DE4219311C2 - Verschiebungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschiebungsdetektor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verschiebungsdetektoren, die Laserlicht und eine Objektiv­ linse oder dergleichen verwenden, sind zum Messen von Ver­ schiebungen oder der Form eines auszumessenden Gegenstandes bekannt.

Diese Art von Verschiebungsdetektor konvergiert Laserlicht mit Hilfe einer Objektivlinse auf eine auszumessende Ober­ fläche, erhält ein Fokussierabweichungssignal für reflek­ tiertes Laserlicht auf Grundlage eines Astigmatismusverfah­ rens und berechnet die Verschiebung der ausgemessenen Ober­ fläche aus einem Absolutwert (z. B. Spannungswert) des Fo­ kussierabweichungssignals.

Als anderer herkömmlicher Verschiebungsdetektor ist ein sol­ cher bekannt, bei dem die Verschiebung einer auszumessenden Oberfläche unter Verwendung eines Interferometers oder elek­ trischen Mikrometers ausgemessen wird.

Beim erstgenannten herkömmlichen Verschiebungsdetektor, der die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche aus dem Abso­ lutwert des Fokussierabweichungssignals berechnet, ist die Linearität des Fokussierabweichungssignals selbst nicht zufrie­ denstellend, und demgemäß kann die Meßgenauigkeit nicht ohne Schwierigkeiten erhöht werden. Darüber hinaus ändert sich bei dieser Art von Verschiebungsdetektor die Empfindlichkeit (Spannung/Verschiebung) des Fokussierabweichungssignals ab­ hängig vom Reflexionsfaktor der ausgemessenen Oberfläche. Von diesem Gesichtspunkt her ist es unmöglich, die Meßgenau­ igkeit zu erhöhen. Darüber hinaus ist bei dieser Art von Verschiebungsdetektor der Bereich, innerhalb dem das Fokus­ sierabweichungssignal festgestellt werden kann, klein. Es besteht der Nachteil, daß der Bereich, in dem eine Verschie­ bung der ausgemessenen Oberfläche festgestellt werden kann, unvermeidbar eng ist.

Beim zweitgenannten herkömmlichen Verschiebungsdetektor, der die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche mit Hilfe eines Interferometers oder elektrischen Mikrometers be­ stimmt, ist der Meßvorgang mühselig, und das Gerät selbst ist teuer, groß und instabil oder dergleichen.

Weitere Verschiebungsdetektoren mit berührungslosem Sensor sind bekannt, die die Verschiebung oder Form eines ausgemes­ senen Gegenstandes bestimmen.

Diese Art herkömmlicher Verschiebungsdetektoren verwendet ein optisches Detektorsystem zum Erzeugen von Laserlicht und eines Fokussierabweichungssignals und eine Objektivlinse als berührungslosen Sensor, konvergiert das Laserlicht mit Hilfe der Objektivlinse auf die ausgemessene Oberfläche, erhält das Fokussierabweichungssignal aus dem reflektierten Laser­ licht auf Grundlage des Astigmatismusverfahrens und ermit­ telt dann die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche aus dem Absolutwert (z. B. Spannung) des Fokussierabweichungs­ signals.

Beim vorstehend genannten Verschiebungsdetektor zum Ermit­ teln der Verschiebung aus dem Absolutwert des Fokussierab­ weichungssignals ist jedoch die Linearität des letztgenann­ ten Signals unzureichend, wodurch die Meßgenauigkeit nicht erhöht werden kann.

Um die Genauigkeit zu verbessern, mit der eine Verschiebung festgestellt werden kann, wird vorgeschlagen, einen Servo­ vorgang an dem Verschiebedetektor vorzunehmen, um es zu er­ möglichen, daß der berührungslose Sensor ein Ausgangssignal mit konstantem Wert erzeugt. Dann kann die Verschiebung der Objektivlinse durch Ablesen einer linearen Skaleneinteilung ermittelt werden, die so ausgebildet ist, daß sie sich ge­ meinsam mit der Objektivlinse bewegt.

Der oben genannte Verschiebungsdetektor, bei dem ein Servo­ vorgang ausgeführt wird, um den Verschiebeweg einer ausge­ messenen Oberfläche festzustellen, ist nicht auf die vorste­ hend genannte Technik beschränkt, bei der das optische Meß­ system verwendet wird, sondern es kann eine Vielfalt von Techniken, wie eine Kombination eines berührungslosen kapa­ zitiven Sensors und einer linearen Skala, eine Kombination eines Rastertunnelmikroskops (STM = Scannung Tunneling Microscope) und eines Interferometers aufgezählt werden.

Beim herkömmlichen Verschiebungsdetektor, bei dem die Meßge­ nauigkeit durch die Servosteuerung erhöht werden kann, kann wegen der Servosteuerung eine Verschiebung aufgrund einer Schwingung mit relativ niedriger Frequenz, z. B. mit etwa 100 Hz, am besten erkannt werden. Um die Geschwindigkeit der Ermittlung und der Ausmessung zu erhöhen, darf der berüh­ rungslose Sensor nicht servogesteuert sein, und es muß das Ausgangssignal des Sensors gemessen werden. Dann verschlech­ tert sich jedoch die Linearität, und es erniedrigt sich auch die Meßgenauigkeit. Infolgedessen können die oben genannten Probleme nicht gelöst werden.

Ein Verschiebungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 ist z. B. aus der US 47 19 341 oder der US 46 39 588 bekannt. Dort ist ein Verschiebungsdetektor gezeigt, der einen berührungslosen Sensor zum Messen der Verschiebung einer aus zu­ messenden Oberfläche, eine Skala, die mit dem berührungslosen Sensor über eine Verbindung verbunden ist, eine Ausleseeinrich­ tung zum Ablesen der Skala, ein Stellglied zum Bewegen des be­ rührungslosen Sensors und der Skala sowie eine Servoschaltung zum Betreiben des Stellgliedes umfaßt, die die Skala und den berührungslosen Sensor gemeinsam verstellt.

