Интерференционный способ определения положения границы объекта Советский патент 1984 года по МПК G01B9/02 G01B11/02 

оо

со 42

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения границ микрообъектов при сканировании.

Известен фотоэлектрический метод регистрации границы полосы, заключающийся в сканировании полосы двумя параллельными светош гми потоками фотоэлектрическом преобразовании двух световых потоков, сечения которых образуют перемещающиеся в одном направлении изображения границы сканируемой полосы, сравнении получаемых электрических сигналов flj ,

Этот способ не позволяет регистрировать обе границы полосы, а точность ее определения мала из-за необходимости сравнения двух световых потоков.

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный способ определения положения границы объекта, согласно которому сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые ручки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал С2.

Однако точность определения границ по известному способу ограничена вследствие невозможности формирования сигналов, крутизна фронтов которых более чем в два раза превьшает крутизну фронтов сигналов, получаемых при сканировании микрообъектов, а крутизна фронтов треугольных сигналов оказывает непосредственное влияние на точность определения их аершин, соответствующих моментам сканирования границ микрообъектов.

Цель изобретения - повышение точности определения положения границы объекта.

Поставленная цель достигается те что согласно интерференционному способу определения положения границы объекта, в котором сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения грани1и 1 объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностьюхода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал, после сканирования делят каждый пучок на два равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превьшающую четвертую часть их диаметра, и с

o разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света. На фиг. 1 приведены диаграммы,

поясняющие формирование результирующего светового потока, преобразоSвываемого в электрический сигнал

: в зависимости от положения границы микрообъекта относительно сечения сканирующего потока; на фиг. 2 устройство, реализующее предлагае0мый способ.

Способ осуществляют следующим образом.

Объект сканируют когерентным монохроматическим световым пучком.

5 При этом получают промодулированный световой пучок, по сечению которого перемещается изображение границы сканируемого объекта. Полученный световой пучок амплитудно делят на

0 два.

Совмещают эти пучки с взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую их часть, причем разность хода совмещаемых пучков

5 равна нечетному числу полуволн используемого когерентного монохроматического излучения. При этом получают пучок, сечение которого при сканировании образует два перемещающиеся в одном и том же направлении изображения границы объекта, сдвицутые одно относительно другого на величину взаимного смещения световых пучков. Из полученного пучка форми5руют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта. Формирование осуществляют,например, делением светового пучка на два, при0чем один из них пространственно оборачивают. Полученные при этом световые пучки имеют сечения, по которым перемещается пара смещенных изображений границы сканируемого

S объекта, причем направление их перемещения по сечению одного пучка противоположно направлению перемещения пары изображений по сечению друтого пучка. Осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.

Результирующий световой поток, сформированный при этом, представляет суперпозициючетырех пучков, каждая пара которых имеет разность хода, равную нечетному числу полуволн, и такую же разность хода между парами пучков. Сечение результирующего светового пучка образует четыре попарно перемещающиеся навстречу (от его краев к центру) изображения границы сканируемого объекта. Вследствие интерференции пучков, формирующих результирующий световой поток, его величина зависит от взаимного положения двух пар изображе-г НИИ границы сканируемого объекта по его сечению.

При пересечении границей объекта сканирующего светового пучка в сечении результирующего пучка появляется сначала только одна пара ее изображений, перемещающихся от краев к центру (фиг. 1« , где d-d - сечение peзyльtиpyющeгo пучка; Р, Р, Pj и Pl - изображения границы, смещенные и пространственно обернутые; - величина результирующего светового потока; х - направление сканирования; b - величина взаимного смещения пучков; с - сечение сканирующего пучка). Перемещение границы объекта на величину b приводит к тому, что в сечении результирующего потока появляется вторая пара ее изображений.

Величина результирующего потока до этого момента линейно увеличивается, а затем остается постоянной так как появление в сечении результирующего потока второй пары изображений границы сканируемого объекта приводит к появлению участков, -где световые лучи, формирующие два изображения, накладываются один на другого и интерферируют между собой с разностыо хода, равной нечетному числу полуволн, а интенсивность результирующего светового потока в этих участках равна нулю.

