SU1744446A1 - Измеритель координат элементов объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  размеров и координат элементов плоских микроструктур. Цель изобретени  - повышение быстродействи , разрешени  и точности измерени . Контролируемый объект 4 перемещаетс  относительно светового потока, формируемого осветителем 2. Увеличенное изображение объекта проецируетс  в плоскости анализирующих щелей 7 и 8, имеющих разные размеры в направлении сканировани . Световые сигналы преобразуютс  фотоприемниками 9 и 10 в электрические, которые имеют одинаковую амплитуду, а середины их фронтов соответствуют моментам сканировани  границ элементов объекта. Измерение координат элементов объекта состоит из измерени  текущей координаты предметного столика 3 (осуществл етс  преобразователем 11 и счетчиком 14) и выработки импульса отсчета в момент сканировани  границ элементов (вычитающее устройство 17, компаратор 18, пороговые элементы 19, 20, формирователи 21, 22 импульсов, триггер 23, схема ИЛи 24 и схема И 25). 2 ил. (Л С

Description

ч

Јь

N Јь

Јь О

Изобретение относитс  к измерительной -технике и может быть использовано дл  измерени  размеров и координат элементов плоских микроструктур, например фотошаблонов , штриховых шкал и т.д.

Известно устройство дл  измерени  координат элементов объекта, содержащее источник света, конденсор, предметный столик, объектив, щелевую диафрагму, фотоприемник и последовательно подюпочен- ные к нему усилитель и пороговое устройство, которое вырабатывает импульс отсчета координаты.

Недостатком устройства  вл етс  низка  точность измерени , что св зано с флук- туаци ми скорости сканировани , амплитуды фотоэлектрического сигнала и уровн  срабатывани  порогового устройства .

Известен также измеритель координат элементов объекта, содержащий осветитель , предметный стол, кинематически св занный с ним электропривод, св занный с предметным столиком преобразователь перемещений , последовательно подключенные к нему блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, объектив, анализирующую диафрагму, фотоприемник , усилитель, пороговый элемент и формирователь импульсов.

Дл  этого измерител  характерны значительные погрешности измерени , вызванные нестабильностью амплитудт фотоэлектрических сигналов, шумами осве- а(ающего излучени , флуктуаци ми внешней засветки.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  измеритель координат элементов объекта , содержащий последовательно расположенные осветитель, предметный стол, объектив, анализирующую диафрагму и фотоприеммик, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком , св занный с последним преобразователь перемещений, подключенные последовательно к преобразователю перемещений блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, подключенные последовательно к выходу фотоприемника аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр, пороговый элемент и формирователь импульсов, второй формирователь импульсов, входом св занный со знаковым разр дом цифрового фильтра, блок задержки, вход которого соединен с выходом второго формировател  импульсов , триггер, входы которого подключены к выходам первого формировател  импульсов и блока задержки, элемент И, входы которого св заны с выходами второго формировател  импульсов и триггера, а его выход подключен к управл ющему входу регистра , причем тактовые входы аналого-цифрового преобразовател  и цифрового фильтра соединены с выходом блока выработки счетных импульсов.

Недостатками этого измерител   вл ютс  невысокие быстродействие, точность измерени  и ограниченна  разрешающа 

0 способность.

Быстродействие измерител  ограничено необходимостью определени  посредством цифрового фильтра текущей величины импульсного отклика при каждом вновь по5 ступившем счетном импульсе с целью определени  момента изменени  его знака (по смене знака импульсного отклика суд т о сканировани  границы измер емого элемента или его центра при определении ко0 ординат). Формирование импульсного отклика требует выполнени  цифровым фильтром многих операций по сложному алгоритму . Они должны осуществл тьс  в интервале , не превышающем период

5 следовани  счетных импульсов, формируемых блоком выработки счетных импульсов и соответствующих строго определенной величине перемещени  предметного столика. Поэтому скорость сканировани , а следова0 тельно, быстродействие (производительность ) ограничены в данном устройстве. Максимальна  скорость сканировани  дл  измерител  не должна превышать величины VMBKC l/t, где i - цена счетных импульсов,

5 соответствующа  определенной величине смещени  столика в линейных величинах, t врем  обработки результатов. Так, по известным данным реализации измерител  надежна  его работа обеспечиваетс  при

0 скорости движени  предметного столика в пределах 0-1 мм/с. При такой скорости перемощени  только на одну строку сканировани  такого объекта, как фотошаблон, будет тратитьс  несколько минут, что недо5 пустимо в производственном контроле.

