Измеритель координат элементов объектов Советский патент 1992 года по МПК G01B11/02 

ч

Јь

N Јь

Јь О

Изобретение относится к измерительной -технике и может быть использовано для измерения размеров и координат элементов плоских микроструктур, например фотошаблонов, штриховых шкал и т.д.

Известно устройство для измерения 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 является низкая точность измерения, что связано с флук- туациями скорости сканирования, амплитуды фотоэлектрического сигнала и уровня срабатывания порогового устройства.

Известен также измеритель координат элементов объекта, содержащий осветитель, предметный стол, кинематически связанный с ним электропривод, связанный 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.

Для этого измерителя характерны значительные погрешности измерения, вызванные нестабильностью амплитудт фотоэлектрических сигналов, шумами осве- а(ающего излучения, флуктуациями внешней засветки.

Наиболее близким к изобретению является измеритель координат элементов объекта, содержащий последовательно расположенные осветитель, предметный стол, объектив, анализирующую диафрагму и фотоприеммик, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком, связанный 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 связанный со знаковым разрядом цифрового фильтра, блок задержки, вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, триггер, входы которого подключены к выходам первого формирователя импульсов и блока задержки, элемент И, входы которого связаны с выходами второго формирователя импульсов и триггера, а его выход подключен к управляющему входу регистра, причем тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра соединены с выходом блока выработки счетных импульсов.

Недостатками этого измерителя являются невысокие быстродействие, точность измерения и ограниченная разрешающая

0 способность.

Быстродействие измерителя ограничено необходимостью определения посредством цифрового фильтра текущей величины импульсного отклика при каждом вновь по5 ступившем счетном импульсе с целью определения момента изменения его знака (по смене знака импульсного отклика судят о сканирования границы измеряемого элемента или его центра при определении ко0 ординат). Формирование импульсного отклика требует выполнения цифровым фильтром многих операций по сложному алгоритму. Они должны осуществляться в интервале, не превышающем период

5 следования счетных импульсов, формируемых блоком выработки счетных импульсов и соответствующих строго определенной величине перемещения предметного столика. Поэтому скорость сканирования, а следова0 тельно, быстродействие (производительность) ограничены в данном устройстве. Максимальная скорость сканирования для измерителя не должна превышать величины VMBKC l/t, где i - цена счетных импульсов,

5 соответствующая определенной величине смещения столика в линейных величинах, t время обработки результатов. Так, по известным данным реализации измерителя надежная его работа обеспечивается при

0 скорости движения предметного столика в пределах 0-1 мм/с. При такой скорости перемощения только на одну строку сканирования такого объекта, как фотошаблон, будет тратиться несколько минут, что недо5 пустимо в производственном контроле.

Разрешающая способность измерителя ограничена по следующей причине. В измерителе командные импульсы, характеризующие положение границ элементов

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

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

Точность измерения снижена следующими факторами. Протяженность импульсного отклика о устройстве при контроле размеров элементов задается в зависимости от протяженности края элемента. Протяженность же краев может меняться от элемента к элементу даже на одном объекте контроля (разная размытость краев и их толщина, расфокусировка и т.п). Да и знание априори точной величины протяженности нереально. Вследствие этого возникают погрешности измерения. Большое влияние на точность измерения оказывают шумы источника света, наложенные на видеоимпульсы. Погрешность измерения обуславливает погрешность квантования при представлении аналоговых сигналов с фотоприемника в виде дискретной последовательности кодов.

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

Цель изобретения - повышение быстродействия, разрешающей способности и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель координат элементов объекта, содержащий последовательно расположенные осветитель, предметный столик, объектив, анализирующую диафрагму и фотоприемник, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком, связанным с последним преобразователь перемещений, подключенные последовательно к преобразователю перемещений блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, пороговый элемент, два формирователя 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 управляющему входу регистра, снабжен светоделителем, второй анализирующей диафрагмой, вторым фотоприемником, двумя усилителями, вычитающим устройством, компаратором, вторым пороговым элементом, схемой ИЛИ, светоделитель установлен между объективом и первой анализирующей диафрагмой, вторая анализирующая диафрагма с размещенным за ней вторым фотоприемником расположены за светоделителем перпендикулярно 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 усилителя, выход второго поро0 гового цемента соединен со счетным входом триггера, а светоделитель выполнен с коэффициентом деления, равным отношению размеров щелей диафрагм.

