DE2059106C3

DE2059106C3 - Verfahren und Hilfsvorrichtung zum selbsttätigen Messen von Strichbreiten oder Kantenabständen kleiner Objekte

Info

Publication number: DE2059106C3
Application number: DE2059106A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl.-Phys. 8192 Geretsried Mangelsdorf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-12-01
Filing date: 1970-12-01
Publication date: 1975-09-11
Also published as: DE2059106A1; FR2117173A5; US3758214A; GB1377656A; BE776071A; NL7116520A; DE2059106B2

Description

arbeitende Aufnahmekamera anzuordnen. Das Projektionsbild wird vob einem Elektronenstrahl abgetastet ; er liefert beim An- und Ablauf auf das Objektbild jeweils ein Signal, einen Abtastimpuls. Die Abtastimpulse werden nach ihrer Verstärkung einer Auswertelogik zugeführt. Die Auswertelogik beinhaltet einen Trigger-Stromkreis, der synchron mit dem Steuerstromkreis der den Elektronenstrahl erzeugenden Elektronenstrahlröhre betrieben wird; die Auswertelogik liefert bei jedem Durchgang einen Rechteckimpuls. Der der Breite des Objektes proportionale Abtastimpuls liegt innerhalb des vota Trigger gelieferten Rechteckimpulses. Dieser Abtastimpuls wird umgewandelt, wobei ein Gateoszillator angestoßen wird. Letzterer Oszillator liefert eine konstante Schwingungsfrequenz, die einem Zähler zugeführt wird. Die Anzahl der Schwingungen sind hierbei proportional der Laufzeit bzw. der Breite des Abtastimpulses. Die Schwingungen werden einem Zähler zugeführt. Das Zählmaß ist ein proportionales Maß für die Breite des zu messenden Objektes. Bei diesen vorgenannten elektronisch arbeitenden Verfahren zum selbsttätigen Messen von Objektbreiten besteht indessen der Nachteil einer relativ schlechten Linearität und Stabilität der optoelektrischen Bildwandlung, so daß eine maximale relative Meßsicherheit von annähernd l%₀ bei der Längenbestimmung nicht gegeben ist. Für sehr genaue Messungen, wie solche beispielsweise bei der Vermessung von Strichbreiten in der Halbleitertechnologie oder Dick- oder Dünnfilmverdrahtungstechnik vorkommen, ist daher das bekannte Verfahren schlecht anwendbar.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dieses Verfahren derart weiterzubilden, daß auch die Ausmessung der Breite von Leiterbahnen in Druckvorlagen oder Druckoriginalen, so wie sie in der Feinätztechnik oder Verdrahtungstechnik vorkommen, mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man in das Objektbild eine Begrenzungsmarken aufweisende Eichstrecke einblendet und das Objektbild zusammen mit der Eichstrecke abtastet, daß man während des Abtastens die Impulse beim Durchlaufen der Eichstrecke in einem ersten Zähler zählt und die Impulse beim Durchlaufen des Objektbildes in einem zweiten Zähler zählt und daß in einem Rechner der Quotient aus den beiden I mpulsen gebildet und dieser Quotient zur Ermittlung des Meßwertes mit einem aus den optischen und elektrischen Konstanten der Meßanordnung errechneten Faktor im Rechner multipliziert wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die relativ schlechte Linearität und Stabilität der optoelektrischen Bildwandlung der übl'chen kommerziellen Industrie-Fernsehanlagen eliminiett. Um eine maximale Meßsicherheit von weniger als l^ü/₀₀ im Arbeitsbereich des Vidikons der Fernsehanlage zu erzielen, muß die Abtastgeschwindigkeit, die Generatorfrequenz und die optische Abbildungskonstante auf etwa 10~⁴ für lange Zeit definiert und konstant sein. Die Bedingung Tür die Langzeitstabilität, insbesondere der elektronisch erzeugten Größen, für die Abtastgeschwindigkeit und die Generatorfrequenz, ist bei den herkömmlichen Fernsehgeräten mit der gewünschten Genauigkeit nicht zu erzielen oder wäre doch nur mit hohem Aufwand zu erreichen. Die heute üblichen Fernsehanlagen unterliegen wesentlich größeren Driften und Schwankungen, insbesondere in ihrem Ablenkoagssystem, welches letztlich für die Abtastgeschwindigkeit des Objektbildes ausschlaggebend sind. Durch die erfindungsgemäße Ein-

