DE3422689A1 - DEVICE FOR PHOTOMETRIC STRUCTURAL DETECTION WITH A PHOTO RECEIVER ARRAY - Google Patents

DEVICE FOR PHOTOMETRIC STRUCTURAL DETECTION WITH A PHOTO RECEIVER ARRAY

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DE3422689A1 DE19843422689 DE3422689A DE3422689A1 DE 3422689 A1 DE3422689 A1 DE 3422689A1 DE 19843422689 DE19843422689 DE 19843422689 DE 3422689 A DE3422689 A DE 3422689A DE 3422689 A1 DE3422689 A1 DE 3422689A1
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Ralf Dipl.-Ing. DDR 5080 Erfurt Christoph
Andreas Dipl.-Ing. DDR 4400 Bitterfeld Reinsch
Hans-Günter Prof. Dr. DDR 7065 Leipzig Woschni
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Jenoptik Jena GmbH
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

"3 /, ο 7 κ? 4i- ζ. <&."3 /, ο 7 κ? 4 i- ζ. <&.

Einrichtung sur fotom@triscb.ea Struktur or terkennung mit einem FotoempfängerarrayEstablishment sur fotom@triscb.ea structure location identification with a photo receiver array

Die objektive Lagerestimraang το» optisch wirksamen Stxmk» türen ist in. eier TeGhnik, insbesondere la d@r Peinmefifceohnik eine Aufgabe von ständig wachsend©r B©d@utu^go D&t Ort optisch wirksamer Struktur en τ/ird im allgemsiBta unt©^ Zu«» hilfenalime τοη Zielmikroskop©» ausammen. mit ©ia@m Längen·=· meßsystem ermittelt. Dabei orlQEtlert man siok auf da§ du5?oh optische Abbildung erzeugt® Schattenbild &®& Obiektas,, Zur Objektivierung des Amtaat©ms τοη Körperkant«η auf optischem Wege kann das Interferenalinienverfahrea (Jenaer Ruadschau 1976/4 S. E01-203) eingesetzt w©rdeno la aunebmendem Maße sind neben einer Immer höhtren leßgenauigkeit möglichst kurze Meßzeiten von Interesse« Hier liegt @ia Aawenausgsgebiet Toa sehr schs©ll©n5 hoohgenauen leßeinriohtungeE fyx dia fotomatrisohe Struktur ort er kennung auf digit al esi oder &sa,log©m Wege τογ0 The objective position limit το »optically effective Stxmk» doors is in. Eier TeGhnik, in particular la d @ r Peinmefifceohnik a task of constantly growing © r B © d @ utu ^ g o D & t place optically effective structure en τ / ird in general ^ Combine to «» hilfenalime τοη target microscope © ». determined with © ia @ m length · = · measuring system. Thereby one orlQEtlert siok on da§ du5? Oh optical image produced® shadow image & ® & Obiektas ,, for the objectification of the office © ms τοη body edge «η by optical means the Interferenalinienverfahrea (Jenaer Ruadschau 1976/4 p. E01-203) can be used w © rden o la aunebmendem measures are in addition to a Always höhtren leßgenauigkeit shortest possible measurement times of interest "here lies @ia Aawenausgsgebiet Toa very schs © ll © n 5 hoohgenauen leßeinriohtungeE FYX he ort dia fotomatrisohe structure identifier to digit al esi or & sat lied © m paths τογ 0

optisoh-Trisusllen (subJaktiven) Verfateen (Ter eiasr optisohea Maske mit einem !©ßsfcabnorm&l) sind Eis,optisoh-Trisusllen (subJactive) processes (Ter eiasr optisohea mask with a! © ßsfcabnorm & l) are ice,

