DD217621A1 - Einrichtung zur fotometrischen strukturorterkennung mit einem fotoempfaengerarray - Google Patents

Abstract

Die Einrichtung zur fotometrischen Strukturorterkennung mit einem Fotoempfaengerarray dient dazu, die Lage optisch wirksamer Striche oder Kante zu bestimmen. Durch analoge Messwertverarbeitung wird eine Verringerung des Aufwands und eine Verkuerzung der Messzeit gegenueber auf der Basis von Digitalrechnern arbeitenden Auswerteeinrichtungen erreicht. Die aus einem Fotoempfaengerarray ausgelesenen Einzelamplituden werden durch den Einsatz von Verzoegerungsgliedern und Integratoren so verarbeitet, dass die Messinformation aus einer Zeitmessung gewonnen werden kann. Die Lagebestimmung optisch wirksamer Strukturen kann so mit einer Empfindlichkeit realisiert werden, die die Mittenabstaende der Einzelempfaenger des Arrays erheblich unterschreitet. Die Einrichtung kann ueberall eingesetzt werden, wo eine Interpolation zwischen den Abstaenden der Einzelempfaenger von Fotoempfaengerarrays erfolgen soll.

Description

Einrichtung zur fotometrischen Strukturorterkennung mit einem Fotoempfängerarray Anwendungsgebiet der Erfindung

Die objektive Lagebestimmung von optisch wirksamen Strukturen ist in der Technik, insbesondere in der Feinmeßtechnik eine Aufgabe von ständig wachsender Bedeutung. Der Ort optisch wirksamer Strukturen wird im allgemeinen unter Zuhilfenahme von Zieimikroskopen zusammen mit einem Längenmeßsystem ermittelt. Dabei orientiert man sich auf das durch optische Abbildung erzeugte Schattenbild des Objektes. Zur Objektivierung des Antastens von Körperkanten auf optischem Wege kann das Interferenzlinienverfahren (Jenaer Rundschau 1976/4 S. 201-203) eingesetzt werden. In zunehmendem Maße sind neben einer immer höheren Meßgenauigkeit möglichst kurze Meßzeiten von Interesse. Hier liegt ein Anwendungsgebiet von sehr schnellen, hochgenauen Meßeinrichtungen für die fotometrische Strukturorterkennung auf digitalem oder analogem Wege.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neben optisch-visuellen (subjektiven) Verfahren (Vergleich einer optischen Marke mit einem Meßstabnormal) sind Einrichtungen bekannt, die objektiv arbeitende, elektro-optische Prinzipien realisieren, wie Einzellen-, Zweizellen-, Chopper- und Scanningverfahren (Lit. Woschni, H.-G., Wiss. Zeitschrift der FSU Jena, Mat.-Nat. Reihe (28) 1979 Heft 1). Werden hohe Genauigkeiten gefordert, kann man die.se durch Nullindikatoren erreichen. Um eine Längenmessung in größeren Bereichen durchführen zu können, ist zusätzlich ein Maßstab erforderlich. Die genannten fotoelektrischen Mikroskope können zur Interpolation innerhalb der Maßstababsteilung dienen. Weiterhin ist bekannt, daß als Interpolationssystem Fotoempfängerarraya (z.B. CCD-Zeilen) eingesetzt werden und gleichzeitig als Maßverkörperung dienen. Das mit solchen Anordnungen erreichbare Lokalisierungsvermögen liegt über der durch die Mittenabstände der Einzelempfänger des Arrays gegebenen Grenze. Im DD-WP G 01 B/313 234/6 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Belichtung proportionalen Fötoempfängersignale seriell am Ausgang des Arrays erscheinen, mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) digitalisiert und einem Digitalrechner (Mikrorechner) zur weiteren Verarbeitung (Korrektur der Empfindlichkeit, Berechnung des Meßwertes) zugeführtwerden. Nachteile dieses Verfahrens sind der hohe elektronische Aufwand sowie die durch die Umsetzzeit der ADU und die Rechenzeit bedingte relativ große Meßzeit. ·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet eine Interpolation zwischen den Mittenabständen der Einzelempfänger eines Fotoempfängerarrays so zu realisieren, daß der Einsatz von ADU und Digitalrechner umgangen wird. Hierdurch kann die Meßzeit und der elektronische Aufwand reduziertwerden. ·

