DE1473011B1

DE1473011B1 - Device for determining the position of a line mark

Info

Publication number: DE1473011B1
Application number: DE19641473011
Authority: DE
Inventors: Joachim Neumann; Hans Dipl-Phys Dr Plesse
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1964-04-23
Filing date: 1964-04-23
Publication date: 1970-05-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Lage einer Strichmarke, z.B. eines Maßstabstriches, eines beleuchteten Spaltes oder eines Interferenzstreifens in bezug auf eine durch einen Spalt vorgegebene Linie. The invention relates to an apparatus for determining the Position of a line mark, e.g. a scale line, an illuminated gap or of an interference fringe with respect to a line given by a gap.

Zur Bestimmung der Lage einer Strichmarke, z. B. auf einem Längenmaßstab, sind verschiedene lichtelektrische Verfahren, wie z. B. photometrische Verfahren, bekannt. Bei diesen wird im allgemeinen eine dunkle Marke mit hellem Umfeld in einen die Bezugslinie definierenden Spalt abgebildet, der breiter, aber etwas weniger lang als die Strichmarke ist. Eine helle Marke mit dunklem Umfeld wird in eine der Spaltebene entsprechende Ebene abgebildet. To determine the location of a line mark, e.g. B. on a length scale, are various photoelectric processes, such as. B. photometric methods, known. In these, a dark mark with a light area is generally in one the gap defining the reference line is shown, the wider but slightly less long than the line mark is. A light brand with a dark environment becomes one of the Corresponding plane of the cleavage plane is shown.

Bei den bekannten photometrischen Anordnungen wird das von der Spaltebene - oder der ihr entsprechenden Ebene - ausgehende Licht z. B. durch ein Prisma in zwei Strahlengänge aufgeteilt. In the known photometric arrangements this is determined by the cleavage plane - or the level corresponding to it - outgoing light z. B. by a prism in split two beam paths.

Im Fall der dunklen Marke mit hellem Umfeld werden die beiden Strahlenbündel durch die jeweils durch den Spalt und die Strichmarke begrenzten Flächen gebildet und durch die Prismenfiächen in voneinander verschiedene Richtungen abgelenkt. Im Fall der hellen Marke mit dunklem Umfeld erfolgt die Strahlenteilung an der Prismenkante. Die Lichtströme der beiden Strahlenbündel werden miteinander verglichen; die Bezugslage der Strichmarke ist dann erreicht, wenn beide Lichtströme gleich sind. In the case of the dark mark with a bright surrounding, the two beams become formed by the areas delimited in each case by the gap and the line mark and deflected in different directions from one another by the prismatic surfaces. in the In the case of the light mark with a dark environment, the beams are split at the edge of the prism. The luminous fluxes of the two bundles of rays are compared with one another; the reference position the line mark is reached when both luminous fluxes are equal.

Bei Verschiebung der Strichmarke aus der Bezugslage heraus ändern sich die Lichtströme gegensinnig.Change when moving the line mark out of the reference position the luminous fluxes are opposite to each other.

Bei der Zweizellen-Gleichlichtmethode werden die beiden Lichtbündel auf je eine Photozelle geleitet, wobei die beiden Photozellen in Differenz geschaltet sind. Obwohl mit diesem Verfahren nur eine relativ geringe Genauigkeit erreicht werden kann, wird es wegen der hierzu erforderlichen einfachen Einrichtung auch für Meßaufgaben angewendet. With the two-cell constant light method, the two light bundles are directed to one photocell each, whereby the two photocells switched in a difference are. Although this method only achieves a relatively low level of accuracy can be, it will be because of the simple setup required for this used for measuring tasks.

