Устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя

 

; 1

В. А. Зайцев, А. П. Почкаев, А. Т. Симонов и В. И.: Чухлиб

1 (72) Авторы изобретения!

Г

1 3 . (7l It Заявитель (54) УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

РАСТРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям перемещений, использующим метод автоматического счета муаровых или интерферен-! ционных полос, образованных с помощью 5 сопряжения растров, йзмерительных дифракционных решеток или лазерных интерферометров, и может быть использовано в. установках проекционного совмещения и мультипликации изображения на 10 кремниевую пластину, контроля размеров элементов топологии фотошаблонов и контроля совмешаемости фотошабпонов.

Известно устройство считывания муаровых полос, содержащее четыре анализи15 рукацие диафрагмы и фотоприемники, расположенные за диафрагмами. Диафрагмы выполнены в виде отдельных щелей и расположены в плоскости локализации муаровых полос так, что на каждый фотоприемник, установленный за соответствуквцей диафрагмой, поступает световой поток, сдвинутый на пространственной 2 фазе на Л/2 относительно предыдущего фотоприемника. Для получения квадратурцых выходных сигналов фотоприемники цопарно включают по балансной схеме,. которая выполняет операцию вычитания информационных сигналов, причем выходные сигналы устройства считывания полос находятся в квадратуре, равны по амплитуде и не имеют постоянных составлякаах (1) .

Недостатками этого устройства считы-, вания являются необходимость подбора фотоприемников по чувствительности, требование равномерности освещенности в картинной плоскости полос. Если эти требования не выполняются, то устранение постоянных составлякецих и вьгравнивание амплитуд выходных сигналов усложняется (при усповии, что по-прежнему необходимо обеспечить автоматическую компенсацию дрейфа постоянных уровней выходных сигналов) .

Наиболее близким техническим региением является устройство считывания, 9667 содержащее светоделительный элемент, оптически связанный с двумя растровыми шелевыми диафрагмами, которые расположены в плоскости изображения муаровых полос и два фотоприемных устройства (23 .

Недостатком известного устройства является нестабильность выходных электрических параметров при изменении: светового потока. ЬО

Цель изобретения — повышение надежности считывания устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразоват пя, со- Ь5 держащее первый светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена под углом к направлению светового луча, светоделительный элемент оптически связан через соответствующие gp растровые шелевые-диафрагмы, которые расположены в плоскости изображения растровых полос с первым и вторым фотоприемными устройствами, введены балансные усилители, третье фотоприемо ное устройство и второй светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена параллельно полупрозрачной плоскости первого светоделительного элемента, второй светоделитель- З ный элемент оптически связан с первым светоделительным элементом и третьим фотоприемным устройством, выход кото, рого соединен с первыми входами балансных усилителей, выходы первого и втор го фотоприемных устройств соединены с

35 вторыми входами балансных усилителей.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства считывания муаровых полос; на фиг. 2 - положение растровой щелевой диафрагмы и изображение муаро40 вых (интерференционных) полос; на фиг. 3 — структурная схема растрового преобразователя линейного перемещеньая, использующего предлагаемое устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя.

Устройство считывания содержит последовательно установленные светоделительные элементы 1 и 2 (фиг. 1), раст ровые щелевые диафрагмы 3 и 4, фотоприемные устройства 5, 6 и 7 и балансные усилители 8 и 9. Каждое фотоприемное устройство состоит из коллективной линзы 10, фотоприемника 11 и предусилителя 12. Щелевые диафрагмы расположены в плоскости резкого изображения муаровых полос. Растровая диафрагма (фцг. 2) состоит из щелей 13, разделен21 4 .ных непрозрачными линиями 14, На фиг. 2 обозначено: 15 - изображение освещенного поля с муаровыми полосами

16, 17 - световой диаметр коллективной линзы (фиг. 1) и участок 18, освещенность которого резко отличается от освещенности остальных точек поля.