S führung der Begrenzungsmarken aufweisenden Eichstrecke in das Objektbild werden dem Videosignal geometrisch definierte Bezugsmarken aufmoduliert, wobei die beiden Begreazungsmarken den Anfang- und Endpunkt des auszuwertenden Abtastbereiches

ίο darstellen. Die Begrenzungsmarken der Eichstrecke werden dabei vorzugsweise über eine HilfslichtqueHe. z. B. mittels Lichtleitfasern, gleicnmäßig ausgeleuchtet Dadurch wird die Eichstrecke von deutlichen Begrenzungssignalen begrenzt. Die Impulsraten beim Durchlaufen der Eichstrecke einerseits und beim Durchlaufen des Objektbildes andererseits werden in der bereits beschriebenen Weise in zwei elektronischen Zählern gleichzeitig gebildet. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden somit weder an die Abtastgeschwindigkeit noch an die Impulsfrequenz absolute und relative Genauigkeitsanforderungen gestellt. Mögliche Driftschwankungen werden durch die VerhältnisbiJdung eJiminiert. Lediglich im Zeitintervall der Abtastung einer Zeile, d. h. im Bereich der Begrenzungsmarken der Meßstrecke müssen beiden Größen mit hinreichender Genauigkeit konstant sein. In diesem relativ kurzen Zeitintervall von weniger als 40 psec kann diese Forderung als gewährleistet angesehen werden. Die Zählerwerte stehen sofort in digitaler Form an, so daß sie direkt in eine datenverarbeitende Anlage zur weiteren Auswertung eingegeben werden können. Der Eichfaktor sowie die Abbildungskonstante sind bekannt und werden einmalig ermittelt und in den Rechner als Konstanten eingegeben.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zwischenbildebene des optischen Systems, vorzugsweise eines Meßmikroskops, eine Meßfeldblende eingeblendet, welche nach Art eines Rahmens ausgebildet ist und eine Eichstrecke aufweist, deren Endpunkte in Form von beleuchtbaren Begrenzungsmarken gebildet sind. Die Lichtweite des Rahmens ist hierbei größer als die größte zu messende Objektbreite. Zur Beleuchtung der Begrenzungsmarken dienen Lichtleitfasern, welche von einer gemeinsamen HilfslichtqueHe beleuchtet werden. Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind aus den Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Meßvorrichtung. Das Objekt 1 besteht z. B. aus einer Ätzkonturen aufweisenden Leiterplatte und ruht auf einem Mikroskoptisch 2. Das auszumessende Objekt wird über ein geeignetes Wechselobjektiv 3 in die Zwischenbildebene 4 und die Zwischenbildebene 4 über ein festes Objektiv 5 auf die fotoempfindliche Schicht 6' der Vidikonröhre 6 einer Fernsehkamera abgebildet. Das bekannte Fernsehsystem zerlegt das Bild in einzelne Bildzeilen, wobei die Amplitude des Videosignals ein Maß Für die Helligkeit des Gegenstandes ist.

In F i g. 2 ist der Amplitudenverlauf einer so gewonnenen Fernsehzeile dargestellt. Dieser Amplitudenverlauf kann elektrisch aus der Impulszentrale der Fernsehanlage entnommen werden. Die Anzahl der elektrischen Rechteckimpulse T ist ein Maß für die Breite des Meßobjektes, z. B. eines Ätzstriches, wenn die optischen Abbildungsverhältnisse bekannt

sind. Ferner ist eine Grundvoraussetzung, daß die Abtastgeschwindigkeit ν des Elektroncnstrahlpunktes in der Vidikonfläche definiert und konstant ist. Unter dieser Voraussetzung ergibt sich eine Objektbreite

' opt

wobei

C- ^N* ^G- NT

'opl

Die Impulsdauer T — I₂ — f, wird beispielsweise so ermittelt, daß zum Zeilpunkt i, ein Impulszähler gestartet wird, in dem Impulse geeigneter Folgefrequenz /, erzeugt durch einen Frequenzgenerator, eingezählt werden. Zum Zeitpunkt I₂ wird der Zähler gesperrt. Die Zahl der gezählten Impulse/V ist bereits ein digitales Maß Tür die Strichbreite

= J-T,

V ., 1

wobei V_opl die Abbildungskonslante, beispielsweise des Meßmikroskops, ist. Um insgesamt eine maximale relative Meßsicherheit von l%o '^m Arbeitsbereich des Vidikons zu erzielen, muß die Abtastgeschwindigkeit D, die Generatorfrequenz / und die optische Abbildungskonstante V_op, auf etwa 10~⁴ für lange Zeit definiert und konstant sein. Vor allem die Bedingung der Langzeitstabilität, insbesondere der elektronisch erzeugten Größen υ und /, ist mit dieser Genauigkeit keinesfalls gegeben und wäre nur mit hohem Aufwand zu erreichen. Zur Erreichung der gewünschten Meßgenauigkeit dient eine Meßfeldblende.