Sehr große Genauigkeiten sind mit der Einzellen-Wechsellichtmethode zu erzielen, bei der die Lichtströme z. B. mittels einer rotierenden Sektorblende moduliert und dann durch optische Vorrichtungen, wie z. B. Prismen undloder Spiegel, auf einem Photoempfänger, z. B. der Kathode einer Photozelle, wieder zusammengeführt werden. Dieses Verfahren erfordert jedoch für die Teilung und Wiederzusammenführung der Strahlen einen verhältnismäßig großen Aufwand an optischen Elementen. Very high accuracies are possible with the single-cell alternating light method to achieve in which the luminous flux z. B. by means of a rotating sector shutter and then modulated by optical devices such as e.g. B. prisms and / or mirrors, on a photoreceiver, e.g. B. the cathode of a photocell, brought together again will. However, this method requires for the division and recombining the rays a relatively large amount of optical elements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Lage einer Strichmarke, z.B. eines Maßstabstriches, eines beleuchteten Spaltes oder eines Interferenzstreifens in bezug auf eine durch einen Spalt vorgegebene Linie zu schaffen, bei der mit geringem apparativem Aufwand eine große Meßgenauigkeit erreicht werden kann. The invention is based on the object of a device for determining the position of a line mark, e.g. a scale line, an illuminated gap or an interference fringe with respect to one given by a gap To create a line in which a high level of measurement accuracy with little expenditure on equipment can be reached.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, bei der diese Bestimmung mittels eines einzigen, von der von der Strichmarke oder einem Bild der Strichmarke ausgehenden Strahlung beaufschlagten photoelektrischen Empfängers erfolgt. Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen der zu bestimmenden Strichmarke und dem photoelektrischen Empfänger zwei diametral zur Bezugslinie angeordnete Spalte gleicher Abmessung vorgesehen sind, daß der Abstand der beiden in Verschiebungsrichtung einander gegenüberliegenden äußeren Spalten-Kanten größer und der Abstand der beiden entsprechenden inneren Spalten-Kanten klei- ner als die Strichmarkenbreite ist und daß im Lichtstrahl eine in Richtung der durch die Spalte gegebenen Bezugslinie schwingende Blende vorgesehen ist. The invention is based on a device in which this determination by means of a single one, from the line mark or an image of the line mark outgoing radiation acted upon photoelectric receiver takes place. The device according to the invention is characterized in that between the line mark to be determined and the photoelectric receiver two columns arranged diametrically to the reference line the same dimensions are provided that the distance between the two in the direction of displacement opposite outer column edges larger and the distance between the two corresponding inner column edges small ner than the tick mark width and that in the light beam one oscillating in the direction of the reference line given by the column Aperture is provided.

Durch die beschriebene Ausbildung der beiden Spalte ist erreicht, daß ein Spalt nur eine und der zweite Spalt nur die dieser gegenüberliegende Kante der Strichmarke erfaßt.The described formation of the two gaps is achieved that a gap only one and the second gap only the opposite edge the line mark detected.

Es ist eine Vorrichtung zur Feststellung des Durchgangs einer bewegten Strichmarke durch eine vorbestimmte Bezugslinie bekannt, bei welcher diese Bezugslinie durch zwei Spalte definiert ist, die diametral zu dieser Bezugslinie angeordnet sind. Die Spalte sind so ausgebildet, daß sie in genauer Mittelstellung zur Strichmarke jeweils genau zur Hälfte diese Marke erfassen. Zur Feststellung der Lage der bewegten Strichmarke sind zwei Photozellen vorgesehen, so daß die erzielbare Genauigkeit begrenzt ist. Bei der Messung ist der Nulldurchgang einer Steuerkurve festzustellen, was nur mit relativ großem Aufwand möglich ist. It is a device for determining the passage of a moving Line mark known by a predetermined reference line, at which this reference line is defined by two columns, which are arranged diametrically to this reference line are. The gaps are designed so that they are exactly in the middle of the line mark each capture exactly half of this mark. To determine the location of the moving Line mark two photocells are provided, so that the achievable accuracy is limited. During the measurement, the zero crossing of a control curve is to be determined, which is only possible with relatively great effort.

