Устройство для определения положения границ объекта

(5)5 6 01 В 21/00 ГОСУДАРСТВЕ НЮЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ жения грани у обьекта, Ус жит последовательно соеди е тор 2, индикатор 3 нуля, нак регистр 5 памяти, датчик 14 ли мещений, последовательно с накопитель 10 и регистр 11 нам ратор 12. В регистре 5 памяти за число, равное количеству импу тора 2, укладывающихся между датчика 14,что позволяет в рег определять положение границ с точностью до периода генера женного на скорость обьекта 3 юл. М 1лектроники А(54) УСТРОЙСТВО ДЛПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ(57) Изобретение относизмерительной технике- повышение точности стао СССР /00, 1989.ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЬЕКТАтся к контрольно- Цель изобретения пределения полойство содернные Генераопитель 4 и ней ных переоединенныеяти и регистписывается льсов ген эимпульсами истраторе 12 ы обьекта 35 тора 2, умно.5,2 мл,55 Изобретение относи 1 ся к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для определения положенияграниц обьектов.Известно устройство (1), содержащееблок перемещений объекта, датчик линейных перемещений, оптическую системуформирования полутоновых изображенийобъекта, фотоприемник и анализатор,Его недостатком является наличиеошибки определения границы, вызванноепостоянной засветкой фотоприемника,Известно также устройство определения положения границ обьектов (2), содержащее источник света, систему линз,щелевую диафрагму, фотоприемник, схемусравнения, датчик линейного перемещения, накопитель.Недостатком этого устройства являетсяналичие погрешности, обусловленной шумами формируемых им видеоимпульсов ишумами электронных схем обработки этихимпульсов,Наиболее близким техническим решением является устройство для определенияположения границ объекта, содержащееблок перемещения объекта, механическисвязанный с приводом, генератор, пьезопривод, вход которого подключен к выходугенератора, оптически связанные источниксвета, интерферометр с оборачивающейпризмой, одно из плеч которого механически связано с пьеэоприводом, систему линз,диафрагму и фотоприемник, последовательно соединенные фильтр, вход которого подключен к выходу фотоприемника,индикатор нуля, первый одновибратор, первый элемент ИЛИ,одновибратор с повторным запуском, второй одновибратор ивторой элемент ИЛИ, третий одновибратор,включенный между выходом индикаторануля и вторым входом первого элемента ИЛИ,четвертый одновибратор, включенный между выходом одновибратора с повторным запуском и вторым входом второго элементаИЛИ, последовательно соединенные датчиклинейных 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, недостаткомкоторого является невысокая точность, координаты положения границ объекта определяются в целых числах сигналов датчикалинейных перемещений, Поэтому одной изсоставляющих погрешности определенияграниц является "погрешность квантования", пропорциональная пеоиоду сигналовдатчика перемещений и обусловленная слу 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 чайным 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 подключен к выходу генератора, оптически связанные источник света, интерферометр с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пьезоприводом, систему линз, диафрагму и фотоприемник, последовательно соединенные фильтр, вход которого подключен к выходу фотоприемника, индикатор нуля, первый одновибратор, первый элемент ИЛИ, одно- вибратор 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 перемещения объекта, накопитель и регистр памяти, тактовый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а также регистратор, 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 выходами 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 гактовым входом второго регистра памяти, 17039685 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 обьекта.На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для определения положения границ обьекта; 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 объекта, 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, одновибраторы 22 и 23, элемент ИЛИ 24, триггер 25, элемент И 26, одновибратор 27 с повторным запуском, линию 28 задержки, одновибраторы 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, одновибратор 27 с повторным запуском, одновибратор 29 и элемент ИЛИ 31, одновибратор 23 включен между выходол 1 индикатора 21 нуля и вторым входом элемента ИЛИ 24, одновибратор 30 включен л 1 ежду выходом одновибратора 27 с повторным запуском и вторым входом элемента ИЛИ 31, Последовательноо соединены датчик 14 линейных перемещений, механически связанный с блоком 6 перемещения объекта, накопитель 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-тора 2 и первым входом регистратора 12,мент ИСКЛ ЮЧАЮЩЕ Е ИЛ И 17, мультиплексор 18, накопитель 10 и регистр 11 памяти последовательно соединены между собой и включены между выходом 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 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 элемента ИЛИ 31. Установочный вход триггера 25 и входы установки нуля накопителей 4 и 10 подключены к выходу линии 28 задержки, вход которой связан с тактовым входом регистра 5 памяти, выходом датчика 14 линейных 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 регистра 34 памяти подключен к выходу регистра 33 памяти, а его выход - к третьему входу регистратора 12.Устройство работает следующим образом.После 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 показана),Обьект 35 освещают источником 8 когерентного монохроматического света и перемещают в направлении Х. Граница обьекта перпендикулярна направлению перемещения. Оборачивающая призма ингс ГФерометра 9 раздваивает изображение границы, оборачивает одно из них и вновь совмещает оба иэображения на своей полупрозрачной грани, а система 13 линз проецирует их на щель диафрагмы 15 под действием пьезоп 17039685 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ривода 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, Одмовибраторы 22 и 29 формируют короткие импульсы по передним фронтам поступающих на них сигналов, а одновибраторы 23 и 30 - за задним. Совместной работой одновибраторов 22, 23 и элемента ИЛИ 24 количество сигналов (21) удваивается. Первым сигналом полученной пачки запускается одновибратор 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 накопленные в эти моменты накопителем 32 количества сигналов (14) с датчика 14 линейных