Infolge der Anordnung des berührungslosen Sensors treten bei einem Verschiebungsdetektor nach diesem Stand der Technik opti­ sche Meßfehler auf, die die Genauigkeit der Messung negativ be­ einflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verschie­ bungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzu­ geben, der die Verschiebung einer ausgemessenen Oberfläche mit hoher Genauigkeit feststellen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Erfindung geht aus der folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Beschreibung näher hervor.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung eines Ver­ schiebungsdetektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 2A bis 2C sind schematische Diagramme, die zum Erläu­ tern der Funktion einer Quadrantendiode dienen, die im opti­ schen Meßsystem des Beispiels von Fig. 1 vorhanden ist;

Fig. 3 ist eine Darstellung des Kurvenverlaufs eines Fokus­ sierabweichungssignals, auf welchen Verlauf bei der Erklä­ rung der Funktion der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm entsprechend dem von Fig. 1, jedoch für eine zweite Ausführungsform;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm entsprechend dem von Fig. 1, jedoch für eine dritte Ausführungsform;

Fig. 6 ist eine Darstellung entsprechend der von Fig. 3, je­ doch zum Erläutern der Funktion des dritten Ausführungsbei­ spiels;

Fig. 7A bis 7C sind Diagramme, die zum Erläutern der Bezie­ hung zwischen dem Reflexionsvermögen einer ausgemessenen Oberfläche und dem Fokussierabweichungssignal dienen;

Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern einer Routine zum Erstellen einer Kalibriertabelle;

Fig. 9A ist ein Diagramm, das den Prozeß zum Erstellen der Kalibriertabelle bei der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9B ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Bei­ spiels einer Kalibriertabelle, wie sie bei der Erfindung verwendet wird.

Fig. 1 zeigt in Blockform die gesamte Anordnung eines Ver­ schiebungsdetektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist ein optisches System 1 mit einer Laserdiode 2 zum Feststellen einer Fokussierabweichung vorhanden. La­ serlicht L, das von der Laserdiode 2 ausgestrahlt wird, wird von einem Strahlteiler 3 reflektiert und darüber hinaus von einem Spiegel 4 reflektiert, wodurch das reflektierte Laser­ licht in eine Objektivlinse 5 mit einer Fokussierlänge f1 eintritt.

Der eintretende Laserstrahl L wird auf eine auszumessende Oberfläche 6 konvergiert, und Laserlicht, das von dieser zu­ rückstrahlt, wird auf den Spiegel 4 zurückgestrahlt, läuft durch den Strahlteiler 3 und wird dann wieder auf eine Qua­ drantendiode 7 fokussiert, die als Photodetektor vorhanden ist.

Wie in den Fig. 2A bis 2C dargestellt, weist die Quadranten­ diode 7 vier unterteilte Meßdioden auf. Wenn die auszumes­ sende Oberfläche 6 am Brennpunkt f1 der Objektivlinse 5 an­ geordnet ist, bildet das auf die Quadrantendiode 7 konver­ gierte Licht einen kreisförmigen Lichtfleck 11, wie in Fig. 2A dargestellt. Wenn die Objektivlinse 5 von der ausgemesse­ nen Oberfläche 6 weiter wegbewegt wird, als es dem Brenn­ punkt f1 entspricht, wird das konvergierte Licht als ellip­ tischer Lichtfleck 12 wiedergegeben, der in horizontaler Richtung langgestreckt ist, wie in Fig. 2B dargestellt. Wenn dagegen die Objektivlinse 5 näher an die auszumessende Ober­ fläche gerückt ist, als es dem Brennpunkt f1 entspricht, wird der konvergierte Lichtfleck als elliptischer Strahl­ fleck 12 wiedergegeben, der in Längsrichtung ausgedehnt ist, wie in Fig. 2C dargestellt.

Wenn die Ausgangssignale der unterteilten Dioden mit A, B, C bzw. D dargestellt werden, ergibt sich ein (im folgenden als Fokussierabweichungssignal bezeichnetes) Ausgangssignal E, das von der Quadrantendiode 7 ausgeht und das durch die fol­ gende Gleichung (1) wiedergegeben wird:

E = (A + C) - (B + D) (1)

Der charakteristische Verlauf des Fokussierabweichungssi­ gnals E ist in Fig. 3 dargestellt.

In der in Fig. 3 dargestellten Charakteristik repräsentiert der Ursprung O die Position bei richtiger Fokussierung. Wenn d der Abstand zwischen der Objektivlinse und der auszumes­ senden Oberfläche 6 ist, dann stimmen die Brennweite f1 und der Abstand d im Ursprung O miteinander überein.

Gemäß Fig. 1 wird das Fokussierabweichungssignal E mit der vorstehend genannten Charakteristik einer Servosteuerschal­ tung 15 zugeführt. Diese weist eine Komparatorschaltung und einen Servoverstärker, nicht dargestellt, auf, und sie ver­ sorgt ein Stellglied 16 mit einem Treibersignal S1, aufgrund dessen Wirkung das Fokussierabweichungssignal E Null werden soll. Das Stellglied 16 weist eine Schwingspule 17, einen Permanentmagneten 18 und ein stabförmiges Verbindungsteil 27 auf. Ein Endbereich der Schwingspule 17 ist an einem End­ bereich des Verbindungsteils 27 befestigt, und die Objektiv­ linse 5 ist am anderen Endbereich des Verbindungsteils 27 befestigt.