Demgegenüber liefert die mit nur einer Photozelle arbeitende Vorrichtung nach der Erfindung im Falle des Abgleichs, d. h. wenn die Strichmarke genau auf der Bezugslinie liegt, eine reine Gleichspannung. Nur bei einer Abweichung von dieser Stellung wird eine Wechselspannung erzeugt, deren Amplitude der Abweichung der Strichmarke proportional ist. Die Polarität der Wechselspannung hängt von der Richtung der Abweichung ab. Eine daraus resultierende Einstellung auf das Verschwinden der Wechselspannung ist sehr genau und relativ einfach durchzuführen. In contrast, the device working with only one photocell delivers according to the invention in the case of adjustment, d. H. when the line mark is exactly on the reference line is a pure DC voltage. Only if there is a deviation from this Position, an alternating voltage is generated, the amplitude of which corresponds to the deviation of the line mark is proportional. The polarity of the alternating voltage depends on the direction of the deviation away. A resulting attitude towards the disappearance of the alternating voltage is very accurate and relatively easy to perform.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich damit die Lage einer Strichmarke sehr genau bestimmen, ohne daß viele optische Elemente erforderlich sind. Durch besondere Ausbildungsformen der Spalte und gegebenenfalls der Blende und durch verschiedene Relativschwingbewegungen dieser Teile zueinander läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht verschiedenen Anforderungen anpassen. With the device according to the invention, the position of a Determine the line mark very precisely without the need for many optical elements are. Through special forms of design of the gap and, if necessary, the aperture and through various relative oscillating movements of these parts to one another easily adapt the device according to the invention to different requirements.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 7 der Zeichnungen erläutert, in denen beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht, F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig.3 eine weitere Ausführungsform für die Spalte und die Blende, F i g. 4 in Seitenansicht schematisch einen in seiner Breite justierbaren Spalt, F i g. 5 eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 2, F i g. 6 eine andere Ausführungsform der neuen Vorrichtung, Fig.7 den optischen Aufbau einer Einzellen-Wechsellichtanordnung gemäß der Erfindung. The invention is illustrated with reference to FIGS. 1 to 7 of the drawings explained, in which, for example, embodiments of the invention are shown schematically are. 1 shows an embodiment of the device according to the invention in Top view, FIG. 2 a section along the line II-II of FIG. 1, FIG. 3 a further embodiment for the column and the diaphragm, FIG. 4 in side view schematically a width adjustable gap, F i g. 5 a variant of the Embodiment according to FIG. 2, F i g. 6 another embodiment of the new device, 7 shows the optical structure of a single-cell alternating light arrangement according to the invention.

In F i g. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer dunklen Strichmarke 1 auf einem hellen Längenmaßstab 2 gezeigt, der sich in Richtung des Pfeiles A bewegt. Eine Platte 3 über der Strichmarke 1 weist zwei Spalte 3 a und 3b gleicher Abmessung auf, die diametral zu der mit 3 c bezeichneten Bezugslinie angeordnet sind und die jeweils nur eine Kante der Strichmarke 1 überdecken. Über den Spalten 3 a und 3 b ist eine in Richtung des Pfeiles B um eine Achse 4 schwingende Blende 5 angeordnet, die im dargestellten Beispiel so ausgebildet ist, daß sie in ihren Extremlagen jeweils einen Halbspalt abdeckt. Über der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung befindet sich eine Lichtquelle, unter ihr ein Photoempfänger. Auf den Photo empfänger fällt also das aus den durch die Kanten der Spalte 3 a und 3 b und die Strichmarkenkanten begrenzten Flächen austretende Licht, in den Extremlagen der Blende 5 also nur jeweils durch einen Spalt austretende Licht. In den Zwischenstellungen kommen Lichtanteile von beiden Spalten auf dem Photoempfänger, d. h., es erfolgt eine Summierung der Gleichlichtsignale. In Fig. 1 is a device for determining the location of a dark Line mark 1 shown on a light length scale 2, which extends in the direction of the Arrow A moves. A plate 3 above the line mark 1 has two columns 3 a and 3b has the same dimensions, which are diametrically opposed to the reference line denoted by 3c are arranged and each cover only one edge of the line mark 1. Above the columns 3 a and 3 b is a swinging in the direction of arrow B about an axis 4 Aperture 5 arranged, which is designed in the example shown so that she in each of its extreme positions covers a half gap. About the in F i g. 1 shown Device is a light source, below it a photoreceiver. On the Photo receiver falls out of the through the edges of the column 3 a and 3 b and the line mark edges delimited areas of light escaping in the extreme locations the aperture 5 so only in each case light exiting through a gap. In the intermediate positions light components come from both columns on the photoreceiver, i. i.e., it happens a summation of the constant light signals.

