DE2422866A1

DE2422866A1 - Photoelektrische detektor-einrichtung

Info

Publication number: DE2422866A1
Application number: DE2422866A
Authority: DE
Inventors: Shinya Sasayama
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1973-05-10
Filing date: 1974-05-10
Publication date: 1974-11-28
Also published as: US3912372A; GB1465791A; JPS503362A; JPS5525602B2; DE2422866C3; DE2422866B2

Description

Photoelektrische Detektor-Einrichtung Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Detektor zur Bestimmung, ob ein mit einer linearen Markierung geformter Körper innerhalb eines bestimmten Bereiches angeordnet ist oder nicht.
Es ist bekannt, photoelektrische Mikroskope zur Bestimmung der Lage oder Stellung eines stationären Körpers.zu verwenden. Wie nachstehend näher beschrieben wird, besteht bei den bekannten photoelektrischen Mikroskopen der Nachteil, daß, wenn sie für den erwähnten Zweck verwendet werden, ein genauer Nachweis bzw. eine genaue Bestimmung der Lage einer Markierung oder eines Körpers nicht möglich ist, wenn die Versetzung nahe bei Null liegt, da'die Versetzung-Ausgang-Kennlinie unter dem Einfluß von Faktoren, wie Breite der Markierung, Abtastamplitude, Beleuchtungshelligkeit usw. veranderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines photoelektrischen Detektors, mit dem bestimmt werden kann, ob die Lage eines Körpers innerhalb eines gewissen Sollbereiches ist oder nicht.
Bei einer Ausführungform des erfindungsgemäßen photoelektrischen Detektors zur Bestimmung, ob ein mit einer linearen Markierung geformter Körper innerhalb eines bestimmten Sollberiches liegt oder nicht, besitzt ein abbildendes optisches System zur Bildung einer Abbildung der linearen Markierung, Eine mit einem Schlitz geformte Platte ist benachbart der Ebene angeordnet, in welcher die Abbildung der linearen Markierung durch das optische System geformt wird, Der Schlitz istso angeordnet, daß er dem einen Ende des eingestellten Bereiches entspricht und ist zur linearen Markierung parallel. Eine zweite Platte mit einem Schlitz ist benachbart der erwähnten Ebene angeordnet. Der zweite Schlitz ist so angeordnet, daß er dem anderen Ende des eingestellten Bereiches- entspricht und ist zu der linearen Markierung parallel. Ein erster photoelektrischer Wandler dient zur Umwandlung in ein elektrisches Signal eines Lichtsignals, das durch den Schlitz in der ersten Platte hindurchgetreten ist, und ein zweiter photoelektrischer Wandler dient zur Umwandlung in ein elektrisches Signal eines Lichtsignals, das durch den Schlitz in der zweiten Platte hindurchgetreten ist. Ein Oszillator dient dazu, daß die abbildenden Lichtstrahlen, die durch das optische System und die erste sowie die zweite Schlitzplatte hindurchtreten, mit Bezug aufeinander mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt werden, um die Abbildung der linearen Markierung innerhalb eines Bereiches abzutasten, der zumindest die Schlitzteile der ersten und der zweiten Platte enthält. Eine Verarbeitungsschaltung dient dazu, die Differenz zwischen den Ausgangssignalen aus dem ersten und dem zweiten photoelektrischen Wandler zu benutzen und aus der Differenz eine Frequenzkomponente abzuleiten, die gleich der Schwingungsfrequenz des Oszillators ist, wodurch entweder ein positives oder ein negatives Signal erhalten wird, wenn die Abbildung der linearen Markierung innerhalb des eingestellten Bereiches liegt, und entweder ein negatives oder ein positives Signal zu erhalten, wenn die Abbildung ausserhalb des eingestellten bzw. Sollbereiches liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine einzige Schlitzplatte anstelle von zwei Schlitzplatten verwendet werden. Die einzige Schlitzplatte ist mit einem Schlitz versehen, der an einer Stelle derselben geformt ist, welche dem einen Ende des eingestellten bzw. Sollbereiches entspricht, und parallel zu der linearen Markierung ist und einen linearen lichtundurchlässigen Teil aufweist, der an einer Stelle derselben geformt ist, die dem anderen Ende des Sollbereiches entspricht und zu der linearen Markierung parallel ist. Die übrige Schlitzplatte ist durchscheinend. In diesem Falle werden das abbildende Licht, das durch das optische System und das durch die einzige Schlitzplatte hindurchtritt, mit Bezug aufeinander mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt, so daß die Abbildung der linearen Markierung innerhalb eines Bereiches abgetastet wird, der zumindest den Schlitz und den linearen lichtundurchlässigen Teil der Schlitzplatte enthält, Ferner kann ein einziger photoelektrischer Wandler anstelle der beiden photoelektrischen Wandler verwendet werden. Eine Synchrongleichrichterschaltung dient dazu, aus dem Ausgangssignal des einzigen photoelektrischen Wandlers eine Frequenzkomponente abzuleiten, die gleich der Schwingungsfrequenz des Oszillators ist, wodurch entweder ein positives oder ein negatives Signal und entweder ein negatives oder ein positives Signal in der gleichen Weise wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben erhalten wird.
