 1d) Empfängersignal bei Stricheinfang durch Translation

Fig. 2a) Empfängeranordnung bestehend aus fünf integrierten rechteckförmigen Empfängerdioden unterschiedlicher Geometrie

Fig. 2b) Empfängersignal bei Kanteneinfang durch Translation

Fig. 3a) Empfängeranordnung bestehend aus zwei kreisförmigen zentrisch zueinander angeordneten Empfängerflächen mit dem Flächenverhältnis 1:1

Fig. 3b) Empfängersignal bei Kanteneinfang

Fig. 3c) Empfängeranordnung nach 2a mit Signalauswerteeinrichtung zum Stricheinfang innerhalb eines Sollbereiches

Fig. 3d) Empfängeranordnung bestehend aus drei zentrisch zueinander angeordneten Empfängerflächen

Fig. 3e) Empfängersignal bei Stricheinfang

Pig. 4 ) Empfängeranordnung nach 2a, wobei beide Kreisflächen in jeweils 4 gleichgroße Sektoren geteilt sind.

Die in Fig. 1a dargestellte Empfängeranordnung besteht aus fünf separaten quadratischen Empfängerflächen, der zentralen fläche 1" und vier peripheren Flächen 11', 12', 13', 14* mit den Seitenlängen a. Dieser Aufbau ist integriert auf einem Chip oder als Hybridaufbau möglich. Die Separationsstreifen d zwischen den Empfängerflächen legen die Achsen (x, y) des Koordinatensystems fest. Beim Einsatz dieses Empfängers in einem optischen Koordinatenmeßgerät ist er in einer Zwischenbildebene oder z.B. auf dem Projektionsschirm so anzuordnen, daß sein Mittelpunkt in der Zielachse liegt. Als Zielachse wird in der Regel die optische Achse des Meßgerätes gewählt.

Der dargestellte Empfängertyp gestattet:

1. die Ableitung eines Koinzidenzsignals bei der lageunabhängigen Positionierung einer optisch wirksamen Kante zum Koordinatenursprung,

2. die Ableitung eines Parallelitätssignals bzw. Überdeckungssignals bei erreichter Koinzidenz nach 1 bei Drehung einer Kante gegenüber den Koordinatenachsen,

3. die Ableitung eines Koinzidenzsignals bei der lageunabhängigen Positionierung der fotometrischen Mitte optisch wirksamer Striche der Breite b. Dabei werden Striche mit einer Breite b a+2d b 3a+2d zum Koordinatenursprung und Striche mit d b 2a+d zu einem Zielpunkt auf den Koordinatenachsen in Abstand ¹/2 (a+d) vom Koordinatenursprung positioniert (s. Pig. 1a),

4. die Ableitung eines Koinzidenzsignals mit im Abstand von Y2 (a+d) parallel zu den Koordinatenachsen verlaufenden Linien bei der Drehung eines Striches.

Zu 1. Erfindungsgemäß erfolgt die Kantenpositionierung mit dem Empfänger nach Fig. 1a dadurch, daß gebildet wird:

*+ * , n . 04 i - Strahlungsfluß auf

Z ψ - M- φ = φ die Flächen

^ ^ü (11 ·, 12', 13', H¹)

(0 = 0 für Koinzidenz) 0'\ - Strahlungsfluß auf

¹ die Fläche 1^tf

Die Vervierfachung des Strahlungafluases wird nach der Wandlung durch entsprechende Verstärkung des dem Strahlungsfluß proportionalen Signals s (r,f ) erreicht.

· _Δ - Signale von 11', ₄ ¹^'⁴ .12·, 13', H'

s¹^ Signal von 1 ' '

- Koordinaten des ^K»ι Kantenortes

Bei der Translation einer sich in beliebiger Winkellage zu den Koordinatenachsen befindlichen kantenförmigen Struktur über den Empfänger ergibt sich der für das Verfahren charakteristische Signalverlauf. In Fig. 1b sind die Differenzsignale s(r_K, vf ) für φ-, = 0° bzw. f₂ = 45° dargestellt. Fach dem gleichen Meßprinzip arbeitet die in Fig. 2a dargestellte Empfängeranordnung. Die Gleichheit der Signalsumme von den äußeren Empfängerflächen 21', 22', 23', 24' und des Signals von der inneren Empfängerfläche 2'' bei voller Ausleuchtung aller Empfängerflächen wird hier durch die Flächengleichheit der Flächensumme von 21', 22', 23', 24' und der Fläche 2¹¹ erreicht.