Разрешающа  способность измерител  ограничена по следующей причине. В измерителе командные импульсы, характеризующие положение границ элементов

0 объекта, формируютс  совместной работой цифрового фильтра, порогового элемента и формировател  импульсов с задержкой во времени и, следовательно, по координатной оси, Длительность импульсного отклика, оп5 ределенного задержку, задаетс  исход -из максимальной длительности фронта видеоимпульса и должна более чем в два раза превышать ее. Это накладывает ограничение на минимально измер емые элементы. Размеры элементов должны быть больше

двухкратной координатной задержки, а длительности видеоимпульсов от них должны быть больше четырехкратной длительности их фронтов.

Точность измерени  снижена следующими факторами. Прот женность импульсного отклика о устройстве при контроле размеров элементов задаетс  в зависимости от прот женности кра  элемента. Прот женность же краев может мен тьс  от элемента к элементу даже на одном объекте контрол  (разна  размытость краев и их толщина, расфокусировка и т.п). Да и знание априори точной величины прот женности нереально. Вследствие этого возникают погрешности измерени . Большое вли ние на точность измерени  оказывают шумы источника света, наложенные на видеоимпульсы . Погрешность измерени  обуславливает погрешность квантовани  при представлении аналоговых сигналов с фотоприемника в виде дискретной последовательности кодов.

К недостаткам этого измерител  можно также отнести выполнение измерений не в реальном масштабе времени.

Цель изобретени  - повышение быстродействи , разрешающей способности и точности измерений.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что измеритель координат элементов объекта, содержащий последовательно расположенные осветитель, предметный столик, объектив , анализирующую диафрагму и фотоприемник, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком , св занным с последним преобразователь перемещений, подключенные последовательно к преобразователю перемещений блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, пороговый элемент, два формировател  импульсов, вход одного из которых соединен с выходом порогового элемента, триггер, схему И, один из входов которой подключен к инверсному выходу триггера, а выход- к управл ющему входу регистра, снабжен светоделителем, второй анализирующей диафрагмой, вторым фотоприемником, двум  усилител ми, вычитающим устройством, компаратором, вторым пороговым элементом , схемой ИЛИ, светоделитель установлен между объективом и первой анализирующей диафрагмой, втора  анализирующа  диафрагма с размещенным за ней вторым фотоприемником расположены за светоделителем перпендикул рно первой диафрагме, выходы фотоприемников подключены к входам усилителей, выходы которых - к входам вычитающего устройства , его выход - к входам компаратора и первого порогового элемента, а выход компаратора - к входам обоих формирователей импульсов, объединенных своими выхода- ми через двухвходовую схему МЛ И, и соединены с вторым входом схемы И, выход первого порогового элемента соединен с третьим входом схемы И, его вход - с выходом первого усилител , выход второго поро0 гового цемента соединен со счетным входом триггера, а светоделитель выполнен с коэффициентом делени , равным отношению размеров щелей диафрагм.

На фиг. 1 изображена схема измерител 

5 координат элементов объекта: на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие принцип формировани  командных импульсов.

Измеритель координат элементов объекта содержит осветитель 1, электропривод

0 2, предметный столик 3, на котором закреплен контролируемый объект 4, объектив 5. светоделитель 6. анализирующие диафрагмы разных размеров 7 и 8, фотоприемники 9 и 10, преобразователь 11 линейных пере5 мещений, блок 12 выработки счетных импульсов , регистр 13, счетчик 14, усилители 15 и 16, вычитающее устройство 17, компаратор 18, пороговые элементы 19 м 20, формирователи 21 и 22 импульсов, триггер 23,

0 схему ИЛИ 24 и схему И 25.

Осветитель 1, предметный столик 3, объектив 5, светоделитель 6, анализирующа  диафрагма 8 и фотоприемник 10 распо- ложены на одной оптической оси.

5 Анализирующа  диафрагма 7 с размещенным за ней фотоприемником 9 установлены перпендикул рно диафрагме 8 за светоделителем 6. Щели анализирующих диафрагм имеют разные размеры, а светоделитель

0 имеет коэффициент делени , равный отношению размеров щелей. При этом диафрагма с большей щелью установлена за светодели елем, где формируетс  поток с меньшей интенсивностью, и наоборот. Это

5 позвол ет получатьравные по амплитуде сигналы. Электропривод 2 кинематически св зан с предметным столиком 3. Преобразователь 11 перемещений также св зан с предметным столиком. Блок 12 выработки

0 счетных импульсов, счетчик 14 и регистр 13 последовательно подключены к преобразователю 11 перемещенийВходы усилителей 15 и 16 соединены с выходами фотоприемников 9 и 10. Входы вычитающего устройст5 ва подключены к выходам усилителей, компаратора 18 и порогового элемента 20 - к выходу вычитающего устройства 17, формирователей 21 и 22 - к выходу компаратора 18, схемы ИЛИ 24 - к выходам формирователей . Вход порогового элемента-19 соединен с выходом усилител  16, а его выход - с одним из входов схемы И 25. Счетный вход триггера 29 св зан с выходом порогового устройства 20, а его инверсный выход - с вторым входом схемы И 25. Выход схемы ИЛИ 24 подключен к третьему входу схемы И 25, выход последней - к управл ющему входу регистра 13.

