Устройство для определения границ интерференционных полос Советский патент 1983 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к техничес кой физике и может быть использовано для определения границ раздела светлого и темногб полей элементов изображений. - . :

Известно устройство для определения границ поло:сы, содержащее, дифференциальную диафрагму, систему сомещения световых потоков, состоящую из отклоняющего и полупрозрачного зеркал, фотоприемникflj.

Однако в этом устройстве на точность определения границ.интерференционных полос влияет относительный сдвиг щелей диафрагмы в направлении сканирования и размытость границ раздела светлого и темного по.лей изображения. Кроме этого, устройство не позволяет регистрировать границы интерференционных полос, имеющих малые размеры в направлении сканирования.

Наиболее близким к изобрехению является интерференционное устройст.во, содержащее последовательно расположенные щелевую диафрагму, двуплечий интерферометр q противофазно настройкой, .ограничительную диафрагму и фотоприемник .

Однако точность определения, гра- нуц полос этим устройством ограничена и определяется длительностью фронтов треугольногосветового импуЛьса (вершина которого соответствует прохождению границы полосы осевой линий щелевой диа фрагмы) ,эависящей от ширины целевой диафрагмы вдоль направления сканирования и равной ее половине.

Целью изобретения является повышение точности определения границ элементов изображенид. . Указанная цель Достигается тем. Что в устройство, содержащее ndследовательно расположенные щелевую диафрагму, двуплечий интерферометр . с противофазной настройкой, ограничительную диафрагму и фотоприемник, введены расположенные между гделеьой диафрагмой и интерферометром пентаприма,одна из отраженных граней которой полупрозрачна, а входная грань параллельна щелевой диафрагме, и два оптически связанных плоских зеркала Одно из которых расположено непосредственно за выходной гранью . пентапризмы под углом ней, а другое - параллельно, полупрозрачной грани пентапризмы, при этом оптические оси плеч интерферометра смещены одна, относительно .другой на- . величину, не превышающую третьей части размера щелевой диафрагмы, а размер ограничительной диафрагмы не превышает двух третьих размера щелевой диафрагмы.

На фиг. 1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства;

на фиг. 2 - диафрагма изменения результирующего светового.потока в зависимости от положения границы . сканируемого элемента изображения отно.сителЬно щелевой диафрагмы.

Устройство содержит шелевую .диафрагму 1, пентапризму 2 с одной полупрозрачной отражающейгранью, плоские зеркала 3 и 4, двуплечий интерферометр 5, состоящий из светоделителя б, плоских зеркал 7 и 8 и полупрозрачного зеркала 9, ограничительную диафрагму 10 и фотоприемник

.11.; .V /:-: : :.

Диафрагма 1 расположена в плоскости сканируемого изображения,образованного скОллимированным когерентным монохрома тическим световым потоком. За диафрагмой 1 расположена пентапризма 2. с; одной полупрозрачной отражающей гранью таким образом, что ее вхоДная грань перпендикулярна световому потоку, прошедшему через диафрагму. Плоское, зеркало 3 располоя5ено под углом 45. к выходной храйи пент.априз мы 2, а зеркало 4 - параллельно ее полупроз- рачнрй грани. Светоделитель б инТерфёрОметра 5 расположен на пути Светового потока, прошедраего через полупрозрачную, отражающую грань пентапризмы; 2, под;углом 45° 1.

Плоские;зеркала 7 и 8 установлены параллельно светоделителю б На пути прошедших через светоделитель и отразившихся от него световых потоков. Этими зеркалами потоки- сов- мещаются ;на полупрозрачном зеркале 9, причем разность их хода равна нечетному числу полуволн используемого когерентного монох аоматичёского света. Оптические оси плеч интерферометра 5 смещены одна отнОсиелЬно другой на величину дХ путем инейного перемещения на такое же асстояние, зеркала 7 вдоль опти еской оси соответствующего плеча, вследствие чего совмещаемые на полупрозрачном зеркале 9 световые потоки, формирующие результирующий световой. . поток, растространяются по одному тому же направление и имеют сечеНИН, смещенные друг относительно руга на величину.лХ.бграничительная диафрагма 10 уста:новлена за интерферометром 5 на пути результирующего светового потока, причем максимальная, ее ширина 2„ „меньше ширины S щелевой диафрагмы 1 (в направлении сканирования) на величину дХ линейного смещения се чений световых потоков, совмещаемых полупрозрачным зеркалом 9. ФотОПриемник 11 расположен за oi- раничительной диафрагмой 10.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении вдоль оси X границы элемента изображения отиосительно щелевой диафрагмы 1 за ней формируется световой поток, по сечению которого переметается изображение границы, светлого и .темного полей. Этот световой поток попадает в пентапризму 2 и ее полупрозрачной отра- жающей гранью делится на два пучка, один из которых распространяется за пентапризмой, а другой, претерпевая еще одно отражение на грани пентапризмы 2, направляется перпен- О дикулярио первому.