Fig. 2b zeigt die charakteristischen Signalverläufe s(r^, »p ). Unabhängig von der Winkellage der Kante zu den Koordinatenachsen hat das Differenzsignal beider Ausfuhrungsformen bei Koinzidenz der Kante mit dem Koordinatenursprung einen HuIldurchgang.

• ••on«

Ü β mo

• · O » 4 O

3H3948

In diesem Moment wird durch die Kante die Hälfte der Flächensumme der äußeren Empfängerflächen sowie die Hälfte der inneren Empfängerfläche abgedunkelt und es entstehen die Differenzsignale

nach Fig. 1b bzw.

f ⁵U Cr_Klt) -^S₁" Cn₁₁If") = 0

nach Fig. 2b.

Der Fangbereich in Koordinatenrichtung ergibt sich zu

B_xy = 2 (a'₁₊ d) + a" .

(Der Fangbereich B gibt die Abmessung des Gebietes auf der Empfängeranordnung an, für das s (r_k, ^) Φ Ο ist.)

Die Empfindlichkeit ist, wenn gleiche äußere Abmessungen vorliegen (umschriebene Kreisfläche), bei dem gleichflächigem Aufbau nach Fig. 1a größer als bei dem nach Fig. 2a.

Für beide Empfänger erhöht sich die Empfindlichkeit, wenn der Winkel der Kante zu den Koordinatenachsen (Separationsstreifen) von 0° auf 45° wächst.

Zu 2. Beide Empfängeranordnungen können weiterhin einfach zur Indikation der Koinzidenz bei Drehung (Kante parallel zur Koordinatenachse) genutzt werden. Dazu werden die, z. B. bei der Anordnung nach Fig. 1, 11' und 13' bzw. 12' und 14' in Differenz geschaltet. Die Differenzaignale

s(s,90°) = s'₁₂(x,9O°) - s'₁₄(x,90°) bzw. s(y,o) = s'^iy.o) - s '₁₃(y,o)

werden Hull, wenn die oben genannten ausgezeichneten Winkel lagen erreicht werden.

Q = a rc tan 2Γ¹"	für h ^ I

= arctan _Λ xj 1+2d	f Ur h « ο

Das Erreichen der Koinzidenzlage zu einer Koordinatenrichtung setzt eine Positionierung nach Pkt. 1 voraus. Der Verlauf des Differenzsignal ist in Pig. 1c dargestellt. Der Grenzwinkel des Fangbereiches ergibt sich allgemein nach

max

bzw. t_max ⁼ ^av0^^an T+2cT ^für ^ = O (Koinzidenz)

h - Abstand der Kante vom Koordinatenursprung

in Koordinatenrichtung 4* mov ~ Grenzwinkel des Fangbereiches Kante zur

Koordinatenrichtung

Zu 3» Die Indikation der Sollage eines Striches läßt sich vorteilhaft mit dem Detektor nach Fig. 1a (gleichgroße Empfängerteilflächen) vornehmen. Dazu wird das statische Zweizellendifferenzverfahren genutzt. Wahlweise können die Empfänger fläch en 11', 12', 13', H¹ mit der Fläche 1 · · in Differenz geschaltet werden, z. B. Nutzung des Nulldurchgangs des Differenzsignals

s(x) = s'₁₂(x) - S₁' ^!(x)

s(y) = S^₁₁(X) - S^'(χ)

für kleine Strichbreiten (s c b <. 2a+d) bzw.

s(x) = s'₁₂(x) - s'_u(x)

x(y) = s *ii(y) - a '„(y)

fur Strichbreiten a+2d < b < 3a+2d.