Eine lineare Skala 20 mit einer Strichunterteilung 19 ist an vorgegebener Stelle am Verbindungsteil 27 angebracht. Die Strichunterteilung 19 fällt mit einer Verlängerungslinie 22 der optischen Achse 21 der Objektivlinse 5 zusammen. Anders gesagt, ist die lineare Skala 20 in einer Linie mit der opti­ schen Achse 21 der Objektivlinse 5 angeordnet. Die lineare Skala 20 könnte eine optische Skala sein, in der Interfe­ renzringe als Strichunterteilung 19 aufgezeichnet sind. Dar­ über hinaus könnte die optische Skala durch eine magnetische Skala oder eine kapazitive Skala ersetzt werden.

Die Strichunterteilung 19 der linearen Skala 20 wird von einer Einrichtung bzw. einem Meßkopf 25 gelesen, der an einem (nicht dargestellten) Chassis oder dergleichen angebracht ist. Das Ausgangssignal vom Meßkopf 25 wird über eine Signalverarbeitungsschaltung 26 einer Anzeigeeinrichtung oder einer (nicht dargestellten) Datenregistriereinrichtung zugeführt.

Da die Servosteuerschaltung 15 die das Stellglied 16 bilden­ de Schwingspule 17 mit einem Treibersignal S1 ansteuert, das so wirkt, daß es das Fokussierabweichungssignal E aufheben soll, wird der Abstand d zwischen der fest mit der Schwing­ spule 17 und dem Verbindungsteil 27 fest verbundenen Objek­ tivlinse 5 und der ausgemessenen Oberfläche 6 so geregelt, daß sie im wesentlichen der Brennweite f1 der Objektivlinse 5 entspricht.

Wenn die ausgemessene Oberfläche 6 verschoben wird, werden die Objektivlinse und die lineare Skala 20 zusammen in der­ selben Richtung um dieselbe Entfernung verschoben, um die Brennweite f1 aufrechtzuerhalten, wodurch die Verschiebung aus der Strichunterteilung 19 auf der linearen Skala 20 mit Hilfe des Meßkopfes 25 festgestellt werden kann. Die-Signal­ prozessorschaltung 26 kann dann die Verschiebung der ausge­ messenen Oberfläche 6 auf der Grundlage des vom Meßkopf 25 aus­ gegebenen Signals berechnen. Da die berechnete Verschiebung auf einer (nicht dargestellten) Anzeigevorrichtung darge­ stellt wird oder in einem (nicht dargestellten) Datenregi­ striergerät aufgezeichnet werden kann, wird automatisches Ausmessen auf einfache Weise möglich. Da von der Signalpro­ zessorschaltung 26 eine Interpolationsverarbeitung vorgenom­ men wird, kann die Verschiebung mit hoher Auflösung gemessen werden.

Ein Abb´-Fehler tritt bei der so berechneten Verschiebung wegen der linearen Skala 20 nicht auf, die so ausgebildet ist, daß sie sich gemeinsam mit der Objektivlinse 5 bewegt und dadurch, daß sie koaxial auf der optischen Achse 21 der Objektivlinse 5 angebracht ist. Im Ergebnis entsprechen sich die Verschiebung der linearen Skala 20 und die Verschiebung der Objektivlinse 5 1 : 1, so daß die Verschiebung mit sehr hoher Genauigkeit ausgemessen werden kann.

Solange eine Verschiebung in den Meßbereich der linearen Skala 20 fällt (gesamte Skala der Strichunterteilung 19), kann ein Ausmessen erfolgen, ohne daß sich die Meßgenauig­ keit verschlechtert.

Die Regelung wird so ausgeführt, daß selbst dann, wenn sich die Empfindlichkeit des Fokussierabweichungssignals wegen ver­ änderten Reflexionsvermögens der ausgemessenen Fläche än­ dert, kein Fehler bei der Messung auftritt. Schwankungen des Servosystems und des Stellgliedes 16 und Driftvorgänge füh­ ren zu keinem Fehler, weswegen auf ein Einstellen und Kali­ brieren verzichtet werden kann. Daher kann stabil über lange Zeiträume gemessen werden.

Da beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ein Schwing­ spulenmotor ein Stellglied 16 verwendet, kann zufriedenstel­ lende Linearität beim Ausmessen der Verschiebung der ausge­ messenen Oberfläche 6 erzielt werden, da der Schwingspulen­ motor eine lineare Verstellung, bezogen auf den Strom, aus­ führt, der der Schwingspule 17 zugeführt wird. Dementspre­ chend kann die Verschiebung leicht durch Ausmessen des Stro­ mes festgestellt werden, der der Schwingspule 17 zugeführt wird. Übrigens ist das Stellglied 16 nicht auf die Verwen­ dung des Schwingspulenmotors beschränkt, sondern es kann statt dessen ein Gleichstromservomotor, ein Schrittmotor, ein piezoelektrisches Element usw. verwendet werden.

Beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird ein Astigma­ tismusverfahren zum Erhalten des Fokussierabweichungssignals E erhalten. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht be­ schränkt, sondern es kann ein Verfahren mit einem kritischen Winkel, ein Schneidkantenverfahren oder dergleichen verwen­ det werden. Bei allen Verfahren kann die Verschiebung mit hoher Genauigkeit unabhängig von einer Änderung des Refle­ xionsvermögens der ausgemessenen Oberfläche 6 erfolgen, da der Verschiebungsdetektor so geregelt wird, daß das Fokus­ sierabweichungssignal E zu Null wird.

Das optische Meßsystem 1 kann am Verbindungsteil 27 in sol­ cher Weise angebracht sein, daß es gemeinsam mit der Objek­ tivlinse 5 verstellt wird, oder es kann an einem (nicht dar­ gestellten) Chassis befestigt sein. Wenn das optische Meß­ system 1 so angeordnet ist, daß es sich gemeinsam mit der Objektivlinse 5 verstellt, kann der Meßbereich für die Ver­ schiebung auf die gesamte Skalenlänge der linearen Skala 20 ausgedehnt werden. Wenn das optische Meßsystem 1 am Chassis befestigt ist oder wenn es in abgetrennter Art ausgebildet ist, kann das Stellglied 16 vergleichsweise klein ausgebil­ det werden, und das Gewicht des Verschiebungsdetektors mit der Objektivlinse 5 oder dergleichen kann verringert werden, wodurch die Verschiebung mit höherer Geschwindigkeit ermit­ telt werden kann.

