DE3538062C2

DE3538062C2 - Positionserfassungsgerät

Info

Publication number: DE3538062C2
Application number: DE3538062A
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Nishimoto; Masahiko Okunuki; Takao Kariya; Yasuo Kawai; Akio Atsuta
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-10-25
Filing date: 1985-10-25
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2005-10-26
Also published as: GB8526374D0; GB2167262A; DE3538062A1; FR2572515A1; US4830498A; GB2167262B; FR2572515B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Positionserfassungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Positionserfassungsgerät ist aus der EP 0 116 753 bekannt. Bei dem in dieser Druckschrift beschrie benen Gerät wird ein von einer Lichtquelle erzeugter Lichtstrahl durch eine optische Einrichtung geleitet und auf die Oberfläche eines Objekts fokussiert, wobei die Fo kussierung entweder durch eine Veränderung der Wellenlänge des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts durch entspre chende Positionierung eines zwischen der Lichtquelle und der optischen Einrichtung vorgesehenen Prismas oder durch eine Verschiebung des optischen Systems bewerkstelligt wird. Die Steuerung des Fokussiervorgangs erfolgt anhand eines Schärfesignals, welches von einer das vom Objekt re flektierte Licht empfangenden Sensoreinrichtung generiert wird.

Das beschriebene Gerät dient in erster Linie dazu, den auf das Objekt gerichteten Lichtstrahl auf dessen Oberfläche fokussiert zu halten, um stets, d. h. auch bei Positions änderungen des Objekts, ein scharfes Abbild von der Ober fläche des Objekts erhalten zu können.

Falls das beschriebene Gerät aber vor dessen Inbetriebnahme in einen definierten Anfangszustand gebracht wird, kann anhand der zum Zwecke der Fokussierung erfolgten Ein stellungen auch die Position des Objekts erfaßt werden.

Eine derartige Positionserfassung weist jedoch den Nachteil auf, daß

1. eine Fokussierung zur Erfassung der Position des Ob jekts erforderlich ist,
2. einen komplizierten Aufbau des Geräts erfordernde me chanische Einstellvorgänge zur Fokussierung erforderlich sind, und
3. der Fokussier- und damit auch der Positionserfas sungsbereich relativ gering ist.

Aus der US 4 124 273 ist eine Fokussiereinrichtung bekannt, bei welcher ebenfalls eine Fokussierung eines Lichtstrahls auf ein Objekt erfolgt. Im Gegensatz zu dem vorstehend be schriebenen System erfolgt die Fokussierung hierbei jedoch durch entsprechende Ansteuerung von im Lichtweg des Licht strahls angeordneten elektrooptischen Elementen. Auch eine derartige Fokussierung vermag die vorstehend genannten Probleme nicht vollständig zu beseitigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Posi tionserfassungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Position eines Objekts auf einfache Weise äußerst schnell und darüber hinaus in einem sehr großen Bereich mit hoher Genauigkeit erfaßbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil dem Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen,
daß die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung die Brennpunktlage des Lichts stufenweise um vorgegebene Strecken so lange versetzt, bis sie anhand der Schärfe signale der Sensoreinrichtung feststellt, zwischen welchen benachbarten Brennpunktlagen das Objekt liegt, und
daß die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung die Objektposition aus einer dieser benachbarten Brennpunkt lagen und dem zugehörigen Schärfesignal bestimmt.

Es ist somit nicht erforderlich, das Licht auf das Objekt zu fokussieren, um dessen Position erfassen zu können; die Positionserfassung wird statt dessen durch eine differen zierte quantitative Auswertung des von der Sensorein richtung erzeugten Schärfesignals bewerkstelligt. Hierzu muß lediglich durch stufenweise Veränderung der Brenn punktlage des Lichts der geeignete Meßbereich ausgewählt werden.

Durch Unterteilung des Meßbereichs in eine Vielzahl von Teil-Meßbereichen und durch den Wegfall der Notwendigkeit des Fokussierens des Lichtstrahls auf das Objekt ist es einerseits möglich, die zur Erfassung der Position des Objekts erforderlichen Einstellvorgänge auf ein Minimum zu reduzieren und andererseits eine maximal schnelle und genaue Erfassung der Position des Objekts in einem sehr großen Bereich durchführen zu können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungs gemäßen Positionserfassungsgeräts gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die das Prinzip einer Brennpunktlagesteuerung mittels einer in dem Positionserfassungsgeräts nach Fig. 1 verwendeten Brennpunktlage-Steuervorrichtung veranschau licht.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine in dem nach Fig. 1 verwendete Schärfezustand-Meßvorrich tung zeigt.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Schärfesignal und der Lage eines Untersuchungsobjekts.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung von Meßbereichen, die durch das Ändern der Brennpunktlage mittels einer Brennpunktlage-Steuervorrichtung in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positions erfassungsgeräts gebildet sind.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Hauptteils eines erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die die Vorteile des Positionserfassungsgeräts gemäß nach Fig. 6 veranschau licht.

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine automatische Abstandsmessung mit dem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 ist ein Ablaufdiagramm der automatischen Ab standsmessung nach Fig. 8.

Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm einer Abwandlungsform der automatischen Abstandsmessung nach Fig. 8.

Fig. 11 ist eine schematische Ansicht einer Abstands meßeinrichtung, bei der ein erfindungsgemäßes Positionserfassungsgerät gemäß einem Ausführungs beispiel verwendet ist.

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die schema tisch den Zusammenhang zwischen der Lage eines Brennpunkts von zur Messung benutzten Strahlen und der von einer bei der Einrichtung nach Fig. 11 verwendeten Schärfezustand-Meßvorrich tung empfangenen Lichtmenge veranschaulicht.

Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer Abstands meßeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgerät gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel.

Fig. 14 ist eine grafische Darstellung des Zusammen hangs zwischen einem Schärfesignal und der von einer Schärfezustand-Meßvorrichtung emp fangenen Lichtmenge.

Fig. 15 ist eine schematische Ansicht eines bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts für eine Abstandsmeßein richtung verwendeten Lichtmengen-Steuersystems.

Fig. 16 ist eine schematische Ansicht eines Lichtmengen- Steuerabschnitts des Systems nach Fig. 15.

Fig. 17 ist eine schematische Ansicht einer Abstands einstellvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgerät gemäß einem Ausführungsbei spiel.

Fig. 18 ist eine schematische Ansicht einer Abstands einstellvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgerät gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel.

Fig. 19A und 19B sind schematische Ansichten, die je weils Abstandseinstellmechanismen zeigen, die in der Abstandseinstellvorrichtung nach Fig. 18 verwendbar sind.

Fig. 20 ist eine schematische Ansicht einer Ausricht vorrichtung für das dreidimensionale Ausrichten zweier Objekte mit einem erfindungsgemäßen Positions erfassungsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 21 ist eine schematische Ansicht, die die Lagebe ziehungen zwischen Richtmarken an zwei Objekten bei deren gegenseitiger Ausrichtung zeigt.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Positionserfassungs gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.

Gemäß Fig. 1 hat das Positionserfassungsgerät eine Lichtquelle in Form einer Laserstrah lenquelle 1 für die Erzeugung von Laserstrahlen, eine Kollimatorlinse 2 zur Parallelausrichtung der aus der Laserstrahlenquelle 1 abgegebenen Laserstrahlen, einen ersten Kegelspiegel 3 mit einer äußeren konischen Spiegelfläche, einen zweiten Kegelspiegel 4 mit einer inneren konischen Spiegelfläche, eine Brennpunktlage Steuervorrichtung 5, einen Polarisationsstrahlenteiler 6, ein λ/4-Plättchen bzw. eine Viertelwellenlängenplatte 7, eine Sammellinse 8, die die durch die Viertelwellenlängenplatte 7 gelangenden Laserstrahlen konvergiert bzw. fokussiert und die konvergenten Laserstrahlen auf ein zu prüfendes Objekt 9 richtet, eine Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 und eine Verarbeitungseinheit 11. Im einzelnen werden die aus der Laserstrahlenquelle 1 abgegebenen Laserstrahlen mittels der Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet. Die parallelen Laserstrahlen fallen auf die Kegelspitze des ersten Kegelspiegels 3, so daß sie in alle Radialrichtun gen in einer zu der durch die Kollimatorlinse 2 und die Laserstrahlenquelle 1 bestimmten optischen Achse senk rechten Ebene gespiegelt werden. Diese von dem ersten Kegelspiegel 3 reflektierten horizontal gerichteten Strahlen werden von der inneren Spiegelfläche des zweiten Kegelspiegels 4 nach unten reflektiert, wodurch ein ringförmiges Laserstrahlenbündel (Strahlenstrom) mit ringförmigem Querschnitt gebildet wird. D.h., der Mitten bereich des ringförmigen Laserstrahlenbündels ist leer. Das ringförmige Laserstrahlenbündel durchläuft die Brennpunktlage-Steuervorrichtung S, den Polarisations strahlenteiler 6, die Viertelwellenlängenplatte 7 und die Sammellinse 8, so daß es auf das Objekt 9 fällt. Das auf das Objekt 9 fallende Laserstrahlenbündel wird an der Oberfläche des Objekts 9 reflektiert, so daß es wieder in die Sammellinse 8, die Viertelwellenlängenplatte 7 und den Polarisationsstrahlenteiler 6 eintritt.

Wenn die von der Laserstrahlenquelle 1 abgegebenen und durch den Polarisationsstrahlenteiler 6 durchgelassenen Laserstrahlen durch die Viertelwellenlängenplatte 7 hindurchlaufen, werden von dieser die linear polarisier ten Strahlen in zirkular polarisierte Strahlen umgesetzt. Wenn andererseits die von der Oberfläche des Objekts 9 zurückgespiegelten zirkular polarisierten Strahlen auf die Viertelwellenlängenplatte 7 treffen, werden von dieser die zirkular polarisierten Strahlen in linear polarisierte Strahlen mit einer Polarisationsrichtung umgesetzt, die zu derjenigen der ersteren linear polari sierten Strahlen senkrecht ist. Infolgedessen werden die von der Oberfläche des Objekts 9 reflektierten Laser strahlen durch den Polarisationsstrahlenteiler 6 zu der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 hin reflektiert.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts hinsichtlich der Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 wird auf die JP-OS 157213/1982, die JP- OS 118618/1983, und auf die JP-OS 10224/1985 bezug genommen.

Als Beispiel für die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 bei diesem Ausführungsbeispiel wird nun eine nachstehend als Variolinse bezeichnete, in der genannten JP-OS 10224/1985 offenbarte Linse mit veränderbarer Brennweite beschrieben.

