Измеритель координат элементов объектов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 11/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4849000/28 (22) 10,07.90 (46) 30.06.92. Бюл. N 24 (71) Институт электроники АН БССР (72) Е.К. Чехович и И.M. Лакоза (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 673840, кл. G 01 В 11/02, 1979. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ КООРДИНАТ ЭЛЕМЕНТОВ ОБЬЕКТОВ (57) 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 ..

„, SU,, 1744446А1 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.

1744446

20

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 подключенные к нему усилитель и пороговое устройство, которое вырабатывает импульс отсчета координаты.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, что связано с флуктуациями 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 освещающего излучения, флуктуациями внешней засветки.

Наиболее близким к изобретению является измеритель координат элементов объекта, содер>кащий последовательно расположенные осветитель, предметный стол, объектив, анализирующую диафрагму и фотоприемник, электропривод, кинемати чески 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 циф- . рового фильтра соединены с выходом блока выработки счетных импульсов.

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

Быстродействие измерителя ограничено необходимостью определения посредством цифрового фильтра текущей величины импульсного отклика при каждом вновь поступившем счетном импульсе с цель о определения момента изменения его знака (по смене знака импульсного отклика судят о сканирования границы измеряемого элемента или его центра при определении координат), Формирование импульсного отклика требует выполнения цифровым фильтром многих операций по сложному алгоритму. Они должны осуществляться в интервале, не превышающем период следования счетных импульсов, формируемых блоком выработки счетных импульсов и соответствующих строго определенной величине перемещения предметного столика.

Поэтому скорость сканирования, а следовательно, быстродействие (производительность) ограничены в данном устройстве.

Максимальная скорость сканирования для измерителя не должна превышать величины макc = I/t, где I — цена счетных импульсов, соответствующая определенной величине смещения столика в линейных величинах, с — время обработки результатов. Так, по известным данным реализации измерителя надежная его работа обеспечивается при скорости движения предметного столика в пределах 0-1 мм/с. При такой скорости перемещения только на одну строку сканирования такого объекта, как фотошаблон, будет тратиться несколько минут, что недопустимо в производственном контроле, Разрешающая способность измерителя ограничена по следующей причине. В измерителе командные импульсы, характеризующие поло>кение границ элементов объекта, формируются совместной работой цифрового фильтра, порогового элемента и формирователя импульсов с задержкой во времени и, следовательно, по координатной оси, Длительность импульсного отклика. определенного 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

1; 44446 двухкратной координатной задержки, а длительности видеоимпульсов QT них должны быть больше четырехкратной длительности их фронтов.

Точность измерения снижена следующими факторами. Протяженность импульсного отклика в 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 видедискретной 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, злектропривод, кинематически соединенный с предметным столиком, связанным с и оследним преобразователь перемещений, подклю. ченные 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, дву-. мя усилителями, вычитающим устройством, компаратором, вторым пороговым элементом, схемой ИЛИ, светоделитель установлен между обьективом и первой анализирующей диафрагмой, вторая анализирующая диафрагма с размещенным за. ней вторым фотоприемником расположены за светоделителем перпендикулярно пер-. вой диафрагме, выходы фотоприемников . подключены к входам усилителей. выходы которых — к входам вычитающего устройст20 2, предметный столик 3, на котором закреплен контролируемый .объект 4, объектив 5, светоделитель 6, анализирующие диафрагмирователи 21 и 22 импульсов, триггер 23, 30 схему ИЛИ 24 и схему И 25.

Осветитель 1. предметный столик 3.

35 Анализирующая диафрагма 7 с размещенным за ней фотоприемником 9 установлены перпендикулярно диафрагме 8 за светоде40

10

55 ва, его выход — к входам компаратора и первого порогового элемента, а выход компаратора — к входам обоих формирователей импульсов, объединенных своими выходами через двухвходовую схему ИЛИ, 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 порогового элемента соединен со счетным входом триггера, а светоделитель выполнен скоэффициентом деления,,равным отношению размеров щелей диафрагм. . На фиг. 1 изображена схема измерителя координат элементов объекта; на фиг. 2— временные диаграммы; поясняющие принцип формирования командных импульсов.