Auf der linearen Skala 20 wird ein Ursprung 31 eingezeich­ net, was den Vorteil bietet, daß die Verschiebung unter Be­ zugnahme auf den Ort des Ursprungs 31 festgestellt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung eines Verschiebungsdetektors ge­ mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 4 sind Teile, die solchen von Fig. 1 entsprechen, mit den­ selben Bezugszeichen versehen und müssen daher nicht mehr im einzelnen beschrieben werden.

Wie im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 dargestellt, ist ein Führungsteil 32 so angeordnet, daß der stabförmige Bereich 27a des Verbindungsteils 27 lose in ihm läuft. Vor­ zugsweise ist das Führungsteil 32 an der Rückseite der li­ nearen Skala 20 entlang der Erstreckungsrichtung 22 der op­ tischen Achse 21 der Objektivlinse 5 angeordnet, um die Laufgenauigkeit zu verbessern. Das Führungsteil 32 ist an einem Träger 33 zusammen mit dem Meßkopf 25 befestigt, wobei der Träger 33 am (nicht dargestellten) Chassis befestigt ist.

Wenn das Führungsteil 32 wie vorstehend beschrieben vorhan­ den ist, besteht der Vorteil, daß die Laufgenauigkeit des Verbindungsteils 27 erhöht ist und die Ablesegenauigkeit des Meßkopfs 25 relativ zur linearen Skala verbessert wird. In diesem Fall kann ein kontaktierender Führungsmechanismus, wie ein Lager oder dergleichen, als Führungsmechanismus des Führungsteils 22 verwendet werden. Wenn ein berührungsloser Führungsmechanismus verwendet wird, bei dem ein Magnet oder ein Luftkissen eingesetzt wird, ist es möglich, einen Ver­ schiebungsdetektor mit noch höherer Genauigkeit zu erhalten.

Wie vorstehend beschrieben, wird beim ersten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung die Änderung des Abstandes zwischen der Objektivlinse und der ausgemessenen Oberfläche gestützt auf die Brennweite mit Hilfe des optischen Meßsystems auf Grund­ lage des von der ausgemessenen Oberfläche reflektierten Lichts bestimmt. Eine Objektivlinse wird in Richtung der op­ tischen Achse auf Grundlage des Ausgangssignals vom opti­ schen Meßsystem von einem Stellglied in solcher Weise be­ wegt, daß die Entfernung zwischen der Objektivlinse und der ausgemessenen Oberfläche möglichst mit der Brennweite über­ einstimmt. Die koaxial mit der optischen Achse der Objektiv­ linse ausgerichtete lineare Skala ist fest mit dem Stell­ glied verbunden. Demgemäß wird die lineare Skala gemäß der Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche verstellt, wodurch die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche als Verschie­ bung der linearen Skala ausgemessen werden kann, was mit ho­ her Genauigkeit möglich ist.

Gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Verschiebedetektors kann der Meßbereich er­ weitert werden, da das optische Meßsystem gemeinsam mit der Objektivlinse verstellt wird.

Wenn ein Ursprung auf der linearen Skala eingezeichnet ist, kann darüber hinaus beim erfindungsgemäßen Verschiebungsde­ tektor die Verschiebung unter Bezugnahme auf diesen Ursprung gemessen werden.

Es wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Verschiebungsdetektors beschrieben.

Fig. 5 zeigt dieses dritte Ausführungsbeispiel. Hierbei sind Teile, die solchen der Fig. 1 und 4 entsprechen, mit densel­ ben Bezugszeichen versehen, und sie werden nicht mehr im einzelnen erläutert.

Gemäß Fig. 5 weist ein optisches Meßsystem 1 für eine Fokus­ sierabweichung eine Laserdiode 2 auf. Das von der Laserdiode 2 ausgestrahlte Laserlicht L wird auf den Strahlteiler 3 re­ flektiert und weiter auf einen Spiegel 4 reflektiert, wo­ durch das reflektierte Laserlicht L in eine Objektivlinse mit der Brennweite f1 eintritt.

In Fig. 5 bilden das optische Meßsystem 1 und die Objektiv­ linse 5 einen berührungslosen Sensor 8. Übrigens ist der be­ rührungslose Sensor 8 nicht auf die Kombination des opti­ schen Meßsystems 1 und der Objektivlinse 5 beschränkt, son­ dern es kann sich um einen kapazitiven Sensor, ein STM oder dergleichen handeln.

Das auf die Objektivlinse 5 fallende Laserlicht L wird durch diese auf die auszumessende Oberfläche 6 konvergiert. Das von der auszumessenden Oberfläche 6 reflektierte Licht wird durch den Spiegel 4 reflektiert, läuft durch den Strahltei­ ler 3 und wird dann auf die als Photodetektor wirkende Qua­ drantendiode 7 konvergiert.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wird das Fokussierabweichungs­ signal E einer Steuereinheit 30 sowie einem beweglichen Kon­ takt 32a und einem feststehenden Kontakt 32b eines Schalters 32 einer Vergleichsschaltung zugeführt, die die Servosteuer­ schaltung 15 bildet. Der Schalter 32 ist ein solcher mit einer Schaltung und zwei Kontakten, mit einem nichtange­ schlossenen Kontakt 32c. Dem beweglichen Kontakt 32a des Schalter 32 wird ein Ein/Aus-Steuersignal S3 von einer Steu­ erschaltung 30 zugeführt. Auf Grundlage des Pegels des Steu­ ersignals S3 wird der bewegliche Kontakt 32 entweder mit dem feststehenden Kontakt 32b oder dem nichtangeschlossenen feststehenden Kontakt 32c verbunden.