Зе| калами 3 и 4 этот пучо1с направляется на полупрозрачную от:ражаимцую грань пентапризмы 2, где он совмещается с первым пучком, ррр- 15 шедшим через 31ту грань призму. Таким образом , за призмой 2 формируется световой п.оток, в сечении которого наблюдается встречное движение границы светлого и темного полей 20 сканируемого щелевой диа.агмой 1 , изо&ражеЙ1ия. Попадая в интерферометр 5, атот поток амплитудно делится на два потока, совмещаемых в противофаэё с линейным смещением их сечений на 25 величину дХ на полупрозрачном зеркале

,.-.-. . . . : : Таким образом, в обцем случае на полупрозрачном.зеркале 9 совмещаются и интгерферируют между собой четыре когерентных монохроматических рветовых пучка. 1Результирующий световой поток, получаемый .при этом, через ограничительную диафрагму попадает

на фотрприёмйик 11, осуществляющий его фотоэлектрическое преобразование.5 Результн1р «шйм световым потоком за огранййитёйбной диафрагмой является поток, сечение; которого принадлежит однрйрёменно четырем световым пучкам, его .Форйирующйл, : , -40 -;Рас,4бтрйм. различные этапы перемещения ; Вдоль реи X границы раздеJia светлого и тёмного полей изображения от йоёитёльнЬ щелевой .диафрагмы

1и величинурезультирующего свето- 45 BqronpTOjta, попадающего при этом

на фотрпрйемник 11.

;П)ри aet)eMem(HHH границы раздела вдоль, дагафрагмй 1 на полупрозрачнрм 3eipK irie Si наблюдается встречное CQ Движение flieyx пар изображений этой граница, сдвинутых друг относительно на и К 6 каждой паре .До ее подода в точке .;,едвквутой отярсительно нуля.на лX, результирующий ;свё- е товрй поток, псхступайщий на фОтрпз йемник, увеличивается по линейному .эакрну (фиг. 2), так как от нуля до

2ДХ гве;яичивается величина участков ёго сечения, с крторых на фотопрйе ник 11 попадают Световые лучи А и 60

В. :.: дальнейшее движение границы ртносительно скЁкнирующей диафрагмы 1 приводит к тому, что на полупрозрачном з еркал€ 9 появляются участки, где 65

совмещаются и попарно интегрирует между собой изображения элемента, сформированные световыми потоками А и А , В и В . Из-за протквофазнойо настройки интерферометра 5 .интенсивность тех участков, сечения результирующего светового прток.а, где попар нр перекрываются изображения, сформированные потоками А и.А , В и в (осуществляется двухлучевая интерференция) , равна нулю. ПрэтРму на участке перемещения Х,-Х2 граница . сканируемого элемента изображения величина результирующего светового потока остается постоянной.. Положение точки Х2 на оси X определяется моментом встречи на полупррзрдчнрм зеркале 9 изображений, сформированных световыми потоками А и В.

Перемещение границы элемента от точки X 2 до точки Хз , совпадающей; с осевой линией диафрагмы 1, приводит к появлению участка сечения результирующего световово потокаj на котором интерферируют между собой лучи А и в . Величина этого участка изменяется при этом от нуля до ИХ и, лак как интернсивность pegульг тирующего светового.потока на этом участке равна нулю из-за разности хода интерферирующих лучей, равной Нечетному числу полуволн используемого света, результирующий световрй поток,, попадающий на фотоприемник 11, линейно изменяется от максимального значения до нуля. Так-как на полупрозрачном зеркале 9 происходит встречное движение изображений i aницы контролируемого элемента, изменению величины участка интерференции лучей Аи В от нуля до дХ соответствует линейное перемещение границы элемента относительно диафрагмы i найХ/2( Tie.величина отрезка Х2-Хэ равна и Х/2) . МЙнимальнр.го значения результирующий световой поток достигает в тОт метлен, кода на полупрозрачном зеркале 9 встре.тятся изображения границы элемента, сформированные лучами А. и в . Перемещение границы элемента относительно диафрагмы 1 от Xj до Х приводит к появлению участков сечения результирующего потока с трехлучевой ,:интерференцией. Между собой интерферируют световые лучи А ,Аи В иа одч нон участке сечения результирующего потока и А,ви в на другом его учаске. Суладарная величина результирующег светового потока линейно увеличивается от нуля до максимума при достиже НИИ границей элем.енга трчки X из-за интерференции трех лучей,причём фронт его нарастания равендХ/2 Максимально значение светового потока на фотопрй емнике 11 соответствует моменту встрчи на полупрозрачном зеркале 9 изо Сражений, сформированных лучами А и