Измеритель координат элементов объекта содержит осветитель 1, электропривод мы разных размеров 7 и 8, фотоприемники

9 и 10, преобразователь 11 линейных перемещений, блок 12 выработки счетных импульсов, регистр 13, счетчик 14, усилители

15 и 16, вычитающее устройство 17, компаратор 18, пороговые элементы 19 и 20, форобъектив 5, светоделитель 6, анализирующая диафрагма 8 и фотоприемник 10 расположены на одной оптической оси лителем 6, Щели анализирующих диафрагм имеют разные размеры, а светоделитель имеет коэффициент деления, равный отношению размеров щелей. При этом диафрагма с большей щелью установлена за светоделителем, где формируется поток с меньшей интенсивностью, и наоборот. Это позволяет получатьравные по амплитуде сигналы. Электропривод 2 кинематически связан с предметным. столиком 3. Преобразователь 11 перемещений также связан с предметным столиком, Блок 12 выработки счетных импульсов, счетчик 14 и регистр 13 последовательно подключены к преобразователю 11 пе ре м е ще н и и Входы усилителей

15 и 16 соединены с выходами фотоприемников 9 и 10. Входы вычитающего устройства 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 соеди-1744446 нен 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 образам.

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, представляющие собой идентичные увеличенные изображения, которые проецируются в r лоскости анализирующих щелей 7 и 8, имеющих разные размеры в направлении сканировании. Светоделитель осуществляет деление потоков таким образом, что отношение интенсивностей результирующих потоков обратно пропорционально отношению размеров щелей, размещенных на пути этих потоков.

Это требование обеспечивает равенство потоков за щелями диафрагм. При непрерывном перемещении контролируемого обьекта 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 фотоприемников имеют разные длительности фрон- тов, что связано со сканированием изображений щелями разных размеров.

Одновременно со сканированием объекта преобразователь 11 перемещений вырабатывает 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 элемен-. та И 25 и поступает на управляющий вход регистра 13. При этом координата из счетчи ка 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

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

25 анализирующих диафрагм. Сигналы на выходах усилителей имеют одинаковые амплитуды и постоянные составляющие, Флуктуации величины. освещающего излучения, прозрачности элементов контроли30 руемого объекта, размытости их границ не меняют равенство амплитуд сигналов и их постоянных составляющих (фиг. 2, U15 и

016). Равенство обеспечивается вследствие того, что все нестабильности до светодели35 теля вызовут такое же процентное отношение нестабильности после него и идентичные изменения обоих сигналов с фотоприемников, Сигналы с усилителей подаются на входы вычитающего устройст40 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 сигналоо ,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 (020), Импульсы с компаратора подаются на два формирователя

1744446

25 элементов, поступают на управляющий вход регистра 13 и производят перепись содержимого счетчика 14, Информация о координатах границ элементов с регистра мо>кет передаваться на отображающее

30 устройство, а может передаватся и вычислитель для определения размеров элементов

1 как разность координат их границ.

Предло>кенный измеритель обладает значительно более высоким быстродействием. На частоту формирования (период сле35 дования) счетных импульсов в нем не наложено никаких принципиальных ограничений (ограничение накладывает только элементная база), а следовательно, нет orраничений на скорость сканирования,.Ограничение..отсутствует в связи с формированием импульсов отсчета (командных импульсов) в реальном масштабе времени. Скорость перемещения предметного

45 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 50 нем импульсы отсчета формируются практически без задержки, необходимой в прототипе для получения импульсных откликов..

Поэтому в предложенном измерителе нет ограничений на длительности видеоимпуль- 55 сов. а его разрешающая способности опре-. деляется только разрешением оптики фотоэлектрического микроскопа, Она, как минимум, в полтора-два раза выше, чем у и рототи па.

21 и 22 импульсов, которые запускаются по разным фронтам входных импульсов (021 и

U22). Короткие импульсы с формирователей через схему ИЛИ 24 (U24) поступают на один из входов схемы И 25. Схема И пропу- 5 скает импульсы с формирователей только при наличии на двух других ее входах импульсов с триггера 23 (U23) и порогового элемента 19 (019). Триггер запускается по. фронтам импульсов с порогового элемента 10

20, а пороговый элемент 19 срабатывает по сигналам с усилием 16 на уровне, превышающем уровень шумов (020). Пороговый элемент 19 запрещает прохо>кдение импульсов на выход схемы И в отсутствии сигналов от 15 элементов, а триггер — в интервале между фронтами сигналов, но внутри их. Запретная функция связана также с пропусканием на выход схемы И только импульсов. соответствующих нулевому уров- 20 ню разностного сигнала и, следовательно, границам элементов (U25). Короткие импульсы, передние фронты которых соответствуют моментам сканирования границ

В предложенной 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 неза- 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.

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 светодел ителем 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 ком1744446

Фиг.2

Составитель И.Лакова

Техред М.Моргентал

Редактор М.Келемеш

Корректор Н.Ревская

Заказ 2185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 паратора — 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 выходом схемы И, его вход — с выходом первого усилителя, выход вгорого порогового элемента соединен со счетным входом триггера, а светоделитель выполнен с коэффициентом деления, равным отношению

5 размеров щелей диафрагмы.