Die Servosteuerschaltung 15 verfügt über die Vergleichs­ schaltung und einen (nicht dargestellten) Servoverstärker, wie vorstehend beschrieben. Dem Servoverstärker wird ein Signal S2 von der Steuerschaltung 30 zugeführt.

Wenn der Schalter 32 so geschaltet ist, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, und das Signal S2 dem Servovorverstärker nicht zugeführt wird, d. h., in dem Zustand, daß nur das Fokussierabweichungssignal E der Eingangsseite der Servo­ steuerschaltung 15 zugeführt wird, gibt diese das Treiber­ signal S1 an das Stellglied 16, bei dem es sich um das Stromsignal zum Aufheben des Fokussierabweichungssignals E handelt. Das Stellglied 16 weist die Schwingspule 17, den Permanentmagneten 18 und das stabförmige Verbindungsteil 27 auf. Ein Endbereich der Schwingspule 17 ist mit einem End­ bereich des Verbindungsteils 27 verbunden, und die Objektiv­ linse 5 ist am anderen Endbereich des Verbindungsteils 27 befestigt.

Am Verbindungsteil 27 ist an vorgegebenem Ort eine lineare Skala 20 mit einer Strichunterteilung 19 befestigt. Die Strichunterteilung 19 der linearen Skala 20 ist entlang der Verlängerungslinie 22 der optischen Achse 21 der Objektiv­ linse 5 angeordnet. Anders gesagt ist die lineare Skala 20 in einer Linie mit der optischen Achse 21 der Objektivlinse 5 angebracht. Die lineare Skala 20 kann eine optische Skala (Hologrammskala), bei der z. B. Lichtinterferenzstreifen als Strichunterteilung 19 aufgezeichnet sind, sein. Die optische Skala kann jedoch durch eine magnetische oder kapazitive Skala ersetzt sein. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn ein Ursprung 31 in im wesentlichen der Mitte der Strichun­ terteilung 19 der linearen Skala 20 angebracht ist.

Die Strichunterteilung 19 der linearen Skala 20 wird von dem an einem (nicht dargestellten) Chassis oder dergleichen be­ festigten Meßkopf 25 abgelesen. Der Meßkopf 25 kann in Rich­ tung der Verlängerungslinie 22 der optischen Achse 21 nach oben und unten bewegt werden, d. h. in den durch Pfeile P und Q dargestellten Richtungen, bezogen auf das Chassis oder dergleichen, an einer Position, in der der Meßkopf 25 bewegt wird. Das Ausgangssignal vom Meßkopf 25 wird über die Si­ gnalprozessorschaltung 26 der Steuerschaltung 30 als Strich­ unterteilungs-Auslesesignal X zugeführt. Der Meßkopf 25 und die Signalprozessorschaltung 26 bilden eine Strichuntertei­ lungs-Ausleseeinrichtung 28.

Die Steuerschaltung 30 ist ein Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM (in Fig. 5 als Speicher 35 eingezeich­ net), einem A/D-Konverter, einem D/A-Konverter, der als E/A- Schnittstelle arbeitet, und dergleichen. Der Speicher 35 enthält eine Kalibriertabelle 35A. Ein Verfahren zum Erstel­ len der Kalibriertabelle 35A wird später im einzelnen be­ schrieben. Wenn das Speicherauslesesignal X der Steuerschal­ tung 30 zugeführt wird, wenn der Servovorgang abgeschaltet wird, d. h. wenn der bewegliche Kontakt 32A des Schalters 32 auf den nichtangeschlossenen feststehenden Kontakt 32c ge­ schaltet wird, gibt die Steuerschaltung 30 ein Kalibrier- Ausgangssignal (im folgenden als Kalibrierdaten bezeichnet) Y aus, das dem Speicherauslesesignal X, bezogen auf die Ka­ libriertabelle 35a, entspricht. Die Kalibrierdaten Y werden einer (nicht dargestellten) Anzeigeeinrichtung über einen Ausgangsanschluß 36 zugeführt. Übrigens erzeugt die Steuer­ schaltung 30 aus dem Speicherauslesesignal X ein Signal, das so umgewandelt ist, daß es für die Anzeigevorrichtung geeig­ net ist.

Ein lichtemittierendes Element 37, wie eine LED oder der­ gleichen, ist mit der Steuerschaltung 31 als Servoeinfangs­ positions-Ermittlungslampe verbunden, was später ausführli­ cher beschrieben wird.

Das vorstehend beschriebene optische Meßsystem 1 kann mit dem Verbindungsteil 27 so verbunden sein, daß es sich zusam­ men mit der Objektivlinse 5 bewegt, oder es kann am (nicht dargestellten) Chassis befestigt sein.

Der Betrieb des Verschiebungsdetektors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird für die folgenden zwei Fälle be­ schrieben.

Der erste Fall geht dahin, daß eine Verschiebung festge­ stellt wird, während ein Servovorgang abläuft, während der zweite Fall der folgende ist: vorab wird eine Kalibrierta­ belle erstellt, und dann, wenn die Verschiebung ausgemessen wird, findet kein Servovorgang statt, sondern die Verschie­ bung wird unter Bezugnahme auf die Kalibriertabelle ausge­ messen. Von diesem Standpunkt aus gesehen, ist der erste Fall diejenige Technik, die ein Verfahren nutzt, wie es un­ ter Bezugnahme auf das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel beschrieben wurde.

Der erste Fall (d. h. die Verschiebung wird dann gemessen, wenn der Servovorgang ausgeführt wird) wird zunächst be­ schrieben.

