DD217621A1

DD217621A1 - DEVICE FOR THE FOTOMETRIC STRUCTURE ORDER IDENTIFICATION WITH A PHOTO MEMPARATOR ARRAY

Info

Publication number: DD217621A1
Application number: DD25321583A
Authority: DD
Inventors: Hans-Guenter Woschni; Ralf Christoph; Andreas Reinsch
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1983-07-20
Filing date: 1983-07-20
Publication date: 1985-01-16
Also published as: DE3422689A1; GB2143700B; GB2143700A; GB8418300D0

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.The photometric texture recognition device with a photoreceptor array serves to determine the position of optically effective lines or edges. By means of analog measured value processing, a reduction of the effort and a shortening of the measuring time compared to evaluation devices operating on the basis of digital computers is achieved. The individual amplitudes read out of a photomultiplier array are processed by the use of delay elements and integrators so that the measurement information can be obtained from a time measurement. The determination of optically effective structures can thus be realized with a sensitivity that significantly undershoots the center distances of the individual receivers of the array. The device can be used anywhere, where an interpolation between the distances of the Einzelempfaenger of photoreceptor arrays should be done.

Description

Device for photometric structure identification with a photoreceptor array Field of application of the invention

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.The objective orientation of optically active structures is a task of ever increasing importance in technology, in particular in precision measuring technology. The location of optically active structures is generally determined with the aid of microscopes, together with a length measuring system. In doing so, the focus is on the shadow image of the object created by optical imaging. To objectify the scanning of body edges by optical means, the interference line method (Jenaer Rundschau 1976/4 pp 201-203) can be used. Increasingly, as well as ever higher measuring accuracy, the shortest possible measuring times are of interest. This is an area of application of very fast, highly accurate measuring devices for the photometric structure location recognition in a digital or analog way.

Characteristic of the known technical solutions

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. ·In addition to optical-visual (subjective) methods (comparison of an optical mark with a Meßstabnormal) devices are known that realize objectively working, electro-optical principles, such as single-cell, two-cell, chopper and scanning method (Lit. Woschni, H.- G., Wiss. Journal of the FSU Jena, mat. Nat row (28) 1979 issue 1). If high accuracies are required, one can reach the.se by zero indicators. In order to perform a length measurement in larger areas, an additional scale is required. The said photoelectric microscopes can serve for interpolation within the scale graduation. Furthermore, it is known that photoreceptor arrays (e.g., CCD lines) are used as the interpolation system and also serve as a measurement standard. The localization capability achievable with such arrangements is above the limit given by the center distances of the individual receivers of the array. In DD-WP G 01 B / 313 234/6 a method is proposed in which the exposure of proportional Fötoempfängersignale appear serially at the output of the array, digitized with an analog-to-digital converter (ADC) and a digital computer (microcomputer) for further processing (Correction of the sensitivity, calculation of the measured value) are supplied. Disadvantages of this method are the high electronic complexity as well as the relatively large measurement time due to the conversion time of the ADC and the computing time. ·

Ziel der Erfindung Object of the invention

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. ·The aim of the invention is to provide a device which allows to realize an interpolation between the center distances of the individual receiver of a photoreceptor array so that the use of ADC and digital computer is bypassed. As a result, the measuring time and the electronic effort can be reduced. ·

Darlegung des Wesens der Erfindung <Explanation of the essence of the invention

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. . . .In order to circumvent the use of ADCs and digital computers, the photometric position of the structure imaged on the array is determined using delay elements and integrators. The orientation of an optically active structure (line or edge) can be attributed to the integral definition of the photometric center (DD-WP G 01 B / 234 313/6). In the photoreceiver array signals are generated which are proportional to the area integral of the exposure via the corresponding photoelement. During the serial read-out of the array, signals are produced at the output in succession, the sum of which corresponds to the integral of the illuminance of the structure imaged on the array. Since the individual elements can have different sensitivities, a correction of the signals is required for high accuracy requirements. In the case of bar localization, the amplitudes of the individual receivers belonging to the structure and possibly corrected, which have been read out of the array in series, are electrically integrated. Half of this total integral is compared to mild output of a second integrator by a comparator. This second integrator receives the same signals, but shifted by at least the readout time for the entire bar. This is realized with a delay element (ζ, Laufzeit, delay chain or analog shift register). The time that passes from the occurrence of the first receiver signal at the output of the delay element to the coincidence of half of the total integration with the integral of the second integrator is a measure of the position of the bar. The resolution is greater the more accurate the time measurement. After coincidence of the comparator, the integration with the associated individual amplitude can be terminated instead of the time measurement and by difference formation of the two values (comparative values of the comparator) and normalization by electronic means (analog) the fraction of the pixel distance by which the photometric ' Center away from the edge of the last recipient (second integrator) considered. It can be achieved as a sensitivity that is significantly less than the size of the center distances of the individual receiver of the array used. In order to minimize measurement errors due to stochastic uncertainties of the individual amplitudes and possibly existing background brightness, only the signals belonging to the structure are evaluated. The structure boundaries can be determined by differentiation of the stepped signal formed by the individual amplitudes by means of a differentiator and comparison of the output signals obtained with an adjustable setpoint value or by direct threshold comparison of the read-out amplitudes by means of the comparator. When the interference line method is used, an interference line is created that is at a defined distance from the edge. This interference line can be evaluated in a similar manner with the bar-localization invention shown here. , , ,