Im Vorangehenden wurden ziemlich allgemein einige Hauptmerkmale der Erfindung beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, da sie innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren kann.
Zur Erläuterung der Erfindung wurden bestimmte Ausführungsformen gewählt, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und zwar zeigen: Fig, 1 eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Mikroskops an sich bekannter Art; Fig, 2 eine graphische Darstellung, welche die Versetzung-Ausgang-Kennlinie des in Fig. 1 dargestellten photoelektrischen Mikroskops zeigt; Fig, 3 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig, 4(a) und 4 (b) graphische Darstellungen, welche die Versetzung-Ausgang-Kennlinie der erfindungs gemäßen Ausführungsform zeigen; Fig, 5 eine schaubildliche Ansicht, die eine besondere Form der Abtasteinrichtung zeigt; Fig. 6 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 eine Ansicht der bei der zweiten Ausführungsform verwendeten Schlitzplatte im Schnitt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik ist eln anzuzeigen der Körper 1 mit einer linearen Markierung 2 geformt, dessen Abbildung auf einen Schlitz 4 durch eine Objektivlinse 3 fokussiert werden kann, und das Bildträgerlicht wird von einem photoelektrischen Wandler 5 empfangen, der hinter dem Schlitz 4 angeordnet ist. Vor dem Schlitz 4 ist eine Abtasteinrichtung 6 angeordnet, die durch einen Oszillator 7 gesteuert wird. Die Abtasteinrichtung 6 kann sinusförmig in Schwingungen versetzt werden und die Abbildung der Markierung 2 senkrecht zum Schlitz 4 oder senkrecht zum Lichtstrahl abtasten. Die Äbtasteinrichtung 6 kann dadurch gebildet werden, daß ein Wechselfeld dazu verwendet wird, eine Glasplatte um ihre eigene Achse in Drehung und Schwingungen zu versetzen.
Der Ausgang des photoelektrischen Wandlers 5 ist daher ein Signal, das mit einer Frequenz moduliert ist, die gleich der Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung 6 ist.
Dieses Ausgangssignal kann durch einen Vorverstärker 8 verstärkt und dann durch eine Synchrongleichrichter-Schaltung 9 mit einer Frequenz gleichgerichtet werden, die gleich der Abtastfrequenz ist. Mit anderen Worten, der Synchrongleichrichter übernimmt eine Frequenzkomponente, die gleich der Abtastfrequenz aus dem Ausgangssignal vom Vorverstärker 8 ist.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Lage (Versetzung) der Abbildung der Markierung zum Schwingungsmittelpunkt für dieSchlitzabtastung und den Ausgang der Synchrongleichrichterschaltung. In Fig. 2 stellt die Abszisse die Versetzung die Ordinate den Ausgang der Synchrongleichrichterschaltung dar. Wenn die Versetzung Null ist, ist der Ausgang ebenfalls Null. In der Nähe einer kleinen Versetzung ist der Ausgang im wesentlichen proportional der Versetzung, so daß die Lage der Markierung durch die Verwendung eines Meßgerätes 10 dadurch ermittelt werden kann, daß die Stellung abgelesen wird, bei welcher der Ausgang Null ist. Auf diese Weise ermöglicht das photoelektrische Mikroskop eine genaue Ermittlung der Position der Markierung bei der Versetzung Null, während es, wie erwähnt, keine genaue Ermittlung der Position der Markierung bei einer Versetzung in der Nachbarschaft von Null gewährleisten kann, wenn die Versetzwng-Ausgangs-Kennlinie unter dem Einfluß von Faktoren, wie Breite der Markierung, Abtastamplitude, Helligkeit der Beleuchtung usw. veränderlich ist.