Wenn gemäß Fig. 5 der bewegliche Kontakt 32a im Schalter 32 auf den feststehenden Kontakt 32b geschaltet ist, d. h. wenn Servoeinfangsbetrieb herrscht, versorgt die Servosteuerungs­ schaltung 15 die Schwingspule 17 des Stellgliedes 16 mit dem Steuersignal S1, um das Fokussierabweichungssignal E auf zu­ heben. Es erfolgt demgemäß Rückkopplung in solcher Weise, daß die Entfernung d zwischen der fest mit dem Verbindungs­ teil 27 mit der linearen Skala 20 verbundenen Objektivlinse 5 und der Schwingspule 17 und der ausgemessenen Oberfläche 6 im wesentlichen mit der Brennweite f1 der Objektivlinse 5 übereinstimmt.

Wenn dann die ausgemessene Oberfläche 6 verschoben wird, werden die Objektivlinse 5 und die lineare Skala in dersel­ ben Richtung und um dieselbe Strecke verschoben wie die aus­ gemessene Oberfläche 6, um den Abstand auf dem Wert der Brennweite f1 zu halten, wodurch die Verschiebung mit Hilfe der Strichunterteilung 19 der linearen Skala 20 durch den Meßkopf 25 festgestellt werden kann. Dann kann die Prozes­ sorschaltung 26 auf Grundlage des Ausgangssignals vom Meß­ kopf 25 die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche 6 be­ rechnen. Das Strichunterteilungs-Auslesesignal X, das der berechneten Verschiebung entspricht, wird über die Steuer­ schaltung 30 an den Ausgangsanschluß 36 gegeben und dann auf der (nicht dargestellten) Anzeigevorrichtung dargestellt.

Wenn die Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche 6 bei ak­ tiviertem Servobetrieb ausgeführt wird, tritt kein Abb´-Feh­ ler auf, da die lineare Skala 20, die sich zusammen mit der Objektivlinse 5 bewegen kann, koaxial, d. h. in einer Linie mit der optischen Achse 21 der Objektivlinse 5, angeordnet ist. Da aus diesem Grund die Verschiebung der linearen Skala 20 mit der Verschiebung der Objektivlinse 5 in 1 : 1-Beziehung übereinstimmt, wird es möglich, die Verschiebung mit hoher Genauigkeit zu messen. Jedoch wird die Verschiebung der li­ nearen Skala 20 dann klein gegenüber der Verschiebung der ausgemessenen Oberfläche 6, was also zu einem großen Meßfeh­ ler führt, wenn die Schwingungsfrequenz der ausgemessenen Oberfläche 6 in einen Bereich höherfrequenter Schwingungen, oberhalb von etwa Gleichspannung bis 100 Hz fällt, was durch die Frequenzcharakteristik des Servosystems bedingt ist.

Es ist zu beachten, daß beim ersten Fall die Verschiebung durch Ablesen der Strichunterteilung 19 auf der linearen Skala 20 bei aktiviertem Servoablauf selbst dann mit hoher Genauigkeit abgelesen werden kann, wenn das Fokussierabwei­ chungssignal E, bei dem es sich um das Ausgangssignal des den berührungslosen Sensor 8 bildenden optischen Meßsystems 1 handelt, nur schlechte Linearität aufweist. Bei prakti­ schem Betrieb kann die lineare Skala 20 eine Meßgenauigkeit von einigen Nanometern bis zu 100 Nanometern liefern. Diese hochgenaue Messung kann von der Erfindung wirkungsvoll genutzt werden, wie es nachstehend beschrieben wird. Übrigens beträgt der Meßbereich für die Verschiebung, wenn der Servovorgang aktiviert ist, bis zu etwa 10 mm.

Nachfolgend wird der zweite Fall beschrieben, bei dem vorab eine Kalibriertabelle erstellt wird und dann, wenn die Ver­ schiebung gemessen wird, diese unter Bezugnahme auf die Ka­ libriertabelle bestimmt wird, während der Servobetrieb nicht aktiviert ist.

Wenn beim zweiten Fall der Schalter 32 offen ist, d. h. wenn der bewegliche Kontakt 32a mit dem nichtangeschlossenen feststehenden Kontakt 32c im Schalter 32 verbunden ist, fin­ det kein Servobetrieb statt, und es sind die folgenden Punk­ te zu beachten.

Wenn die ausgemessene Oberfläche 6 in der durch die Pfeile P und Q angezeigten Richtung sinusförmig schwingt (verschoben wird), wie in Fig. 7A dargestellt, in der die Ordinate die Verschiebung und die Abszisse die Zeit t zeigt, wird der Spitzenwert des Fokussierabweichungssignals E abgeschnitten, wenn die zu messende Oberfläche 6 ein relativ großes Refle­ xionsvermögen aufweist, wodurch ein Signalverlauf entsteht, wie er in Fig. 7B dargestellt ist. Wenn andererseits das Re­ flexionsvermögen der auszumessenden Oberfläche 6 relativ klein ist, ergibt sich eine kleine Amplitude des Fokussier­ abweichungssignals E, wie in Fig. 7C dargestellt. In beiden Fällen zeigt der Signalverlauf der Fokussierabweichung schlechte Linearität auf, da kein Servobetrieb ausgeführt wird.

Um diese Schwierigkeit zu meistern, wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kalibriertabelle 35A erstellt. Diese Kalibriertabelle 35A dient dazu, schlechte Linearität des Fokussierabweichungssignals E in bezug auf einen auszumessenden Gegenstand zu kalibrieren, d. h. in bezug auf das Reflexionsvermögen der ausgemessenen Oberflä­ che 6, nachdem der auszumessende Gegenstand festgelegt wur­ de.

Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, auf das Bezug genommen wird, um eine Routine zum Erstellen der Kalibriertabelle 35A zu er­ läutern.