3 U 39

Der Kulldurchgang ist fur ein bestimmtes Empfängerflächenpaar im Bereich von 0° ^ f ^ 45° von der Drehlage unabhängig. Bei größeren Winkeln muß in der jeweils anderen Koordinatenrichtung gemessen werden.

In Fig. 1d) ist der Verlauf der Signale als Punktion vom Ort der fotometrischen Strichmitte dargestellt.

Zu 4« Unter der Voraussetzung, daß die Positionierung des Striches nach Pkt. 3 durchgeführt wurde» ist die Ableitung eines Koinzidenzsignals bei Erreichen der Koordinatenrichtungen durch Differenzschaltung der Empfängerteilflächen nach Pkt. 2 möglich.

In Pig. 3a ist eine weitere Empfängeranordnung zur richtungsunabhängigen Kantenantastung dargestellt. Sie zeichnet sich durch eine von der Orientierung der Kante unabhängige Empfindlichkeit aus. ,

Die Anordnung besteht aus einer kreisförmigen Empfängerfläche und einer zu deren Kreismittelpunkt konzentrisch angeordneten zweiten kreisringförmigen Empfängerfläche. Beide Empfängerflächen sind so zu beschälten, daß die von ihnen abgegebenen elektrischen Signale dem auftreffenden Lichtstrom proportional sind und anschließend subtrahiert werden. Einrichtungen hierfür sind bekannt (s. z. B. AS 1957 161 DB) und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Erfindungsgemäß ist die Radienlänge so zu wählen, daß die Kreisringfläche 31' gleich der Kreisfläche 3'' wird. Unter Vernachlässigung der Abmessungen der Separationsbreite d zwischen beiden Empfängerflächen ist dies bei r., = y2r der Pail.

Bewegt sich nun wie in Pig. 3a angedeutet eine kantenförmige Struktur Über die Empfängerfläche, so ergibt sich der in Pig. 3b angegebene Differenzsignalverlauf. Es ist zu erkennen, daß bei Koinzidenz der Kante mit dem Mittelpunkt der Empfängeranordnung ein Uullsi£inal entsteht, das sich in

Yc

vorteilhafter Weise zur Auslösung eines Längemeßsystems ausnutzen läßt. In diesem Zustand wird von der kantenförmigen Struktur gerade jeweils die halbe Empfängeiflache abgedunkelt bzw. beleuchtet, so daß bei vorausgesetzt gleicher Empfängerempfindlichkeit die Differenz der Empfängersignale UuIl wird.

Der analytische Zusammenhang zwischen Kantenort r^ und Differenzsignal s(x) ergibt sich bei einer Separations breite dtsO

-So [it (ore ccs^ -ürtcos^ + Γ_Λ (l/*-

Darin sind S_D die Empfindlichkeit des Empfängermaterials und E die Beleuchtungsstärke im hellen Teil des Kanteniibergangs. (Für den dunklen Seil der Eante wurde EaO angenommen.) Für die Empfängerempfindlichkeit der Anordnung in der Fähe des Uulldurchganges (Koinzidenzpunkt) ergibt sich z. B. mit den Werten: E = 1500 Ix, S^ = 4,2 mA/lm und T^ =100 um ein Wert von

Da der Dunkelstrom des zugrunde gelegten Empfängermaterials bei Elementbetrieb ca. 0,07 nA beträgt, sind Abweichungen unter 1>um bei idealen Strukturen (maximaler Kontrast) sicher nachweisbar.

Die Rotationssymmetrie der Empfängeranordnung bewirkt eine völlig riehtungsunabhängige Empfindlichkeit der Anordnung. Die Zielachse wird durch den Kreismittelpunkt festgelegt. Die Anordnung läßt sich besonders vorteilhaft zum Anmessen bewegter (nichtstationärer) kantenförmiger Objekte benutzen. In Fortführung des Erfindungsgedankens wird eine Anordnung vorgeschlagen, die die Registrierung einer strichförmigen Struktur innerhalb eines vorgegebenen Sollbereiches ermöglicht.