Die in dieser genannten JP-OS 10224/1985 offenbarte Variolinse hat ein Linsenelement aus einem festen Material mit optischer Anisotropie und eine Vorrichtung zum andern der Polarisationsrichtung des auf das Linsen element fallenden Lichts. Die Fig. 2 zeigt ein derartiges Variolinsensystem. In dieser Figur ist mit 12 eine Polarisierplatte bezeichnet, während mit 13 ein Polari sationsebenen-Drehelement bezeichnet ist, mit 14 eine Doppelbrechungs-Linse bzw. ein Doppelbrechungs-Linsenele ment bezeichnet ist, mit 15 eine Spannungsquelle bezeich net ist und mit 16 ein Schalter bezeichnet ist. Das Polarisationsebenen-Drehelement 13 kann bei dem Anlegen eines elektrischen Felds die Polarisationsebene des durchgelassenen Lichts drehen. Beispielsweise weist das Polarisationsebenen-Drehelement 13 eine Z-Achsen-Schnitt platte eines KH₂PO₄-Einkristalls auf, an deren beiden Seiten lichtdurchlässige Elektroden ausgebildet sind.

Die Doppelbrechungslinse 14 ist derart gestaltet, daß die nachstehend als Z-Achse bezeichnete optische Achse des Kristalls die Hauptachse der Linse senkrecht schneidet. Die Doppelbrechungslinse 14 wird so angeordnet, daß sich die Z-Achse parallel zur Zeichnungsebene erstreckt. Bei dieser Anordnung hat die Doppelbrechungslinse 14 für normale Strahlen einen Brechungsindex n_o, welcher ein Brechungsindex für die Polarisationsrichtung ist, die zu der Hauptachse der Linse senkrecht und zu der Zeichnungs ebene parallel ist, sowie für anormale Strahlen einen anderen Brechungsindex n_e, der ein Brechungsindex für die Polarisationsrichtung ist, die zu der Hauptachse der Linse senkrecht und auch zur Zeichnungsebene senkrecht ist.

Wenn bei der Anordnung nach Fig. 2 der Schalter 16 geöffnet ist, tritt das von der Polarisierplatte 12 abgegebene linear polarisierte Licht in die Doppelbre chungslinse 14 ein, ohne daß seine Polarisationsrichtung geändert wird, so daß für das durch die Doppelbrechungs linse 14 hindurchtretende Licht der Brechungsindex n_o wirksam ist, wodurch das Licht an einer Stelle F1 mit einer ersten Brennweite f1 fokussiert wird. Dabei ist die Polarisationsrichtung des durch die Doppelbrechungslinse 14 durchgelassenen Lichts die gleiche wie diejenige des in das Polarisationsebenen-Drehelement 13 eintretenden Lichts, nämlich parallel zur Zeichnungsebene. Wenn andererseits der Schalter 16 geschlossen wird, wird durchs das Polarisationsebenen-Drehelement die Polarisations richtung des in das Element eintretenden Lichts um einen Winkel von 90° gedreht, so daß die Polarisationsrichtung nunmehr zur Zeichnungsebene senkrecht ist. Infolgedessen wird das aus der Doppelbrechungslinse 14 austretende Licht an einer durch den Brechungsindex n_e bestimmten Stelle F2 mit einer zweiten Brennweite f2 fokussiert.

Auf diese Weise sind mit einer Kombination aus einem Polarisationsebenen-Drehelement wie dem Element 13 und einem Doppelbrechungs-Linsenelement wie der Linse 14 zwei Brennweiten f1 und f2 erzielbar. Die Brennpunktlage Steuervorrichtung 5 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 enthält N Paare bzw. Sätze aus jeweils einem Polarisa tionsebenen-Drehelement und einem Doppelbrechungs-Linsen element, wobei N eine ganze Zahl ist, die größer als "1" ist. Diese Paare aus jeweils einem Polarisationsebenen- Drehelement und einem Doppelbrechungs-Linsenelement gemäß Fig. 2 werden längs der optischen Achse angeordnet, so daß längs der optischen Achse durch das selektive Einschalten der Drehelemente 2^N Brennweiten und damit 2^N Brennpunkte festgelegt werden können. Dies erlaubt es, die Laserstrahlen an einem gewählten Brennpunkt von 2^N verschiedenen Punkten auf der optischen Achse zu fokus sieren.

Als Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 kann statt der vorstehend beschriebenen Kombination aus dem Polarisa tionsebenen-Drehelement und dem Doppelbrechungs-Linsen element ein elektrooptisches Element gemäß der genannten JP-OS 157213/1982, das durch das An legen eines elektrischen Felds die Lichtstrahlen ablenkt, oder eine auf gleichartige Weise betreibbare Flüssigkristallvorrichtung verwendet werden. Die Verwen dung eines solchen elektrooptischen Elements ist insofern vorteilhaft, als es eine stufenlose Einstellung der Brennpunktlage erlaubt.

Die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 wurde zwar als zwischen dem Kegelspiegel 4 und dem Polarisationsstrah lenteiler 6 angeordnet beschrieben und dargestellt, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf. Beispiels weise kann die Steuervorrichtung zwischen der polarisie renden Viertelwellenlängenplatte 7 und der Sammellinse 8 angeordnet werden. In diesem Fall kann an-die Stelle der Sammellinse 8 eine der Doppelbrechungslinsen treten, die als Komponenten der Brennpunktlage-Steuervorrichtung eingesetzt werden.

Anhand der Fig. 1 und 3 bis 5 wird nun ausführlich die Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 für das Ermitteln des Fokussierzustands der Laserstrahlen an dem Objekt 9, nämlich des Einfallzustands der Laserstrahlen an dem Objekt 9 beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt für die Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 ein Beispiel, das besonders für die Verwendung mit dem Meßlaserstrahlenbündel mit ringförmigem Querschnitt geeignet ist, wie dem durch die Anordnung nach Fig. 1 gebildeten Laserstrahlenbündel. Gemäß Fig. 3 hat die Meßvorrichtung 10 einen ringförmigen Sensor 17, der in konzentrischer Anordnung ein inneres und ein äußeres ringförmiges fotoelektrisches Wandlerelement D1 bzw. D2 aufweist. Das innere und das äußere Wandlerelement D1 und D2 sind an einen Differenzverstärker 18 angeschlossen, so daß die Ausgangssignale des inneren und des äußeren Wandlerelements D1 und D2 miteinander verglichen werden, um ein Scharfeinstellungs- bzw. Schärfesignal P zu erzeugen, das der Differenz zwischen den Ausgangssignalen entspricht und das den Zustand der Scharfeinstellung bzw. den Schärfezustand der Laserstrahlen an der Oberfläche des Objekts 9 anzeigt.

Im einzelnen wird der ringförmige Sensor 17 so angeord net, daß dann, wenn das durch die Kombination aus den Kegelspiegeln 3 und 4 gebildete ringförmige Laserstrah lenbündel richtig auf der Oberfläche des Objekts 9 (gemäß Fig. 1) fokussiert wird, das von der Oberfläche des Objekts 9 und von dem Polarisationsstrahlenteiler 6 reflektierte ringförmige Laserstrahlenbündel an dem ringförmigen Sensor 17 auf einen Bereich desselben über der kreisförmigen Grenze zwischen dem inneren und dem äußeren fotoelektrischen Wandlerelement D1 bzw. D2 fällt. Vorzugsweise wird in diesem Fall das ringförmige Laser strahlenbündel auf einen an die kreisförmige Grenze angrenzenden Teil des inneren fotoelektrischen Wandler elements D1 und auf einen an die gleiche kreisförmige Grenze angrenzenden Teil des äußeren fotoelektrischen Wandlerelements D2 gerichtet, wobei diese Teile im wesentlichen die gleiche Fläche haben. Daher werden die Ausgangssignale des inneren und des äußeren Wandlerele ments D1 und D2 einander im wesentlichen gleich, so daß in diesem Fall von dem Differenzverstärker 18 als Schärfesignal P ein Ausgangssignal "0" abgegeben wird. D.h., das Erzeugen des Schärfesignals P "0" zeigt an, daß die Oberfläche des Objekts 9 genau in dem Brennpunkt des zu diesem Zeitpunkt von dem Positionserfassungsgerät gebildeten ringförmigen Laserstrahlenbündels liegt. Falls anderer seits das von der Sammellinse 8 konvergierte ringförmige Laserstrahlenbündel an einer nach Fig. 1 oberhalb des Objekts 9 gelegenen Stelle fokussiert wird, wird im Vergleich zum Durchmesser des aus der Sammellinse 8 zu dem Objekt 9 hin austretenden ringförmigen Laserstrahlen bündels der Durchmesser des von der Oberfläche des Objekts 9 reflektierten und auf die Sammellinse 8 fallenden ringförmigen Laserstrahlenbündels vergrößert.

Daher wird das aus der Sammellinse 8 zu dem Polarisa tionsstrahlenteiler 6 zurückgesendete ringförmige Laserstrahlenbündel geringfügig konvergent, so daß auf den ringförmigen Sensor 17 ein ringförmiges Laserstrah lenbündel mit verringertem Durchmesser fällt. Infolge dessen steigt das Ausgangssignal des inneren fotoelek trischen Wandlerelements D1 an, wogegen das Ausgangssignal des äußeren fotoelektrischen Wandlerele ments D2 abfällt. Falls im Gegensatz dazu das auf das Objekt 9 gerichtete ringförmige Laserstrahlenbündel an einer gemäß Fig. 1 unterhalb des Objekts 9 gelegenen Stelle fokussiert werden sollte, wird im Vergleich mit dem Durchmesser des aus der Sammellinse 8 zu dem Objekt 9 hin austretenden ringförmigen Laserstrahlenbündels der Durchmesser des von der Oberfläche des Objekts 9 reflektierten und auf die Sammellinse 8 fallenden ringförmigen Laserstrahlenbündels - verringert. Infolge dessen wird das aus der Sammellinse 8 zu dem Polarisa tionsstrahlenteiler 6 zurückgesendete ringförmige Laserstrahlenbündel geringfügig divergent, so daß auf den ringförmigen Sensor 17 ein ringförmiges Laserstrahlen bündel mit vergrößertem Durchmesser fällt. Daher steigt das Ausgangssignal des äußeren fotoelektrischen Wandlerelements D2 an, wogegen das Ausgangssignal des inneren fotoelektrischen Wandlerelements D1 abfällt. Auf diese Weise ändert sich der Durchmesser des auf den ringförmigen Sensor 17 fallenden ringförmigen Laserstrah lenbündels proportional zu Änderungen der Lage der Oberfläche des Objekts 9 in bezug auf den Brennpunkt des auf das Objekt 9 gerichteten ringförmigen Laserstrahlen bündels, solange die Oberfläche des Objekts 9 innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. D.h., das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 ändert sich proportional zur Änderung der Lage der Oberfläche des Objekts 9, falls dieses in dem bestimmten Bereich liegt. Der Zusammenhang zwischen der Lage des Objekts 9 und dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 ist in der Fig. 4 darge stellt. Aus der Fig. 4 ist auch ersichtlich, daß durch das Prüfen des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 18, nämlich des Schärfesignals P die Lage des Objekts 9 und damit der Abstand der Oberfläche des Objekts 9 von einer vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden kann. Der lineare Bereich in der grafischen Darstellung in Fig. 4 entspricht dem Bereich, in dem die Ermittlung ausgeführt werden kann.