При дальнейшем перемешении границы ,сительн6 диафрагмы 1 до точки Xj реэультируюсций поток остается постоянным, так как на центральном участке его сечения наблюдается че- тырехлучева. интерференция и интенсивность светового потока во всех точках этого участка станет равной нулю. Величина участка с четырехлучевой интерференцией увеличивается (при постоянном значении величины участков с трехлучевой интерференцией) до момента выхода иэображенкЧ границы элемента, сформировангных лучами Аи В, за пределы ограййчительной диафрагмы 10. Перемещение границы элемента относительно диафрагмы 1 за точку Хд(привесит к увеличению величины участка сечени результирующего потока с четырехлучевой интерференцией- за счет же уменьшения участков с трухлучевой интерференцией, поэтому результирующий поток, попадающий на фотоприемник, линейно уменьшается и достигает нуля.в момент выхода границы элемента за пределы сканирующей диафрагмы 1 (точка Xg). В этот мсмент за пределы сечения результиру ющего потока, ограниченного диафрагм мой 10, выходят изображения границы элемента, сформированные лучами Аи В .Величина отрезка Xj-X (, ДХ..

Таким образом,, световой поток/попадающий на фотоприемник,изменяется по сложному закону при сканиро,вании границы контролируемого эле-, мента изображения щелевОй диадрагмой 1, причем его изменение при прохождении границы вблизи осевой линии диа,фрагмы имеет треугольный вид. Минимальное значение потока соответствуе сканированию границы элемента осевой линией диафрагмы. Вершина треугольного электрического импульса с фотоприемника 11 может быть определена /любым известным способом.

Максима/ibHoe смещение дХ дщ оптических осей плеч интерферомента5 одна относительно другой не должно превышать третьей части размера S

щелевой 1иафрагмы 1,т.е. макс i так как в этом случае изменение результирующего светового потока происходит таким образом, что максимальное его значение при увеличеНИИ от нуля до максимума (,) сопадает с максимальным значением при его уменьшении от максимума до нуля (У. 2 -Xj) . При этом участки

Х -Х равны нулю. Тогда правомерна эа макс 5

ПИСЬ, Т

В то же время

MOIKC W«t.C votKC 3

Следовательно, 2

I.

т.е. размер ограничительной.диафрагмы 10 не должен прёвьашать двух третьих размера щелевой диафрагмы 1,

В предложенном устройстве длительность фронта нс1растация и спада треугольного электрического импульса равна половине величины ДХ смещения оптических осей плрч интерферометра.

Величину этого смещения можно выбирать в указанных ранее пределах. Поэтому и длительность фронта результирующего сигнала можно сделать значительно короче длительности фронта результирующего сигнала, получаемого при помощи известного устройства, та как в нем длительность фронта равна половине ширины сканирующей щелевой циафрагмы. Вследствие этого крутизна получаемых на предложенном устройстве импульсов больше крутизны треугольных сигналов иа выходе из вестного устройства. В связи с этим импульсные помехи и шумы также оказывают меньшее влияниг на вьщеление вершины треугольного импульса.

Таким образом, введение новых элементов и их связей позволяет повысить точность определения границ элементов изображения в 2,5 раза по сранению с известными устройствами.

Предложенное устройство может найти широкое применение при контроле топологии таких плоскопараллельных объектов, как аэрофотоснимки, в устройствах обработки графической информации. В частности, его использование на предприятиях электронной промышленности для автоматизированного контроля линейньзх размеров и координат элеменТ(в микросхем и фотсшаблонов позволяет оперативно и с более высокой точностью проводить объективный контроль качества их изгфтовления на различных этапах технологического процесса, увеличить процент выпуска годных изделий, улучшить условия и производительность труда операторов-контролеров за счет уменьшения доли . ручного труда.

f К) Ц

5 6

Фиг.г

УСРРСЙ СТВр для ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ ЙНТЕРФ РЕНЦШННЫХ ПОЛСС, СОдержаиее последовательно расположенные щелевую диафрашу, двуплечий интерферометр с противофазной настройкой, ограничительную диафрагму и фотоприемнико о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены расположенные между щелевой диафрагмой и интёрферометром пентапризма, одн& из отражающих граней которой полупроэ: рачна, а входная грань параллельна щелевой диафрагме, и два оптичецкй связанных плоских зеркала,одно из которых расположено непосредственно за выходной гранью пентаприз « под 45® к ней,а другое „параллельно полупрозрачной грани пентапризки, при этом оптические оси плеч интерферометра смешены одна относительно Другой на величину, не превышающую третьей части размера щелевойдиафрагмы, а размер ограничительной Диафрагмы не превьшает двух «Л третьих размера щелевой .диафрагмы. --J « 00