Die in F i g. 3 dargestellte Meßfeldblende besteht aus einem Rahmen 7 mit einer Ausnehmung 8, welche in ihrer Längenausdehnung S größer ist als die größte zu erwartende Meßgröße G. Das in der Ausnehmung 8 schraffierte Feld 9 ist das Meßobjekt, dessen Ausdehnung als Größe G zu messen ist. In der Meßfeldblende sind Schlitze 10 und 10' eingebracht, wobei der Abstand dieser Schlitze die Eichstrecke K ist. Die Schlitze sind die Begrenzungsmarken der Eichstrecke. Von einer Lichtquelle 11 führen Lichtleitfasern 12 und 12' zu den Begrenzungsmarken 10 und 10'. Die dargestellte Meßfeldblende wird in die Zwischenbildebene der F i g. 1 eingeblendet, so daß dem Videosignal geometrisch definierte Bezugsmarken aufmoduliert werden. Das Meßobjekt 9 ist nunmehr in dem den Arbeits- bzw. Meßbereich des Gerätes definierenden Blendenfeld abgebildet, wobei die Begrenzungsmarken 10 und 10' den Anfang- und Endpunkt des Arbeitsbereiches darstellen. Wesentlich ist es hierbei, daß die durch den Abstand der Begrenzungsmarken gegebene Eichstrecke K zur Ermittlung der Meßstrecke G dient. Die Meßfeldblende wird von dem linsensystem 5 te auf das Vidikon abgebildet

Der durch diese Anordnung gewonnene Verlauf des Videosignals zeigt Pig. 4. Die zu messende Strichbreite G «gibt sich aus den nachfolgenden Beziehungen: ig

r ^v u ^!
G= f N β -ψ

J 'O|»

ist.

Die Impulsraten N_A und N_B werden in der bereits beschriebenen Weise in zwei elektronischen Zählern gleichzeitig gezählt. An die Abtastgeschwindigkeit ν und an den Frequenzgenerator bzw. an die Impulsfrequenz / werden weder absolute noch relative Genauigkeitsforderungen gestellt, da diese Größen durch die Verhältnisbildung eliminiert werden. Lediglich während der reinen Meßzeit (Zeit für die Abtastung der Zeilen im Bereich der Bezugsmarken) — deren Dauer höchstens 40 μβεΰ beträgt — müssen beide Größen mit hinreichender Genauigkeit konstant bleiben. Diese Forderung ist bei den handelsüblichen, industriellen Fernsehgeräten gewährleistet. Die Zählerwerte N_A und N_B stehen sofort in digitaler Form an und werden unmittelbar in eine datenverarbeitende Anlage, z. B. einem Rechner, zur weiteren Auswertung zugeführt. Der Eichfaktor K und die Abbildungskonstante V_opi werden einmalig ermittelt und als Konstante in den Rechner einprogrammiert.

In vielen praktischen Anwendungen interessiert nicht nur die Breite z. B. einer Leiterbahn, sondern auch ihr Abstand zu einer anderen Leiterbahn. Auch diese Meßaufgabe kann mit einem nach dem obigen Verfahren aufgebauten Fernsehmeßkopf gelöst werden. Hierzu wird der Meßkopf in eine geeignete Koordinatenmeßmaschine eingebaut.

Wie insbesondere aus F i g. 5 hervorgeht, ergibt sich die Lage des Strichbildes in bezug zur optischen Achse des Meßkopfes aus drei Zählraten N_A, N_c und N,,. Die optische Achse wird so definiert, daß sie die Bildebene an der Stelle 1/2 K durchstößt. Die Abweichung P ist die Abweichung der Strichmitte von der optischen Achse.

ρ _ 0.5 (N₀-NJ+ N,-0,5 N,

P =

N_D

_c - N_A

Zur Ermittlung der Lage des Striches in der Meßebene der Koordinatenmeßmaschine wird die Abweichung P voizeicheniichüg zum Maßstabswert der Maschine hinzuaddiert.