Aufgrund des vorstehend beschriebenen Meßprinzips gewährleistet das Positionserfassungsgerät gemäß diesem Aus führungsbeispiel der Erfindung eine Ermittlung der Lage des Objekts in einem beträchtlich erweiterten Meßbereich. Dies wird ausführlich anhand der Fig. 5 erläutert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts wird der Meßbereich dadurch erweitert, daß mittels der Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 auf die vorangehend beschriebene Weise aufeinanderfolgend die Lage des Brennpunkts für das auf das Objekt 9 gerichtete ringförmige Laserstrahlenbündel verändert wird. Im einzelnen werden durch das aufeinanderfolgende Ändern der Brennpunktlage für das auf das Meßobjekt gerichtete ringförmige Laserstrahlenbündel mehrere Meßbereiche, wie beispielsweise Bereiche 1 bis 3 gemäß Fig. 5 gebildet. Vorzugsweise werden die Komponenten der Brennpunktlage Steuervorrichtung 5 derart gestaltet, daß nebeneinander liegende Grenzen von zwei benachbarten Bereichen mitein ander übereinstimmen oder diese beiden benachbarten Bereiche einander teilweise überlappen, um dadurch einen einzigen durchgehenden Meßbereich zu bilden. Es können natürlich auch benachbarte Bereiche der mehreren Meßbe reiche voneinander geringe Abstände haben. In einem jeden Fall wird im Vergleich zu dem Fall, daß die Lage des Brennpunkts für die Meßlaserstrahlen festgelegt ist, der Meßbereich beträchtlich erweitert. Während ferner gewöhnlich die Meßempfindlichkeit zu dem Ausmaß des Meßbereichs gegenläufig ist, kann bei dem erfindungsge mäßen Positionserfassungsgerät unabhängig von einer Erweite rung des Meßbereichs eine hohe Meßempfindlichkeit aufrechterhalten werden.

Die Verwendung des ringförmigen Laserstrahlenbündels für die Lagemessung ist insofern vorteilhaft, als damit die Auswirkungen von verschiedenartigen Abbildungsfehlern unterdrückt werden, da nur ein kleiner Teil der Sammel linse genutzt wird. Dies stellt jedoch keine Einschrän kung dar, so daß beispielsweise für das Messen der Lage des Objekts ein Punktstrahlenbündel benutzt werden kann. In diesem Fall wird der in Fig. 3 gezeigte ringförmige Sensor 17 durch einen kreisförmigen Sensor mit einem inneren kreisförmigen fotoelektrischen Wandlerelement und einem äußeren ringförmigen fotoelektrischen Wandlerele ment ersetzt. Ferner kann für die Schärfezustand-Meßvor richtung 10 irgendein bekannter Flächensensor mit Anordnungen von Ladungskopplungsvorrichtungen (CCD) oder anderen Bildaufnahmevorrichtungen eingesetzt werden.

Anhand der Fig. 6 wird nun ein Positionserfassungsgerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Dieses Ausführungsbeispiel ist eine geringfügige Abwand lung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und weist ohne Darstellung in der Fig. 6 eine Laserstrahlenquelle, eine Kollimatorlinse, einen ersten und einen zweiten Kegel spiegel und eine Brennpunktlage-Steuervorrichtung auf, die alle im wesentlichen die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Elemente bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 haben. Ferner enthält die Einrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 einen Polarisationsstrah lenteiler 6, eine Polarisierplatte 7, eine Sammellinse 8, eine Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 und eine nicht gezeigte Verarbeitungseinheit, die alle auch gleichartige Funktionen wie die entsprechenden Elemente des ersten Ausführungsbeispiels haben. Das unterschiedliche Merkmal dieses zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Lichtsperrelement 19, das an dem Lichtweg bzw. auf der optischen Achse angeordnet ist.

Wenn die Oberfläche des Meßobjekts an einer in Fig. 6 mit 9a bezeichneten Stelle liegt und das ringförmige Laser strahlenbündel genau auf der Oberfläche des Objekts an dieser Stelle fokussiert wird, fällt gemäß der vorange henden Beschreibung das von der Oberfläche des Objekts reflektierte ringförmige Laserstrahlenbündel auf einen vorbestimmten Bereich der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10. Falls andererseits die Oberfläche des Objekts geringfügig von der in Fig. 6 mit 9a bezeichneten Stelle nach unten abweicht, ist das von der Oberfläche des Objekts reflektierte und von der Sammellinse 8 durchgelassene Laserstrahlenbündel etwas konvergent. Daher ist die Einfallstelle des Laserstrahlenbündels an dem Fotodetek tor der Meßvorrichtung 10 versetzt, so daß sich daher die Größe des Schärfesignals entsprechend ändert.

Falls jedoch die Oberfläche des Objekts an einer (in Fig. 6 beispielsweise mit 9b bezeichneten) Stelle liegt, die von dem Brennpunkt der Laserstrahlen in der von der Sammellinse 8 weg weisenden Richtung weit abliegt, werden die von der Oberfläche des Objekts reflektierten und durch die Sammellinse 8 durchgelassenen Laserstrahlen beträchtlich konvergiert. In diesem Fall ist es abhängig von der Lage des Objekts möglich, daß die Laserstrahlen zunächst einmal an einer bestimmten Stelle auf dem optischen Weg zwischen der Sammellinse 8 und dem Foto detektor der Meßvorrichtung 10 fokussiert werden und dahinter divergieren und daß diese divergenten Laser strahlen auf die Meßfläche des Fotodetektors bzw. Foto sensors an einem Bereich auftreffen, der gleich dem vorstehend beschriebenen vorbestimmten Bereich ist, auf den die richtig auf der Oberfläche des Objekts fokussier ten und von diesem reflektierten Laserstrahlen fallen würden. D.h., obwohl das Objekt außerhalb des zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Lagemeßvorgangs festge legten Meßbereichs des Positionserfassungsgeräts liegt, ist es in manchen Fällen möglich, daß die Meßlaserstrahlen, die zunächst einmal an eine Stelle zwischen der Sammellinse 8 und dem Objekt 9 weit von der Oberfläche des Objekts entfernt fokussiert und dann von der Oberfläche des Objekts reflektiert werden, nach dem Konvergieren an einer Stelle auf denjenigen Bereich der Schärfezustand- Meßvorrichtung 10 fallen, der gleich dem vorbestimmten Bereich derselben ist, auf den die von der Oberfläche des Objekts reflektierten Laserstrahlen fallen würden, falls die Laserstrahlen richtig auf der Oberfläche des Objekts fokussiert wären.

Falls dies eintrifft, würde von der Schärfezustand- Meßvorrichtung 10 ein falsches Signal abgegeben werden. Ein solches Signal ist nachteilig. Ein derartiges unerwünschtes falsches Signal ist in der Fig. 7 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In dieser Figur ist mit einer ausgezogenen Linie das Schärfesignal gezeigt, das aus der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 in dem Fall erhalten wird, daß das Objekt in dem während des Lage meßvorgangs zu einem bestimmten Zeitpunkt festgelegten Meßbereich liegt. Der dem Ausgangssignal "0" der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 entsprechende Koordina tenursprung zeigt an, daß die Meßlaserstrahlen genau auf der Oberfläche des Meßobjekts fokussiert werden. Die linke Richtung entlang der Abszissenachse entspricht einer Lageabweichung des Meßobjekts in der von der Sammellinse 8 weg weisenden Richtung. Aus der Fig. 7 ist ersichtlich, daß eine Folge von gemäß der Darstellung durch die gestrichelte Linie in Wirklichkeit falschen Schärfesignalen erzeugt wird, obgleich das Objekt außer halb des zu diesem Zeitpunkt während des Lagemeßvorgangs festgelegten Meßbereichs liegt.

Im Hinblick darauf ist das Lichtsperrelement an einer Stelle angebracht, die im wesentlichen auf der optischen Achse liegt und an der wirkungsvoll die vorstehend beschriebenen konvergenten Laserstrahlen abgefangen werden, die die falsche Lageinformation enthalten. Da der Konvergenzpunkt dieser Laserstrahlen grob aus den beste henden Eigenschaften des optischen Systems abgeschätzt werden kann, wird das Lichtsperrelement 19 vorzugsweise in der Nähe des Konvergenzpunkts angeordnet. Dadurch werden die in der Nähe der optischen Achse verlaufenden Strahlen wirkungsvoll abgefangen, so daß daher das in Fig. 7 durch die gestrichelte Linie dargestellte falsche Signal unterdrückt wird. Die Größe und Anordnung des Lichtsperrelements werden natürlich so festgelegt, daß der Verlauf der von dem Polarisationsstrahlenteiler auf das Objekt gerichteten und von dem Objekt zurückgespie gelten nutzbaren Meßlaserstrahlen nicht gestört wird.

Das Prinzip der Lagemessung mit dem Positionserfassungsgerät gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird nun anhand der Fig. 8 ausführlicher beschrieben. In dieser Figur sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 die entsprechenden Elemente bezeichnet. In Fig. 8 sind mit 20 ringförmige Strahlenbündel bezeichnet, die von der Sammellinse 8 jeweils entsprechend Brennpunkten P1 bis P3 geformt werden, welche aufeinanderfolgend durch die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 bestimmt werden (Fig. 1). Ferner sind mit A1 bis A3 jeweils den Brennpunkten P1 bis P3 entsprechende Meßbereiche bezeichnet.

Gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 4 und 5 ist in jedem der Meßbereiche A1 bis A3 ein zufriedenstellend linearer Zusammenhang zwischen der Lage des Meßobjekts und dem Schärfesignal gewährleistet. Infolgedessen kann durch das aufeinanderfolgende Ändern des Brennpunkts mittels der Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 (Fig. 1) wie beispielsweise in der Aufeinanderfolge von dem Brennpunkt P1 bis zu dem Brennpunkt P3, wodurch aufeinan derfolgend die Meßbereiche in der Aufeinanderfolge von dem Bereich A1 bis zu dem Bereich A3 bestimmt werden, jeweils ein optimaler Brennpunkt mit einem optimalen Meßbereich festgelegt werden, der für das Ermitteln der Lage des Objekts 9 am besten geeignet ist.

Wenn die Ausgangssignale des inneren und des äußeren fotoelektrischen Wandlerelements D1 und D2 nach Fig. 3 mit D1 bzw. D2 bezeichnet werden, kann das aus dem Differenzverstärker 18 erzielbare Schärfesignal P als Signal F ausgedrückt werden, welches durch Normieren des Differenzsignals (D2 - D1 ) mit einem Intensitätssignal (D2 + D1) erhalten wird, nämlich durch:

F = (D2 - D1 ) / (D2 + D1) (1).

Wenn der Brennpunkt für das ringförmige Laserstrahlen bündel in der Aufeinanderfolge von dem Brennpunkt P1 bis zu dem Brennpunkt P3 gemäß Fig. 8 geändert wird, hat das von der Oberfläche des Objekts 9 reflektierte ringförmige Laserstrahlenbündel 20 bei dem Auftreffen auf die Ober fläche der Sammellinse 8 einen erweiterten Durchmesser, solange der Brennpunkt zwischen der Sammellinse 8 und dem Objekt 9 liegt, nämlich beispielsweise der Brennpunkt P1 oder P2 ist. Infolgedessen wird das auf die Sammellinse 8 fallende ringförmige Laserstrahlenbündel durch diese etwas konvergiert, so daß auf die nachfolgend auch als Ringsensoren bezeichneten fotoelektrischen Wandlerelemen te D1 und D2 ein ringförmiges Laserstrahlenbündel fällt, das im Vergleich zu dem bei der Übereinstimmung des Brennpunkts P1 oder P2 mit der Lage des Objekts 9 gebildeten Strahlenbündel einen verringerten Durchmesser hat. Demnach ergibt sich aus der Gleichung (1), daß das Schärfesignal F kleiner als "0" ist, nämlich F < 0 gilt.

Falls andererseits der zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Lagemeßvorgangs bestimmte Brennpunkt an der von der Sammellinse 8 abgewandten Seite des Objekts 9 liegt, wie z. B. der Brennpunkt P3, hat das von der Oberfläche des Objekts 9 reflektierte ringförmige Laser strahlenbündel bei dem Auftreffen auf die Oberfläche der Sammellinse 8 einen verringerten Durchmesser. Infolge dessen wird das ringförmige Laserstrahlenbündel durch die Sammellinse 8 etwas divergiert, so daß auf die Ringsenso ren D1 und D2 ein ringförmiges Laserstrahlenbündel fällt, das im Vergleich zu dem bei der Übereinstimmung des Brennpunkts P3 mit der Lage des Objekts 9 gebildeten Strahlenbündel einen erweiterten Durchmesser hat. Damit ergibt sich aus der Gleichung (1), daß das Schärfesignal F größer als "0" wird, nämlich F < 0 gilt.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß sich die Polarität bzw. das Vorzeichen des Schärfesignals F ändert, wenn der Brennpunkt für die Laserstrahlen von einer Stelle (wie die des Brennpunkts P2), die an der der Sammellinse zugewandten Seite des Objekts 9 und dem Objekt 9 am nächsten liegt, zu einer anderen Stelle (wie diejenige des Brennpunkts P3) versetzt wird, die an der von der Sammellinse 8 abgewandten Seite des Objekts 9 und dem Objekt 9 am nächsten liegt. Daher können durch aufeinanderfolgendes Ändern der Brennpunktlage für das ringförmige Laserstrahlenbündel 20 und durch das Ermitteln der Polarität des Schärfesignals F diese beiden Stellen ermittelt werden. Mindestens eine dieser beiden Stellen ist die optimale Brennpunktlage, die einen optimalen Meßbereich bestimmt, der für die Ermittlung der Lage des Objekts 9 am besten geeignet ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel wird zwar die Brennpunktlage in der Aufeinanderfolge von der Sammel linse 8 zu dem Objekt 9 geändert, jedoch kann die Änderung in umgekehrter Richtung erfolgen. Vorzugsweise wird die Brennpunktlage-Steuervorrichtung für das Bestimmen dieser Brennpunkte in der Weise gestaltet, daß ein einziger durchgehender Meßbereich gebildet wird, bei dem die einander zugewandten Grenzen von zwei benachbar ten Teilmeßbereichen zusammenfallen, damit der Zusammen hang gewährleistet ist. Zwei benachbarte Teilmeßbereiche können natürlich auch einander überlappen. Während bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel als Schärfesignal F ein normierter Wert eingesetzt wird, kann als Schärfe signal auch das Differenzsignal (D2 - D1) herangezogen werden. Ferner kann als Differenzsignal auch der Wert (D1 - D2) eingesetzt werden. Wenn als Differenzsignal der Wert (D1 - D2) herangezogen wird, wird der in Fig. 4 gezeigte lineare Zusammenhang zwischen der Lage des Meßobjekts und dem Schärfesignal umgekehrt, was durch eine sich gemäß den Uhrzeigerrichtungen von 4 : 30 nach 10 : 30 erstreckende Linie dargestellt werden kann, wobei auch der Polaritätswechsel des Schärfesignals bei dem Durchgang durch das Meßobjekt umgekehrt wird.

Der Lagemeßvorgang nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip wird nun ausführlicher anhand des Ablaufdiagramms in Fig. 9 erläutert.

Es sei nun angenommen, daß die Brennpunktlage-Steuervor richtung 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 jeweils einen Brennpunkt je Streckeneinheit N bestimmen kann und daß der innere und der äußere Ringsensor D1 und D2 jeweils Ausgangssignale D′1 bzw. D′2 abgeben, wenn der Brennpunkt für die Laserstrahlen an einer Stelle liegt, die an der der Sammellinse 8 zugewandten Seite des Objekts 9 und dem Objekt 9 am nächsten liegt, wogegen die Ringsensoren D1 und D2 jeweils Ausgangssignale D1 bzw. D2 abgeben, wenn der Brennpunkt für die Laserstrahlen an einer Stelle liegt, die an der von der Sammellinse 8 abgewandten Seite des Objekts 9 und dem Objekt 9 am F nächsten liegt. Das Schärfesignal F wird gemäß der Gleichung (1) definiert, nämlich als:

F = (D2 - D1 ) / (D2 + D1 ).

Zuerst wird bei einem Schritt 101 das ringförmige Laser strahlenbündel an einer der Sammellinse 8 am nächsten liegenden Stelle, nämlich der der kürzesten Brennweite entsprechenden Stelle fokussiert, wonach dann die Erfas sung des Schärfesignals F begonnen wird (Schritt 102). Darauffolgend wird bei einem Schritt 103 ermittelt, ob F < 0 ist oder nicht. Falls F < 0 ist, schreitet das Programm zu einem Schritt 104 weiter. Bei dem Schritt 104 wird mittels der Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 die Fokussierstelle bzw. der Brennpunkt so verändert, daß das ringförmige Laserstrahlenbündel nunmehr an einer Stelle fokussiert wird, die gegenüber der zuerst eingestellten Fokussierstelle um eine Streckeneinheit +N versetzt ist. Dann wird wieder das Schärfesignal F erfaßt und wiederum dessen Polarität ermittelt (Schritte 102 und 103). Diese Vorgänge werden unter wiederholtem Versetzen des Brenn punkts zu dem Objekt 9 hin um jeweils eine Streckenein heit +N von der momentanen Brennpunktlage weg wiederholt, bis F < 0 wird, was bedeutet, daß das ringförmige Laserstrahlenbündel an einer Stelle fokussiert wird, die an der von dem Sammellinse 8 abgewandten Seite des Objekts 9 liegt. Wenn ermittelt wird, daß F < 0 ist, schreitet das Programm zu einem Schritt 105 weiter, bei dem das Ausgangssignal D1 des inneren Ringsensors D1 in einen Speicher der Verarbeitungseinheit eingespeichert wird.

Darauffolgend wird das ringförmige Laserstrahlenbündel wieder an der Stelle fokussiert, die um eine Streckenein heit -N gegenüber der zuletzt bestimmten Fokussierstelle abgestuft ist, bei der F < 0 erreicht wurde. D.h. , die Laserstrahlen werden an einer Stelle fokussiert, die um die Streckeneinheit N näher an der Sammellinse 8 liegt als die zuletzt bestimmte Fokussierstelle. Dies bedeutet, daß die Laserstrahlen wieder an der Stelle fokussiert werden, die an der der Sammellinse 8 zugewandten Seite des Objekts 9 und dem Objekt 9 am nächsten liegt (Schritt 106). Danach wird das Ausgangssignal D′2 des äußeren Ringsensors D2 in den Speicher der Verarbeitungseinheit eingespeichert (Schritt 107).

Als nächstes werden die gespeicherten Ausgangssignale D1 und D′2 miteinander verglichen (Schritt 108). Falls D1 ≦ D′2 gilt, ist die gerade bestehende Brennpunktlage, bei der F < 0 ermittelt wurde, die optimale Brennpunktlage, die einen optimalen Meßbereich ergibt, so daß daher die Lage des Objekts 9 aufgrund der gerade bestehenden Brenn punktlage und des Schärfesignals F ermittelt wird, das nun aus den Ausgangssignalen D′1 und D′2 berechnet wird (Schritt 109). Aus der auf diese Weise ermittelten Lage des Objekts 9 kann der Abstand des Objekts 9 zu einer vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Falls andererseits D1 < D′2 ist, wird die Fokussierstelle wieder so geändert, daß nun das ringförmige Laserstrah lenbündel an einer Stelle fokussiert wird, die gegenüber der gerade bestehenden Fokussierstelle, bei der sich F < 0 ergibt, um eine Streckeneinheit +N aufgestuft ist (Schritt 110). Dann wird die nunmehr eingestellte Brenn punktlage als optimale Brennpunktlage mit einem optimalen Meßbereich festgelegt und die Lage des Objekts 9 aufgrund der gerade festgelegten Brennpunktlage und des Schärfe signals F ermittelt, das nunmehr aus den Ausgangssignalen D1 und D2 berechnet wird (Schritt 111). Aus der auf diese Weise ermittelten Objektlage kann gleichfalls der Abstand des Objekts von der vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Es ist ersichtlich, daß der Vergleich der Ausgangssignale D1 und D′2 bei dem Schritt 108 ausgeführt wird, um die optimale Brennpunktlage zu ermitteln, nämlich zu ermitteln, welcher der beiden an den beiden Seiten des Objekts liegenden Brennpunkte näher an dem Objekt liegt, und damit zu ermitteln, welcher der beiden durch die beiden Brennpunktlagen bestimmten Meßbereiche das Objekt enthält (siehe Fig. 4 und 8).

