Дифракционное устройство для измерения ширины элементов топологического рисунка Советский патент 1990 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к контроль но измеритель-ной технике и может: быть использовано для контроля.шири нь1 элементов топологического рисунка Цель изобретения повышение точ ности-за. счет компенсации постоянной составляющей дифракционного сигнала и за счет автоматической коррекции положения элемента топологического рисунка JI расширение области примене ния за счет обеспечения возможности измерений при большей степени ии теграции топологического рисунка не зависимого от уровня оптической про зрачности его элементов

На чертеже изображена блок схема дифракционного устройства

Дифракционное устройство состоит из схемы формирования параллельного пучка, выполненной в виде оптически связанных лазера 1, линзы 2, свето делителя 3 и объектива 4,линзы 5, объектив 4 и линза 5 составляют при емную телескопическую систему, диа фрагмы 6, расположенной в простран стве изобрал;ений приемной телескопи ческой.системы на ее оси, координат но чувствительного фотоприемника 7, оптически связанного с диафрагмой 6, блока предварительной обработки сигналов фотоприемника, выполненно го в виде последовательно соединен ных дифференциального усилителя 8, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника 7, управляемого усилителя .9, аналогового коммутатор 10, аналого цифрового преобразовате ля 11, вычислительного блока 12, входного регистра 13, цифроаналогов to преобразователя 14 а усилителя 15, выход которого подключен к уп равляющему входу усилителя 9, усили теля 16, включенного, мевду выходом фотоприемника 7 и вторым входом ком мутатора 10 и пocлef oвaтeльнo соеди

ненных входного регистра 17, вход которого подключен к выходу блока 12 цифроаналогового преобразователя 18 и усилителя 19, выход которого под ключен к второму входу усилителя 8, блока управления коррекцией положе ния, выполненного в виде последова тельно соединенных входного регистра 20, вход которого подключен к выходу блока 12, цифроаналогового преобразо вателя 21 и усилителя 22, и поспедо- вательно соединенных входного регист ра 23, вход которого подключен к вы ходу блока 12, цифроаналогового пре образователя 24 и усилителя 25,объек тодержателя 26, привод 27 смешения объектодержателя в плоскости предме тов, вход которого подключен к выхо ду усилителя 22, и привода 28 сме щения объектодержателя вдоль опти ческой оси, вход которого подключен к выходу усилителя 25«

Устройство работает следующим об разом.

При проведении измерений излучени с выхода лазера 1 проходит линзу 2, отражается от светоделителя 3 в на правлении объектива 4 и облучает из меряемый объект, находящийся на объектодержателе 26« Выбор измеряемо го элемента, грубое совмещение его с облучающим пучком и с плоскостью предметов производятся до начала измерений и контролируются с помо щью телевизионного монитора через канал визуального наблюдения (не показан). Возникающая- при облучении измеряемого элемента монохроматичес КИМ пучком коллимированного лазер ного излучения расходящаяся дифра гированная волна проходит через объектив 4, являющийся входным для приемной телескопической системы, затем проходит сквозь светоделитель 3 и линзу 5 приемной телескопической

системы. При выходе з линзы 5 ди фрагированная волна становится схо дящейся и, если измеряеьпзш элемент находится в плоскости предметов приемной телескопической системы, то в плос1 ости, сопряженной с костью предметов,,строится изобра жёние измеряемого элемента, после чего дифрагированная волна вновь расходится. Диафрагма 6 расположена, в плоскости, сопряженной с плоское тью предметов приемной телескопичес кой системы, и ее отверстие,.нахо дящееся на оси телескопической сис TjeMbi,. не создает апертурных ограни чений для построения в указанной плоскости изображения измеряемого элемента. Отклонение положения по верхности измеряемого элемента, от плоскости предметов приемной теле скопической системы приводит к строению изображения измеряемого элемента вне отверстия диафрагмы 6,что вызывает, апертурное ограничение прО ходящего через нее лучистого потока и снижение интенсивности дифракцион ных максимумов на приемной п оверх ности координатно- чувствительноги фо-топриемника 7.

Таким образом, после грубого . совмещения измеряемого элемента с облучающим пучком и с плоскостью ц предметов приемной -телескопической системы на выходе фотоприемника 7 появляется электрический сигнал, со держащий фоновую составляющую. Затем по команде, вводимой в вычислитель- ньм блок 12 извне (вспомогательные цепи, шины управления режимом работы аналогового коммутатора 10, регист ров 13, -17, 20 и 23, тактовых км пульсов преобразователей 11, 14, 1.8, 21 и 24, синхроимпульсов фотоприем ника 7 и цепи питания не показаны), последний вырабатывает двоичный код, который записывается в регистры 20 и 23, преобразуется в анал оговый элект рический сигнал цифроаналоговыми пре образователями 21 и 24, усиливается усилителями 22 и 25 и в виде постоян ных уровней напряжения прикладывает ся к входам приводов 27 и .28 Выход ной сигнал фотоприемника 7, соот ветствующий установленному режиму приводов 27 и 28, поступает на вход усилителя 16 и через аналоговый ком мутатор 10 на вход аналого цифрово го преобразователя 11 и далее в

1597543

0

цифровой-форме записьшается в па мять вычислительного блока 12, Сна чала производится совмещение плос кости измеряемого элемента с плос костью предметов приемной телескопи ческой системы. Для этого вычисли тельный блок 12 подает на вход ре гистра 23 двоичный код, аналоговый эквивалент которого обладает неболь шим приращением по сравнению с уров нем напряжения, ранее установленным на входе привода 28, Соответствую щий новому положению привода 28 вы ходной сигнал фотоприемника 7 вновь усиливается усилителем 16 и, снова проходя элементы 10 и II, заносится в память вычислительного блока 12, где на основании полученных данных

0 и данных предыдущего цикла вычисля ется производная изменения сигнала фотоприемника 7 за один шаг смелце ния измеряемого элемента. Знак производной указьшает на то, в каком

5 направлении следует вести изменение положения измеряемого элемента,Описанный цикл повторяется далее несколько раз до получения численного значения производной ниже некоторой заранее обусловленной величины,после чего уровень напряжения на входе привода 28 остается неизменным, а вычислительный блок 12 переходит на обработку совмещения продольной оси измеряемого элемента с центром кол- лимированного пучка. Для этого, по аналогии с предыдущими циклами, йа вход регистра 20 подается двоичный код, изменяющий уровень напряжения на входе привода 27, что вызывает смещение измеряемого элемента на заданное зд1ачение, а соответствующий новому положению измеряемого элемента выходной сигнал фотоприемника 7

г вновь проходит усилитель, коммутатор 10 и преобразователь 11 и в форме двоичного кода заносится в память вычислительного блока 12, По результатам сравнения предыдущего и посту-

Q пающего сигналов вычислительный блок рассчитывает производную и, сравнивая ее с заранее обусловленной величиной, либо начинает следую.щий шаг совмещения продольной оси измеряемого элемента с центром коллимированного пучка, либо переходит к выполнению операции измерения.

На первом этапе измерений вычислительный блок 12 фиксирует в своей

0

5

0

оперативной памяти двоичные значе кия ординат наибольшего максимума M«Kc наименьшего минимума выходного сигнала фотоприемника 7 и устанавливает на входе регистра 17 код, соответствующий , а на вхо де регистра 13 код соответствую щий результат у вычисления по формуле