Работу устройства считывания рассмотрим на примере его использования в растровом преобразователе линейного перемещения, который содержит осветитель 19 (фиг. 3), растровое сопряжение

20, объектив 21 и устройство считывания полос 22. Осветитель состоит из источника излучения 23 и конденсатора

24, а растровое сопряжение образуется измерительным и индикаторным растрами

25 и 26. Измерительный растр 25 закрепляют на перемещающейся части объекта, а индикаторный растр 26, осветитель 19, объектив 21 и устройство считывания полос 22 — на неподвижных его частях.

Осветитель 19, создающий параллельный пучок света, освещает растровое сопряжение 20, на выходе которого (в плоскости индикаторного растра 26) образуются муаровые полосы. При перемещении измерительного растра 25 в направлении, указанном стрелками, муаро-, вые полосы также перемещаются, причем направление их перемещения зависит от направления перемещения измерительного растра 25. Объектив 21 проецирует изображение этих полос на растровые анализирующие диафрагмы 3 и 4, установленные перед фотоприемными устройствами 5 и 6, при этом светоделительный элемент 2 делит световой поток полос после объектива 2 1 поровну. Кроме того, часть светового потока надравляется светоделительным элементом 1 на фотоприемное устройство 7, Световой поток,.пришедший, например, на фотоприемное устройство 6, собирается коллективной линзой 10 на светочувствительную плошадку фотоприемника 1 1, связанного с предусилителем 12. Фототок фотоприемника 11 изменяется пропорционально изменещпо светового потока и усиливается предусилителем 12. Поле зрения объектива 21 таково, что он проецирует на растровые диафрагмы 3 и 4 и на вход фотоприемного устройства 7 все освещенное поле 15 растрового сопряжения 20.

В- свою очередь, размеры растровых диафрагм 3 и 4 и световой диаметр 17 коллективных линз 10 фотоприемных устройств 5, 6 и 7 выбирают заведомо

5 966721 d

1 =г ф (1 тп ВИ9)

1 1 1

1 Ф +m ajar 8+ — =г Ф (+rn.cosej, 20

31= 3 51пд

Эil =30сО98) 1 большими, чем размеры изображения ос- из информационных сигналов 1., и 1 вешенного поля 15 растрового сопряже- так что выходные сигналы усилителей ния 20. имеют вид

При перемещении измерительного (> ф,, ф,, ф растра 25 муаровые полосы в плоскости растровых диафрагм 3 и та же переме- ;,= -„(Г2ф2-к ГЗФЬ+ пг24

3 смещены относительно муаровых полос )0 сигнала;

16 на четверть шага по сравнению co . Kz, <, — коэффициенты усиления усишелями растровой диафрагмы 4, то све- лителей 8 и 9. товые потоки после диафрагм 3 и 4 Соответствукшшм подбором весовых коэфсдвинуты по пространственной фазе на . фициентов К„и К> устраняют постоянные

У /2 друг относительно друга. Инфор- g уровни, а изменением коэффициентов усимационные сигналы на выходах фотопри- ления К> и k;, выравнивают амплит.уды емных устройств 5 и 6 имеют вид выходных квадратурных сигналов, в результате чего выходные сигналы имеют вид где г ° — чувствительность j -ro фотоj приемника; 23

Ф вЂ” средний световой поток, прошедший через j -ю диаграмму;

8 — пространственная фаза полос; — коэффициент модуляциИ электрического сигнала, зависящий .;щ от контраста полос и,отношения шага щелей растровой диафрагмы к шагу муаровых полос.

Световой поток, направленный светоделительным элементом 1 на фотоприемное устройство 7, поступает непосредственно на коллективную линзу и фокусируется ею на фотоприемник (эти элементы не показаны). Здесь роль анализирующей диафрагмы выполняет оправа коллективной линзы и, поскольку ее диаметр значительно больше шага муаровых полос, световой поток не модулируется при движении полос. По этой причине на выходе фотоприемного устройства 7 присутствует постоянный (комп енсирукащий) сигнал, пропорциональный световому потоку, прошедшему через все освещенное поле 15 растрового сопряжения 20, = г ф

Информационные сигналы е выходов фотоприемных устройств 5 и 6 подают на входы соответствующих балансных усилителей 8 и 9, на другие входы которых поступает компенсирующий сигнал с выхода фотоприемного устройства 7. Балансные усилители 8 и 9 осуществляют вычитание компенсирующего сигнала >. о К Р"г14 1= Й п1 да сигналов.