Die Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abwandlung des Lagemeßvorgangs mit dem erfindungsgemäßen Positions erfassungsgerät veranschaulicht.

Zuerst wird bei einem Schritt 201 das ringförmige Laser strahlenbündel an einer beliebigen Stelle fokussiert und das Schärfesignal F aus den Ausgangssignalen der Ring sensoren D1 und D2 ermittelt. Dann wird bei einem Schritt 202 die Polarität des Schärfesignals F ermittelt, um festzustellen, ob die gerade bestehende Fokussierstelle der Laserstrahlen an der der Sammellinse 8 zugewandten oder der von der Sammellinse 8 angewandten Seite des Meßobjekts liegt. Falls F < 0 ist, liegt die Fokussier stelle der Laserstrahlen an der von der Sammellinse 8 abgewandten Seite des Meßobjekts, so daß mit der Brenn punktlage-Steuervorrichtung der Brennpunkt von der momen tanen Lage um eine Streckeneinheit -N zu der Sammellinse 8 hin versetzt wird (Schritt 203). Dann wird bei einem Schritt 204 wieder die Polarität des Schärfe signals F ermittelt. Falls weiterhin F < 0 ist, wird die Versetzung des Brennpunkts um eine Streckeneinheit -N wiederholt. Diese Schritte 203 und 204 werden wiederholt, bis das Schärfesignal F < 0 wird. Wenn das Schärfesignal F kleiner als "0" wird, schreitet das Programm zu einem Schritt 207 weiter, bei dem in den Speicher das Ausgangs signal D′2 eingespeichert wird, das von dem äußeren Ringsensor D2 erzeugt wird, wenn die Bedingung F < 0 erfüllt ist. Darauffolgend wird bei einem Schritt 208 die Brennpunktlage-Steuervorrichtung so betätigt, daß die Laserstrahlen wieder an der Stelle fokussiert werden, die aus der gerade geltenden Stelle für "F < 0" um die Streckeneinheit +N versetzt ist. Danach wird in den Speicher der Verarbeitungseinheit das Ausgangssignal D1 eingespeichert, das von dem inneren Ringsensor D1 bei der neu eingestellten Brennpunktlage erzeugt wird, bei der F < 0 gilt (Schritt 209). Danach werden die Ausgangssignale D′2 und D1 miteinander verglichen (Schritt 210). Falls sich D1 T D′2 ergibt, wird die gerade bestehende Brennpunktlage als die optimale Brennpunktlage festgelegt und aus dieser Brennpunktlage sowie dem Schärfesignal F die Lage des Objekts ermittelt (Schritt 217). Aufgrund der auf diese Weise ermittelten Objektlage kann auch der Abstand des Objekts von einer vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Falls sich andererseits D′2 < D1 ergibt, wird die Brennpunktlage-Steuervorrichtung wieder so betätigt, daß die Laserstrahlen an der Stelle fokussiert werden, die von der gerade bestehenden Stelle für "F < 0" um die Streckeneinheit -N versetzt ist (Schritt 215). Dann wird das Schärfesignal F für diese neu eingestellte Brenn punktlage erfaßt und aus dieser sowie dem Schärfesignal F die Lage der Oberfläche des Objekts ermittelt (Schritt 217). Aus der auf diese Weise ermittelten Objektlage kann gleichfalls der Abstand des Objekts von der vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Falls das Ermittlungsergebnis bei dem Schritt 202 zeigt, daß die Polarität des Schärfesignals F unmittelbar nach der Inbetriebnahme der Einrichtung "F < 0" ergibt, liegt zu diesem Zeitpunkt die Fokussierungsstelle des ring förmigen Laserstrahlenbündels an der der Sammellinse 8 zugewandten Seite des Objekts. Daher wird der Brennpunkt von der gerade bestehenden Stelle um eine Streckeneinheit +N von der Sammellinse 8 weg versetzt (Schritt 205). Dann wird bei einem Schritt 206 die Polarität des Schärfesig nals F für diese neu eingestellte Brennpunktlage ermittelt. Falls sich F < 0 ergibt, kehrt das Programm zu dem Schritt 205 zurück. Die Schritte 205 und 206 werden unter wiederholtem Versetzen des Brennpunkts zu dem Meßobjekt hin in jeweils einzelnen Streckeneinheiten +N aus der jeweils gerade bestehenden Lage wiederholt.

Wenn das Schärfesignal F größer als "0" wird, wird in den Speicher der Verarbeitungseinheit das Ausgangssignal D1 des inneren Ringsensors D1 eingespeichert (Schritt 211). Darauffolgend wird das ringförmige Strahlenbündel wieder an der aus der gerade bestehenden Lage für "F < 0", um eine Streckeneinheit -N versetzten Stelle fokussiert (Schritt 212), wonach das der neu bestimmten Brennpunktlage entsprechende Ausgangssignal D′2 des äußeren Ringsensors D2 in den Speicher eingespeichert wird (Schritt 213). Danach werden bei einem Schritt 214 die Ausgangssignale D1 und D′2 miteinander verglichen. Falls sich D′2 , D1 ergibt, wird die gerade bestehende Brennpunktlage als die optimale Brennpunktlage festgelegt und aus dieser sowie dem Schärfesignal F die Lage des Objekts ermittelt (Schritt 217). Aus der dermaßen ermittelten Objektlage kann auch der Abstand des Objekts von der vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Falls sich andererseits D1 < D′2 ergibt, wird die Brennpunktlage-Steuervorrichtung wieder so betätigt, daß das ringförmige Strahlenbündel wieder an der von der gerade bestehenden Stelle um eine Streckeneinheit +N versetzten Stelle fokussiert wird (Schritt 216). Danach wird aus der neu festgelegten Brennpunktlage und dem dieser Brennpunktlage entsprechenden Schärfesignal F die Lage des Objekts ermittelt (Schritt 217). Aus der dermaßen ermittelten Objektlage kann auch der Abstand des Objekts von der vorbestimmten Bezugsstelle ermittelt werden.

Wenn während des Meßvorgangs das Schärfesignal F gleich "0" wird, bedeutet dies, daß die Fokussierungsstelle des ringförmigen Strahlenbündels mit der Lage der Objektober fläche zusammenfällt. Daher wird die Objektlage direkt erfaßt.

Falls die den aufeinanderfolgend festgelegten, jeweils um die Streckeneinheit N beabstandeten Brennpunktlagen entsprechenden Meßbereiche einander überlappen und die Oberfläche des Meßobjekts in einem dieser Überlappungs bereiche liegt, kann für die Ermittlung der Objektlage jedes der den beiden Brennpunktlagen mit den teilweise überlappenden Meßbereichen entsprechenden Schärfesignale F herangezogen werden.

Der vorstehend beschriebene Meßvorgang wird automatisch mittels eines in der Verarbeitungseinheit 11 nach Fig. 1 enthaltenen Mikrocomputers gesteuert. Infolgedessen ist eine schnelle Verarbeitung und damit eine schnelle Messung erzielbar. Bei den vorstehend beschriebenen beiden Beispielen werden zuerst die beiden der Oberfläche des Meßobjekts am nächsten kommenden Brennpunktlagen ermittelt und aus dem Ergebnis des Vergleichs der Ausgangssignale D1 und D′2 der Ringsensoren die optimale Brennpunktlage bestimmt. Danach wird aus dem Schärfesig nal F die Lage der Oberfläche des Objekts ermittelt. Es besteht jedoch keine Einschränkung hierauf. Vielmehr ist es alternativ möglich, die allen Brennpunktlagen entspre chenden Schärfesignale F oder die allen Brennpunktlagen entsprechenden erfaßten Werte alle zu speichern. Nachdem die optimale Brennpunktlage ermittelt ist, kann eines der gespeicherten Schärfesignale F oder einer der gespeicher ten erfaßten Werte entsprechend der optimalen Brennpunkt lage abgerufen werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde zwar die optimale Brennpunktlage aus der Polaritätsänderung des Schärfesignals F ermittelt, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf. Es ist beispielsweise möglich, die optimale Brennpunktlage aufgrund der Erscheinung zu ermitteln, daß die Intensität des an der Schärfezustand- Meßvorrichtung erfaßbaren Lichts maximal wird, wenn der Brennpunkt zu einer dem Meßobjekt am nächsten gelegenen Stelle versetzt wird, was nachfolgend ausführlich beschrieben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zuerst aus dem Polaritätswechsel des Schärfesignals F die vorstehend beschriebenen, an den einander gegenüberlie genden Seiten des Objekts und in der Nähe des Objekts gelegenen Brennpunkte zu ermitteln und danach als optimalen Brennpunkt denjenigen der beiden Brennpunkte zu wählen, bei dem das Schärfesignal den kleineren Absolut wert hat.

Anhand der Fig. 11 wird nun als weiteres Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts eine Abstandsmeßeinrichtung beschrieben. Da die Einrichtung nach Fig. 11 Elemente enthält, die denjenigen der Anordnung nach Fig. 1 gleichartig sind, wird hier zur Vereinfachung die Beschreibung der gleichartigen Elemente weggelassen, wobei die einander entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.

Die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist zum Ermitteln des Zwischenraums bzw. Abstands zwischen den Oberflächen zweier Objekte wie einer Maske M und eines Halbleiterplättchens W ausgebildet, welche bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie integrierten Schaltungen verwendet werden können. Die Fig. 11 zeigt eine Treiberschaltung 21 zur Ansteuerung der Brennpunkt lage-Steuervorrichtung 5, eine Schärfesignal-Meßeinheit 22 und eine Lichtmengen-Meßeinheit 23. Die Treiberschal tung 21, die Schärfezustand- bzw. Schärfesignal-Meßein heit 22 und die Lichtmengen-Meßeinheit 23 sind an die Verarbeitungseinheit 11 angeschlossen.