Weicht die Strichmarke 1 von der Bezugslinie 3 c ab, d. h. liegt sie nicht symmetrisch zu den Spalten 3a und 3 b, dann sind die beiden durch diese Spalte tretenden Lichtströme verschieden. Dadurch wird dem Gleichlicht ein Wechsellicht überlagert, das ein Maß für die Lichtstromdifferenz und damit für die Ablage der Strichmarke ist. Der zeitliche Verlauf der so am Photoempfänger entstehenden Wechselspannung ist entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Blendenschwingung vorzugsweise sinusförmig. If the line mark 1 deviates from the reference line 3 c, d. H. lies if they are not symmetrical to columns 3a and 3b, then the two are through this Column entering luminous fluxes differently. Thereby the constant light becomes an alternating light superimposed, which is a measure for the luminous flux difference and thus for the storage of the Line mark is. The variation in time of the alternating voltage generated on the photoreceiver is preferably sinusoidal in accordance with the timing of the diaphragm oscillation.

Bei der Abtastung von Interferenzstreifen kann es zweckmäßig sein, falls nicht auf dunkle, sondern auf helle Streifen eingestellt werden soll, eine Platte 13 nach F i g. 3 mit zwei Spalten 13 a und 13 b zu verwenden, die um mehr als eine Spaltbreite gegeneinander diametral zur Bezugslinie 13 c angeordnet sind. When scanning interference fringes, it can be useful to if you do not want to set to dark, but to light stripes, one Plate 13 according to FIG. 3 with two columns 13 a and 13 b to use that around more are arranged as a gap width against each other diametrically to the reference line 13 c.

Mit einer solchen Vorrichtung wird der Mittelteil des (hellen) Streifens ausgeblendet, so daß die den Gleichstromanteil bildende Gesamthelligkeit niedrig gehalten werden kann.With such a device, the central part of the (light) stripe becomes faded out, so that the total brightness forming the direct current component is low can be held.