Измеритель работает следующим образом .

Контролируемый объект 4, закрепленный на предметном столике 3, перемещаетс  относительно светового потока, формируемого осветителем 1. Перемещение обеспечиваетс  электроприводом 2. При помощи объектива 5 получают увеличенное изображение контролируемой структуры. Световой поток, образующий увеличенное изображение, амплитудно делитс  светоделителем 6 на два потока, пред- ставл ющие собой идентичные увеличенные изображени , которые проецируютс  в плоскости анализирующих щелей 7 и 8, имеющих разные размеры в направлении сканировании. Светоделитель осуществл ет деление потоков таким образом , что отношение интенсивностей результирующихпотоковобратно пропорционально отношению размеров щелей , размещенных на пути этих потоков. Это требование обеспечивает равенство потоков за щел ми диафрагм. При непрерывном перемещении контролируемого объекта за щел ми диафрагм получают распределение прозрачности рисунка вдоль траектории сканировани . Световые сигналы преобразовываютс  фотоприемниками 9 и 10 в электрические. Электрические сигналы имеют одинаковую амплитуду, а середины их фронтов соответствуют моментам сканировани  границ элементов объекта. Сигналы представл ют собой трапецеидальные импульсы. Эти импульсы с разных фотопри- ем-ников имеют разные длительности фронтов , что св зано со сканированием изображений щел ми разных размеров.

Одновременно со сканированием объекта преобразователь 11 перемещений вы- рабатывает электрический сигнал, характеризующий величину смещени  предметного столика 3. Этот сигнал подаетс  в блок выработки счетных импульсов, формируемых через строго определенные рассто ни , пройденные столиком 3. Счетные импульсы поступают на вход счетчика 14. Содержимое счетчика 14 представл ет собой текущую координату столика в данный момент времени. За начало координат принимаетс  точка, где счетчик приводитс  в исходное состо ние. Измерение координат элементов объекта состоит из двух процессов: измерение текущей координаты предметного столика и выработка импульса отсчета (командного импульса) в момент

5 сканировани  границ элементов. Импульс отсчета вырабатываетс  на выходе элемента И 25 и поступает на управл ющий вход регистра 13. При этом координата из счетчика 14 переписываетс  в регистр 13, где хра10 нитс  до прихода следующего импульса отсчета от следующей границы этого же или другого элемента.

Выработка импульсов отсчета происходит следующим образом.

15 Сигналы с фотоприемников 9 и 10 подаютс  в усилители 15 и 16. Схемы усилителей предусматривают подстройку поступающих на их входы сигналов по амплитуде и посто нной составл ющей. Это

0 св зано с возможностью неточности изготовлени  светоделител , который должен обеспечивать получение потоков, отношение интенсивностей которых обратно пропорционально отношению размеров щелей

5 анализирующих диафрагм. Сигналы на выходах усилителей имеют одинаковые амплитуды и посто нные составл ющие. Флуктуации величины освещающего излучени , прозрачности элементов контроли0 руемого объекта, размытости их границ не мен ют равенство амплитуд сигналов и их посто нных составл ющих (фиг. 2, U15 и U16). Равенство обеспечиваетс  вследствие того, что все нестабильности до светодели5 тел  вызовут такое же процентное отношение нестабильности после него и идентичные изменени  обоих сигналов с фотоприемников. Сигналы с усилителей подаютс  на входы вычитающего устройс.т40 ва 17, на выходе которого формируетс  от каждой границы элемента двупол рный разностный сигнал (U17). Точка перехода через нуль соответствует моменту сканировани  границы элемента. Эта точка образо45 вана вычитанием половинных значений

амплитуд обоих сигналов и ее положение не

зависит от изменений амплитуд сигналов

, так как эти изменени  идентичны .