Im Betriebsvorgang gemäß dem vorstehend beschriebenen Prinzip der Lagemessung werden die Lagen des ersten Objekts M und des zweiten Objekts W dadurch ermittelt, daß jeweils die optimale Brennpunktlage für das erste bzw. zweite Objekt bestimmt wird und daß jeweils das der Lage für dieses Objekt entsprechende Schärfesignal F erfaßt wird. Aus den auf diese Weise ermittelten Lagen des ersten und zweiten Objekts M und W wird der Zwischen raum bzw. der Abstand zwischen diesen ermittelt.

Gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 4 ist eine zufriedenstellende Linearität zwischen der Lage eines Meßobjekts und dem Schärfesignal nur innerhalb eines begrenzten Meßbereichs gewährleistet. Es ist daher schwierig, mit nur einem einzigen Meßbereich, der sehr schmal ist, die Lagen zweier Objekte zu erfassen, die voneinander einen größeren Abstand haben. Im Hinblick darauf werden aus der Verarbeitungseinheit 11 der Treiberschaltung 21 Steuersignale zugeführt, um damit die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 so zu betreiben, daß die Fokussierstelle den Laserstrahlen für jeweils einen optimalen Meßbereich für das erste bzw. zweite Objekt M bzw. W versetzt wird.

Der Abstandsmeßvorgang wird nun ausführlicher beschrie ben. Zuerst wird von der Verarbeitungseinheit 11 der Treiberschaltung 21 ein Steuersignal zugeführt, welches bewirkt, daß die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 einen der Sammellinse 8 am nächsten gelegenen Brennpunkt bestimmt. Darauffolgend werden von der Verarbeitungsein heit 11 der Treiberschaltung 21 weitere Steuersignale zugeführt, durch die die Brennpunktlage-Steuervorrichtung 5 den Brennpunkt schrittweise von der Sammellinse 8 weg versetzt. Hierdurch werden aufeinanderfolgend mehrere Meßbereiche bestimmt, die gemäß Fig. 5 einen einzigen durchgehenden Meßbereich bilden. Wenn als Meßstrahlen bündel das anhand der Fig. 1 beschriebene ringförmige Laserstrahlenbündel verwendet wird und in der Schärfe zustand-Meßvorrichtung 10 der ringförmige Sensor gemäß Fig. 3 eingesetzt wird, wird das optische System der Einrichtung nach Fig. 11 derart gestaltet, daß dann, wenn das ringförmige Laserstrahlenbündel genau auf der Oberfläche eines Meßobjekts fokussiert wird, das von der Objektoberfläche zu dem Polarisationsstrahlenteiler 6 reflektierte ringförmige Laserstrahlenbündel genau auf die ganze Fläche des ringförmigen Sensors 17 mit dem inneren und äußeren Ringsensor D1 und D2 fällt.

Wenn während des Meßvorgangs die Laserstrahlen an einer dem ersten Objekt M am nächsten gelegenen Stelle fokussiert werden, wird gemäß der Darstellung in Fig. 12 die Intensität des von dem ersten Objekt M reflektierten und von der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 aufgenomme nen Lichts maximal (außer in dem Fall, daß die Fokussier stelle mit der Stelle des ersten Objekts M zusammenfällt, nämlich F = 0 gilt). Von der Lichtmengen-Meßeinheit 23 wird ständig die von der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 aufgenommene Lichtmenge überwacht. Auf diese Weise wird für den Fokussierzustand, der für einen bestimmten Brenn punkt ermittelt wird, welcher durch das Erfassen der maximalen Lichtmenge durch die Lichtmengen-Meßeinheit 23 bestimmt wird, die Lage des ersten Objekts M aus dem von der Schärfesignal-Meßeinheit 22 abgegebenen Schärfesignal ermittelt. Darauffolgend wird die Fokussierstelle für die Laserstrahlen weiter von der Sammellinse 8 weg versetzt. Wenn die Strahlen an einer dem zweiten Objekt W am nächsten gelegenen Stelle fokussiert werden, wird wie bei der Ermittlung der Lage des ersten Objekts M die von der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 empfangene Lichtmenge maximal, so daß die Lage des zweiten Objekts W aus dem zu diesem Zeitpunkt erzielten Schärfesignal ermittelt wird.

Durch das Vergleichen der auf diese Weise ermittelten Lagen des ersten und zweiten Objekts M bzw. W kann der Abstand zwischen diesen Objekten ermittelt werden.

Als Meßstrahlenbündel kann natürlich gemäß der vorange henden Beschreibung ein punktförmiges bzw. Punktstrahlen bündel verwendet werden. Falls jedoch wie bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen zwei Objekten gemessen werden soll, ist hinsichtlich der Meßgenauigkeit die Verwendung des ringförmigen Laserstrahlenbündels günstiger. Die Ermittlung der Lage und des Abstands bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt nach einem Programm, das wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungs beispielen im voraus in der Verarbeitungseinheit einge stellt bzw. gespeichert ist.

Der Prozeß der Lageermittlung bei diesem Ausführungs beispiel ist nicht auf die vorstehend dargelegte Ausführung beschränkt; vielmehr können die anhand der Fig. 9 und 10 beschriebenen Meßvorgänge ausgeführt werden.

Die Fig. 13 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts eine Abstandsmeß einrichtung. Da die Einrichtung gemäß diesem Ausführungs beispiel Elemente enthält, die denjenigen des Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 1 sind, wird hier zur Vereinfachung die Beschreibung einander entsprechen der Elemente mit den gleichen Bezugszeichen weggelassen.

Falls der Abstand zwischen den Oberflächen zweier Objekte ermittelt werden soll, die voneinander beträchtlich unterschiedliche Reflexionsfaktoren haben, wie es bei einer Maske und einem Halbleiterplättchen der Fall ist, ist es möglich, daß sich infolge der unterschiedlichen Reflexionsfaktoren die von der Schärfezustand-Meßvorrich tung 10 empfangene Lichtmenge außerordentlich stark ändert. Wenn dies zutrifft, wird eine genaue Ermittlung schwierig. Gemäß Fig. 14 ist gewöhnlich der Bereich einer optimalen Lichtmenge begrenzt, bei der ein Fotodetektor zufriedenstellende Empfindlichkeit zeigt. Falls die Lichtmenge unter der unteren Grenze des Optimalbereichs liegt, kann der Dunkelstrom nicht mehr vernachlässigt werden. Falls andererseits die Lichtmenge über der oberen Grenze des Optimalbereichs liegt, wird der Fotodetektor gesättigt. In einem jeden dieser Fälle ist eine genaue Ermittlung nicht gewährleistet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts ist daher eine Licht mengen-Steuervorrichtung 27 vorgesehen, mit der die von der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 empfangene Lichtmenge derart einstellbar ist, daß die Lichtmenge innerhalb des Optimalbereichs gleichmäßig von der Schärfezustand- Meßvorrichtung aufgenommen wird. Hierdurch sind weitere Verbesserungen hinsichtlich der Meßgenauigkeit gewähr leistet. Als Lichtmengen-Steuervorrichtung 27 kann eine elektrooptische Vorrichtung mit einem elektrooptischen Kristall wie Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat (PLZT) oder dergleichen, eine Graufilter- bzw. ND-Filtervorrichtung, eine Flüssigkristallvorrichtung oder dergleichen verwendet werden.

Die Steuerung der Lichtmenge in der Abstandsmeßeinrich tung gemäß diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Positionserfassungsgeräts wird nun ausführlicher anhand der Fig. 15 beschrieben.

Die Fig. 15 zeigt die Lichtmengen-Steuervorrichtung 27, einen Mikrocomputer 28, eine Schnittstelle 29 für das Anlegen der Ausgangssignale der Schärfezustand-Meßvor richtung 10 an den Mikrocomputer 28 und den inneren bzw. äußeren Ringsensor D1 bzw. D2 gemäß Fig. 3.

Wenn das von der Oberfläche des Meßobjekts reflektierte ringförmige Laserstrahlenbündel auf die Oberfläche des Fotodetektors der Meßvorrichtung 10 fällt, werden über die Schnittstelle 29 an den Mikrocomputer 28 die entspre chend der Einfallstelle des Laserstrahlenbündels auf den Fotodetektor von dem inneren bzw. äußeren Ringsensor D1 bzw. D2 erzeugten Ausgangssignale D1 und D2 angelegt. Diese Ausgangssignale D1 und D2 werden in dem Mikrocompu ter 28 derart verarbeitet, daß das Differenzsignal (D1 - D2) mit dem Intensitätssignal (D1 + D2) normiert wird, wodurch ein Schärfesignal erhalten wird. Andererseits wird aus dem Intensitätssignal (D1 + D2) ermittelt, ob die Lichtmenge innerhalb des Bereichs optimaler Lichtmen ge für den Fotosensor liegt oder nicht. Falls der Pegel des Intensitätssignals (D1 + D2) niedriger als ein solcher für die Untergrenze des Optimalbereichs ist, führt der Mikrocomputer 28 der Lichtmengen-Steuervorrich tung 27 ein Befehlssignal zu, durch das die Lichtmenge an der Oberfläche des Meßobjekts gesteigert wird. Falls andererseits der Pegel des Intensitätssignals (D1 + D2) über demjenigen für eine obere Grenze des Optimalbereichs liegt, führt der Mikrocomputer 28 der Lichtmengen- Steuervorrichtung 27 ein Befehlssignal zu, durch das die Lichtmenge an der Oberfläche des Objekts verringert wird. Wenn der Pegel des Intensitätssignals (D1 + D2) innerhalb des Pegelbereichs für den Optimalbereich liegt, wird keine besondere Steuerung vorgenommen. Die vorstehend beschriebenen Vorgänge werden nach einem Programm ausgeführt, das im voraus in den Mikrocomputer 28 eingespeichert ist.

Zur Steuerung des Steigerns oder Verringerns der von der Schärfezustand-Meßvorrichtung 10 aufgenommenen Lichtmenge ist es möglich, aufeinanderfolgend an die Lichtmengen- Steuervorrichtung 27 Steuer- bzw. Befehlssignale in der Weise anzulegen, daß die Lichtmenge stufenweise von einem Anfangszustand bis zu dem Optimalwert verändert wird, während wiederholt ermittelt wird, ob ein geeigneter Pegel des Intensitätssignals vorliegt. Alternativ ist es möglich, zuerst die Differenz zwischen dem ermittelten Intensitätssignal (D1 + D2) und der oberen oder unteren Grenze des Optimalbereichs zu berechnen und dann entsprechend dem Rechenergebnis der Lichtmengen-Steuer vorrichtung 27 ein Steuer- bzw. Befehlssignal in der Weise zuzuführen, daß ein Pegel für eine optimale Lichtmenge eingestellt wird.