• · «β ο

• ♦ «· _Λ

" * ·" 3H39A8

Dazu ist bei Verwendung des in Fig. 3a vorgeschlagenen Empfängertyps vor der Registrierung des Differenzfotostroms daa vom Kreisring herrührende Empfängersignal elektronisch um einen Faktor 4r3x(z. B. 2,5x) zu verstärken (Pig. 3c). Die gleiche Wirkung wird erfindungsgemäß jedoch auch durch Hinzuschalten einer weiteren, peripher zur ersten Kreisring fläche angeordneten, zweiten Kreisringfläche erreicht (Pig. 3d). Die Empfänger sind so zu beschälten, daß das resultierende Gesamtsignal s mit den von den Empfängerteil

ges

flächen herrührenden Signalen über folgende Beziehung verknüpft ist:

s_ges(r,Y> = s"₃(r,f) - /f"(s'₃₁(r,if) + s '₃₂(r,»f)_7

Mit dem Schalter s kann auf Kantenanlastung umgeschaltet werden (Schalterstellung a).

s(r)«S(k)

s(r)=S(r_a)

s·

Wird der Radius r„ (wiederum unter Vernachlässigung der Trennfuge) etwas kleiner als der doppelte Radius des Kreisempfängers r gewählt, so ergibt sich der in Fig. 3e angegebene Signalverlauf beim Vorübergang einer strichförmigen Struktur an dem so charakterisierten Empfänger. Pur die Strichbreite b gilt b₁ ^b₂ L \>y

Es ist zu erkennen, daß symmetrisch zum Koinzidenzpunkt (d. h. die Strichmitte befindet sich in der Zielachse) ein zweimaliger Hulldurchgang der Signalspannung auftritt«. Der Abstand dieser Uulldurchgänge von der Zielachse ist in 1. Näherung von der Strichbreite unabhängig und lediglich durch den gewählten Radius r_g (bzw. den Verstärkungsfaktor des Signalverstärkers) festgelegt. Je näher der Verstärkungsfaktor dem Wert 3 (bzw. das Radienverhältnis den V/ert r_p/r β 2) kommt, um so näher rücken die liulldurchgänge an die Zielachse, um so kleiner werden jedoch auch die

tiven Signalanteile, so daß eine sichere Registrierung der Hulldurchgänge nicht mehr gewährleistet iat. Mit der vorgeschlagenen Anordnung ist somit der Einfang einer strichförmigen Struktur in einem vorgegebenen Sollbereich möglich. Beispielsweise ergibt sich für r ^75/Um und r₂^140/um ein Sollbereich von + 30 ,um, bzw. für r_QÄi71 /um und r„ »140 yum ein Sollbereich von + 10>um.

Auch bei dieser Anwendung ist durch die Realisierung eines statischen Meßverfahrens die Anmessung bewegter Objekte ohne Schwierigkeiten möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform stellt die Anordnung nach Fig. 4 dar.

Diese Empfängeranordnung ist besonders zur Positionierung der fotometrischen Mitte eines Striches zu einem Zielpunkt geeignet. Dazu werden die Sektoren paarweise so in Differenz geschaltet, daß das Empfängersignal entsprechend den Beziehungen

s(r,f) = s '₄₁₊s '₄₂₊s ' «₄₅₊s · '₄₆ - (s '₄₃+s '₄₄₊s · '₄₇+s · '^)

für 45° * It I 4 90° bzw.

s(r,_?) = s '₄₁+d'₄₄₊s ' '₄₅₊s ' «₄₈ - (s '₄₂₊s '₄₃₊s ' '^+s · ^₄₇)

für 0° C I vf| ± 45°

gebildet wird.

Die Separationsstreifen legen die Achsen des Koordinatensystems fest.