На фиг. 1 изображена схема измерителя

5 координат элементов объекта: на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования 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, анализирующая диафрагма 8 и фотоприемник 10 распо- ложены на одной оптической оси.

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

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

5 позволяет получатьравные по амплитуде сигналы. Электропривод 2 кинематически связан с предметным столиком 3. Преобразователь 11 перемещений также связан 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 усилителя 16, а его выход - с одним из входов схемы И 25. Счетный вход триггера 29 связан 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 управляющему входу регистра 13.

Измеритель работает следующим образом.

Контролируемый объект 4, закрепленный на предметном столике 3, перемещается относительно светового потока, формируемого осветителем 1. Перемещение обеспечивается электроприводом 2. При помощи объектива 5 получают увеличенное изображение контролируемой структуры. Световой поток, образующий увеличенное изображение, амплитудно делится светоделителем 6 на два потока, пред- ставляющие собой идентичные увеличенные изображения, которые проецируются в плоскости анализирующих щелей 7 и 8, имеющих разные размеры в направлении сканировании. Светоделитель осуществляет деление потоков таким образом, что отношение интенсивностей результирующихпотоковобратнопропорционально отношению размеров щелей , размещенных на пути этих потоков. Это требование обеспечивает равенство потоков за щелями диафрагм. При непрерывном перемещении контролируемого объекта за щелями диафрагм получают распределение прозрачности рисунка вдоль траектории сканирования. Световые сигналы преобразовываются фотоприемниками 9 и 10 в электрические. Электрические сигналы имеют одинаковую амплитуду, а середины их фронтов соответствуют моментам сканирования границ элементов объекта. Сигналы представляют собой трапецеидальные импульсы. Эти импульсы с разных фотопри- ем-ников имеют разные длительности фронтов, что связано со сканированием изображений щелями разных размеров.

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

5 сканирования границ элементов. Импульс отсчета вырабатывается на выходе элемента И 25 и поступает на управляющий вход регистра 13. При этом координата из счетчика 14 переписывается в регистр 13, где хра10 нится 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 подаются в усилители 15 и 16. Схемы усилителей предусматривают подстройку поступающих на их входы сигналов по амплитуде и постоянной составляющей. Это

0 связано с возможностью неточности изготовления светоделителя, который должен обеспечивать получение потоков, отношение интенсивностей которых обратно пропорционально отношению размеров щелей

5 анализирующих диафрагм. Сигналы на выходах усилителей имеют одинаковые амплитуды и постоянные составляющие. Флуктуации величины освещающего излучения, прозрачности элементов контроли0 руемого объекта, размытости их границ не меняют равенство амплитуд сигналов и их постоянных составляющих (фиг. 2, U15 и U16). Равенство обеспечивается вследствие того, что все нестабильности до светодели5 теля вызовут такое же процентное отношение нестабильности после него и идентичные изменения обоих сигналов с фотоприемников. Сигналы с усилителей подаются на входы вычитающего устройс.т40 ва 17, на выходе которого формируется от каждой границы элемента двуполярный разностный сигнал (U17). Точка перехода через нуль соответствует моменту сканирования границы элемента. Эта точка образо45 вана вычитанием половинных значений

амплитуд обоих сигналов и ее положение не

зависит от изменений амплитуд сигналов

, так как эти изменения идентичны .