и„яс /и,«кс и«нн где UH«. - ВЫХОД ное напряжение усилителя 9 в режиме насьщения. Далее, указанные коды преобразуются в аналоговые эквива ленты с -помощью цифроаналоговых пре образователей 14 и 18, а затем полу ченный постоянный по уровню сигнал усиливается усилителями 15 и 19. В этот период работы устройства анало говьй коммутатор 10 устанавливает по второму входу высокоимпедансное со стояние и открывает первый вход, Уси литель 8, на втором входе которого установлен уровень с выхода-уси лителя 19, производит аналоговое вычитание из выходного сигнала фото приемника 7 з начения U „н и усиление разно.стного сигнала Усилитель 9 обеспечивает размах выходного нала.от нуля до уровня насыщения в широком диапазоне изменения- уровня вьгходного сигнала фотоприемника бла года ря тому, что постоянное смешение подаваемое на управляющий вход с в ьг- хода усилителя 15, зависит обратно, пропорционально от размаха вьгходного сигнала фотоприемника (1), Прохождение сигнала с выхода усили теля 9 через аналоговый коммутатор 10 и аналого-цифровой преобразовав тель 11 в вычислительный блок 12 ни-- чем не отличается от прохождения сигнала с выхода усилителя 16 в пе риоды, предшествующие изме рению и в первой фазе измерения Вычислитель ный блок 12 заносит двоичные коды, соответствующие выходному сигналу усилителя 9, в память и производит расчет положений х. минимумов ди фракционной картины по формуле

- j - порядок минимума; х. коор дината в единицах шкалы фотоприем ника 7 элементарной точки i на распределении интенсивности в ди фракционной картине,и( f(х ; ); и --значение напряжения на выходе уси лителя 9, соответствующее меньшему из двух максимумов, лежащих по обеим сторонам от искомого минимума j - порядка в дифракционной картине. . .

Окончательное вычисление ширины измеряемого.топологического элемента производится в вычислительном блоке 12 на основании известной для выбранного-диапазона измерений обратно пропорциональной , зависимости между шириной элемента и шагом следования дифракциойных минимумов.

Формула изобретения

Дифракциодное устройство для из-. мерения ширины элементов -топологического рисунка, содержащее схему формирования параллельного пучка, приемную телескопическую систему, координатно-чувствительный фотопри- емник, оптически связанный с приемной телескопической системой, блок предварительной обработки сигналов фотоприемника, вычислительный блок, электрически связанный с блоком предварительной обра ботки сигналов., диафрагму, расположенную между приемно телескопической системой соосно с ней и фотоприемником, и. объектодер жатель о т л.и ч а ю щ е.е с я тем, что, с целью повьш ения точности и расширения области применения путем .обеспечения возможности измерений при большей степени интеграции топологического рисунка независимо оТ уровня оптической прозрачности его элементов, оно снабжено блоком управления приводами, выполненным в виде двух электрически связанных по. входам цифроаналоговых преобра зова- телей, объектодержатель вьшолнен с приводом смещения в плоскос.ти предметов приемной телескопической системы и с приводом смещения вдоль оси приемной телескопической системы входы приводов электрически связаны С выходами блока управления приводами соответственно, блок предвариу тельной обработки сигналов фотопри- емника выполнен в виде последова- тельно соединенных дифференциального усилителя, первый вход которого электрически связан с выходом фото- прием,ника, управляемого усилителя, аналогового коммутатора, второй вход которого электрически связан с выходом фотоприемника, и аналого-цифро-

9 159754310

вого преобразователя, выход котороготелескопической системы, а вычисли

является выходом блока третьего ительный блок выполнен с цифровым уп

четвертого цифроаналоговых преобразо-равляющим выходом, подключенньм к

вателей, выходы которых подключены кцифроаналоговым преобразователям бловторому входу дифференциального ка управления приводами и блока предлителя и управляющему входу управляе варительной обработки сигналов фото

мого усилителя, диафрагма расположе приемника на в плоскости изображений приемной

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации постоянной составляющей дифракционного сигнала и за счет автоматической коррекции положения элемента топологического рисунка, расширение области применения за счет обеспечения возможности измерений при большей степени интеграции топологического рисунка независимо от уровня прозрачности его элементов. Устройство состоит из лазера 1, приемной телескопической системы, состоящей из объектива 4 и линзы 5, диафрагмы 6, расположенной в плоскости изображений приемной телескопической системы координатно-чувствительного фотоприемника 7, оптически связанного с диафрагмой 6, аналого-цифрового преобразователя 11, вычислительного блока 12 и приводов 27 и 28. Приводы 27 и 28 перемещают измеряемый топологический рисунок до достижения сигнала с фотоприемника 7 максимальной амплитуды, что соответствует заданному положению элемента топологического рисунка. 1 ил.