Da die Bildfolge im Fernsehsystem mit 50 Hz synchronisiert ist, werden fiir die Bildung eines einzelnen Meßwertes nar 2Θ msec benötigt. Es können daher ia kürzester Zeit mehrere Emzelwerte gewonnen werden, so daß über eine statistische Auswertang die Meßunsicherheit erheblich redoziert wird. Die Auswertung kann hierbei in der gleichen Reohenanlage, <Be zur Errechnung des Einzeiwertes benötigt wird, erfolgen. Es entsteht somit kern Mehraafwaad.

In Fi g. I isi die Meßfeldblende ia der Zwiscfeenbüdebene4 angeordnet. Hierzu wird eine Blende

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gemäß der F i g. 3 benötigt. Die Herstellung einer solchen Blende ist jedoch technisch aufwendig. Ein weiterer technischer Lösungsweg ist in der F i g. 6 dargestellt. Hier erfolgt die Einblendung der Eichstrecke durch Einspiegelung in den Mikroskopstrahlengang über einen Strahlenteiler 13. Die Meß- und Eichstrecke werden dadurch gleichzeitig auf der Vidikonfläche abgebildet, so daß die Zwischenbildebene entfällt. Durch diese Anordnung kann die Tubuslänge des Meßmikroskops kurzer gehalten werden, wobei sich außerdem ein einfacherer optischer Aufbau für das Abbildungszentrum ergibt. Im vorliegenden Beispiel besteht die Meßfeldblende lediglich aus einem beliebigen Träger mit eingearbeiteten Schlitzen 10 und 10', der von einer Beleuchtungseinrichtung 15 über einen Kondensor 16 gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

Wie aus F i g. 7 zu ersehen, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Begrenzungsmarken 10, 10' so anzuordnen, daß das Objekt 9 im Meßfeld 18 durch Umsteuerung des Ablenksystems der Fernsehkamera in seiner Breite und Höhe abtastbar bzw. meßbar ist. In diesem Falle trifft die Meßfeldblende zwei orthogonal zueinander verlaufende Eichstrecken K und K', die durch die Begrenzungsmarken 10 und 10' sowie 100 und 100' begrenzt sind.

Die leuchtenden Begrenzungsmarken der Eichstrecke 10 und 10' werden von einem Objektiv 16 mittels des Strahlenteilers 13 auf die Vidikonfläche 6' des Vidikons 6 abgebildet. Der Strahlenteiler 13 bietet den weiteren Vorteil, gleichzeitig einen geeigneten Auflicht-Beleuchtungastrahlengang zum Beleuchten des Objektes 1 mit einzuspiegeln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509 6

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum selbsttätigen Messen von Strichbreiten oder Kantegabständen kleiner Objekte im Meßfeld eines optischen Systems, vorzugsweise eines in der Zwischenbüdebene eines Meßmikroskops abgebildeten Objektes, wobei das Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht der Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertra- to gen und in einzelne Hell· und Dunkelstellen aufweisende Bildzeilen zerlegt wird und die so erzeugten Abtast-Signalfolgen einer die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik, vorzugsweise einem Rechner, zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man in das Objektbild eine Begrenzungsmarken (10,10') aufweisende Eichstrecke (K) einblendet und das Objektbild zusammen mit der Eichstrecke cbtastet, daß man während des Abtastern die Impulse (N) beim Durchlaufen der Eichstrecke (K) in einem ersten Zähler zählt und die Impulse beim Durchlaufen des Objektbildes in einem zweiten Zähler zählt und daß in einem Rechner der Quotient aus den beiden Impulssummen gebildet und dieser Quotient zur Ermittlung des Meßwertes mit einem aus den optischen und elektrischen Konstanten (V_ofl) der Meßanordnung errechneten Faktor im Rechner multipliziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Eichstrecke (K) in den Strahlengang des optischen Systems einspiegelt,

(K\ 2 ) der Eichstrecke (K) beidseitig von der optischen Achse des optischen Systems gelegen sind, und daß man das Objektbild mit der eingespiegelten Eichstrecke (K) auf die fotoempfindliche Schicht (6) der Vidikonröhre (6) einer Fernsehanlage überträgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenbüdebene des optischen Systems, vorzugsweise eines Meßmikroskops, eine Meßfeldblende (7,8) eingeblendet ist, wobei die Meßfeldblende in der Art eines Rahmens ausgebildet ist und beleuchtbare Begrenzungsmarken (10, 101 aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmarken (10,10) mittels von einer Hilfslichtquelle(ll) führender Lichtleitfasern (12, 12') beleuchtet sind.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßfeldblende zur Begrenzung von zwei orthogonal zueinander gerichteten Eichstrecken (K, K') jeweils zwei Begrenzungsmarken (10, 10' sowie 100, 100') eingebracht sind.