Bei dunklen Strichmarken in hellem Umfeld kann die Forderung bestehen, daß bei fehlender Strichmarke von dem Photoempfänger kein oder ein ganz bestimmtes, z. B. für Schreiberbewegungen ausnutzbares Signal abgegeben wird, d. h., die beiden Lichtströme, die im Falle fehlender Strichmarke allein durch die Spalte bestimmt sind, sollen entweder gleich sein oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Es ist daher zweckmäßig, wenigstens einen der beiden Halbspalte in seiner Breite justierbar zu machen. Eine einfache Anordnung hierzu zeigt F i g. 4 im Schnitt. Der in der Blende 23 liegende Spalt 23 a ist so breit wie maximal erwünscht. Auf seiner linken Seite wird er durch eine mittels der Schraube24 in Richtung des Doppelpfeiles C verschiebbare Kante 25 abgedeckt, so daß er beliebig schmal gemacht werden kann. In the case of dark line marks in a light environment, there may be a requirement that in the absence of a line mark from the photoreceiver no or a very specific one z. B. is issued for writer movements exploitable signal, d. i.e., the two Luminous flux determined solely by the column in the case of a missing line mark should either be the same or in a certain ratio to one another stand. It is therefore advisable to have at least one of the two half-columns in his To make width adjustable. A simple arrangement for this is shown in FIG. 4 on average. The gap 23 a located in the diaphragm 23 is as wide as desired. on its left side it is by means of the screw24 in the direction of the double arrow C sliding edge 25 covered so that it can be made as narrow as desired.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entsteht durch die bei Auslenkung der Blende 5 auftretende Schräglage auch bei gleichen Lichtströmen in den Spalten 3 a und 3b ein Signal mit der Blendenfrequenz. Da dieses Signal durch eine kleine Ablage der Strichmarken kompensiert werden kann, äußert es sich als Nullagenversetzung der Strichmarken, derart, daß diese nicht exakt auf ihre Schwerlinie eingestellt werden. Bei gleichbleibender Strichmarkenbreite ist dieser Effekt ohne Bedeutung. Bei Änderung der Strichmarkenbreiten entsteht aber ein geringer Fehler, der durch eine abgewinkelte Blende beseitigt werden kann. Eine solche Blende ist in F i g. 5 gezeigt. Die durch die Abwinklung der Blende 35 entstehende Parallelverschiebung der Blende über der Spaltebene, d. h. der Ebene der Platte 3, bewirkt eine gleichmäßige Abschattung der Spalte über ihre gesamte Länge und damit eine exakte Einstellung auf die Strichmarkenschwerpunkte auch bei unterschiedlicher Strichmarkenbreite. In the device shown in Fig. 1 arises due to the deflection the diaphragm 5 occurring inclined position even with the same luminous flux in the columns 3 a and 3b a signal with the aperture frequency. Because this signal through a small Storage of the line marks can be compensated, it manifests itself as a zero position offset the line marks in such a way that they are not set exactly on their median line will. If the width of the line marks remains the same, this effect is irrelevant. When changing the width of the line marks, however, there is a slight error caused by an angled bezel can be eliminated. Such a diaphragm is shown in FIG. 5 shown. The parallel displacement resulting from the bending of the diaphragm 35 the diaphragm above the cleavage plane, d. H. the plane of the plate 3, causes a uniform Shading of the gap over its entire length and thus an exact setting on the line mark focal points even with different line mark widths.

Statt einer schwingenden Blende kann auch ein rotierender Unterbrecher benutzt werden. Falls erforderlich kann die abgewinkelte Blende auch durch eine Schwingblende ersetzt werden, die von vornherein eine Parallelbewegung ausführt. A rotating interrupter can also be used instead of a swinging diaphragm to be used. If necessary, the angled cover can also be replaced by a Swinging diaphragm are replaced, which executes a parallel movement from the start.

In Fig. 6 ist eine Vorrichtung gezeigt, die insbesondere bei schwacher Beleuchtungsstärke, bei der man darauf angewiesen ist, das vorhandene Licht optimal auszunutzen, mit Vorteil angewendet wird. In Fig. 6 a device is shown, especially when weak Illuminance at which one is dependent on the available light optimally to take advantage of is applied to advantage.

Bei dieser Anordnung sind die beiden Spalte 50a und 50 b in der in Richtung des Pfeiles B schwingenden Blende 55 gebildet, während eine Platte 53 nur die Außenkanten der Strichmarke 1 abdeckt. Die Spalte 50a und 50b schwingen bei dieser Ausführungsform praktisch in Richtung der Längsachse der Strichmarke 1. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie diejenige der Vorrichtung nach F i g. 1.In this arrangement, the two gaps 50a and 50b are in FIG Direction of arrow B swinging diaphragm 55 formed, while a plate 53 only covers the outer edges of line mark 1. The gaps 50a and 50b swing at this embodiment practically in the direction of the longitudinal axis of the line mark 1. The The mode of operation is the same as that of the device according to FIG. 1.