Пусть амплитуды световых колебаний четырех световых пучков, формирующих результирующий поток, равны а. Тогда в,комплексном виде выражения для световых колебаний этих

пучков, не учитываш временную часть, имеют вид

(

;

,.,«е(-/); . I I

где А,А2 и - амплитуды световых колебаний пучков в парах соответственно; L - оптическая длина пути одной пары световых пучков cf. - сдвиг фазы одного светового пучка в паре относительно другого;ft - сдвиг фазы одной

пары световых Пучков относипричем тельно другой,

0 )|(2п + 1)5/,

где п - любое целое положительное число.

Результирующее световое колебание А в тех точках сечения результирующего светового потока, где интерферируют два световых пучка, принадлежащих одной и той же паре,имеет вид . .,« . пA| A,Af ae-f (1

0, ..

так как gM(2n4f)J ,

Следовательно, интенсивность J,-. тех точек сечения результирующего светового потока, где интерферируют два световых пучка из одной пары, определяемая из соотношения J/9i

7

.А AV, также равна нулю. Поэтому величина результирующего светового потока остается постоянной до момента встречи двух изображений объекта, принадлежащих разным парам (фиг .15).

При пересечении участков неперекрывакнцихся ,изображений обеих пар начинают интерферировать между собо световые пучки из разных пар. Вследствие заранее выбранной разности хода между ними, равной нечетному числу полуволн используемого света, интенсивность результирующего потока в точках такого пересечения также равна нулю. Плов1адь зоны этого nepecf - «ейно увеличивается. поэтому результирующий световой поток линейно уменьшается от максимум до нуля, причем нулевое его значение соответствует моменту полного совпадения участков, неперекрывающи ся между собой в каждой паре изобра жений (фиг, 1в). Длительность умен шения результирзпощего светового пот ка от максимума до нуля равна полови не величины взаимного смещения пучко Дальнейшее перемещение изображений границы навстречу один другому приводит к интерференции трех световых пучков (так как появляется участок сечения,.где два световых пучка одной пары интерферируют . с одним из световых пучков другой). В этом случае результирующее све товое колебание АЗ имеет вид , , g-i(2nH)j Тогда интенсивность ( реэуль тирующего светового потока, получае мого при интерференции трех коге рентных монохроматических световых пучков, определяется выражением :,,--Ai-AlCL. Величина участка сечения, на котором осуществляется трехлучевая интерференция, линейно изменяется от, О до Ь при перемещении границы сканируемого объекта на Ь/2, поэтому и длительность изменения результирующего светового потока от нуля до максимума определяется поло виной величины b (фиг. I X). Одновременно уменьшаются участки с двух лучевой интерференцией. Результирующий световой поток достигает мак симального значения при встрече зад них (относительно направления перемещения каждой пары) изображений драницы сканируемого объекта. Дальнейшее перемещение изображений навстречу один другому приводит к появлению участка, где происходит четырехлучевая интерференция (фиг. 13). Результирукяцее световое колебание А на этом участке А| А + А А - О и, соответственно, интенсивность . равна 0. Результирующий световой поток, начиная с этого момента, остается постоянным (так как общая площадь участков, где наблюдается трехлучевая интерференф, дающая неравный нулю световой поток, остается постоянной) до тех пор, пока размер участка с четырехлучевой интерференцией не достигнет величины сечения результирующего потока без 2Ь (величины участков, на которых имеет место трехлучевая интерференция). Дальнейшее сканирование границы объекта приводит к увеличению площади участка с четырехлучевой интерференцией уже за счет уменьшения общей площади участков с трехлучевой интерференцией от максимального значения до нуля. Вследствие этого и величина результирующего светового потока линейно уменьшается от максимума до нуля (фиг. 1е ). Таким образом, формируют световой сигнал, имеющий треугольную форму при сканировании границы микрообъекта. Длительность фронта треугольного светового импульса определяется половиной величины b взаимного смещения сечений световых потоков в обеих парах, а его вершина соответствует моменту сканирования границы микрообъекта. Результирующий световой поток преобразуют в электрический сигнал. При этом форма изменения электрического сигнала повторяет форму изменения результирующего светового потока, т.е. она имеет треугольный вид при перемещении границы микрообъекта вблизи осевой линии сканирующего светового потока. Вьщеление из электрического сигнала той его части, на которой он изменяется по треугольному закону, и последующее рпределение вершиш треугольного электрического импульса, соответствзпощей сканированию границы микрообъекта, может осуществляться любым известным способом.. Ограничения, накладываемые на величину b взаимного смеще ння (в парах) пучков, формирующих результирующий световой поток, следующие: с одной стороны, способ определения оложения границы объекта не реализуем в том случае, когда b равно улю, с другой стороны, величина b граничивается тем случаем, когда ронт нарастания результирующего светового потока от нуля до максиума имеет общую точку с фронтом го уменьшения от максимального значения до нуля, т.е. когда световой . поток имеет максимум в одной точке,. Таким образом, максимальное значение b равно с/4, где с - диаметр сечения пучка, и в общем случае величина b опреде: ется неравенством