Wenn die Kalibriertabelle 35A erstellt wird, wird der Ver­ schiebungsdetektor so eingestellt, daß Servobetrieb ausge­ führt wird, d. h. der Schalter 32 befindet sich in der in Fig. 5 dargestellten Stellung.

Gemäß Fig. 8 werden nach dem Start des Ablaufs Daten, die in einem als Kalibriertabelle 35A wirkenden Speicherbereich im Speicher 35 abgelegt sind, in einem Schritt S101 gelöscht.

Anschließend wird dem (nicht dargestellten) Servoverstärker in der Servosteuerschaltung 15 das vorgegebene Ausgangssi­ gnal 52 von der Steuerschaltung 30 zugeführt, wodurch die Schwingspule 17, d. h. die am Verbindungsteil 27 oder der­ gleichen befestigte lineare Skala 20 zur Endposition in Richtung des Pfeiles P bewegt wird (die lineare Skala 20 wird zur obersten Position, d. h. meisteingezogenen Position bewegt), was in einem Schritt S102 erfolgt. Übrigens wird die fest mit dem Verbindungsteil 27 verbundene lineare Skala 20 proportional zum Pegel des Ausgangssignals S2 in Richtung der Pfeile P oder Q bewegt, da der als Stellglied 16 verwen­ dete Schwingspulenmotor eine lineare Bewegung abhängig vom Strom ausführt, der der Schwingspule 17 zugeführt wird.

Im nächsten Schritt S103 wird ein Signal S2 an die Servo­ steuerschaltung 15 gelegt, das die lineare Skala 20 so an­ treibt, daß sie sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit nach unten bewegt.

Das mit der Steuerschaltung 30 verbundene lichtemittierende Element 37 wird in der ganz eingezogenen Servoposition akti­ viert. Genauer gesagt, kann der Benutzer den Punkt O für die ganz eingezogene Servoposition visuell bestätigen, wenn das lichtemittierende Element 37 nur an einer Position mit ge­ nauer Fokussierung aktiviert wird (der Position am Ursprung O, der im folgenden als "Servoeinfangspunkt O") des Servo­ einfangbereichs W (siehe Fig. 6) bezeichnet wird. Übrigens wird, um das lichtemittierende Element 37 am Servoeinfangs­ punkt O zu aktivieren, die Änderung der Steigung des Fokus­ sierabweichungssignals E von der Steuerschaltung 30 ermit­ telt, um den servoeinfangsbereich W zu spezifizieren, und das lichtemittierende Element 37 wird an einem Punkt akti­ viert, bei dem das Fokussierabweichungssignal E innerhalb des Servoeinfangsbereichs W aufgehoben wird. Bei tatsächli­ chem Betrieb weist der vorstehend genannte Punkt ein kleines spiel auf.

Wenn festgestellt ist, daß die Position der Objektivlinse 5 in den Servoeinfangsbereich W eintritt, wird in einem Schritt S104 der Wert des Signals S2, wie es von der Steuer­ schaltung 30 ausgegeben wird, zu Null gemacht.

In einem anschließenden Schritt S105 wird unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Tastatur oder dergleichen ein Meßbereich D in die Steuerschaltung 30 eingegeben, der den Verschiebungsbereich für die ausgemessene Oberfläche 6 an­ gibt. Ebenso wird die Meßauflösung R eingegeben. Z. B. wird der Meßbereich D mit D = ± 1 µm und die Auflösung mit R = 0,02 µm angegeben. Aus dem Meßbereich D und der Auflösung R folgt, daß die Anzahl N von Daten innerhalb des Meßbereichs D 100 ist (N = 100).

In einem nächsten Schritt S106 wird der Meßkopf 25 in Rich­ tung des Pfeiles P oder Q bewegt und dann am Ort des Ur­ sprungs 31 der linearen Skala 20 festgehalten. Der Ort des Ursprungs 31 kann mit Hilfe des Strichunterteilungs-Meßsi­ gnals X festgelegt werden.

Durch Bewegen des Meßkopfes 25 ausgehend vom Ursprung 31 nach oben und unten kann hierbei auf Grundlage des Strich­ unterteilungs-Auslesesignales X festgestellt werden, ob die auszumessende Oberfläche 6 innerhalb des Bereichs liegt, der durch den oben genannten Meßbereich D abgedeckt ist, was in einem Schritt S107 erfolgt. Wenn die auszumessende Oberflä­ che 6 außerhalb des Bereichs liegt, der durch den Meßbereich D festgelegt ist, muß die auszumessende Oberfläche 6 oder die Gesamtheit des Verschiebungsdetektors von Fig. 5 in den in den Meßbereich D fallenden Bereich verschoben werden. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Meß­ bereich von etwa ± 20 µm überdeckt werden.

Bei einem nachfolgenden Schritt S108 wird der bewegliche Kontakt 32a im Schalter 32 vom feststehenden Kontakt 32b auf den nichtangeschlossenen feststehenden Kontakt 32c ver­ stellt, was durch das Steuersignal S3 erfolgt, wodurch der Servobetrieb aufgehoben wird. Die Servosteuerschaltung 15 wird dabei mit dem Steuersignal S2 versorgt, was bewirkt, daß das Strichunterteilungs-Auslesesignal X, wie es vom Meß­ kopf 25 ausgelesen wird, einen Wert annimmt, der für die Po­ sition des Ursprungs 31 der linearen Skala 20 repräsentativ ist.