In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher ein anzuzeigender Körper 11 an seinffl einen Fläche mit einer linearen Markierung 12 geformt ist. Die lineare Markierung 12 wird durch eine Linse 13 und einen Halbspiegel 17 auf eine erste Schlitzplatte 14 bzw, eine zweite Schlitzplatte 18 fokussiert. Die erste Schlitzplatte 14 ist mit einem Schlitz parallel zur linearen Markierung 12 und an einer Stelle geformt, die dem einen Ende des eingestellten Bereiches entspricht, der zur optischen Achse der Linse 13 versetzt ist. Andererseits ist die zweite Schlitzplatte 18 mit einem Schlitz geformt, der zur linearen Markierung 12 parallel und in einer Lage ist, die dem anderen Ende des eingestellten Bereiches entspricht, der zur optischen Achse der Linse 13 versetzt ist. Eine Abtasteinrichtung, die mit 16 bezeichnet ist, kann sinusförmig in Schwingungen versetzt werden und das Abbild der Markierung 12 senkrecht zum ersten und zum zweiten Schlitz 14 bzw. 1.8 abtasten und ist in der in Fig. 5 gezeigten Weise aufgebaut.
Wie Fig, 5 zeigt, ist ein Glaskörper 29, um den eine Spule 30 herumgewickelt ist, im Feld eines Magneten 31 angeordnet und zur schwingendenBewegung durch einenStahldraht 32 gelagert. Die Speisung mit einem sinusförmigen Wechselstrom von einem Oszillator 21 der Spule 30 hat zur Folge, daß der Glaskörper 29 um den Stahldraht 32 in sinusförmige Schwingungen versetzt wird. Diese sinusförmigen Schwingungen des Glaskörpers können zur schwingenden Abtastung der Abbildung der Markierung 12 in einer Sinusform und senkrecht zu den Schlitzen in der ersten bzw.
in der zweiten Schlitzplatte 14 bzw. 18 verwendet werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind photoelektrische Wandler 15 und 19 zur Aufnahme der Lichtstrahlen vorgesehen, die durch die Schlitze in der ersten und in der zweiten Schlitzplatte 14 bzw. 18 hindurchtreten, um diese Lichtstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln. Ein Differentialverstärker 20 ist so geschaltet, daß er die Ausgangssignale aus den photoelektrischenWandlern 15 und 19 über Vorverstärker 8 aufnimmt, um die Differenz zwischen den beiden Ausgangs signalen zu bilden. Eine Synchrongleichrichter schaltung 22 ist zur Übernahme einer Frequenzkomponente geschaltet, die gleich der Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung 16 aus dem Ausgangssignal vom Differentialverstärker 20 und in Übereinstimmung mit dem Signal aus einem Oszillator 21 ist, während der Ausgang der Synchrongleichrichterschaltung mit einem Anzeigegerät 23 verbunden ist.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Was vorangehend in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde, trifft auch für die Betrachtung der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Synchrongleichrichterschaltung und der Versetzung des Körpers zu, wenn der Ausgang des einen photoelektrischen Wandlers synchron gleichgerichtet wird.
In Verbindung mit Fig, 3 soll nachfolgend der Fall betrachtet werden, bei welchem die Signale aus den photoelektrischen Wandlern 15 und 19 gesondert synchron gleichgerichtet werden. Die hierbei erhaltene Versetzung-Ausgang-Kennlinie ist dann wie durch die Kurven 24 und 25 in Fig. 4 (a) gezeigt. Die gestrichelten Linien in der letztgenannten Figur entsprechen den eingestellten Stellungen der Schlitze in der ersten und in der zweiten Schlitzplatte 14 bzw. 18 zur optischen Achse. Im Falle der Figs 3 ist daher, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalen aus den photoelektrischen Wandlern 15 und 19 übernommen und synchron gleichgerichtet werden, die 'Vsetzung-Ausgangs-Kennlinie einer solchen Differenz die Kurve 24 von Fig. 4 (a) minus der Kurve 25 von Fig. 4 (a).
Das Ergebnis ist in Fig. 4 (b) gezeigt. Aus der letztgenannten Figur ergibt sich, daß der Ausgang der Synchrongleichrichterschaltung 22 in den eingestellten Stellungen 27 und 28 der Schlitze Null ist und positiv bzw. negativ innerhalb bzw. ausserhalb der eingestellten Stellungen.