При вычитании сигналов вычитаютс  и

50 шумовые составл ющие, представл ющие собой шумы освещающего излучени . Разностный сигнал поступает одновременно на компаратор 18 и пороговый элемент 20, Компаратор срабатывает при пересечении

55 разностным сигналом нулевого уровн  (U18). Пороговый элемент 20 срабатывает при напр жении, превышающем нулевой уровень и возможный уровень шумов разностного сигнала (U20). Импульсы с ком- п§ратора подаютс  на два формировател 

21 и 22 импульсов, которые запускаютс  по разным фронтам входных импульсов (U21 и U22). Короткие импульсы с формирователей через схему ИЛИ 24 (U24) поступают на один из входов схемы И 25. Схема И пропускает импульсы с формирователей только при наличии на двух других ее входах импульсов с триггера 23 (U23) и порогового элемента 19 (U19). Триггер запускаетс  по. фронтам импульсов с порогового элемента 20, а пороговый элемент 19 срабатывает по сигналам с усилием 16 на уровне, превышающем уровень шумов (U20). Пороговый элемент 19 запрещает прохождение импульсов на выход схемы И в отсутствии сигналов от элементов , а триггер - в интервале между фронтами сигналов , но внутри их. Запретна  функци  св зана пропусканием на выход схемы И только импульсов , соответствующих нулевому уровню разностного сигнала и, следовательно, границам элементов (U25). Короткие импульсы , передние фронты которых соответствуют моментам сканировани  границ элементов, поступают на управл ющий вход регистра 13 и производ т перепись содержимого счетчика 14. Информаци  о координатах границ элементов с регистра может передаватьс  на отображающее устройство , а может передаватс  и вычислитель дл  определени  размеров элементов как разность координат их границ.

Предложенный измеритель обладает значительно более высоким быстродействием . На частоту формировани  (период следовани ) счетных импульсов в нем не наложено никаких принципиальных ограни- чений (ограничение накладывает только элементна  база), а следовательно, нет ограничений на скорость сканировани , Огра- ничение отсутствует в св зи с формированием импульсов отсчета (командных импульсов) в реальном масштабе времени . Скорость перемещени  предметного столика в предложенном измерителе может достигать нескольких дес тков миллиметров в секунду. Следовательно, быстродействие увеличено в несколько дес тков раз.

Разрешающа  способность предложенного измерител  также более высока . В нем импульсы отсчета формируютс  практически без задержки, необходимой в прототипе дл  получени  импульсных откликов. Поэтому в предложенном измерителе нет ограничений на длительности видеоимпульсов , а его разрешающа  способности определ етс  только разрешением оптики фотоэлектрического микроскопа. Она, как минимум, в полтора-два раза выше, чем у прототипа.

и

В предложенном измерителе существенно снижены погрешности измерени , св занные с шумами источника света, с независимостью формировани  импульсов отсчета от прот женности кра  элемента, с квантованием видеоимпульсов. В рассмотренном измерителе шумы источника света исключаютс  при вычитании видеоимпульсов , импульсы отсчета формируютс  незэ-.

висимо от прот женности краев элементов по нулевому уровню разностного сигнала, а видеоимпульсы не квантуютс . В св зи с этим точность устройства повышена в полтора раза.

Таким образом, введение новых элементов и соответствующих взаимосв зей позволило повысить быстродействие в несколько дес тков раз, разрешение - в полтора-два раза, точность измерений - в

полтора раза.

Важным преимуществом измерител   вл етс  выполнение измерений в реальном масштабе времени.

Claims (1)

1. 25 Формула изобретени 

   Измеритель координат элементов объектов , содержащий последовательно расположенные осветитель, предметный столик,

   объектив, первые анализирующую диафрагму и фотоприемник, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком, св занный с ним преобразователь перемещений, подключенные последовательно к преобразователю перемещений блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, первый пороговый элемент, два формировател  импульсов, вход одного из которых соединен с выходом порогового

   элемента, триггер, схему И, один из входов которой подключен к инверсному выходу триггера, а вход - к управл ющему входу регистра, отличающийс  тем, что, с целью повышени  быстродействи , разрешени  и точности измерени , он снабжен светоделителем, второй анализирующей диафрагмой , вторым фотоприемником, двум  усилител ми, вычитающими устройством, компаратор, вторым пороговым элементом,

   схемой ИЛИ, светоделитель установлен между объективом и первой анализирующей диафрагмой , втора  анализирующа  диафрагма с размещенным за ней вторым фотоприемником расположены

   за светоделителем перпендикул рно первой диафрагме, выходы фотоприемников подключены к входам усилителей, выходы которых - к входам вычитающего устройства , его выход - к входам компаратора и первого порогового элемента, а выход компаратора - к входам обоих формирователей импульсов, объединенных выходами через двухвходовую схему ИЛИ и соединенных с . вторым входом схемы И, выход первого порогового элемента соединен с третьим вы- 5 размеров щелей диафрагмы, ходом схемы И, его вход - с выходом

   первого усилител , выход вто го элемента соединен со сч триггера, а светоделитель вы фициентом делени , равны

   размеров щелей диафрагмы,

   первого усилител , выход второго порогового элемента соединен со счетным входом триггера, а светоделитель выполнен с коэффициентом делени , равным отношению