.О b

4

Устройство (фиг. 2) для реализации предлагаемого способа содержит щелевую Диафрагму 1, светоделительные элементы 2-4, плоские зеркала 5-8, призму Дове 9, ограничительную диафрагму 10 и фотоприемник 11.

Объект сканируют вдоль оси X монохроматическим световым пучком, формируемым диафрагмой 1. Полученный за ней световой пучок делят на два светоделительным элементом 2. Плоскими зеркалами 5 и 6 совмещают эти пучки на светоделительном элементе 3 с взаимным смещением их на величину, не превьшающую четвертую часть диаметра,причем разность хода совмещаемых лучей равна нечетному числу полуволны используемого света. При помощи светодедительного элемента 3 и призмы Дове 9 формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта. При этом светоделительным элементом 3 амплйтудно делят падающий на него световой пучок на два, один из которых призмой Дове 9 пространственно оборачивают.

Интерференцию полученных пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света, осуществляют посредством их совмещения плоскими зеркалами 7 и 8 на светоделительном элементе 4. Преобразуют результирующий световой поток, полученнБЙ при интерференции совмещаеьагх на светоделительном элементе 4 лучей, в электрический сигнал посредством фотоприемника 1I.

При перемещении границы сканируемого объекта относительно щелевой

диафрагмы 1 на светоделительном эЯе- 50высокой точностью осуществлять контменте 4 навстречу одно другому по-роль качества их изготовления на

парно перемещаются изображения грани различных этапах технологического

цы, сдвинутые на b одно относительнопроцесса.

другого в каждой паре. Эти изображения, перемещаясь попарно по сечению результирующего пучка, ограниченного диафрагмой 10, вызывают описанное изменение величины суммарного потока поступающего на фотоприамник. Следовательно, с фотоприемника снимают электрический сигнал, имеющий трапецеидальную форму с треугольным провалом на его середине. Вершина провала соответствует моменту сканирования границы микрообъекта.

Согласно известному способу получают треугольные световые импульсы, длительности фронтов которых равны половине длительности фронта светового сигнала, получаемого при сканировании, что ограничивает точность определения границ cкaниpye вJlx объектов.

Согласно предлагаемому способу длительности фронтов результирующего треугольного импульса определяются величиной взаимного смещения световых пучков и соответствуют его половине. Смещение можно выбирать как угодно малым. Кроме того, при выд-елении вершин треугольных импульсов вследствие большей крутизны на точность определения границ сканируемых микрообъектов меньшее влияние оказывают шумы и помехи. Все это позволяет увеличить точность в 1,5 раза по сравнению с известным способом.

Таким образом, предлагаемый интерференционный Способ позволяет определять грани15 1 элементов сканируеьых объектов с более высокой точностью.

Способ может найти широкое применение при контроле линейных размеров тел, аттестации штриховых и концевых мер, расшифровке аэрофотоснимков и т.п. В частности, его использование для автоматизированного контроля линейных размеров и координат элементов микросхем и фотошаблонов позволит оперативно и с более

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ ОБЪЕКТА, согласно которому сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности, после сканирования кашсдый пучок делят на два равных пучка со взаимным смещени(Л ем их на величину, непревьшающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.