Der Nulldurchgang von s(r,ip) zeigt die Koinzidenz der fotometrischen Strichmitte mit der Detektormitte an. Die gleiche Schaltung wird zur Indikation der Koinzidenz einer Kante mit den Koordinatenachsen bei Drehung genutzt· Die Koinzidenz eines Striches (fotometrische Mitte) mit den Koordinatenachsen bei Drehung wird durch die Erfüllung der Bedingung a'^(r,<f) - s'^r^) =0 und s'₄₂(r,f) - s'₄₃(r,^) = 0 angezeigt.

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Die beiden letztgenannten Anwendungen setzen und Positionierung auf den Koordinatenursprung voraus. Die Anordnung kann auch direkt zur Bestimmung der Winkellage eines Striches zur Koordinatenrichtung benutzt werden. Dazu werden bei Bewegung des Objektes in χ-Richtung z. B. die Empfängerflächen 41 ' und 44' sowie die Empfänger 42' und 43' in Differenz geschaltet, die Uulldurchgänge der beiden Differenzsignale registriert und aus den entsprechenden Wegkoordinaten der Winkel berechnet.

2(r +d) + r- - r - d

*f- = arctan 2 ! 2

Δ χ

Die Positionierung einer Kante kann durch die Verwendung eines Bildungsgesetzes, das dem der Empfängeranordnung nach Fig. 3 entspricht, erfolgen.

Dabei sind wegen der Trennfuge Winkellagen *f = 0° bzw. ^f= zu vermeiden (geringere Meßgenauigkeit).

Leerseite

Claims

3U3948 Patentanaprüohe

1.J ]?otoelektrisches Verfahren zur La ge erkennung kantenförmiger Meßstrukturen mittels einer zweidimensionalen fotometrischen Bewertung der von charakteristischen Strukturelementen abgegebenen Strahlungaflüase, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum und das Maximum des Strahlungaflusses in der unmittelbaren Nähe des Kantenübergangs unabhängig von der Orientierung in einem Koordinatensystem optisch integral zweidimensional erfaßt werden₉ die Summe dieser integralen Strahlungsflusse entweder optisch mit einer peripheren Blendenfläche gebildet und dazu ein proportionales elektrisches Signal abgeleitet wird oder eine elektrische Summation einzelner Signalwerte erfolgt, wobei die einzelnen Signalwerte den durch mehrere periphere Blendenteilflächen hindurchtretenden Teilstrahlungsflüssen proportional sind, daß weiterhin der gesamte, von der Intensitätsänderung des Kantenübergangs beeinflußte Strahlungsfluß von einer zentralen Blendenfläche vollständig aufgenommen wird, dazu wiederum ein proportionales elektrisches Signal gewonnen wird und daß anschließend die Differenz der resultierenden elektrischen Signalwerte gebildet wird, wobei die elektrischen Signale durch Vorverstärkung entsprechend dem Flächenverhältnis von peripherer Blendenflache zu zentraler Blendenfläche bewertet werden und vorzugsweise das Verschwinden der Differenz eine definierte üelativlage von Meßstruktur und Koordinatenursprung anzeigt«

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenflächen durch entsprechend gestaltete und angeordr-^te Empf anger fläch en fotoelektriacher Empfänger gebildet werden und der Verlauf der von ihnen abgegebenen elektrischen Signale das Vorliegen einer bestimmten Relativlage der Meßstruktur bzw. ihre Koinzidenz mit dem Koordinatenursprung anzeigt.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der zentralen und der peripheren Blendenfläche abgegebenen Strahlungsflüsse durch geeignete strahlführende Elemente auf zwei fotoelektrische Empfänger geleitet werden.

4· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei durch strahlführende Elemente zusammengefaßten Strahlungsflüase über einen Strahlunterbrecher auf einen fotoelektrischen Empfänger abgebildet werden und die Größe des von diesen abgegebenen elektrischen Wechselsignals das Vorliegen einer bestimmten Relativlage von Meßstruktur und Koordinatenursprung anzeigt.

