Интерференционный способ определения положения границы объекта

СО 1 ОЭ СОВЕТСНИХСОЦИА ЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК(21 (22 46 СР 4 ь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(71) Институт электроники АН БССР(56)31 Авторское свидетельство СССР У 385207, кл. С 01 Н 21/46, 1973.2. Чехович Е,К., Буров Ю.Г, Устройство съема информации для ав-,томатического измерения размеров деталей электронных приборов в нх серийном производстве, - "Комплекс.ная автоматизация и механизация - . основа повышейия эффективности производства и качества работы предприятий радиоэлектроники связи и телевидения". Тезисы докладов научно-технической конференции Иинск, 1980, ч. 11, с. 55-56 (прототип).(54)(57) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЯ ОБЪЕКТА, согласно которому сканируютобъект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта, осуществляютинтерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числуполуволн используемого излучения,и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности, послесканирования каждый пучок делят надва равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превышающуючетвертую часть их диаметра, и сразностью хода, равной нечетномучислу полуволн используемого свеИзобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения границ микрообъектов при сканировании.Известен фотоэлектрический метод 5 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 15 35 Этот способ не позволяет регист"рировать обе границы полосы, а точность ее определения мала из-за необходимости сравнения двух световыхпотоков 20Наиболее близким к предлагаемомуявляется интерференционный способопределения положения границы объекта, согласно которому сканируют объект когерентным монохроматичес 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 электрическийсигнал 2).Однако точность определения границ по известному способу ограничена вследствие невозможности Формирования сигналов, крутизна фронтов которых более чем в два раза превышао. ет крутизну фронтов сигналов, полу-, чаемых при сканировании микрообъектов, а крутизна фронтов треугольных сигналов оказывает непосредственное влияние на точность определения их 45 ершин, соответствующих моментам сканирования границ микрообъектов,Цель изобретения " повышение точности определения положения границыобъекта.50Поставленная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу определения положения границы объекта, в котором сканируют обьект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые55 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 световойпоток в электрический сигнал, послесканирования делят каждый пучок надва равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превышающуючетвертую часть их диаметра, и сразностью хода, равной нечетномучислу полуволн используемого света.На фиг,приведены диаграммы,поясняющие формирование результирующего светового потока, преобразовываемого в электрический сигналв зависимости от положения границымикрообъекта относительно сеченияс,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 при этом световые пучки имеют сечения, по которым перемещается пара смещенных изображений границы сканируемого объекта, причем направление их пе" ремещения по сечению одного пучка противоположно направлению перемещения пары изображений по сечению дру3 10894гого пучка. Осуществляют интерферен-цию этих пучков с разностью хода,равной нечетному числу полуволн используемого света,Результирующий световой поток,сформированный при этом, представляет суперпозициючетырех пучков,каждая пара которых имеет разностьхода, равную нечетному числу полуволн, и такую же разность хода меж Оду парами пучков. Сечение результирующего светового пучка образует четыре попарно перемещающиеся навстречу 1,от его краев к центру) изображения границы сканируемого объекта.Вследствие интерференции пучков, формирующих результирующий световойпоток, его величина зависит от взаимного положения двух паризображе-.ний границы сканируемого объекта по 20его сечению.