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richtungen bekannt, die objektiv arbeitende, elektro-optische Prinzipien realisieren, wie Einaelleny Zweiwellen-, Chopper- und SoanningTerfahren (Lit. Woschni, H.-G0, Wiss. Zeitschrift der FSU Jena, Mat.-Nat. Beihe (28) 1979 Heft 1). herden hohe Genauigkeiten gefordert, kann man diese durch Nullindikatoren erreichen. Um eine Längenmessung in größeren Bereichen durchführen au können, ist zusätzlich ein Maßstab erforderlich» Die genannten fotoelektrischen Mikroskope können zur Interpolation innsrhalb der Maßstabsteilung dienen. Weiterhin ist bekannt, daß als Interpolationssystem ffotoempfängerarrays (z.B. CCD-Zeilen) eingesetzt werden und gleichzeitig als Maßverkörperung dienen. Das mit solchen Anordnungen erreichbare Lokalisierungsvermögen liegt über der duroh die Mittenabstände der Einzelempfänger des Arrays gegebenen Grenze. Im WP G 01 B/234313 6 DD wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die der Belichtung proportionalen Fotoempfangersignale 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) zugeführt werden. Nachteile dieses Verfahrens sind dar hohe elektronische Aufwand sowie die durch die Umsetaaeit des ADU und die Rechenzeit bedingte relativ große Meßaeit»Known directions that implement objectively working, electro-optical principles, such as Einaelleny twin-shaft, chopper and SoanningTerfahren (Lit. Woschni, H.-G 0 , Wiss. Zeitschrift der FSU Jena, Mat.-Nat. Beihe (28) 1979 Booklet 1). If high levels of accuracy are required, this can be achieved using zero indicators. In order to be able to carry out a length measurement in larger areas, a scale is also required. The photoelectric microscopes mentioned can be used for interpolation within the scale graduation. It is also known that photoreceiver arrays (for example CCD lines) are used as interpolation systems and at the same time serve as measuring standards. The localization capability that can be achieved with such arrangements is above the limit given by the center-to-center spacing of the individual receivers in the array. In WP G 01 B / 234313 6 DD a method is proposed in which the photoreceiver signals proportional to the exposure 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 the sensitivity, calculation of the measured value). Disadvantages of this method are the high electronic expenditure as well as the relatively large measurement time caused by the conversion of the ADC and the computing time »

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet eine Interpolation zwischen den Mittenabständen der Einzelempfanger eines Fotoempfängerarrays so zu realisieren, daß der Einsatz von ADU und Digitalrechner umgangen wird. Hierdurch kann die Meßzelt und der elektronische Aufwand reduziert werden.The aim of the invention is to create a device which allows interpolation between the center distances to realize the single receiver of a photo receiver array in such a way that that the use of ADC and digital computers is bypassed. This allows the measuring tent and the electronic effort be reduced.

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Um den Einsatz von ADU und Digitalrechnern zu umgehen wird unter Verwendung von Verzögerungsgliedern und Integratoren die fotometrische Lage der auf das Array abgebildetea Struktur bestimmt. Die Lagebestimmung einer optisch wirksamen Struktur (Strich oder Kante) kann auf die integrale Definition der fotometrischen Mitte zurückgeführt werden (WP G 01 B/234 313 6 DD). Im Fotoernpfangerarray 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 aine Korrektur der Signale erforderlich. Bei der Strichlokalisierung werden die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem Array ausgelesenen, eventuell korrigierten Amplituden der Elnaelempfanger elektrisch aufintegriert. Die Halte dieses Gesamtintegrals wird mit dem Ausgang eines zweiten Integrators 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 (z.B. Laufzeitkette oder Analogschieberregister) realisiert. Die Zelt, die vom Auftreten des ersten Empfängersignals am Ausgang des Verzögerungsgliedes bis zur Koinzidenz der Hälfte des Gesamtintegrales mit dem Integral des zweiten Integraotrs vergeht, ist ein Maß für die Lage des Striches. Die Auflösung ist umso größer, je genauer die Zeitmessung er~ folgt. An Stelle der Zeitmessung kann nach Koinzidenz des Komparators die Integration mit der zugehörigen Einzelamplitude angeschlossen werden und durch Differenzbildung der beiden Werte (Vergleichswerte des Komparators) und formierung auf elektronischem Wege (analog) derjenige Bruch·*· teil des Pixel-Abstandes ermittelt werden, um den die fo-To bypass the use of ADC and digital computers the photometric position of the structure imaged on the array using delay elements and integrators certainly. The determination of the position of an optically effective Structure (line or edge) can be based on the integral definition the photometric center (WP G. 01 B / 234 313 6 DD). Signals are generated in the photo receiver array which are proportional to the area integral of the exposure over the corresponding photo element. With the serial Readout of the array results in signals at the output, the sum of which corresponds to the integral of the illuminance of the The structure shown on the array corresponds to «Since the individual elements can have different sensitivities, is a correction for high accuracy requirements of the signals required. With the line localization, those belonging to the structure are read serially from the array, possibly corrected amplitudes of the Elnael receivers electrically integrated. Holds this total integral is compared with the 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 line. That is done with a delay element (e.g. runtime chain or analog slide register) implemented. The tent from the occurrence of the first receiver signal at the output of the delay element until half of the total integral coincides with the integral of the second Integraotrs passes is a measure of the position of the line. The more accurate the time measurement, the greater the resolution follows. Instead of the time measurement, after coincidence of the comparator, integration with the associated individual amplitude can be used and by forming the difference between the two values (comparison values of the comparator) and formation by electronic means (analog) that fraction * * part of the pixel distance is determined by which the following