Die Fig. 16 zeigt ein Beispiel für die Lichtmengen- Steuervorrichtung. Diese Figur zeigt einen elektroopti schen Kristall wie einen KH₂PO₄-Kristall oder derglei chen, einen Polarisator 31 , einen Analysator 32 und eine Steuerstufe 33 für das Anlegen eines elektrischen Felds an dem Kristall 30. Der Kristall 30 ändert durch das Anlegen eines elektrischen Felds seine Doppelbrechungs eigenschaften, wobei das Ausmaß der Änderung (Phasenände rung) von der elektrischen Feldstärke abhängt.

Auf diese Weise wird entsprechend einem aus dem Mikro computer 28 zugeführten Steuersignal die Steuerstufe 33 derart betrieben, daß an dem elektrooptischen Kristall 30 ein elektrisches Feld in einer vorbestimmten Stärke angelegt wird, wodurch die durch die Lichtmengen- Steuervorrichtung 27 hindurchtretende Lichtmenge eingestellt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Lichtmengen- Steuervorrichtung als zwischen der Kollimatorlinse 2 und dem Kegelspiegel 3 angeordnet beschrieben und dargestellt, jedoch kann die Steuervorrichtung auch an irgendeiner anderen Stelle vor dem Fotodetektor bzw. Fotosensor angeordnet werden. Ferner kann anstelle der Steuerung mit der beschriebenen Lichtmengen-Steuervorrichtung die Ausgangsleistung der Laserstrahlenquelle gesteuert werden.

Wie im Falle des vorangehend beschriebenen Ausführungs beispiels kann die Lage- und Abstandsermittlung mit der Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der Ermittlung der Schärfesignale vorgenommen werden. Auf diese Weise kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine schnelle Ermittlung mit hoher Genauigkeit erzielt werden. Die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist insbesondere dann für die Lage- und/oder Abstandsermittlung nutzvoll, wenn sich die Reflexionsfaktoren von Meßobjekten beträchtlich voneinander unterscheiden oder wenn der Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt gemessen werden soll, die beträchtlich voneinander verschiedene Reflexionsfaktoren haben. Ferner ist die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel dann nutzvoll, wenn sich die Ausgangsleistung der Lichtquelle beträchtlich ändert.

Die Fig. 17 zeigt eine Zwischenraum- bzw. Abstandsein stellvorrichtung als weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts. Da die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel Elemente enthält, die denjenigen in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gleichartig sind, wird zur Vereinfachung die Beschreibung einander entsprechender Elemente mit den gleichen Bezugszeichen hier weggelassen.

Die Fig. 17 zeigt Stellmotore 24, Stellspindeln 25, die jeweils zum Antrieb an die Stellmotore 24 angeschlossen sind, Halterungen 26 für das Lagern der jeweiligen Stellmotore 24 und Motortreiberschaltungen 34, an die die jeweiligen Stellmotore 24 angeschlossen sind.

Bei der Messung wird der Abstand zwischen den Oberflächen des ersten Objekts M und des zweiten Objekts W im wesentlichen auf die gleiche Weise wie anhand der Fig. 11 beschrieben ermittelt. Dabei wird in der Verarbeitungs einheit 11 der ermittelte Abstand mit einem vorbestimmten Abstand verglichen, der zwischen den Oberflächen des ersten und des zweiten Objekts M und W eingehalten werden sollte (und der nachfolgend als Bezugsabstand bezeichnet wird). D.h., in der Verarbeitungseinheit 11 wird die Differenz zwischen dem ermittelten Abstand und dem Bezugsabstand ermittelt sowie auch erfaßt, welcher Abstand der größere ist. Entsprechend dem Ermittlungser gebnis führt die Verarbeitungseinheit 11 einer der Motortreiberschaltungen 34 oder jeder derselben ein Steuersignal zu, mit dem mindestens einer der Stellmotore 24 so betrieben wird, daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt M und W gleich dem Bezugsabstand wird. Durch das Betreiben eines der Stellmotore 24 oder beider Stellmotore 24 wird jeweils eine der Stellspindeln 25 oder werden beide Stellspindeln 25 gedreht, wodurch sich eine Aufwärts- und/oder Abwärtsbewegung einer Halterung oder beider Halterungen für das erste und das zweite Objekt ergibt, wobei die Halterungen jeweils Gewindeabschnitte haben, die mit entsprechenden Gewinde abschnitten der Stellspindeln 25 in Eingriff sind. Dadurch wird der Abstand zwischen dem ersten und- dem zweiten Objekt M und W eingestellt. Auf diese Weise kann eine schnelle Abstandseinstellung mit hoher Genauigkeit erzielt werden.

Die Fig. 18 zeigt eine Schräglagen- bzw. Neigungsein stellvorrichtung als weiteres Anwendungsbeispiel dem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts. D.h., mit der Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann nicht nur der Abstand zwischen zwei Objekten, sondern auch eine Schräglage eines jeden der beiden Objekte erfaßt werden. Ferner können der Abstand und die Schräglage eingestellt werden.

Gemäß Fig. 18 hat die Einrichtung gemäß diesem Ausfüh rungsbeispiel drei Brennpunktlage-Steuervorrichtungen 5a bis 5c, drei Schärfezustand-Meßvorrichtungen 10a bis 10c und eine mit den Steuervorrichtungen 5a bis 5c und den Meßvorrichtungen 10a bis 10c verbundene Verarbeitungsein heit 11. Alle diese Elemente haben im wesentlichen die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Elemente, die anhand der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben, wurden. Die Vorrichtung nach Fig. 18 weist ferner einen Tisch 35 auf, in dem drei Sätze von Stell vorrichtungen, die jeweils den in Fig. 17 gezeigten gleichartig sind, zum Einstellen des Abstands zwischen dem ersten Objekt M und dem zweiten Objekt W an drei Stellen untergebracht sind.

Bei dem Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 18 werden die Lagen der Oberflächen des ersten und des zweiten Objekts M und W an jeweils drei Stellen derselben mittels der drei Lagemeßsysteme 5a und 10a, 5b und 10b bzw. 5c und 10c ermittelt. Die Lageinformationen über die Oberflächen des ersten und zweiten Objekts M und W bezüglich der drei Stellen an diesen werden von der Verarbeitungseinheit 11 aufbereitet, aus der geeignete Steuersignale den (in Fig. 18 nicht gezeigten) drei Sätzen von Stellvorrichtungen für das Versetzen des zweiten Objekts W oder des das zweite Objekt W tragenden Tisches 35 zugeführt werden.

Durch die an drei Stellen vorgenommene Erfassung der Oberfläche des ersten sowie des zweiten Objekts können eine jeweilige Schräglage eines jeden dieser Objekte sowie die Abstände zwischen den Objekten erfaßt werden. Ferner können aufgrund der Erfassungsergebnisse die Schräglage und der Abstand eingestellt werden.

Ein Beispiel für eine Stellvorrichtung für das Ändern des Abstands und/oder der Schräglage ist in Fig. 19A gezeigt. Diese Figur zeigt einen Stellmotor 24, eine Stellspindel 25 und ein Auflager 36, das zum Abstützen des zweiten Objekts W oder des Tisches 35 dient und das einen Gewindeabschnitt hat. Gemäß der Beschreibung hat die Vorrichtung nach Fig. 18 drei solche in Fig. 19A gezeigte Stellvorrichtungen. Entsprechend dem aus der Verarbei tungseinheit 11 zugeführten Steuersignal wird von dem Stellmotor 24 die Stellspindel 25 gedreht, wodurch eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Auflagers 36 hervorge rufen wird, ohne daß dieses gedreht wird. Durch die Versetzung des Auflagers 36 wird der von demselben abgestützte Bereich des zweiten Objekts W oder des Tisches 35 im wesentlichen nach oben oder nach unten versetzt. Durch eine derartige Lagesteuerung an den restlichen beiden Stellen des zweiten Objekts W können die Schräglage des zweiten Objekts in bezug auf das erste Objekt M sowie der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt eingestellt werden. Die Lagesteuerung kann natürlich auch an dem ersten Objekt vorgenommen werden, wie es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 17 der Fall ist.

Die Fig. 19B zeigt ein weiteres Beispiel einer Stellvor richtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist dies Stellvorrichtung ein piezoelektrisches Stellglied 37 mit einem Stapel aus piezoelektrischen Elementen auf. Gemäß aus der Verarbeitungseinheit 11 zugeführten Steuersigna len wird eine nicht gezeigte Treiberschaltung so betrie ben, daß an die piezoelektrischen Elemente elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch werden die piezoelektri schen Elemente aufgeweitet oder zusammengezogen, wodurch eine Aufwärts- oder Abwärtsversetzung des von dem piezo elektrischen Stellglied getragenen Bereichs des zweiten Objekts W oder des Tisches 35 herbeigeführt wird.

Die Fig. 20 zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts eine Ausrichtvor richtung, mit der eine dreidimensionale Ausrichtung zwischen zwei Objekten erzielbar ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 20 enthält drei Lagemeßsysteme 381 bis 383, einen Stellmotor 241 für die Drehbewegung des ersten Objekts M, Stellmotoren 242 und 243 für das Versetzen des zweiten Objekts W in der X- bzw. Y-Richtung und Stellmotoren 244 bis 246, die unabhängig voneinander zu einer im wesentlichen aufwärts oder abwärts gerichte ten Versetzung entsprechender Bereiche des zweiten Objekts W betreibbar sind. Mit A1 sind an dem ersten Objekt M ausgebildete Richtmarken bezeichnet, während mit A2 an dem zweiten Objekt W ausgebildete Richtmarken bezeichnet sind. Diese Richtmarken A1 und A2 dienen zur Ausrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt M und W in der X- und Y-Richtung sowie in der Drehrichtung R.

Jedes der Lagemeßsysteme 381 bis 383 enthält eine optische Anordnung gemäß Fig. 11 zum Ermitteln der Lage des ersten sowie des zweiten Objekts M bzw. W in der Z- Richtung an einer zugeordneten Stelle von drei Stellen an dem ersten oder zweiten Objekt. Bei diesem Ausführungs beispiel wird als anhand der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutertes Meßstrahlenbündel ein Punktstrahlenbündel verwendet. Ferner wird als Schärfe zustand-Meßvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ein Flächensensor mit Anordnungen von Ladungskopplungsvorrichtungen (CCD) verwendet. Zur Ermittlung der Lage in der Z-Richtung wird die Fläche des Flächensensors in zwei Bereiche aufgeteilt die im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die in Fig. 3 gezeigten beiden Ringsensoren D1 und D2 eingesetzt werden. D.h., aus den Ausgangssignalen der beiden Bereiche des Flächensensors wird wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Schärfesignal gewonnen.

