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Verfahren zum fotoelektrischen Antasten von Kanten
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und Strukturen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fotoelektrischen
Antasten von Kanten und Strukturen mittels Kreis-Kreisring-Detektoren, insbesondere
von Objektkanten bei Messungen im Durch- und Auflicht.
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Das Anwendungsgebiet der objektivierten optoelektronischen Antastung
von Meßobjekten weist eine Anzahl unterschiedlicher Sensoren auf, die zur Lösung
spezifischer Meßprobleme in der Fertigungs- und Längenmeßtechnik eingesetzt werden.
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Aus der DE-OS 43 948 ist ein fotoelektrisches Verfahren und eine Empfängeranordnung
zur Lageerkennung kantenformiger Meßstrukturen bekannt, bei welchem Kreis-Kreisring-Detektoren
angewendet werden. Diese hestehen aus einem kreisförmigen inneren und einem kre.i
ringförmigen äußeren Detektor, wobei die lichtempfindlichen Flächen gegeneinander
isoliert sind und vorteilhaft gleiche Flächeninhalte aufweisen. Das Meßsignal wird
dabei durch Differenzschaltung beider Empfängerflächen gebildet.
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Es ist ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens, daß bei spitzem Winkel
zwischen Antastrichtung und Lage
der Strukturkante oder Strchstruktur
die geometrischphysikalisch bedingten Einflußgrößen unzulässige Überschreitungen
der Meßunsicherheit bewirken, weil die gewonnenen Meßsignale sehr fluah, d. h. mit
geringer Stelgung, verlaufen* Eine sichere Fixierung eines Nulldurohganges dieses
Signales, der die Lage der Strukturkante bestimmt, ist nicht mehr möglich. Im ungünstigsten
Falle, z. B. wenn die Strukturkante oder Strichstruktur die Detektorflächen bei
der Antastung nicht mehr voll überschreitet, wird kein, einen Nulldurchgang besitzendes
Differenzsignal (Meßsignal) erzeugt. In diesen Falle ist eine Lagebestimmung der
Struktur nicht möglich.
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Es ist Zweck der Erfindung, diene Mängel den Stande.
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der Technik zu beseitigen und die Antast- und Meßgenauigkeit zu erhöhen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum fotoelektrischen
Antasten von Kanten und Strukturen zu schaffen, mit welchem durch verbesserte Auswertung
der Meßsignale fotoelektrischer Detektoren bei manuellen und insbesondere bei automatisch
ablaufenden, rechnetgestützten Meßvorgängen die Meßgenauigkeit gesteigert und die
Meßunsicheerheit vermindert werden* Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem
Verfahren zum fotoelektrischen Antesten von Kanten und Strukturen mittels relativ
zu den Kanten oder Strukturen bewegbarer Kreis-Kreisring-Detektoren, wobei aus denkt
von den Betektoren gelieferten elektrischen Signalen durch Summen-oder Differenzbildung
Meßsignale gebildet werden} deren Nulldurchgänge den Ort der angetasteten Kante
oder Struktur entlang einer in Verschieberichtung des Detektors verlaufenden Koordinate
bestimmen, dadurch gelöst, daß
mindestens zwei Schwellwerte U1;
U2 (Amplitudenwerte) des Meßsignales festgelegt werden, daß der Verschiebeweg der
Detektoren entlang der Koordinate mittels eines Weg-oder Zeitgebers in Weg- oder
Zeitinkrelnente eingeteilt wird, wobei die Wertigkeit dieser Inkremente längs dieser
Koordinate x eine steigende oder fallende Tendenz x1 # x2 # ... # xi; t1 # t2 #
... # ti bestizen, daß die zwischen den zu dissen Schwellwerten U1; U2 gehörenden
Koordinatenwerte x1'; x2' bzw. t1; t2- vorhandene Anzahl N der Weg- oder Zeitinkremente
mittels eines Zählars ermittelt wird, und daß die ermittelte Anzahl N dieser Inkremente
mit einer vorher festgelegten Inkrementenanzahl No in einer Auswerteeinheit oder
in einem Rechner verglichen wird, derart, daß bei N > 14o eine übernahme der
Nullimpulse des Meßsignale in die Auswerteeinheit oder in den Rechner nicht erfolgt.