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tometrische Mitte von der Kante des letzten "berücksichtigten Empfängers (zweiter Integrator) entfernt liegt. Ss kann so eine Empfindlichkeit erreicht werden, die die Größe der Mittenanbstände der Einzelempfanger des verwendeten Arrays erheblich unterschreitet. Um Meßfehler durch stochastische Unsicherheiten der Binzelamplituden und eventuell vorhandene Hintergrundhelligkeit so gering wie möglich zu halten, werden nur die zur Struktur gehörigen Signale ausgewertet. Die Strukturgrenzen können durch Differentiation dea durch die Einzelamplituden gebildeten stufenförmigen Signals mittels eines Differenziergliedes und Vergleich der erhaltenen Ausgangssignalθ mit einem einstellbaren Sollwert oder durch direkten Schwellwertvergleich der ausgelesenen Amplituden mittels Komparator bestimmt werden· Bei Einsatz des Interferenzlinienverfahrens entsteht eine Interferenzlinie, die in definiertem Abstand zur Kante liegt. Diese Interferenalinie kann auf analoge Weise mit der hier dargestellten Erfindung zur Strichlokalisierung ausgewertet werden.tometric center from the edge of the last "taken into account Receiver (second integrator) is away. A sensitivity can thus be achieved that corresponds to the Size of the center standings of the individual receivers of the used Arrays well below. About measurement errors due to stochastic uncertainties of the single amplitudes and possibly existing background brightness as low as possible to hold, only the signals belonging to the structure are evaluated. The structure boundaries can be differentiated dea step-shaped formed by the individual amplitudes Signal by means of a differentiator and comparison of the output signal θ obtained with an adjustable one Setpoint or by direct comparison of the threshold values of the amplitudes read out using a comparator When using the interference line method, a Interference line that lies at a defined distance from the edge. This Interferenlinie can in an analogous way with the invention shown here for line localization be evaluated.

Zur Lagebestimmung einer Kante nach dem Schattenbildverfah- vet) ist as erforderlich, die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem if'otoempfängerarray ausgelesenen, eventuell korrigierten Amplituden 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 2eit, die vom Auslesen des ersten Empfängersignals bis zum integrationsende des ersten Integrators vergeht und der Zeit, die von diesem Integrationsende bis zum Auftreten des Koinzidenzsignals des Komparators vergeht, ist ein Maß für die Lage der Kante. An die Stelle der Zeitmessung kann in analoger V/eise wie beim Strich eine Differenzbildung von aufsummierten Amplituden zur Interpolation herangezogen werden· Auch hier soll durch Auswertung nur der zur Struktur gehörigen Einzelempfänger-Amplituden die Vet for determining the position of an edge according to the Schattenbildverfah-) is as required, that belong to the structure, electrically in series sum up from the if'otoempfängerarray read, possibly corrected amplitudes. A stored maximum individual amplitude is integrated with a second integrator until this integral is equal to the total integral of the first integrator * The comparison is again implemented using a comparator. The difference between the time that elapses from reading out the first receiver signal to the end of integration of the first integrator and the time that elapses from this end of integration to the occurrence of the coincidence signal of the comparator is a measure of the position of the edge. Instead of the time measurement, in an analogous way as with the line, a subtraction of the summed up amplitudes can be used for interpolation