Zusätzlich hierzu enthält jedes der Lagemeßsysteme 381 bis 383 ein optisches Abbildungssystem für das Abbilden der entsprechenden Richtmarken an dem ersten und dem zweiten Objekt M und W. Dieses optische Abbildungssystem dient zum Ermitteln der Lage des ersten und des zweiten Objekts M und W in der X- und Y-Richtung an der zugeord neten Stelle der drei Stellen. Im einzelnen werden bei der X-Y-Lageermittlung zuerst die zugeordneten Richtmar ken mit einem aus der Laserstrahlenquelle 1 (gemäß Fig. 11) zugeführten punktförmigen Laserstrahlenbündel bestrahlt, dessen Durchmesser mittels der Brennpunktlage Steuervorrichtung 5 derart eingestellt wird, daß die Beleuchtung der ganzen Fläche der Richtmarken gewähr leistet ist. Dann werden die von der Oberfläche des Objekts reflektierten Laserstrahlen von dem optischen Abbildungssystem aufgenommen, wodurch auf dem Flächen sensor die Richtmarke abgebildet wird. Da die X- und Y- Ausrichtung nach dem Abschluß der Lageeinstellung in der Z-Richtung vorgenommen wird, wird an dem Flächensensor ein scharfes Bild der Richtmarke erzeugt. Auf diese Weise werden auf dem gleichen Flächensensor die der einen Stelle der drei Stellen entsprechenden Richtmarken A1 und A2 abgebildet.

Dann können durch Erfassen der Lagen dieser Richtmarken in bezug auf in dem Flächensensor bestimmte X- und Y- Koordinaten die X- und Y-Lagen des ersten und des zweiten Objekts an der einen von den drei Stellen ermittelt werden.

Auf die gleiche Weise wird die Lageermittlung hinsicht lich der X- und Y-Richtung an jeder der restlichen zwei Stellen vorgenommen, wodurch die Relativlage des ersten oder zweiten Objekts in bezug auf das andere Objekt in der X-Richtung, der Y-Richtung und der Drehrichtung e ermittelt wird.

Die Lageeinstellung der beiden Objekte M und W in der Z- Richtung erfolgt folgendermaßen:

Zuerst werden entsprechend den ermittelten Lageinforma tionen über die Lage in der Z-Richtung an den drei Stellen aus der Verarbeitungseinheit 11 der Motortreiber schaltung 34 Steuersignale zugeführt, durch die die Stellmotore 244 bis 246 in jeweils einem vorbestimmten Ausmaß drehen. Dadurch wird ein Tisch, auf dem das zweite Objekt W aufliegt, in der Z-Richtung so bewegt und/oder so geneigt, daß zwischen der ganzen Fläche des ersten Objekts M und der ganzen Fläche des zweiten Objekts W ein vorbestimmter Abstand eingestellt wird. Darauffolgend werden gemäß den ermittelten Lageinformationen über die Lage in der X-Richtung, der Y-Richtung und der R-Richtung aus der Verarbeitungseinheit 11 der Motortreiberschaltung 34 Steuersignale zugeführt, durch die die Stellmotore 241 bis 243 jeweils in einem vorbestimmten Ausmaß angetrieben werden, wodurch das erste und das%weite Objekt M und W miteinander in diesen Richtungen ausgerichtet werden.

Hierdurch wird die dreidimensionale Ausrichtung zwischen dem ersten Objekt M und dem zweiten Objekt W herbeige führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts wird gemäß der vorangehenden Beschreibung ein beträchtlich erweiter ter Meßbereich gewährleistet, während weiterhin eine schnelle Messung mit hoher Genauigkeit beibehalten wird. Ferner können nicht nur die Ermittlung der Lage und des Abstands, sondern auch die Ermittlung und Einstellung eines Zwischenraums oder Abstands erreicht werden. Darüber hinaus ist mit der erfindungsgemäßen Lagemeßein richtung eine dreidimensionale Ausrichtung zweier Objekte möglich. Daher kann das erfindungsgemäße Positionserfassungsgerät auf nutzvolle Weise bei einer Ausrichtungs- und Belichtungsvorrichtung zur Herstellung von Halbleitervor richtungen sowie bei einer Abstandseinstellvorrichtung angewendet werden.

Claims

1. Positionserfassungsgerät zum Erfassen der Position eines Objekts mit
einer Lichtquelle,
einer optischen Einrichtung zum Weiterleiten des Lichts der Lichtquelle zum Objekt und zum Fokussieren des Lichts auf der optischen Achse,
einer Sensoreinrichtung, welche das von dem Objekt reflektierte Licht empfängt und basierend darauf ein die Position des Objekts bezüglich der Brennpunktlage des Lichts in Richtung der optischen Achse angebendes Schärfe signal erzeugt, und
einer Steuer- und Verarbeitungseinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung (11; 15, 16) die Brennpunktlage des Lichts stufenweise um vorgege bene Strecken so lange versetzt, bis sie anhand der Schär fesignale der Sensoreinrichtung (10; 17, 18) feststellt, zwischen welchen benachbarten Brennpunktlagen das Objekt (9; M, W) liegt, und
daß die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung (11; 15, 16) die Objektposition aus einer dieser benachbarten Brennpunktlagen und dem zugehörigen Schärfesignal bestimmt.

2. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Laser strahlenquelle ist.

3. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (2 bis 8) eine Kollimatorlinse (2) aufweist, um den von der Lichtquelle (1) abgegebenen Lichtstrahl parallel auszu richten.

4. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (2 bis 8) Kegelspiegel (3, 4) aufweist, um den parallel ausgerichte ten Lichtstrahl in ein ringförmiges Lichtstrahlenbündel umzuwandeln.

5. Positionserfassungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die opti sche Einrichtung (2 bis 8) zur Veränderung der Brennpunkt lage des Lichts eine Brennpunktlage-Steuervorrichtung (5) aufweist.

6. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ein richtung (2 bis 8) einen Polarisationsstrahlenteiler (6) aufweist.

7. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ein richtung (2 bis 8) ein λ/4-Plättchen (7) aufweist, welches linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht und zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht umsetzt.

8. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ein richtung (2 bis 8) eine Sammellinse (8) zum Fokussieren des Lichts aufweist.

9. Positionserfassungsgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der opti schen Einrichtung (2 bis 8) so angeordnet sind, daß das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht die Elemente vor dem Auftreffen auf das Objekt (9; M, W) in der Reihenfolge Kollimatorlinse (2), Kegelspiegel (3, 4), Brennpunktlage steuervorrichtung (5), Polarisationsstrahlenteiler (6), λ/4-Plättchen (7) und Sammellinse (8) durchläuft.

10. Positionserfassungsgerät nach einem der An sprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der optischen Einrichtung (2 bis 8) so angeordnet sind, daß die vom Objekt (9; M, W) reflektierten Strahlen über die Sammellinse (8) und das λ/4-Plättchen (7) zurück in den Polarisationsstrahlenteiler (6) gelangen und von diesem zu der Sensoreinrichtung (10; 17, 18) geleitet werden.

11. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Brennpunktlage-Steuer vorrichtung (5) N Sätze von Polarisationsebenen-Drehele menten (13) zum Drehen der Polarisationsebene des einfal lenden Lichts und Doppelbrechungslinsen (14), welche einen von der Polarisationsrichtung des Lichts abhängenden Brechungsindex aufweisen, umfaßt.

12. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunktlage-Steuervorrichtung (5) ein elektrooptisches Element oder eine Flüssig kristallvorrichtung aufweist, welche die eintreffenden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von einem daran angelegten elektrischen Feld ablenken.

13. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 9 oder 10, da durch gekennzeichnet, daß die Brennpunktlage-Steuervor richtung (5) alternativ zwischen dem λ/4-Plättchen (7) und der Sammellinse (8) vorgesehen ist.

14. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 11 und 13, da durch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (8) durch eine der Doppelbrechungslinsen (14) ersetzbar ist.

15. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorein richtung (10; 17, 18) mehrere fotoelektrische Wandlerele mente (D1, D2) aufweist.

16. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Wandlerelemente (D1, D2) ringförmig ausgebildet und konzentrisch angeordnet sind.

17. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung ferner einen Differenzverstärker (18) aufweist, welcher die Aus gangssignale der fotoelektrischen Wandlerelemente (D1, D2) miteinander vergleicht und resultierend das Schärfesignal bildet.

18. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Wandlerelemente (D1, D2) derart angeordnet sind, daß deren Ausgangssignale gleich sind, wenn die Oberfläche des Objekts (9; M, W) im Brennpunkt des darauf gerichteten Lichtstrahls liegt, daß das Ausgangssignal des inneren fotoelektrischen Wandler-, elements (D1) größer ist als das Ausgangssignal des äußeren fotoelektrischen Wandlerelements (D2), wenn der Brennpunkt des auf das Objekt (9; M, W) gerichteten Lichtstrahls vor der Oberfläche des Objekts liegt, und daß das Ausgangs signal des äußeren fotoelektrischen Wandlerelements (D2) größer ist als das Ausgangssignal des inneren foto elektrischen Wandlerelements (D1), wenn der Brennpunkt des auf das Objekt (9; M, W) gerichteten Lichtstrahls hinter der Oberfläche des Objekts liegt.

19. Positionserfassungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem λ/4- Plättchen (7) und der Sammellinse (8) im Bereich der opti schen Achse ein Lichtsperrelement (19) vorgesehen ist, um bestimmte Komponenten der vom Objekt reflektierten Strahlen an dieser Stelle abzufangen.

20. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtmengen- Steuervorrichtung (27) vorgesehen ist, mittels der die der Sensoreinrichtung zugeführte Lichtmenge einstellbar ist.

21. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmengen-Steuervorrichtung (27) ein Einstellelement (30) aufweist, an dem der Lichtdurchlaß mittels eines elektrischen Signals steuerbar ist.

22. Positionserfassungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Abstands meßvorrichtung zum Bestimmen des Abstands zweier Objekte (M, W) einsetzbar ist.

23. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellvorrichtung (24 bis 26) vorgesehen ist, mittels der eine gewünschte Position der Objekte (M, W) und ein gewünschter Abstand zwischen den Objekten einstellbar ist.