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Zur eindeutigen Antastung insbesondere von Strukturen ist es vorteilhaft,
wenn die während des Uberfahrens der Kante oder Struktur durch die Detektoren erzeugten,
zeitlich aufeinanderfolgenden Nullimpulse des Meßsignals mit den zu ihnen gehörenden
Koordinatenwerten verglichen werden, derart daß bei Abweichung zweier in Bewegungsrichtung
aufeinanderfolgender Koordinatenwerte von der ihnen zugeardneten steigenden oder
fallenden Tendenz eine Übernahme der Nullimpulse in die Auswerteeinheit oder in
den Rechner nicht erfolgt bzw. die Relativbewegung zwischen den Detektoren und der
Kante oder Struktur unterbrochen wird.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der
Lage von Kanten und Strukturen werden Unsicherheiten und UngenauIgkeiten weitestgehend
vermieden, da unsichere bzw. fUr die Auswertung unbrauchbare
Meßsignale
vermieden werden bzw. nicht zur Weiterverarbeitilng gelangen. Diese Signale werden
nur ah einer vorher festgelegten Steilheit ihres Amplitudenverlaufes der Auswerteeinheit
oder dem Rechner zugeführt.
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Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen naher erläutert
werden. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 schematisch die Verhältnisse bei der Antastung
einer Kante, Fig. 2 schematisch die Verhältnisse bei der Antastung einer Struktur
in Form eines schmalen Rechtecks und Fig. 3 in vergrößerter Form den Signalverlauf
nach Fig. 1 mit Angabe der Schwellwerte U1; U2*und der Inkremente.
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Fig. 1 zeigt einen fotoelektrischen Kreis-Kreisring-Detektor mit den
Detektorflächen 1 und 2 zum Antasten einer Kante 3, wobei der Detektor und die Kante
3 relativ zueinander entlang einer Koordinate x verschiebbar sind. Bei der Verschiebung,
z. 8. der Kante 3 über den Detektor hinweg von der Stellung 1 in die Stellung II
werden von jeder Detektorfläche elektrische Signale erzeugt, aus denen durch Differenzbildung
ein Meßsignal A, dessen Verlauf in Fig. 1 dargestellt ist, gebildet wird ncr Nulldurchgang
XA2 gibt den Ort der angetasteten Kante 3 an und wird mittels einer Auswerteeinheit
4der eines Rechners (nicht dargestellt) ermittelt Diese Verfahrensweise der Auswertung
des Meßsignals A bereitet bei senkrecht zur Kante 3 verlaufender Antastrichtung
keine Schwierigkeiten, da wegen der großen Steigung der Kurve des Meßsignals A der
Nulldurchgang bei xA2 sicher ermittelbar ist. Das Meßsignal B (gestrichelt dargestellt)
ergibt sich, wenn eine schräg zur Antastrichtung liegende
Kante
4 über die Flächen 1 und 2 des Detektors vom Ort III nach dem Ort IV bewegt wird.
Das Meßsignal 8 verläuft wesentlich flacher, und ab einer gewissen minimalen Steilheit
ist eine sichere Erfessung des Nullimpulses beim Nulldurchgang xB2 nicht mehr möglich.
Um zu vermeiden, daß unsichere Nullimpulse der Auswerteeinheit oder dem Rechner
zugeführt werden, sind mindestens zwei Schwellwerte U1; U2 (Amplitudenwerte) der
Meßsignale A; B (Fig. 3) festgelegt, und der Verschiebeweg des Detektors entlang
der Koordinate x ist mittels eines nichtdargestellten Weg- oder Zeitgebers in Weg-oder
Zeitinkremente eingeteilt. In Fig. 3 sind diese Inkremente allgemein mit N und entsprechenden
Indizes gekennzeichnet. Diesen Inrkementen II sind Maschinenkoordinaten xi mit einer
Wertigkeit steigender oder fallender Tendenz zugeordnet, nämlich gemäß Fig. 1 ist
xA1 # xA2 # xA3 oder bei Zeitinkrementen tA1 # tA2 # tA3. Ebense gilt für die Nulldurchgänge
der Signalkurven C und D (Fig. 2) entlang der Koordinatenachse x xC1# xC2# xC3#
xC4 und xD1# xD2# xD3# xD4 .