6 Vorrichtung nach Ansprüchen 3 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die die Begrenzungsmarken (10, 10') aufweisende Eichstrecke (K) über einen im optischen System eingebrachten Strahlenteiler (13) zusammen mit dem Objektbild auf die fotoempfindliche Schicht (6') einer Vidikonröhre (6) übertragen wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum selbsttätigen Messen von Stricbbreiiea oder Kantenabständen kleiaer Objekte im Meßfeld eines optischen Systems, vorzugsweise eines in der Zwischenbildebene eines Meßmikroskops abgebildeten Objektes, wobei das Objektbild auf die fotoempSndliche Schicht der Vidikonröhre einer Fernsehkamera übertragen und ia einzelne Hell- und Dunkelstellen aufweisende Bildzeilen zerlegt wird und die so erzeugten Abtast-Signalfolgen einer die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik, vorzugsweise einem Rechner zugeführt werden.

Die genaue Messung von Längen, Breiten oder Abständen erfolgt, insbesondere bei zweidimensionalen Körpern, vorzugsweise mit Hilfe eines Meßmikroskops. Dabei wird unter anderem die zu ermittelnde Meßstrecke in der Zwischenbüdebene des Meßmikroskops mit Hilfe von Okularmikrometern oder anderen geeigneten Maßstäben," z. B. Strichplatten, vermessen. Hierbei wird z. B. das mit einer Skala versehene Fadenkreuz oder eine Strichleiste visuell an das Bild des Gegenstandes angelegt. Dieser Meßvorgang ist umständlich, zeitraubend und seine Genauigkeit stark von der Bedienungsperson abhängig. Die Meßdaten werden manuell erfaßt. Eine direkte Eingabe der Meßwerte in eine Datenverarbeitungsanlage — wie es zur Rationalisierung oft gewünscht wird
ist auf diesem Wege nicht möglich.

Auch ist es bekannt, das Meßobjekt unter Verwendung eines Meßmikroskops und einer Fernsehkamera elektronisch abzutasten. Die entsprechend tlen Hell- und Dunkelstellen des Objektbildes erzeugten Abtast-Signalfolgen werden einer, die gesuchten Meßwerte liefernden Auswertelogik zugeführt. Die Auswertelogik kann hierbei aus einem Zähler und Rechner bestehen, wobei letzterer sodann das Meßergebnis liefert. Auch ist eine elektronische Meßeinrichtung bekannt, bei der das Meßobjekt von einem, von einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Abtaststrahl abgetastet wird. Hierbei ist das Meßobjekt zwischen der Kathodenstrahlröhre und einem mehrere Fotoelemente aufweisenden Abtaststrahl-Empfänger angeordnet. Die Kathodenstrahlröhre liefert einen zweiten Abtaststrahl, der senkrecht zum ersteren verläuft und ein Meßraster abtastet. Die gegenüber der im Hintergrund de* Meßobjektes von der Kathodenstrahlröhre erzeugten Abtaststrahlen gelangen an die Fotoelemente, deren Signale einem Gatter zugeführt werden. Im Bereich des Meßobjektes wird bei jedem Durchgang des ersten Elektronenstrahles durch das Abtastfeld der Abtaststrahl unterbrochen. Durch den Unterbrechungsimpuls wird ein Gatter geöffnet; es gelangt die vom zweiten Elektronenstrahl Beim Abtasten des Rasters erzeugte Signalfolge in einen Rechner. Das Gatter schließt und unterbricht somit die Zählsignalfolge sobald der Abtaststrahl im Abtastfeld am Meßobjekt vorbeigelaufen ist und wiederum an die Fotoelemente gelangt. Die im Rechner gezählten Impulse werden mit dem Abstand des Rasterteilungsmaßes multipliziert; man erhält so das zu ermittelnde Maß. Bei dieser bekannten Anordnung besteht jedoch der Nachteil, daß mit zwei synchron laufenden Elektronenstrahlen gearbeitet werden muß, wobei außerdem die Anwendung eines nur mit hohem Arbeitsaufwand zu erstellenden Meßrasters erforderlich ist.

Zur Breitenmessung von laufenden Bändern, Strängen ist es bekannt, über dem Strang eine elektronisch