Darlegung des Wesens der Erfindung <

Um den Einsatz von ADU und Digitalrechnern zu umgehen wird unter Verwendung von Verzögerungsgliedern und Integratoren die fotometrische Lage der auf das Array abgebildeten Struktur bestimmt. Die Lagebestimmung einer optisch wirksamen Struktur (Strich oder Kante) kann auf die integrale Definition der fotometrischen Mitte zurückgeführt werden (DD-WP G 01 B/ 234 313/6). Im Fotoempfängerarray werden Signale erzeugt, die dem Flächenintegral der Belichtung über das entsprechende Fotoelement proportional sind. Bei der seriellen Auslesung des Arrays entstehen am Ausgang nacheinander Signale, deren Summe dem Integral der Beleuchtungsstärke der auf das Array abgebildeten Struktur entspricht. Da die Einzelelemente unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen können, ist bei hohen Genauigkeitsanforderungen eine Korrektur der Signale erforderlich. Bei der Strichlokalisierung werden die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem Array ausgelesenen, eventuell korrigierten Amplituden der Einzelempfänger elektrisch aufintegriert. Die Hälfte dieses Gesamtintegrals wird mildem Ausgang eines zweiten Integrator durch einen Komparator verglichen. Dieser zweite Integrator«erhält die gleichen Signale, jedoch um mindestens die Auslesezeit für den gesamten Strich verschoben. Das wird mit einem Verzögerungsglied (ζ. Β. Laufzeitkette oder Analogschieberegister) realisiert. Die Zeit, die vom Auftreten des ersten Empfängersignals am Ausgang des Verzögerungsgliedes bis zur Koinzidenz der Hälfte des Gesamtintegraies mit dem Integral des zweiten Integrators vergeht, ist ein Maß für'die Lage des Striches. Die Auflösung ist umso größer, je genauer die Zeitmessung erfolgt. An Stelle der Zeitmessung kann nach Koinzidenz des Komparators die Integration mit der zugehörigen Einzelamplitude abgeschlossen werden und durch Differenzbildung der beiden Werte (Vergleichswerte des Komparators) und Normierung auf elektronischem Wege (analog) derjenige Bruchteil des Pixel-Abstandes ermittelt werden, um den die fotometrische'Mitte von der Kante des letzten berücksichtigten Empfängers (zweiter integrator) entfernt liegt. Es kann so eine Empfindlichkeit erreicht werden, die die Größe der Mittenabstände der Einzelempfänger des verwendeten Arrays erheblich unterschreitet. Um .Meßfehler durch stochastische Unsicherheiten der Einzelamplituden und eventuell vorhandene Hintergrundhelligkeit so gering wie möglich zu halten, werden nur die zur Struktur gehörigen Signale ausgewertet. Die Strukturgrenzen können durch Differentiation des durch die Einzelamplituden gebildeten stufenförmigen Signals mittels eines Differenziergliedes und Vergleich der erhaltenen Ausgangssignale mit einem einstellbaren Sollwert oder durch direkten Schwellwertvergleich der ausgelesenen Amplituden mitteis Komparator bestimmt werden. Bei Einsatz des Interferenzlinienverfahrens entsteht eine Interferenzlinie, die in definiertem Abstand zur Kante liegt. Diese Interferenzlinie kann auf analoge Weise mit der hier dargestellten Erfindung zur Strichlokalisierung ausgwertet werden. . . .

Zur Lagebestimmung einer Kante nach dem Schattenbildverfahren ist es erforderlich, die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem Fotoempfängerarray ausgelesenen, eventuell korrigiertenAmplituden elektrisch aufzusummieren. Mit einem zweiten Integrator wird über eine abgespeicherte maximale Einzelamplitude solange integriert, bis dieses Integral gleich dem Gesamtintegral des ersten Integrators ist. Der Vergleich wird wiederum mittels Komparator realisiert. Die Differenz der Zeit, die vom Auslesen des ersten Empfängersignals bis zum Integrationsende des ersten Integrators vergeht und der Zeit, die von diesem Integrationsende bis zum Auftreten des Koinzidenzsignale des Komparators vergeht, ist ein Maß für die Lage der Kante. An die Stelle der Zeitmessung kann in analoger Weise wie beim Strich eine Differenzpildug von aufsummierten . Amplituden zur Interpolation herangezogen werden. Auch hier soll durch Auswertung nur der zur Struktur gehörigen Einzelempfänger-Ampiituden die Verfälschung der Meßinformation vermindert werden. Das ist auf ähnliche Weise wie bei der Strichlageerkennung möglich. Die Meßgenauigkeit ist wiederum von der Genauigkeit der Zeitmessung abhängig und kann r,Ho'r Ηϊα H'irrh die Mittenabstände der EinzelemDfänaer qeaebene Auflösung gesteigert werden.

Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur erfindungsgemäßen Lokalisierung von Strichbildern. Die in einer CCD-Zeile 1 gebildeten und nach der Auslesung mittels Empfindlichkeitskorrekturschaltung 2 korrigierten Einzelempfänger-Amplituden werden einer Schaltung für den Schwellwertvergleich 3, einem Integrator 5 und einem Analogschieberegister 6 zugeführt. Der Schwellwertvergleicher gibt ein Signal an den Integrator 5 und bewirkt, daß nur die zur Struktur gehörigen Empfängersignale integriert werden. Der zweite Integrator 7 erhält zum gleichen Zweck das Schwellwertsignal zeitverschoben über die Steuerlogik 4. Der Start der Zeitmeßeinrichtung 9 erfolgt erstmals mit Beginn der Auslesung des Arrays und wird mit Strukturbeginn unterbrochen. Ein erneuter Start erfolgt, wenn der zweite Integrator 7 mit der Integration beginnt. Die Zeitmessung wird beendet, wenn der Komparator 8 Gleichheit seiner Eingangssignaie feststellt. Die so gemessene Gesamtzeit ist ein Maß für die Lage der Struktur. Die Synchronisation aller Baugruppen der beschriebenen Einrichtung erfolgt durch die Steuerlogik 4. In Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel zur Kantenortbestimmung gezeigt. Wieder gelangen die von der CCD-Zeile 1 seriell ausgebenen Amplituden über eine Korrekturschaltung 2 zur Schwellwertvergleichsschaltung 3. Entsprechend den hiermit bestimmten Strukturgrenzen werden im Integrator 5 die Einzelamplituden der Struktur aufintegriert, bis der · Komparator 8 Koinzidenz der beiden Integrale meldet. .

Die Zeitmessung beginnt mit der Auslesung der Einzelamplituden. Dabei wird ein Zähler (Zeitmeßeinrichtung 9) gestartet. Mit Integrationsbeginn des zweiten Integrators 7 wird die Zählrichtung umgekehrt. Der Zähler zählt rückwärts, bis das Komparatorsignal erscheint. Der Zählerstand entspricht der gesuchten Zeitdifferenz, die ein Maß für die Lage der Struktur ist. Die Synchronisation aller Baugruppen erfolgt durch die Steuerlogik 4. .

Claims (9)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Einrichtung zur fotametrischen Strukturortmessung mit einem Fotoempfänge'rarray, auf das die Struktur abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ausgelesenen Einzelamplituden des Arrays durch den Einsatz von Verzögerungsgliedern und Integratoren die fotometrische Lage von Strukturen auf dem Array bestimmt wird.
2. 2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageerkennung einer Strichmarke die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem Fotoempfängerarray ausgeiesenen, bei Bedarf korrigierten Amplituden der Einzelempfänger aufintegriert werden und die Hälfte des Gesamtintegrals mit dem Ausgang eines zweiten Integrators, der zeitverschoben die gleichen Signale erhält, solange mittels Komparator verglichen wird, bis Gleichheit vorliegt, wobei die während des Vergleichs abgelaufene und gemessene Zeit ein Maß für die Lage der Struktur auf dem Empfängerarray darstellt.
3. 3. Einrichtung nach Punkt 1 zur Lagebestimmung einer Kante nach dem Schattenbildverfahen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Struktur gehörigen/seriell aus dem Fotoempfängerarray ausgelesenen, bei Bedarf korrigierten Amplituden der Einzelempfänger aufintegriert werden und das Ausgangssignal dieses Integrators mit dem Ausgang eines zweiten Integrators, der über eine gespeicherte maximale Einzelamplitude der Struktur integriert, solange mittels eines Komparators verglichen wird, bis Gleichheit vorliegt, wobei die Differenz aus der für das Aufintegrieren des ersten Integrals und der zur Realisierung des Vergleichs erforderlichen Zeit ein Maß für die Lage der Struktur darstellt.
4. 4. Einrichtung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Zeitmessung nach Koinzidenz des Komparators die Integration mit der zugehörigen Einzelamplitude abgeschlossen wird und durch Differenzbildung der beiden Werte (Vergleichswerte des Komparators) und Normierung auf elektronischem (analogem) Wege derjenige Bruchteil des '. Pixelabstandes ermittelt wird, um den die fotometrische Mitte von der Kante des letzten berücksichtigten Empfängers entfernt liegt.
5. 5. Einrichtung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der optisch wirksamen Struktur durch . Differentiation der durch die Einzelampiituden gebildeten stufenförmigen Signale mittels eines Differenziergliedes und Vergleich der erhaltenen Ausgangssignale mit einem einstellbaren Sollwert durch einen Komparator ermittelt werden.
6. 6. Einrichtung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen durch Schwellwertvergleich aus den ausgelesenen Einzelamplituden mittels Komparator ermittelt werden. ,
7. 7. Einrichtung nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lagebestimmung optisch wirksamer Strukturen mit einer Empfindlichkeit realisiert werden kann, die die Mittenabstände der Einzeiempfänger des eingesetzten Arrays erheblich ' unterschreitet. ·
8. 8. Einrichtung nach Punkt 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf analoge Weise die Messung nach dem Interferenzlinienverfahrens erfolgt.
9. 9. Einrichtung nach Punkt 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglieder Laufzeitketten oder Analogschieberegister eingesetzt werden.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen __ _