Устройство для определения положения границ объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Фиг I

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может Быть использовано для определения положения границ объектов.

Известно устройство (1), содержащее блок перемещений объекта, датчик линейных перемещений, оптическую систему формирования полутоновых изображений объекта, фотоприемник и анализатор.

Его недостатком является наличие ошибки определения границы, вызванное постоянной засветкой фотоприемника.

Известно также устройство определения положения границ объектов (2), содержащее источник света, систему линз, щелевую диафрагму, фотоприемник, схему сравнения, датчик линейного переУиеще- ния,накопитель.

Недостатком этого устройства является наличие погрешности, обусловленной шумами формируемых им видеоимпульсов и шумами электронных схем обработки этих импульсов.

Наиболее близким техническим решением является устройство для определения положения границ объекта, содержащее блок перемещения объекта, механически связанный с приводом, генератор, пьезоп- ривод, вход которого подключен к выходу генератора, оптически связанные источник света, интерферометр с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пъеэоприводом, систему линз, диафрагму и фотоприемник, последовательно соединенные фильтр, вход которого под- ключен к выходу фотоприемника, индикатор нуля, первый одновибратор, первый элемент ИЛИ, одновибратор с повторным запуском, второй одновибратор и второй элемент ИЛИ, третий одновибратор, включенный между выходом индикатора нуля и вторым входом первого элемента ИЛИ, четвертый одновибратор, включенный между выходом одновибратора с повторным запуском и вторым входом второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные датчик линейных перемещений, механически связанный с блоком управления объекта, накопитель, регистр памяти и регистратор, управляющие входы регистра памяти подключены к выходам элементов ИЛИ (3).

В указанном устройстве, недостатком которого является невысокая точность, координаты положения границ объекта определяются в целых числах сигналов датчика линейных перемещений. Поэтому одной из составляющих погрешности определения границ является погрешность квантования, пропорциональная периоду сигналов датчика перемещений и обусловленная, случайным характером моментов времени сканирования устройством границ объекта.

Цель изобретения - увеличение точности определения положения границ объекта.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее блок перемещения объекта, механически связанный с приводом, генератор, пьезопривод, вход которого

0 подключен к выходу генератора, оптически связанные источник света, интерферометр с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пьезопри- водом, систему линз, диафрагму и фотопри5 емник, последовательно соединенные фильтр, вход которого подключен к выходу фотоприемника, индикатор нуля, первый одновибратор, первый элемент ИЛИ, одно- вибратор с повторным запуском, второй од0 новибратор и второй элемент ИЛИ: третий одновибратор, включенный между выходом индикатора нуля и вторым входом первого элемента ИЛИ, четвертый одновибратор, включенный между выходом одновибратора

5 с повторным запуском и вторым входом второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные датчик линейных перемещений, механически связанный с блоком перемещения объекта, накопитель и регистр памя0 ти, тактовый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а также регистратор, снабжено вторым индикатором нуля, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

5 ИЛИ, мультиплексором, двумя триггерами, элементом И, двумя накопителями, тремя регистрами памяти и линией задержки, причем второй индикатор нуля, второй накопитель и второй регистр памяти

0 последовательно соединены между собой и включены между выходом генератора и первым входом регистратора, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, мультиплексор, третий накопитель и третий регистр памяти после5 доеательно соединены между собой и включены между выходом второго индикатора нуля и вторым входом регистратора,вторые информационные входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и мультиплексора подклю0 чены к выходу первого индикатора нуля, входы выбора режима мультиплексора соединены соответственно с прямым и инверсным выходами первого триггера, тактовый вход которого совместно с тактовыми входа5 ми третьего и четвертого регистров памяти и второго триггера связан с выходом второго элемента ИЛИ, установочный вход второго триггера и входы установки нуля второго и третьего накопителей подключены к выходу линии задержки, вход которой связан с тактовым входом второго регистра памяти,

выходом датчика линейных перемещений и входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго триггера, а выход - к разрешающим входам второго, третьего и четвертого регистров памяти, при этом информационный вход четвертого регистра памяти подключен к выходу первого регистра памяти, а его выход - к третьему входу регистратора.

За счет введения новых элементов, связей между новыми и ранее существовавшими элементами обеспечена возможность определения координат (положений) границ объекта не в целых, а в дробных числах сигналов датчика линейных перемещений. Дробная часть периода сигналов датчика определяется подсчетом числа сигналов, период которых пропорционален периоду сигналов генератора. Так как частота генератора значительно превышает частоту сигналов датчика перемещений, погрешность квантования снижена до величины, пропорциональной периоду сигналов высокочастотного генератора. Вследствие этого увеличена точность определения положений границ объекта.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для определения положения границ объекта; на фиг. 2 - эпюры напряжений на выходах некоторых блоков устройства.