Anschließend wird das Steuersignal S2 ausgehend von diesem Zustand so geändert, daß die Objektivlinse 5 schrittweise unter Einhalten der Auflösung R = 0,02 µm innerhalb des Meß­ bereichs D = ± 1 µm verstellt wird (in diesem Fall kann die schrittweise Bewegung von 0,02 µm genau durch Ablesen des Strichunterteilungs-Auslesesignals X eingestellt werden). Der Wert des Fokussierabweichungssignals E wird A/D-gewan­ delt, um einen digitalen Datenwert zu erzeugen (digitale Da­ ten, wie sie sich ergeben, wenn Spannungen zwischen -50 V und +50 V A/D-gewandelt werden, wie in Fig. 9A darge­ stellt). Weiterhin wird das Strichunterteilungs-Auslesesi­ gnal X (dieses Strichunterteilungs-Auslesesignal X wird als "Kalibrierdatenwert" Y bezeichnet), wie es durch die digita­ len Daten (Spannung des Fokussierabweichungssignals E) aus­ gegeben wird, auf die vorstehend genannten digitalen Daten hin in der Steuerschaltung 30 gespeichert, wodurch die Kali­ briertabelle 35A erstellt wird.

Demgemäß ist die Kalibriertabelle 35A eine Tabelle, in der die Kalibrierdaten Y aufgetragen sind, die für die Verschie­ bung (µm) repräsentativ sind, die durch die lineare Skala 20 mit relativ hoher Genauigkeit in bezug auf die Spannungen ± V1 bis V50 des Fokussierabweichungssignals E kalibriert sind, wie in Fig. 9B dargestellt.

Wenn die Verschiebung in der Praxis gemessen wird, wird der Servobetrieb gesperrt, d. h. der bewegliche Kontakt 32a des Schalters 32 wird mit dem nichtangeschlossenen feststehenden Kontakt 32c verbunden, und das Verbindungsteil 27 wird mit dem (nicht dargestellten) Chassis zu einem Zeitpunkt verbun­ den, bei dem der Wert des Fokussierabweichungssignals E auf 0 Volt steht. In diesem Fall steht auch die Objektivlinse 5 fest.

Beim vorstehend genannten Zustand wird eine Spannungsände­ rung des Fokussierabweichungssignals E, wie sie durch eine Schwingung der auszumessenden Oberfläche 6 erzeugt wird, durch die Steuerschaltung 30 in Echtzeit in einen digitalen Datenwert umgewandelt. Dann wird mit Hilfe der so erzeugten digitalen Daten in der Kalibriertabelle 35A nachgeschlagen (siehe Fig. 9B), wodurch die mit Hilfe der linearen Skala 20 mit hoher Genauigkeit kalibrierte Verschiebung in Echtzeit ermittelt werden kann. Übrigens kann die Zeitspanne, in der die Spannungsänderung des Fokussierabweichungssignals E von analog in digital gewandelt wird und die Kalibriertabelle 35A nachgeschlagen wird, etwa 100 µs betragen. Demgemäß kann bei diesem Ausführungsbeispiel selbst dann, wenn die Schwin­ gungsfrequenz der ausgemessenen Oberfläche 6 in einen Be­ reich zu etwa 10 kHz fällt, die Verschiebung der ausgemesse­ nen Oberfläche 6 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Demgemäß kann mit dem Verschiebungsdetektor des dritten Aus­ führungsbeispiels, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, die Verschiebung mit nm-Genauigkeit (= 0,005 µm) ausgemessen werden, vorausgesetzt, daß Servoeinstellung ausgeführt wird und die Verschiebung ± 5 mm ist und die feststellbare Fre­ quenz 100 Hz ist. Wenn der Servobetrieb nicht ausgeführt wird und die Verschiebung ± 10 µm beträgt, kann bis zu einer Frequenz von 10 kHz gemessen werden.

Claims (6)

1. Verschiebungsdetektor mit:

• - einem Chassis;
• - einem berührungslosen Sensor (1, 5) zum Erfassen des Abstandes zwischen dem Sensor und einer auszumessenden Oberfläche (6);
• - einer linearen Skala (20), die fest mit dem berührungslosen Sensor über ein Verbindungsteil (27) verbunden ist;
• - einer am Chassis befestigten Einrichtung (25) zum Auslesen der Strichunterteilung der linearen Skala;
• - einem Stellglied (16) zum Bewegen des berührungslosen Sensors und der linearen Skala, wodurch die lineare Skala und der berührungslose Sensor gemeinsam relativ zum Chassis verstellt werden; und
• - einer Servosteuerschaltung (15, 30) zum Betreiben des Stell­ gliedes;

dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslose Sensor auf der Verlängerungslinie der Längsachse der linearen Skala angeordnet ist.

2. Verschiebungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslose Sensor aus einer Objektivlinse (5) zum Konvergieren von Laserlicht auf die auszumessende Oberfläche (6) und einem optischen Meßsystem (1) zum Ausmessen der Än­ derung im Abstand zwischen der Objektivlinse und der ausgemesse­ nen Oberfläche auf Grundlage des von der ausgemessenen Oberfläche reflektierten Lichts besteht.

3. Verschiebungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (16) die Objektivlinse (5) in Richtung der op­ tischen Achse auf Grundlage eines Ausgangssignals vom optischen Meßsystem (1) in solcher Weise verstellt, daß die Entfernung zwi­ schen der Objektivlinse und der ausgemessenen Oberfläche (6) mit der Brennweite der Objektivlinse übereinstimmt.

4. Verschiebungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der linearen Skala (20) ein Ur­ sprung (31) eingezeichnet ist.

5. Verschiebungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge­ kennzeichnet durch eine Steuerschaltung (15, 30), der die Aus­ gangssignale vom berührungslosen Sensor (1, 5) und der Einrich­ tung (25) zum Auslesen der Strichunterteilung zugeführt werden, und die Steuerschaltung eine Kalibriertabelle (35A) enthält, in der Werte eingetragen sind, gemäß denen das Ausgangssignal vom berührungslosen Sensor in bezug auf das Ausgangssignal von der Einrichtung (25) zum Auslesen der Strichunterteilung kalibriert ist.