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 über die durch, die Mittenabstände der Einzelempfänger gegebene Auflösung gesteigert werden·Falsification of the measurement information can be reduced. That is possible in a similar way to line position detection. " The measuring accuracy is in turn dependent on the accuracy of the time measurement and can be increased via the resolution given by the center-to-center spacing of the individual receivers will·

Pig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur erfindungsgemäßen Lokalisierung von Striohbildern. 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 augeführt. 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 sum gleichen Zweck das Schwellwertsignal aeitverschoben über die Steuerlogik 4· Der Start der Zeitmeßeinrichtung 9 er~ folgt 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 Eingangssignal 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 gezeigte Wieder gelangen die von der CCD-Zeile 1 seriell ausgegebenen Amplituden über eine Korrekturschaltung 2 zur Schwellwertvergleichsschaltung 3. Entsprechend den hiermit bestimmten Strukturgrenzen werden im Integrator 5 die Einaelamplituden der Struktur aufintegriert, bis Komparator 8 Koinzidenz der beiden Integrale meldet.Pig. 1 shows the block diagram of a device for the invention Localization of strioh images. In the a CCD line 1 and corrected after reading by means of sensitivity correction circuit 2 Individual receiver amplitudes are a circuit for the threshold comparison 3, an integrator 5 and a Analog shift register 6 executed. The threshold comparator sends a signal to the integrator 5 and causes that only the receiver signals belonging to the structure are integrated. The second integrator 7 receives the same sum Purpose, the threshold signal is shifted over the Control logic 4 · The start of the timing device 9 er ~ follows for the first time when the array is read out and is interrupted when the structure begins. Another start occurs when the second integrator 7 with the integration begins. The timing is stopped when the comparator 8 establishes equality of its input signal. The total time measured in this way is a measure of the position of the structure, The synchronization of all assemblies of the device described is carried out by the control logic 4. In FIG. 2 an embodiment for edge location determination is shown The amplitudes serially output by the CCD line 1 are again passed via a correction circuit 2 to the threshold value comparison circuit 3. In accordance with the structure limits determined in this way, the integrator 5 the single amplitudes of the structure are integrated up to Comparator 8 reports the coincidence of the two integrals.

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Die Zeitmessung beginnt rait der Auslesung der Einzelamplitxiden. Dabei wird ein Zähler (Zeitmeßeinrlchfcung 9) gestartet« Mit Integrationsbeginn des aweiten Integrators 7 wird die Zählrichtung umgekehrt. Der Zähler zählt rückwärts, bis daa Komparatorslgnal erscheint. Der Zählerstand entspricht der gesuchten Zeitdifferenz, die ein Maß für die Lage der Struktur ist· Die Synchronisation aller Baugruppen erfolgt durch die Steuerlogik 4oThe time measurement begins with the reading of the individual amplitxides. A counter (Zeitmeßeinrlchfcung 9) started «With the start of integration of the other integrator 7 the counting direction is reversed. The counter counts down until the comparator signal appears. The meter reading corresponds to the sought time difference, which is a measure for the position of the structure is · The synchronization of all assemblies is carried out by the control logic 4o

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Claims (9)