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Die zwischen den zu den Schwellwerten U1 und U2 gehörenden Koordinaten
x'A1 und x'A2 bzw. x'B1 und x'B2 vorhendene Anzahl der Inkremente NA bzw. NB (Fig.
3) wird mittels eines Zählers (nicht dargestellt) ermittelt, und die Anzahl NA und
NB wird in der Auswerteeinheit oder im Rechner mit einer vorher festgelegten Inkrementeanzahl
N0 verglichen. Ist die Anzahl der Inkremente N > N0, was bei flach verlaufenden
Kurven der Fall ist, so erfolgt keine Übernahme der Nullimpulse des Meßsignals in
die Auswerteeinheit oder in den Rechner. In
Fig. 3 sind diese Verhältnisse
am Beispiel der Kurven A und B dargestellt und durch die Ungleichung NB > NO
> NA gekennzeichnet.
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In Fig. 2 ist der Verlauf von Meßsignalen G und D dargestellt, die
beim Uberfahren der Flachen 1 und 2 durch Strukturen 5 und 6 unterschiedlicher Neigung
zur Koordinate- x (Verschieberichtung) durch Differenzbildung der von den Detektorflächen
gelieferten Signale gebildet werden. So entsteht das Meßsignal C z. B. bei der Bewegung
der Struktur 5 von der Stellung V in die Lage VI.
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Analog dazu entsteht das Meßsignal a bei der Verschiebung der Struktur
6 von der Stellung VII nach der Stellung VIII.
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7ur Bestimmung einer definierten Stellung der Struktur, z. B. eines
Striches einer Teilung, werden durch die Auswerteeinheit oder durch den Rechner
die Impulse bei den Nulldurchgängen xC1, ..., xC4 bzw. xD1, ..., xD4 der Meßsignale
C und D ausgewertet, wobei jeweils die vier Nulldurchgänge eines Meßsignals erfaßt
werden mUssen. Auch hier sind mindestens zwei Schwellwerte U1; U2 festgelegt und
der Verschiebeweg des Detektors entlang der Koordinate x ist in Inkremente N eingeteilt,
die gezählt werden. Auch hier gilt, wie bei Fig. 1 und 3 beschrieben, wenn die Anzahl
N der Inkremente, die zwischen den, den Schweliwerten U1; U2 zugehörigen Koodinaten
x liegen, größer als eine vorher festgelegte An2ahl NO der Inkremente ist, wird
die Übernahme der Nullimpulse in die Auswerteeinheit verhindert.
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Um -u gewährleisten, daß auch alle Nulldurchgänge des Meßsignals in
richtiger Reihenfolge erfaßt werden, wird die steigende oder fallende Tendenz der
Wertigkeit der Inkremente oder Koordinaten in x-Richtung in der Auswerteeinheit
oder dem Rechner bewertet. Aus den vier Nullimpulsen wird die Lage der Struktur
ermittelt.
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Anstelle einer festgelegten Anzahl NO von Inkrementen kann auch ein
Anstieg #0 festgelegt werden, welcher mit den Anstiegen #A und #B (Fig. 1 und 3)
verglichen wird. Die Anstiege #A und #B werden dann durch die Auswerteeinheit bzw.
durch den Rechner aus den Schwellwerten U1, U2 und den dazugehörigen Inkrementen
NA und NB ermittelt. Ist der ermittelte Anstieg, z. B.
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#B, kleiner als der Anstieg #0 erfolgt keine Übernahme der Nullimpulse
in den Rechner.