In F i g. 6 ist ein Beispiel für den optischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Wendel der Lichtquelle 60 wird von den optischen Gliedern 61 und 62 nach Unendlich abgebildet. Das Glied 62 bildet die Öffnung von 61 in die Meßebene 63 ab, so daß hier eine gleichmäßige Ausleuchtung erzielt wird. Die auf dem Maßstab 64 in der Meßebene 63 liegende Strichmarke 1 wird durch das Objektiv 65 in die Platte 66 abgebildet, über der sich die Blende 35 befindet. Das hinter dem Objektiv 65 liegende Wendelbild 67 wird durch die Optik 68 auf die lichtempfindliche Fläche 69 eines Photoempfängers abgebildet. Das hierbei entstehende Wendelbild 67' setzt sich aus den durch die Öffnungen der Platte 66 gebildeten zwei Teilstrahlen zusammen. Die Meßeinrichtung ist in gleicher Weise auch für eine Auflichtbeleuchtung geeignet, wenn dafür gesorgt wird, daß in der Meßebene eine gleichmäßige Ausleuchtung vorhanden ist. In Fig. 6 is an example of the optical structure of the invention Device shown. The filament of the light source 60 is from the optical members 61 and 62 mapped to infinity. The member 62 forms the opening of 61 in the Measuring plane 63 from, so that a uniform illumination is achieved here. The on The line mark 1 lying on the scale 64 in the measuring plane 63 is passed through the lens 65 mapped into the plate 66, above which the aperture 35 is located. The behind The helical image 67 lying on the objective 65 is transferred to the light-sensitive image by the optics 68 Area 69 of a photoreceiver shown. The resulting spiral pattern 67 ' is made up of the two partial beams formed by the openings in plate 66 together. The measuring device is also for incident light illumination in the same way suitable if it is ensured that there is uniform illumination in the measuring plane is available.

Im optischen Strahlengang ist eine Planglasplatte 70 angedeutet. Dies soll darauf hinweisen, daß durch optische Mittel, die von der hier beschriebenen Meßeinrichtung über Verstärker und Nachlaufmotor gesteuert werden, eine selbsttätige Einstellung auf eine Strichmarke mit Meßwertanzeige möglich ist. Hierfür sind spezielle Einrichtungen bekannt, die jedoch alle mit einer Meßeinrichtung arbeiten, mit Hilfe derer es möglich ist, eine Strichmarke mit hoher Reproduzierbarkeit auf eine Bezugslinie einzustellen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ohne große Schwierigkeiten Reproduzierbarkeiten von 100 AE erreicht. A plane glass plate 70 is indicated in the optical beam path. This is to indicate that by optical means different from that described here Measuring device controlled via amplifier and follow-up motor, an automatic one Setting to a line mark with measured value display is possible. There are special ones for this Facilities known, but all of which work with a measuring device, with the help which it is possible to place a line mark with high reproducibility on a reference line to adjust. With the device according to the invention, there are no great difficulties Reproducibilities of 100 AU achieved.

Claims

Claims: 1. Device for determining the position of a line mark, e.g. a scale line, an illuminated slit or an interference fringe with respect to a line given by a gap by means of a single line from the radiation emanating from the line mark or an image of the line mark photoelectric receiver, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that between the line mark to be determined (1) and the photoelectric receiver two diametrically to the reference line (3c) arranged column (3a, 3b) of the same dimensions is provided are that the distance between the two opposite each other in the direction of displacement outer column edges larger and the distance between the two corresponding inner column edges smaller than the line mark width and that in the light beam one in the direction of the through the column given reference line swinging diaphragm (5) is provided.

2. Device according to claim 1, characterized indicates that the Column (3a, 3b) are offset from one another by a gap width.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the column (13 a, 13 b) are offset from one another by more than a gap width.