При вычитании сигналов вычитаются и

50 шумовые составляющие, представляющие собой шумы освещающего излучения. Разностный сигнал поступает одновременно на компаратор 18 и пороговый элемент 20, Компаратор срабатывает при пересечении

55 разностным сигналом нулевого уровня (U18). Пороговый элемент 20 срабатывает при напряжении, превышающем нулевой уровень и возможный уровень шумов разностного сигнала (U20). Импульсы с ком- п§ратора подаются на два формирователя

21 и 22 импульсов, которые запускаются 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 запускается 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. Запретная функция связана пропусканием на выход схемы И только импульсов, соответствующих нулевому уровню разностного сигнала и, следовательно, границам элементов (U25). Короткие импульсы, передние фронты которых соответствуют моментам сканирования границ элементов, поступают на управляющий вход регистра 13 и производят перепись содержимого счетчика 14. Информация о координатах границ элементов с регистра может передаваться на отображающее устройство , а может передаватся и вычислитель для определения размеров элементов как разность координат их границ.

Предложенный измеритель обладает значительно более высоким быстродействием. На частоту формирования (период следования) счетных импульсов в нем не наложено никаких принципиальных ограни- чений (ограничение накладывает только элементная база), а следовательно, нет ограничений на скорость сканирования, Огра- ничение отсутствует в связи с формированием импульсов отсчета (командных импульсов) в реальном масштабе времени. Скорость перемещения предметного столика в предложенном измерителе может достигать нескольких десятков миллиметров в секунду. Следовательно, быстродействие увеличено в несколько десятков раз.

Разрешающая способность предложенного измерителя также более высокая. В нем импульсы отсчета формируются практически без задержки, необходимой в прототипе для получения импульсных откликов. Поэтому в предложенном измерителе нет ограничений на длительности видеоимпульсов, а его разрешающая способности определяется только разрешением оптики фотоэлектрического микроскопа. Она, как минимум, в полтора-два раза выше, чем у прототипа.

и

В предложенном измерителе существенно снижены погрешности измерения, связанные с шумами источника света, с независимостью формирования импульсов отсчета от протяженности края элемента, с квантованием видеоимпульсов. В рассмотренном измерителе шумы источника света исключаются при вычитании видеоимпульсов, импульсы отсчета формируются незэ-.

висимо от протяженности краев элементов по нулевому уровню разностного сигнала, а видеоимпульсы не квантуются. В связи с этим точность устройства повышена в полтора раза.

Таким образом, введение новых элементов и соответствующих взаимосвязей позволило повысить быстродействие в несколько десятков раз, разрешение - в полтора-два раза, точность измерений - в

полтора раза.

Важным преимуществом измерителя является выполнение измерений в реальном масштабе времени.

25 Формула изобретения

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

объектив, первые анализирующую диафрагму и фотоприемник, электропривод, кинематически соединенный с предметным столиком, связанный с ним преобразователь перемещений, подключенные последовательно к преобразователю перемещений блок выработки счетных импульсов, счетчик и регистр, первый пороговый элемент, два формирователя 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 управляющему входу регистра, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, разрешения и точности измерения, он снабжен светоделителем, второй анализирующей диафрагмой, вторым фотоприемником, двумя усилителями, вычитающими устройством, компаратор, вторым пороговым элементом,

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

за светоделителем перпендикулярно 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 усилителя, выход вто го элемента соединен со сч триггера, а светоделитель вы фициентом деления, равны

размеров щелей диафрагмы,

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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размеров и координат элементов плоских микроструктур. Цель изобретения - повышение быстродействия, разрешения и точности измерения. Контролируемый объект 4 перемещается относительно светового потока, формируемого осветителем 2. Увеличенное изображение объекта проецируется в плоскости анализирующих щелей 7 и 8, имеющих разные размеры в направлении сканирования. Световые сигналы преобразуются фотоприемниками 9 и 10 в электрические, которые имеют одинаковую амплитуду, а середины их фронтов соответствуют моментам сканирования границ элементов объекта. Измерение координат элементов объекта состоит из измерения текущей координаты предметного столика 3 (осуществляется преобразователем 11 и счетчиком 14) и выработки импульса отсчета в момент сканирования 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