Интерференционный способ определения положения границы объекта

Интерференционный способ определения положения границы объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИА ЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

g g G 0l В 9/02, 11/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОР(:КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA.(21) 3295838/18-28 (22) 29.05.81 (46) 30.04.84. Бюл. Ф 16 (72) Е.К. Чехович и Ю.Г. Буров (71) Институт электроники АН БССР (53) 535.8(088.8) (56)31Авторское свидетельство СССР

Ф 385207, кл. G 01 N 21/46, 1973.

2. Чехович Е,К., Буров Ю.Г .

Устройство съема информации для ав-, томатического измерения размеров деталей электронных приборов в их серийном производстве. — "Комплекс.ная автоматизация и механизация— . основа повышейия эффективности производства и качества работы предприятий радиоэлектроники связи и телевидения". Тезисы докладов научно-технической конференцииi Иинск, 1980, ч. II, с. 55-56 (прототип).

„„Я0„„1089404 А (54)(57) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЦ 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 повьппения точности, после сканирования каждый пучок делят на два равных пучка со взаимным смещением нх на величину, не превыпающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.

1089404

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

Известен фотоэлектрический метод регистрации границы полосы, заключающийся в сканировании полосы дву-. мя параллельными световыми потоками, фотоэлектрическом преобразовании двух световых потоков, сечения которых образуют перемещающиеся в одном направлении изображения границы сканируемой полосы, сравнении получаемых электрических сигналов (1) l5

Этот способ не позволяет регистрировать обе границы полосы, а точность ее определения мала из-за необходимости сравнения двух световых потоков 20

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный способ определения положения границы объекта, согласно которому сканируют объект когерентным монохроматичес- 25 ким световым пучком, формируют световые ручки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому иэоб ражения границы объекта, осуществлают интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал (2).

Однако точность определения границ по известному способу ограничена вследствие невозможности формирования сигналов, крутизна фронтов которых более чем в два раза превыша- 40 о. ет крутизну фронтов сигналов, полу-, чаемых при сканировании микрообъектов, а крутизна фронтов треугольных сигналов оказывает непосредственное влияние на точность определения их 45 вершин, соответствующих моментам сканирования границ микрообъектов.

Цель изобретения — повышение точности определения положения границы объекта.

Поставленная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу определения положения границы объекта, в котором сканируют обьект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые

5S 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, после сканирования делят каждый пучок на два равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.

На фиг. 1 приведены диаграммы, поясняющие формирование результирующего светового потока, преобразовываемого в электрический сигнал в зависимости от положения границы микрообъекта относительно сечения с.;анирующего потока; на фиг. 2— устройство, реализующее предлагаемый способ, Способ осуществляют следующим образом.

Объект сканируют когерентным монохроматическим световым пучком.

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

Совмещают эти пучки с взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую их часть, причем разность хода совмещаемых пучков 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 иэображения границы объекта, сдвинутые одно относительно другого на величину взаимного смещения световых пучков. Из полученного пучка формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображейия границы объекта. Формирование осуществляют, например, делением светового пучка на два, причем один из них пространственно оборачивают. Полученные нри этом световые пучки имеют сечения, по которым перемещается пара смещенных изображений границы сканируемого объекта, причем направление их перемещения по сечению одного пучка противоположно направлению перемещения пары изображений по сечению дру3 10894 гого пучка. Осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света, Результирующий световой поток, сформированный при этом, представляет суперпозицию четырех пучков, каждая пара которых имеет разность хода, равную нечетному числу полуволн, и такую же разность хода меж- (О ду 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-. ний границы сканируемого объекта по 20 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. 1О, где d-d — сечение результирующего пучка; Р„, Р„, Р2 ( и P — изображения границы смещен2

Ф ные и пространственно обернутые;

Ops — величина результирующего светового потока; х — направление сканирования; Ь вЂ” величина взаимного смещения пучков; с — сечение сканирующего пучка). Перемещение границы объекта на величину Ъ 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 объек- 5 та приводит к появлению участков, где световые лучи, формирующие два изображения, накладываются один на другого и интерферируют между собой с разностью хода, равной нечетному .5i" 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

04 пучков, не учитывая временную часть

У имеют вид

-т — q

2я ; «23

А,=ые " A =ее

2

2м

- 2/! ((. и,, - — (1„+<+a)

А =де > =де

3 где А1,А2 и А,А2 амплитуды световых колебаний пучков в парах соответственно;

L — оптическая длина пути ОднОЙ пары световых пучков;

О(— сдвиг фазы одного светового пучка в паре относительно другого; я — сдвиг фазы одной пары световых

Пучков относипричем тельно другой, g = /5 †(2п+1) — (2п + 1)((2 (il

2 ( где и — любое целое положительное число.

Результирующее световое колебание А в тех точках сечения рег..Е зультирующего светового потока, где интерферируют два световых пучка, принадлежащих одной и той же паре,имеет вид

А А +А(ае- 2н (1 + - (2 +1 i )

Ов

Е 1 ( так как ч (2((+(1>(Следовательно, чнтенсивность 3( тех точек сечения результирующего светового потока, где интерферируют два светбвых пучка из одной пары, определяемая из соотношения 3(21= .А Аф также равна нулю. Поэтому

1, г+ велйчина результирующего светового потока остается постоянной до момента встречи двух иэображений объекта, принадлежащих разным парам (фиг. 1 б ).