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.To determine the position of an edge after the shadowing method, it is necessary to electrically sum up the possibly corrected amplitudes belonging to the structure, which are read out serially from the photoreceptor array. With a second integrator is integrated over a stored maximum single amplitude until this integral is equal to the total integral of the first integrator. The comparison is again realized by means of comparator. The difference in time elapsing from the readout of the first receiver signal to the integration end of the first integrator and the time elapsing from this end of integration to the occurrence of the coincidence signals of the comparator is a measure of the position of the edge. In place of the time measurement can in a manner analogous to the stroke a Differenzpildug of summed up. Amplitudes are used for interpolation. Again, the falsification of the measurement information is to be reduced by evaluating only belonging to the structure of individual receiver Ampiituden. This is possible in a similar way as with the line position detection. In turn, the accuracy of the measurement depends on the accuracy of the time measurement, and the center distances of the individual faults can be increased in the same resolution.

embodiment

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. . Figure 1 shows the block diagram of a device for the localization of line images according to the invention. The individual receiver amplitudes formed in a CCD line 1 and corrected by means of the sensitivity correction circuit 2 after reading are supplied to a circuit for the threshold comparison 3, an integrator 5 and an analog shift register 6. The threshold comparator provides a signal to the integrator 5 and causes only the structure-related receiver signals to be integrated. The second integrator 7 receives for the same purpose the threshold value signal shifted in time via the control logic 4. The start of the time measuring 9 takes place for the first time at the beginning of the reading of the array and is interrupted at the beginning of the structure. A restart occurs when the second integrator 7 starts integration. Timing is terminated when the comparator 8 detects equality of its input signal. The total time thus measured is a measure of the position of the structure. The synchronization of all modules of the device described is carried out by the control logic 4. In Figure 2, an embodiment for edge location determination is shown. Again, the amplitudes serially output from the CCD line 1 pass through a correction circuit 2 to the threshold value comparison circuit 3. According to the structural boundaries determined herewith, the individual amplitudes of the structure are integrated in the integrator 5 until the comparator 8 reports coincidence of the two integrals. ,

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. .The time measurement begins with the reading of the individual amplitudes. In this case, a counter (timer 9) is started. With the start of integration of the second integrator 7, the counting direction is reversed. The counter counts backwards until the comparator signal appears. The counter reading corresponds to the sought time difference, which is a measure of the position of the structure. The synchronization of all modules is done by the control logic 4th

Claims

Invention claims:

1. A device for photometric structural location measurement with a Fotoempfänge'rarray to which the structure is imaged, characterized in that from the read-out individual amplitudes of the array by the use of delays and integrators, the photometric position of structures on the array is determined.

2. Device according to item 1, characterized in that for detecting the position of a line mark belonging to the structure, serially emitted from the photoreceptor array, corrected if necessary amplitudes of the individual receiver and half of the total integral with the output of a second integrator, the time-shifted the same Receive signals as long as equal by comparator, with the time passed and measured during the comparison representing a measure of the location of the structure on the receiver array.

3. Device according to item 1 for determining the position of an edge after the Schattenbildverfahen, characterized in that the structure belonging / serially read from the photoreceptor array, corrected if necessary amplitudes of the individual receiver are integrated and the output signal of this integrator with the output of a second integrator, the integrated over a stored maximum single amplitude of the structure, as long as compared by means of a comparator until equality, wherein the difference of the time required for the integration of the first integral and the realization of the comparison is a measure of the position of the structure.

4. Device according to items 1 to 3, characterized in that instead of timing after coincidence of the comparator, the integration with the associated single amplitude is completed and by subtraction of the two values (comparative values of the comparator) and normalization on electronic (analog) way that fraction of '. Pixel distance is determined by which the photometric center is removed from the edge of the last recipient considered.

5. Device according to item 1 to 4, characterized in that the boundaries of the optically active structure. Differentiation of the stepped signals formed by the Einzelampiituden by means of a differentiator and comparison of the output signals obtained with an adjustable setpoint can be determined by a comparator.

6. Device according to item 1 to 4, characterized in that the structures are determined by threshold value comparison from the read-out individual amplitudes by means of comparator. .

7. Device according to item 1 to 6, characterized in that a position determination of optically active structures can be realized with a sensitivity that significantly 'undershoots the center distances of the Einzeiempfänger the array used. ·

8. Device according to item 1 to 7, characterized in that the measurement takes place according to the interference line method in an analogous manner.

9. Device according to item 1 to 8, characterized in that are used as delay elements delay strings or analog shift register.

For this 2 pages drawings __ _