Устройство на фиг, 1 содержит привод 1, генератор 2, индикатор 3 нуля, накопитель 4, регистр 5 памяти и блок 6 перемещений объ екта, пьезопривод 7. источник 8 когерентного монохроматического света, интерферометр 9 с оборачивающей призмой, накопитель 10, регистр 11 памяти, регистратор 12, систему 13 линз, датчик 14 линейных перемещений, диафрагму 15, фотоприемник 16, элемент 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, мультиплексор 18, фильтр 19, триггер 20, индикатор 21 нуля, одновибра- торы 22 и 23, элемент ИЛИ 24, триггер 25, элемент И 26, одновибратор 27 с повторным запуском, линию 28 задержки, одновибра- торы 29 и 30, элемент ИЛИ 31, накопитель 32 и регистры 33 и 34 памяти.

Блок 6 перемещения объекта механически связан с приводом 1, вход пьезопривода 7 подключен к выходу генератора 2, источник 8 света, интерферометр 9 с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пьезоприводом 7, система 13 линз, диафрагма 15 и фотоприемник 16 оптически связаны между собой. Последовательно соединены между собой фильтр 19, вход которого подключен к выходу фотоприемника 16, индикатор 21 нуля, одновибратор 22, элемент ИЛИ 24, одно- вибратор 27 с повторным запуском, одновибратор 29 и элемент ИЛИ 31, одновибрэ- тор 23 включен между выходом индикатора 21 нуля и вторым входом элемента ИЛИ 24, одновибратор 30 включен между выходом 5 одновибратора 27 с повторным запуском и вторым входом элемента ИЛИ 31. Последо- вательносоединены датчик 14 линейных перемещений, механически связанный с блоком 6 перемещения объекта, накопитель

0 32 и регистр 33 памяти, тактовый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 24. Индикатор 3 нуля, накопитель 4 и регистр 5 памяти последовательно соединены между собой и включены между выходом генер то5 ра 2 и первым входом регистратора 12, з. О- мент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17. мультиплексор 18, накопитель 10 и регистр 11 памяти последовательно соединены между собой и включены между выходом

0 индикатора 3 нуля и вторым входом регистратора 12. Вторые информационные входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 и мультиплексора 18 подключены к выходу индикатора 21 нуля, а входы выбора режима

5 мультиплексора 18 соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 20, тактовый вход которого совместно с тактовыми входами регистров 11 и 34 памяти и триггера 25 связан с выходом эле0 мента ИЛИ 31. Установочный вход триггера 25 и входы установки нуля накопителей 4 и 10 подключены к выходу динии 28 задержки, вход которой связан с тактовым входом регистра 5 памяти, выходом датчика 14 линей5 ных перемещений и первым входом элемента И 26, второй вход которого подключен к выходу триггера 25, а выход - к разрешающим входам регистров 5, 11 и 34 памяти, при этом информационный вход ре0 гистра 34 памяти подключен к выходу регистра 33 памяти, а его выход - к третьему входу регистратора 12.

Устройство работает следующим образом.

5После включения, перед началом работы устройство приводится в исходное состояние записью нуля в накопители 4, 10, 32, регистры 5, 11,33,34 и триггеры 20, 25 (шина установки в исходное состояние на фиг. 1 не

0 показана).

Объект 35 освещают источником 8 когерентного монохроматического света и перемещают в направлении X. Граница объекта перпендикулярна направлению перемеще5 ния. Оборачивающая призма интег феро- метра 9 раздваивает изображение границы, оборачивает одно из них и вновь совмещает оба изображения на своей полупрозрачной грани, а система 13 линз проецирует их на щель диафрагмы 15 под действием пьезоприоода 7, оптическая длина одного плеча интерферометра 9 совершает колебания с частотой сигналов генератора 2 (фиг. 2). Амплитуда этих колебаний такова, что в одном крайнем положении отражателя в зоне щели диафрагмы 15 получают максимум интерференционного поля, а в другом крайнем положении - минимум. При перемещении объекта в зоне щели диафрагмы 15 появляются движущиеся в противоположных направлениях изображения границы объекта, а на выходе фотоприемника 16 появляются сигнал, из которого фильтром 19 выделяется участок гармонических колебаний и эти колебания симметрируются относительно нулевого уровня (фиг. 2).