При пересечении участков неперекрывающихся изображений обеих пар начинают иитерферировать между собой световые пучки из разных пар. Вследо ствие заранее выбранной разности хода между ними, равной нечетному числу полуволн используемого света, интенсивность результирующего потока в точках такого пересечения также равна нулю. Площадь эоны этого переса-" - " "йно увеличивается, 1089404 поэтому результирующий световой поток линейно уменьшается от максимума до нуля, причем нулевое его значение соответствует моменту полного совпадения участков, неперекрывающих- 5 ся между собой в каждой паре изображений (фиг. 1 В ). Длительность уменьшения результирующего светового потока от максимума до нуля равна половине величины взаимного смещения пучков.

Дальнейшее перемещение иэображений границы навстречу один другому приводит к интерференции трех световых пучков (так как появляется участок сечения,.где два световых 15 пучка одной пары интерферируют:: с одним из световых пучков другой).

В этом случае результирующее световое колебание А 3 имеет вид

Е.2J 20

А =A А+A =àå +е

5 (Л (-i(2nvt) it .1 2 1

+е

-1(20+"!Т )

Тогда интенсивность Э(Реэуль г5 тирующего светового потока, получаемого при интерференции трех когерентных монохроматических световых пучков, определяется выражением 5- !й . С * . 30

Величина участка сечения, на котором осуществляется трехлучевая интерференция, линейно изменяется от 0 до Ъ при перемещении границы сканируемого объекта на Ь/2, по35 этому и длительность изменения реэультирукнцего светового потока от нуля до максимума определяется половиной величины b (фиг. 1 Ъ ). Одновременно уменьшаются участки с двухо лучевой интерференцией. Результирующий световой поток достигает максимального значения при встрече задних (относительно направления перемещения каждой пары) изображений

45 границы сканируемого объекта.

Дальнейшее перемещение изображе.ний навстречу один другому приводит к появлению участка, где происходит четырехлучевая интерференция (фиг. 3 ). Результирующее световое

50 колебание А 4 на этом участке

А А +A +A +А2 0

2 1 и, соответственно, интенсивность 3(41 равна О. Результирующий световой поток, начиная с этого момента, оста55 ется йостоянным (так как общая площадь участков, где наблюдается трехлучевая ннтерференсщя, дающая неравный нулю световой поток, остается ностоянной) 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. 1 Г ).

Таким образом, формируют световой сигнал, имеющий треугольную форму при сканировании границы микрообъекта. Длительность фронта треугольного светового импульса определяется половиной величины Ь взаимного смещения сечений световых потоков в обеих парах, а его вершина соответствует моменту сканирования границы мнкрообъекта.

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.

Выделение из электрического сигнала той его части, на которой он изменяется по треугольному закону, и последующее определение вершины треугольного электрического импульса, соответствующей сканированию границы микрообъекта, может осу. ществляться любым известным способом.

Ограничения, накладываемые на величину Ь взаимного смещения (в парах) пучков, формирующих результи рующий световой поток, следующие: с одной стороны, способ определения положения границы объекта не реализуем в том случае, когда Ь равно нулю, с другой стороны, величина Ь ограничивается тем случаем, когда фронт нарастания результирующего светового потока от нуля до максимума имеет общую точку с фронтом

его уменьшения от максимального эна

1089404

30 чеиия до нуля, т. е. когда световой, поток имеет максимум в одной точке.

Таким образом, максимальное значение Ь равно,с /4, где с — диаметр сечения пучка, и в общем случае ве- « «5 личина Ь опреде- .ется неравенством

0cb< с

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 х 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 превышающую четвертую часть диаметра, причем разность хода совмещаемых лучей равна нечетному числу полуволны используемого света. При помощи светоделнтельного элемента 3 и призмы Дове 9 формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта. При этом светоделительным элементом 3 .амплитудно 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 совмеще- 40 иия плоскими зеркалами 7 и 8 на светоделительном элементе 4. Преобразуют результирующий световой поток, полученный при интерференции совмещаемых на светоделительном элементе 45

4 лучей, в электрический сигнал посредством фотоприемника ll„

При перемещении границы сканируемого объекта относительно щелевой диафрагмы 1 на светоделительном эЛементе 4 навстречу одно другому попарно перемещаются изображения границы, сдвинутые на Ь одно относительно другого в каждой паре, Эти изображения, перемещаясь попарно по сечению результирующего пучка, ограниченного диафрагмой 10, вызывают описанное изменение величины суммарного потока, поступающего на фотоприемник. Следовательно, с фотоприемника снимают электрический сигнал, имеющий трапецеидапьную 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 сканируемых объектов.

Согласно предлагаемому способу длительности фронтов результирующего треугольного импульса определяются величиной взаимного смещения световых пучков и соответствуют его поло-. вине. Смещение можно выбирать как угодно малым. Кроме того, при выделении 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 иитерференционный способ позволяет определять границы элементов сканируемых 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 высокой точностью осуществлять контроль качества их изготовления на различных этапах технологического процесса.

1089404

Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 2918/37

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н. Морозов

Редактор А. Курах Техред )Ч.Кузьма Корректор А.Дзятко