Daher bestimmt der positive oder negative Wert des Ausgangs, wie er durch das Meßgerät 23 angezeigt wird, ob der anzuzeigende Körper innerhalb des eingestellten Bereiches liegt oder nicht.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Bezugsziffern, die den in Fig. 3 verwendeten ähnlich sind, ähnliche Elemente bezeichnen. In Fig. 6 ersetzen eine Schlitzplatte 33, ein Kondensor 36, ein photoelektrischer Wandler 15 und ein Vorverstärker 8 den Halbspiegel 17, die erste und die zweite Schlitzplatte 14 bzw. 18, die photoelektrischen Wandler 15 und 19, die Vorverstarker 8 und den Differentialverstärker 20 bei der ersten Ausführungsform.
Die Schlitzplatte 33 besitzt, wie in Fig. 7 gezeigt, einen Schlitz teil 34 für voll hindurchtretendes Licht, einen Lichtabfangteil 35, durch den das Licht voll abgefangen wird, und einen durchscheinenden Teil 37, der für Licht halbdurchlässig ist, Der Kondensor 36 ist derart, daß alles Licht, das durch den Schlitz in der Platte 33 hindurchtritt, huber den Kondensor 36 zum photoelektrischen Wandler 15 geleitet wird, der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt.
Bei der Ausführungsform nach Fig, 3 wird die Differenz zwischen den Ausgängen der beiden photoelektrischen Wandler gebildet und auf die nachfolgende Stufe übertragen, um eine Versetzung-Ausgang-Kennlinie von der in Fig. 4 (b) gezeigten Art zu erhalten. Wenn jedoch die in Fig. 7 gezeigte Schlitzplatte verwendet wird, befinden sich der Ausgang des photoelektrischen Wandlers 15, wenn der Schlitzteil 35 der Platte 33 abgetastet wird, und der Ausgang des photoelektrischen Wandlers 15, wenn der Lichtabfangteil 35 der Schlitzplatte abgetastet wird, in entgegengesetzten Kennwertbeziehungen, so daß die Summe der erwähnten beiden Ausgänge die in Fig. 4 (b) gezeigte Versetzung-Ausgang-Kennlinie ergeben kann. Daher kann, ob die lineare Markierung 12 im anzuzeigenden Körper 11 innerhalb eines gewissen Bereiches liegt oder nicht, in der gleichen Weise erkannt werden, wie für die erste Ausführungsform beschrieben.
Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen wurde eine Abtasteinrichtung verwendet, durch welche der Lichtstrahl mit Bezug auf den Schlitz bzw. auf die Schlitze in Schwingungen versetzt werden kann, obwohl natürlich das gleiche Ergebnis durch die Verwendung einer Abtasteinrichtung verwendet werden kann, wenn der Schlitz bzw. die Schlitze mit Bezug auf den Lichtstrahl in Schwingungen versetzt werden.
Durch die Erfindung läßt sich daher leicht feststellen, ob ein Körper innerhalb eines gewissen Sollbereiches liegt, was auf den Gebieten der Meßtechnik, der Werkstoffprüfung u. dgl. nützlich ist.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abanderungen erfahren.
Patentansprüche:

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Photoelektrischer Detektor zur Bestimmung, ob ein mit einer Markierung geformter Körper innerhalb eines bestimmten Sollbereiches liegt oder nicht, gekennzeichnet durch (1) ein abbildendes optisches System zur Bildung einer Abbildung der Markierung; (2) eine erste Platte, die mit einem Schlitz geformt und benachbart der Ebene angeordnet ist, in welcher die Abbildung der linearen Markierung durch das optische System geformt wird, welcher erste Schlitz an einer Stelle derselben angeordnet ist, die dem einen Ende des Sollbereiches entspricht und zu der Markierung parallel ist; (3) eine zweite Platte, die mit einem Schlitz geformt und benachbart der erwähnten Ebene angeordnet ist, welcher zweite Schlitz an einer Stelle vorgesehen ist, die dem anderen Ende des Sollbereiches entspricht und zu der Markierung parallel ist; 4) einen ersten photoelektrischen Wandler zur Umwandlung in ein elektrisches Signal eines Lichtsignals, das durch den Schlitz in der ersten Platte hindurchgetreten ist; (5) einen zweiten photoelektrischen Wandler zur Umwandlung in ein elektrisches Signal eines Lichtsignals, das durch den Schlitz in der zweiten Platte hindurchgetreten ist; (6) einen Oszillator, durch welchen die abbildenden Lichtstrahlen, die durch das optische System und die erste sowie durch die zweite Platte hindurchgetreten sind, mit Bezug aufeinander mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt werden, um die Abbildung der Markierung innerhalb eines Bereiches abzutasten, der zumindest die Schlitzteile der ersten und der zweiten Platte enthält; und (7) eine Verarbeitungsschaltung zur Übernahme der Differenz zwischen den Ausgangssignalen aus dem ersten und dem zweiten photoelektrischen Wandler und Ableitung aus diesem Differenzsignal einer Frequenzkomponente, die gleich der Schwingungsfrequenz des Oszillators ist, um entweder ein positives oder ein negatives Signal zu erhalten, wenn die Abbildung der Markierung innerhalb des erwähnten Bereiches liegt, und entweder ein negatives oder ein positives Signal zu erhalten, wenn die Abbildung ausserhalb des erwähnten Bereiches liegt.
2. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbspiegel in der optischen Bahn des abbildenden optischen Systems angeordnet ist, um die erwähnte optische Bahn in zwei optische Bahnen zu unterteilen, wobei die erste und die zweite Platte in den durch den Halbspiegel erhaltenen zwei optischen Bahnen angeordnet sind.
3. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator dazu dient, den abbildenden Lichtstrahl, der durch das optische System hindurchtritt, mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt wird.
4. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator dazu dient, den abbildenden Lichtstrahl vor seinem Auftreffen auf den Halbspiegel mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen zu versetzen.
5. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung umfaßt: (a) eine Differentialverstärkerschaltung zur Ableitung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen aus dem ersten und dem zweiten photoelektrischen Wandler; und (b) eine Synchrongleichrichterschaltung zur Ableitung aus dem Ausgangs signal der Differentialverstärkerschaltung einer Frequenzkomponente, die gleich der Schwingungsfrequenz des Oszillators ist.
6. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel in Verbindung mit der Verarbeitungsschaltung zur Abgabe einer Anzeige, die entweder dem positiven oder dem negativen Signal entspricht.
-7. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel in Verbindung mit der Synchrongleichrichterschaltung zur Abgabe einer Anzeige, die entweder dem positiven oder dem negativen Signal entspricht.
8. Photoelektrischer Detektor zur Bestimmung, ob ein mit einer linearen Markierung geformter Körper innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt, gekennzeichnet durch (1) ein optisches System zum Formen der Abbildung der linearen Markierung; (2) eine Platte, die mit einem Schlitz geformt und benachbart der Ebene angeordnet ist, in welcher die Abbildung der linearen Markierung durch das optische System geformt wird, welcher Schlitz an einer Stelle angeordnet ist, die dem einen Ende des erwähnten Bereiches entspricht und zu der linearen Markierung parallel ist, und mit einem linearen lichtundurchlässigen Teil, der an einer Stelle angeordnet ist, die dem anderen Ende des erwähnten Bereiches entspricht und zu der linearen Markierung parallel ist, während die restliche Platte durchscheinend ist; (3) einen Oszillator, durch welchen die abbildenden Lichtstrahlen, die durch das optische System und durch die Platte hindurchtreten, mit Bezug aufeinander mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt werden können, so daß sie die Abbildung der linearen Markierung innerhalb eines Bereiches abtasten, der zumindest den Schlitz und den linearen lichtundurchlässigen Teil der Platte enthält; (4). einen photoelektrischen Wandler zur Umwandlung in ein elektrisches Signal aller Lichtsignale, die durch die Platte hindurchtreten; (5) eine Synchrongleichrichterschaltung zur Ableitung aus dem Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers einer Frequenzkomponente, die der Schwingungsfrequenz des Oszillators gleich ist, um entweder ein positives oder ein negatives Signal zu erhalten, wenn die Abbildung der linearen Markierung innerhalb des erwähnten Bereiches liegt, und entweder ein negatives oder ein positives Signal zu erhalten, wenn die Abbildung ausserhalb des erwähnten Bereiches liegt.
9. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel in Verbindung mit der Synchrongleichrichterschaltung zur Abgabe einer Anzeige, die entweder dem positiven oder dem negativen Signal entspricht,
10. Photoelektrischer Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator dazu dient, den abbildenden Lichtstrahl vor seinem Auftreffen auf der erwähnten Platte mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen zu versetzen, L e e r s e i t e