Индикаторы 3 и 21 нуля формируют короткие прямоугольные импульсы при переходе гармонических сигналов на их входах через нулевой уровень (соответственно эпюры 3 и 21 на фиг. 2), а элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 - импульсы (17) в те моменты времени, когда выходные сигналы индикаторов 3 и 21 нуля присутствуют только на одном из его входов. Одновибраторы 22 и 29 формируют короткие импульсы по передним фронтам поступающих на них сигналов, а Одновибраторы 23 и 30 - за задним. Совместной работой одновибрато- ров 22, 23 и элемента ИЛИ 24 количество сигналов (21) удваивается. Первым сигналом полученной пачки запускается одновиб- ратор 27 с повторным запуском (27). Длительность формируемых им импульсов незначительно превышает величину периода сигналов в пачке на его входе, поэтому длительность результирующего импульса на его выходе близка к длительности пачки сигналов на его входе. Совместной работой одновибраторов 29, 30 и элемента ИЛИ 31 формируются два коротких импульса (32), которые соответствуют моментам появления и исчезновения переменного гармонического сигнала с выхода фотоприемника 16, т.е. моменты встречи на щели изображений границ объекта.

Пачка импульсов с выхода элемента ИЛИ 24 поступает на тактовый вход регистра 33 памяти, переписывая в него нзкоплен- ные в эти моменты накопителем 32 количествасигналов(14)с датчика 14 линейных перемещений. Сигналы (31) переписывают в регистр 34 памяти количества m и П2 сигналов датчика 14, соответствующие положению границ объекта, выраженному в целых числах сигналов датчика перемещений.

Накопитель 4 постоянно суммирует число поступающих на его вход сигналов индикатора 3 нуля. По каждому импуль су датчика

14 линейных перемещений накопленное число переписывается в регистр 5 памяти и затем с некоторой задержкой, обусловленной линией 28 задержки, этот накопитель 4

обнуляется подачей импульса (14) на его вход установки нуля. Таким образом, в регистре 5 постоянно хранится число импульсов индикатора 3 нуля (пропорциональное число периодов сигналов генератора 2), харак0 теризующее величину текущего законченного периода сигналов датчика 14. Мультиплексор 18 пропускает на выход сигналы с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 или сигналы с выхода индика5 тора 21 нуля в зависимости от комбинации сигналов на его входах выбора режима, т.е. в зависимости от состояния триггера 20, работающего в режиме триггера-делителя на два. При нахождении триггера 20 в исход0 ном состоянии (до прихода на его тактовый вход первого импульса с выхода элемента ИЛИ 31, соответствующего первой границе объекта) мультиплексор 18 пропускает на накопитель 10 сигналы с выхода элемента

5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17. Так как накопитель 10 сбрасывается, аналогично накопителю 4, в нуль каждым сигналом датчика 14 линейных перемещений, в момент появления первого импульса с элемента ИЛИ 31 в

0 этом накопителе будет находиться гп« сигналов индикатора 3 нуля. Это число и перепишется в регистр 11 памяти. Следовательно, в регистре 11 запишется число щ, характеризующее часть периода

5 сигналов датчика 14 линейных перемещений от момента определения положения передней границы объекта до предыдущего сигнала датчика 14.

Таким образом, при появлении первого

0 выходного сигнала элемента ИЛИ 31, соответствующего моменту сканирования первой границы объекта, в регистре 34 памяти запишется число ni сигналов датчика 14 линейных перемещений, а в регистре 11 - чис5 ло mi сигналов индикатора 3 нуля, характеризующее часть периода сигналов датчика 14. По приходу следующего после первого сигнала элемента ИЛИ 31 импульса датчика 14 в регистр 5 памяти перепишется

0 числом,характеризующее величину всего измеряемого периода сигналов датчика 14 линейных перемещений. С этого момента в регистрах 34, 11 и хранится в дробном количестве импульсов ni-mi/mЈ( датчика 14

5 информация о положении первой границы объекта.

Первый выходной сигнал элемента ИЛИ 31 переключает триггер 25, разрешая прохождения выходных импульсов датчика 14 на выход элемента И 26. Поэтому следующий после этого импульс датчика 14 поступает на разрешающие входы регистров 5,11 и 31, переводя эти регистры из высокоимпе- дансного состояния в низкоимпедансное. При этом хранящаяся в регистрах информация о координате отображается регистратором 12. Этим же импульсом датчика 14, с задержкой, поступающей на установочный вход триггера 25, триггер 25 сбрасывается в исходное состояние.

Первый выходной сигнал элемента ИЛИ 31 переключает триггер 20, изменяя при этом режим работы мультиплексора 18. Теперь он пропускает на вход накопителя 10 сигналы с выхода индикатора 21 нуля.

Поэтому при формировании элементом ИЛИ 31 второго выходного сигнала, характеризующего момент сканирования второй границы объекта, в регистре 11 будет записано число та выходных сигналов индикатора 21 нуля, характеризующее часть измеряемого при определении второй границы периода сигналов датчика 14. В остальном работа устройства по определению положения второй границы объекта аналогична описанной выше.

При поступлении второго сигнала с элемента ИЛИ 31 на триггер 20 последний переключается еще раз, возвращаясь в исходное состояние и подготавливая устройство для следующего измерения положения границ объекта.