При пересечении границей объектасканирующего светового пучка в сечении результирующего пучка появляется сначала только одна пара ее изоб- Р 5ражений, перемещающихся от краев кцентру (фиг. 1 Ю , где й-Й - сечениерезультирующего пучка; Р, Р Р 2и Р - изображения границы смещен 2Фные и пространственно обернутые;фр - величина результирующего светового потока; х - направление сканирования; Ь - величина взаимногосмещения пучков; с - сечение сканирующего пучка),Перемещение границыобъекта на величину Ъ приводит к тому, что в сечении результирующегопотока появляется вторая пара ееизображений,Величина результирующего потока 4до этого момента линейно увеличивается, а затем остается постоянной,так как появление в сечении результирующего потока второй пары изображений границы сканируемого объекта приводит к появлению участков,где световые лучи, формирующие дваизображения, накладываются один надругого и интерферируют между собойс разностью хода, равной нечетному50числу полуволн, а интенсивность результирующего светового потока вэтих участках равна нулю,Пусть амплитуды световых колебаний четырех световых пучков, фор;мирующих результирующий поток, равны. а. Тогда в, комплексном виде выражения для световых колебаний этих 04пучков, не учитывая временную часть имеют вид-т2 Л ; 2 м А,=ыЕ "я:щ ЛРгЪ/- ф рА:цеА =дегде А 1,А и А,А - амплитуды световых колебанийпучков в парахсоответственно;Ь - оптическая длинапути одной парысветовых пучковфО - сдвиг фазы одного световогопучка в паре относительно другого;ф - сдвиг фазы однойпары световыхпучков относипричемтельно другой,Ы = Р - - Дп+1)- -(ги + 1)Э2 Й ЛА 2где и - любое целое положительноечисло.Результирующее световое колебание А" в тех точках сечения реЕзультирующего светового потока,где интерферируют два световых пучка, принадлежащих одной и той жепаре,имеет видА +А ае л (1 + -1 И)= О,Е 1 1 Хтак как е 112 л+11 лСледовательно, чнтенсивность 3тех точек сечения результирующегосветового потока, где интерферируютдва светбвых пучка из одной пары,определяемая из соотношения 311=.ААф также равна нулю. Поэтому2, гвелйчина результирующего световогопотока остается постоянной до момента встречи двух иэображенийобъекта, принадлежащих разным парам(фиг, 1 б ).При пересечении участков неперекрывающихся изображений обеих парначинают иитерферировать между собойсветовые пучки из разных пар. ВследОствие заранее выбранной разностихода между ними, равной нечетномучислу полуволн используемого света,интенсивность результирующего потока в точках такого пересечения также равна нулю, Площадь эоны этогопереса - айно увеличивается,1089404 поэтому результирующий световой поток линейно уменьшается от максимума до нуля, причем нулевое его значение соответствует моменту полного совпадения участков, неперекрывающих ся между собой в каждой паре изображений (фиг. 1 В ). Длительность уменьшения результирующего светового потока от максимума до нуля равнаполовине величины взаимного смещения пучков1 ОДальнейшее 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 видЕ,г, гоА =А+А+А=ае 4+е+е -1(ЯП+Т 1 ) Выделение из электрического сигнала той его части, на которой онизменяется по треугольному закону,и последующее определение вершинытреугольного электрического импульса, соответствующей сканированию границы микрообъекта, может осу.ществляться любым известным способом,9Ограничения, накладываемые навеличину Ь взаимного смещения (в парах) пучков, формирующих результирующий световой поток, следующие:с одной стороны, способ определенияположения границы объекта не реализуем в том случае, когда Ь равнонулю, с другой стороны, величина Ьограничивается тем случаем, когдафронт нарастания результирующегосветового потока от нуля до максимума имеет общую точку с фронтомего уменьшения от максимального эна Тогда интенсивность Э( реэуль- у 5тирующего светового потока, получаемого при интерференции трех когерентных монохроматических световыхпучков, определяется выражением1 а ф фВеличина участка сечения, на котором осуществляется трехлучеваяинтерференция, линейно изменяетсяот 0 до Ъ при перемещении границысканируемого объекта на Ь/2, по 35этому и длительность изменения результирующего светового потока от нуля до максимума определяется половиной величины Ь (фиг. 1 Ъ ). Одновременно уменьшаются участки с двухо лучевой интерференцией. Результирующий световой поток достигает максимального значения при встрече задних (относительно направления перемещения калдой пары) изображений45 Браницы сканируемого объекта.Дальнейшее перемещение изображе.