Pat entansprüohePatent claims /ί .j Einrichtung zur fotoraetrisehen Strukturortmessung mit Ve-inem Fotoempfängerarray, auf das die Struktur abgebildet wird, dadurch, gekennzeichnet, daß aus den ausgelesenen Einzelamplituden des Arrays durch den Einsatz τοπ Verzo'gerungsgliedern und Integratoren die fotometrisch^ Lage τοη Strukturen auf dem Array bestimmt wird,/ ί .j Device for photometric structural location measurement with Ve-ine photoreceiver array onto which the structure is mapped is, characterized in that from the read out individual amplitudes of the array by using τοπ delay elements and integrators the photometric ^ position τοη structures on the array is determined, 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageerkennung einer Strichmarke die zur Struktur gehörigen, seriell aus dem Foto empfang er array abgelesenen, bei Bedarf korrigierten Amplituden der Sinze!empfänger aufintegriert werden und die Hälfte des G-esamtintegrals 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 gemessenen2eit ein Maß für die Lage der Struktur auf dem Empfangerarray darstellt»2. Device according to claim 1, characterized in that to identify the position of a line mark belonging to the structure, read serially from the photo, it receives an array If necessary, corrected amplitudes of the Sinze! Receivers are integrated and half of the total integral with the Output of a second integrator, the time-shifted the receives the same signals as long as a comparator is used to compare until equality is obtained, with the during The expired and measured time of the comparison is a measure of represents the position of the structure on the receiver array » 3· Einrichtung nach Anspruch 1,zur LagebeStimmung einer Kante nach dem Schattenbildverfahren, 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 !Comparators 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. 3 · Device according to claim 1, for determining the position of a Edge according to the shadow image process, characterized in that those belonging to the structure are taken serially from the photoreceiver array read out, if necessary corrected amplitudes of the individual receivers are integrated and that Output signal of this integrator with the output of a second integrator, which integrates over a stored maximum individual amplitude of the structure, as long as by means of of a! comparator is compared until equality is found, where the difference between the for integrating the first integral and the one for realizing the comparison required time is a measure of the position of the structure. 4· Einrichtung nach Anspruch Ibis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Zeitmessung nach Koinzidenz des Komparators die Integration mit der zugehörigen Einzelam-4. Device according to claim Ibis 3, characterized in that that instead of the time measurement according to the coincidence of the comparator, the integration with the associated individual 45414541 plitude abgeschlossen wird und durch Differenzbildung der beiden liierte (Vergleichswerte des Komparators) und Normierung auf elektronischem (analogen) Wege derjenige Bruciiteil des Pixelabstandes ermittelt wird, um den die fotometrisch^ Mitte· von dar !Carite des letzten berücksichtigten Empfängers entfernt liegt»plitude is completed and by subtracting of the two liated (comparison values of the comparator) and Normalization by electronic (analog) means that fraction of the pixel spacing is determined by which the photometric ^ middle · of dar! Carite of the last taken into account Recipient is distant » 5. Einrichtung waob Änspruok 1 bis 4$ dadurch gekennzeichnet, daß dio öreoKea &©r op'äiseli wirksamem Struktur durch Differ ent latioc ά@τ· äurcte, als Bias ©!amplituden, gebildeten stufenförmigen Signale mittels eines Differanaiergliedes und Vergleich der erhaltenen, Alis gangs signal β mit einem einstellbaren Sollwert durch einen Komparator ermittelt werden.5. Device waob Änspruok 1 to 4 $, characterized in that the dio öreoKea & © r op'äiseli effective structure by Differ ent latioc ά @ τ · äurcte, as bias ©! Amplitudes, formed step-shaped signals by means of a differential element and comparison of the obtained, Alis input signal β with an adjustable setpoint can be determined by a comparator. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Strukturen durch Schwellwertvergleich aus den ausgelesenen Einzelamplituden mittels Komparator ermittelt werden.6. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the structures by threshold comparison from the read out single amplitudes are determined by means of a comparator. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eina Lagebestimmung optisch wirksamer Strukturen mit einer Empfindlichkeit realisiert werden kann, die die Mittenabstände der Eiruaelempfanger des eingesetzten Arrays erheblich unterschreitet·7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that that a determination of the position of optically effective structures can be realized with a sensitivity that the center distances of the Eiruaelempfanger of the array used significantly below 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf analoge Weise die Messung nach dem Interferenzlinienverfahren erfolgt.8. Device according to claim 1 to 7, characterized in that that the measurement is carried out in an analogous manner using the interference line method. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8? dadurch gekennzeichnet, daß als Yeraögerungsglieder Laufzeitketten oder Analogschieberegister eingesetzt werden«9. Device according to claim 1 to 8 ? characterized in that transit time chains or analog shift registers are used as delay elements « 45414541
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