Реализация устройства осуществлялась на макете, в котором в качестве источника света был использован лазер ОКГ-13, в качестве генератора - генератор сигналов ГЗ- 109. Пьезопривод изготовлен из диска пьезокерамики ЦТС-19. Блок перемещения объекта выполнен в виде каретки, перемещающейся по аэростатическим направляющим. Роль привода выполнял линейный электродвигатель постоянного тока. Датчик линейных перемещений представляет собой двухлучевой интерферометр Мэйкель- сонз. В качестве фотоприемника применен фотоумножитель ФЭУ-55. Фильтр выполнен по схеме узкополосного фильтра, а индикаторы нуля - по схеме, представленной в (4). Одновибраторы представляют собой микросхемы К155АГЗ в стандартном включении, накопители выполнены в виде счетчиков на микросхемах К155ИЕ2. Мультиплексор построен на схеме К155ЛР1. В качестве элементов ИЛИ использована микросхема К155ЛЛ1, а в качестве линии задержки и элемента И - К155ЛАЗ. Регистры памяти изготовлены на микросхемах К588ИР12, триггеры - К155ТМ2. Регистратор выполнен на цифровых индикаторах АЛС324А. включенных через дешифраторы КР514ИД1.

Таким образом, за счет введения новых элементов и их связей обеспечена возмож- 5 ность измерения положения границ объектов в дробных числах периодов сигналов датчика линейных перемещений. Это привело к уменьшению погрешности квантования с цены периода сигналоь датчика

0 линейных перемещений до цены полупериода сигналов генератора. Вследствие этого по сравнительным экспериментальным исследованиям результирующая точность определения положений границ увеличена в

5 полтора-два раза.

Устройство определения положения границ объектов может найти широкое применение в фотоэлектрических микроскопах при контроле линейных размеров элемен0 тов различных узлов электронных приборов. В частности, его использование на предприятии электронной промышленности для контроля качества изготовления фотошаблонов, используемых в процессе

5 создания твердотельных приборов, позволит оперативно и с более высокой точностью осуществлять контроль в ходе технологического процесса, что приведет к росту процента выхода годных изделий и

0 т.д.

Формула изобретения Устройство для определения положения границ объекта, содержащее блок перемещения объекта с приводом, генератор.

5 пьезопривод, вход которого подключен к выходу генератора, оптически связанные источник света, интерферометр с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пьезоприводом,

0 систему линз, диафрагму и фотоприемник, последовательно соединенные фильтр, вход которого подключен к выходу фотоприемника, индикатор нуля, первый одновибратор, первый элемент ИЛИ, одновибратор с по5 вторным запуском, второй одновибратор и второй элемент ИЛИ, третий одновибратор. включенный между выходом индикатора нуля и вторым входом первого элемента ИЛИ. четвертый одновибратор, включенный меж0 ду выходом одновибратора с повторным запуском и вторым входом второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные датчик линейных перемещений, механически связанный с блоком перемещения объекта, на5 копитель, регистр памяти, тактовый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ и регистратор, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности, оно снабжено вторым индикатором нуля, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ . мультиплексором, двумя триггерами, элементом И, двумя накопителями, тремя регистрами памяти и линией задержки, причем второй индикатор нуля, второй накопитель и второй регистр памяти последовательно соединены между собой и включены между выходом генератора и первым входом регистратора, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, мультиплексор, третий накопитель и третий регистр памяти последовательно соединены между собой и включены между выходом второго индикатора нуля и вторым входом регистратора, вторые информационные входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и мультиплексора подключены к выходу первого индикатора нуля, входы выбора режима мультиплексора соединены соответственно с прямым и инверсным выводами

иг

т

первого триггера, тактовый вход которого совместно с тактовыми входами третьего и четвертого регистров памяти и второго триггера связан с выходом второго элемента ИЛИ, установочный вход второго триггера и входы установки нуля второго и третьего накопителей подключены к выходу линии задержки, вход которой связан с тактовым входом второго регистра памяти, выходом датчика линейных перемещений и входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго триггера, а выход - к разрешающим входам второго, третьего и четвертого регистров памяти, при этом информационный вход четвертого регистра памяти подключен к выходу первого регистра памяти, а его выход- к третьему входу регистратора.

i

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности определения положения грани у объекта. Устройство содержит последовательно соединенные генератор 2. индикатор 3 нуля, накопитель 4 и регистр 5 памяти, датчик 14 линейных перемещений, последовательно соединенные накопитель 10 и регистр 11 памяти и регистратор 12. В регистре 5 памяти записывается число, равное количеству импульсов гене4 з- тора 2, укладывающихся между импульсами датчика 14. что позволяет в регистраторе 12 определять положение границы объекта 35 с точностью до периода генератора 2, умноженного на скорость объекта 35. 2 ил.