ний навстречу один другому приводит к появлению участка, где происходит четырехлучевая интерференция (фиг.3 ). Результирующее световое5 О колебание А 4 на этом участкеА" А +А +А +АгОги, соответственно, интенсивность 3+ равна О. Результирующий световой поток, начиная с этого момента, оста 55 ется йостоянным (так как общая площадь участков, где наблюдается трех- лучевая ннтерференщя, дающая неравный нулю световой поток, остаетсяностоянной) до тех пор, пока размеручастка с четырехлучевой интерференцией не достигнет величины сечениярезультирующего потока без 2 Ь (величины участков, на которых имеет место трехлучевая интерференция),Дальнейшее сканирование границыобъекта приводит к увеличению площади участка с четырехлучевой интерференцией уже за счет уменьшенияобщей площади участков с трехлучевойинтерференцией от максимального значения до нуля. Вследствие этого ивеличина результирующего световогопотока 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 вершинасоответствует моменту сканированияграницы мнкрообъекта,Результирующий световой потокпреобразуют в электрический сигнал.При этом форма изменения электрического сигнала повторяет форму изменения результирующего световогопотока, т.е. она имеет треугольныйвид при перемещении границы микрообъекта вблизи осевой линии сканирующего светового потока.чеиия до нуля, т. е. когда световой,поток имеет максимум в одной точке,.Таким образом, максимальное значение Ь равно,с /4, где с - диаметрсечения пучка, и в общем случае ве-5личина Ь опреде" ется неравенствомО сЪ 4 -С4Устройство (фиг. 2) для реализации предлагаемого способа содержитщелевую диафрагму 1, светоделительные элементы 2-4, плоские зеркала5-8, призму Дове 9, ограничительную диафрагму 1 О и фотоприемник 11.Объект сканируют вдоль оси х 15монохроматическим световым пучком,формируемым диафрагмой 1, Полученный за ней световой пучок делят надва светоделительным элементом 2.Плоскими зеркалами 5 и 6 совмещают 20эти пучки на светоделительном элементе 3 с взаимным смещением их навеличину, не превышающую четвертуючасть диаметра, причем разность ходасовмещаемых лучей равна нечетномучислу полуволны используемого света. При помощи светоделнтельногоэлемента 3 и призмы Дове 9 формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому 30изображения границы объекта. Приэтом светоделительным элементом 3.амплитудно делят падающий на негосветовой пучок на два, один из которых призмой Дове 9 пространственнооборачивают,Интерференцию полученных пуЧковс разностью хода, равной нечетномучислу полуволн используемого света,осуществляют посредством их совмещеиия плоскими зеркалами 7 и 8 на све.тоделительном элементе 4. Преобразуют результирующий световой поток,полученный при интерференции совмещаемых на светоделительном элементе 454 лучей, в электрический сигнал посредством фотоприемника 11,При перемещении границы сканируемого объекта относительно щелевойдиафрагмы 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 сечениюрезультирующего пучка, ограниченногодиафрагмой 10, вызывают описанноеизменение величины суммарного потока,поступающего на фотоприемник. Следовательно, с фотоприемника снимаютэлектрический 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 равныполовине длительности фронта светового сигнала, получаемогопри сканировании, что ограничивает точностьопределения границ сканируемых объектов,Согласно предлагаемому способудлительности фронтов результирующеготреугольного импульса определяютсявеличиной взаимного смещения световых пучков и соответствуют его поло-.вине. Смещение можно выбирать какугодно малым. Кроме того, при выделении вершин треугольных импульсоввследствие большей крутизны на точность определения границ сканируемыхмикрообъектов меньшее влияние оказывают шумы и помехи. Все это позволяет увеличить точность в 1,5 раза посравнению с известным способом.Таким образом, предлагаемый иитерференционный способ позволяет оп"ределять 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 качестваих изготовления на различных этапах технологического процесса.Корректор А Дзятко Подписно итета ССС крыти д, 4 н илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 едактор А. Каказ 2918(31 Тираж 587 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 3035, Москва, Ж, Раушск