Пусть теперь в освещенном ноле измерительного растра 25 появляется загрязненный участок 18, который ослабляет световой поток, проходящий сквозь растровое сопряжение 20. Поскольку на фотоприемные устройства 5, 6 и 7 световые потоки поступают со всего освещенного поля растрового сопряжения 20, это приводит к пропорциональному ослаблению потоков, поступакицих на входы фотприемных устройств 5, 6 и 7, и следовательно, и к пропорциональному изменению их выходных сигналов, в результате чего баланс этих сигналов не нару- шается, т.е. выходные квадратурные сигналы п прежнему имеют одинаковые (хотя и меньшие по величине) амплитуды и в них отсутствуют постоянные уровни. Наличие растровых диафрагм 3 и 4 перед фотоприемными устройствами

5 и 6 приводит к некоторому нарушению пропорциональности изменения световых потоков на входах этих устройств по сравнению с изменением светового потока на входе фотоприемного устройства 7, не имеющего такой диафрагмы. Кроме того, изменения световых потоков, поступакьших на фотоприемные устроиства 5 и 6, также несколько отличаются друг от друга. Это отличие обусловлено неодинаковым попожением растровых диафрагм 3 и 4 относительно изображения освещенного поля 15 растрового сопряжения 20, а следовательно, и относительно изобра7 9667 жения загрязненного участка 18 - диафрагма 3 сдвинута относительно изображения освещенного поля 15 на 1/4 шага муаровых полос по сравнению с диафрагмой 4. Тем не менее, расчеты и 5 эксперименты показывают, что упомянутое выше нарушение в пропорциональности изменения световых потоков тем меньше, чем меньше отношение шага щелей

13 растровых диафрагм 3 и 4 к диаметру изображения освещенного поля 15.

Соответствуклпим выбором упрмянутого

1 отношения нарушение пропорциональности изменения световых потоков, поступаюших на входы фотоприемных устроетв 5, 1

6 и 7, можно свести к пренебрежимо малой величине и, следовательно„обеспечить высокую стабильность пара метров выходных квадратурных сигналов устройства считывания полос. 20

Аналогично решйется вопрос и при изменении закона распределения освещенности муаровых полос, которое может спучиться при замене или разъюстировке источника изпучения. 2$

В случае использования устройства считывания в составе лазерного интерферометра исчезает необходимость при I менения объектива 21, объясняемая тем„ что интерференционные полосы образуют- 39 ся в результате взаимодействия световых пучков с высокой пространственной когерентностью и поэтому имеют большую глубину резкости. Таким образом, устрой- ство обеспечивает значительное уменьше--з ние впияния на выходные квадратурные сигналы таких факторов, как разъюстировка источников излучения, загрязнение и, поверхностные дефекты подвижных элементов растровых и интерференционных преобразователей линейных и угловых перемещений, использующих метод автома тического счета муаровых (интерференционных) полос. В свою очередь, стабилизация таких параметров выходных квад- g ратурных сигналов, как постоянные уров, ни, соотношение амплитуд и фазовый

21 8 сдвиг, устраняет ошибки интерполир ания пространственной фазы этих сит .алов и, следовательно, в конечном счете повышает точность преобразования перемещения.

Формула изобретения

Устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя, содержащее первый светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена под углом к направлению светового луча, светоделительный элемент оптически связан через соответствующие растровые щелевые диафрагмы, которые расположены в плоскости изображения муаровых полос, с первым и вторым фотоприемными устройствами, о т— л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения надежности считывания, в устройство введены балансные усилители, третье фотоприемное устройство и второй светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена параллельно полупрозрачной ппоскости первого светоделительного элемента, второй светоделительный эпемент оптически связан с первым светодепительным элементом и третьим фотоприемным устройством, выход которого соединен с первыми входами балансных усилителей, выходы первого и второго фотоприемных устройств ,соединены с вторыми входами балансных усилителей.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Преснухин А. Н. и др. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М., Машиностроение", 1 96 9, с. 67-68.

2. Фотоэлектрические преобразователи информации.. Под ред. А. Н. Преснухина.

М., "Машиностроение, 1974, с. 2О4 (прототип) .