5· Photoelektrische Empfängeranordnung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch mindestens eine zentral angeordnete Empfängerfläche und mindestens eine die Zentralfläche umgebende periphere Empfängerfläche, wobei die Empfängerflächen voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind und die Signale der einzelnen Flächen frei verschalt bar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung monolithisch aufgebaut ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung hybrid aufgebaut ist.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die periphere Empfängerfläche aus mindestens vier separaten Teilflächen gleicher Gestalt besteht, wobei jede Teilflache den gleichen Flächeninhalt wie die Zentralfläche hat.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung aus einer quadratischen Zentralfläche (1¹¹) und vier mit (1^fl) identischen peripheren Empfängerflächen (11 ^f, 12', 13', H^!) besteht.

10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßsignal entsprechend Anspruch 1 durch eine elektrische Summenbildung der von den peripheren Empfängerflächen (11', 12', 13', 14') erzeugten Signale S¹-. _Λ. und

I I · · · 14

anschließender Differenzbildung des Summensignals und des von der Zentralfläche erzeugten und um den Paktor verstärkten Signals S'¹- gebildet wird.

11. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßsignal durch Verwendung der von den jeweils gegenüberliegenden peripheren Empfängerflächen (12') und (14') bzw. (11') und (13') herrührenden Signale entsprechend der Beziehung s(r,^f) = s'₁₂(r,>f) - s'..^,^) bzw.

s(r,vf) s= a'^ir,^) - 8^ι^Λτ,γ) gebildet wird.

12. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Differenzschaltung gegenüberliegender peripherer Empfängerflächen bzw. der Differenzschaltung einer peripheren Empfängerfläche mit dem Zentralempfänger (1V¹).

13. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Empfängerfläche aus mindestens vier separaten Teilflächen gleicher Gestalt besteht, deren Summenfläche gleich der Zentralfläche ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung aus einer quadratischen zentralen Empfängerfläche (2') und vier rechteckförmigen peripheren Empfängerflächen (21'), (22'), (23'), (24') besteht, wobei die Summe dieser Empfängerflächen gleich der Empfängerfläche (2¹) ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßsignalgewinnung entsprechend Anspruch 1 durch eine elektrische Summenbildung der von den peripheren Empfängerflächen (21'), (22·), (23'), (24') ausgehenden Signale S'_o- _nA und anschließender Differenzbildung des Summensignals und des von der Zentralfläche (2'')

1«

erzeugten Signals S¹¹O erfolgt

16. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, die Meßsignalgewinnung entsprechend Anspruch 11 erfolgt.

17. Anordnung nach den Ansprüchen 5 Ms 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung aus einer kreisförmigen zentralen Empfängerfläche (3^ir) und einer diese Fläche umschließenden kreisringförmigen Empfängerfläche (3¹) besteht.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal entsprechend Anspruch 1 durch Differenzschaltung beider Empfängerflächen erzeugt wird.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß von der kreisringförmigen Empfängerfläche erzeugte
Signal um einen Faktor 3 verstärkt wird.

20. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung durch eine zweite peripher angeordnete
kreisringförmige Empfängerfläche (32') ergänzt ist, deren Außenradius maximal das doppelte der zentralen kreisförmigen Empfängerfläche (3 ' ') betragen darf.

21. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßsignal durch die Differenzbildung der Signalsumme, der von den Empfängerflächen (31') und (32') ausgehenden Signale und dem Signal von der Empfängerfläche (3^tf) erzeugt wird.

22. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zentrale Empfängerfläche als auch die periphere Kreisringempfängerfläche in jeweils vier gleichgroße voneinander elektrisch isolierte Sektorenempfängerflachen geteilt sind.

23« Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal durch die Verknüpfung der Signale entsprechend Anspruch 18 erzeugt wird.

24· Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal durch Differenzbildungen der von den durch Separationsstreifen getrennten Sektorempfängerflächen ausgehenden Summensignalen erzeugt wird.

25. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß -gleichzeitig zwei Meßsignale durch Differenzschaltung jeweils zweier Sektoren, z. B. (41') und (42¹) sowie (43') und (44'), der Kreisringempfängerfläche gewonnen werden.