перемещений. Сигналы (31) переписывают в регистр 34 памяти количества п 1 и п 2 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 импульсу 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), характеризующее величину текущего законченного периода сигналов датчика 14,Мультиплексор 18 пропускает на выход сигналы с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 или сигналы с выхода индикатора 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 исходном состоянии (до прихода на его тактовый вход первого импульса с выхода элемента ИЛИ 31, соответствующего первой границе обьекта) мультиплексор 18 пропускает на накопитель 10 сигналы с выхода элемента 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 этом накопителе будет находиться гп, сигналов индикатора 3 нуля, Это число и перепишется в регистр 11 памяти. Следовательно, в регистре 11 запишется число п 1, характеризующее часть периода сигналов датчика 14 линейных перемещений от момента определения положения передней границы объекта до предыдущего сигнала датчика 14.Таким образом, при появлении первого выходного сигнала элемента ИЛИ 31, соответствующего моменту сканирования первой границы объекта, в регистре 34 памяти запишется число п 1 сигналов датчика 14 линейных перемещений, а в регистре 11 - число гпту 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 числот,характеризующее величину всего измеряемого периода сигналов датчика 14 линейных перемещений. С этого момента в регистрах 34, 11 и хранится в дробном количестве импульсов п 1 есlгп, датчика 14 информация о положении первой границыобьекта,Первый выходной сигнал элемента ИЛИ31 переключает триггер 25, разрешая прохождения выходных импульсов датчика 14 на выход элемента И 26. Поэтому следую 1703968 105 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 щий после этого импульс датчика 14 поступает на разрешающие входы регистров 5, 11и 31, переводя эти регистры из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное,При этом хранящаяся в регистрах информация о координате отображается регистратором 12, Этим же импульсом датчика 14, сзадержкой, поступающей на установочныйвход триггера 25, триггер 25 сбрасывается висходное состояние.Первый выходной сигнал элемента ИЛИ31 переключает триггер 20, изменяя приэтом режим работы мультиплексора 18. Теперь он пропускает на вход накопителя 10сигналы с выхода индикатора 21 нуля.Поэтому при формировании элементомИЛИ 31 второго выходного сигнала, характеризукиего момент сканирования второйграницы обьекта. в регистре 11 будет записано число пз 2 выходных сигналов индикатора 21 нуля, характеризующее частьизмеряемого при определении второй границы периода сигналов датчика 14. В остальном работа устройства по определениюположения второй границы объекта аналогична описанной выше,При поступлении второго сигнала с элемента ИЛИ 31 на триггер 20 последний переключается еще раз, возвращаясь висходное состояние и подготавливая устройство для следующего измерения положения границ объекта,Реализация устройства осуществляласьна макете, в котором в качестве источникасвета был использован лазер ОКГ, в качестве генератора - генератор сигналов ГЗ 109. Пьезопривод изготовлен из дискапьезокерамики ЦТС. Блок перемещенияобъекта выполнен в виде каретки, перемещающейся по аэростатическим направляющим, Роль привода выполнял линейныйэлектродвигатель постоянного тока, Датчиклинейных перемещений представляет собой двухлучевой интерферометр Майкельсона. В качестве фотоприемника примененфотоумножитель ФЭУ. Фильтр выполнен по схеме узкополосного фильтра, а индикаторы нуля - по схеме. представленнойв (4), Одновибраторы представляют собоймикросхемы К 155 АГЗ в стандартном включении, накопители выполнены в виде счетчиков на микросхемах К 155 ИЕ 2.Мультиплексор построен на схемеК 155 ЛР 1. В качестве элементов ИЛИ использована микросхема К 155 ЛЛ 1, а в качестве линии задержки и элемента И -К 155 ЛАЗ. Регистры памяти изготовлены намикросхемах К 588 ИР 12, триггерыК 155 ТМ 2, Регистратор выполнен на цифровых индикаторах АЛС 324 А, включенных через дешифраторы КР 514 ИД 1,Таким образом, за счет введения новых элементов и их связей обеспечена возможность измерения положения границ объектов в дробных числах периодов сигналов датчика линейных перемещений, Это привело к уменьшению погрешности квантования с цены периода сигналов датчика линейных перемещений до цены полупериода сигналов генератора. Вследствие этого по сравнительным экспериментальным исследованиям результирующая точность определения положений границ увеличена в полтора-два раза,Устройство определения положения границ объектов может найти широкое применение в фотоэлектрических микроскопах при контроле линейных размеров элементов различных узлов электронных приборов. В частности, его использование на предприятии электронной промышленности для контроля качества изготовления фотошаблонов, используемых в процессе 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 т.д.Формула изобретения Устройство для определения положения границ объекта, содержащее блок перемещения объекта с приводом, генератор. пьезопривод, вход которого подключен к выходу генератора, оптически связанные источник света, интерферометр с оборачивающей призмой, одно из плеч которого механически связано с пьезоприводом, систему линз, диафрагму и фотоприемник, последовательно соединенные фильтр, вход которого подключен 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 перемещения объекта, накопитель, регистр памяти, тактовый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ и регистратор, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью увеличения точности, оно снабжено вторым индикатором нуля. элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, мульти12 1703968 иго 28 2 2 оставитель Ю.Гуровехред М.Моргентал Корректор Т.Пали актор С.Кулакова аз 54 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский Комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 1/плексором, двумя триггерами, элементом И. двумя накопителями, тремя регистрами памяти и линией задержки, причем второй индикатор нуля, второй накопитель и второй регистр памяти последовательно соединены 5 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 10 включены между выходом второго индикатора нуля и вторым входом регистратора, вторые информационные входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕЕ ИЛИ и мультиплексора подключены к выходу первого индикатора нуля, входы выбо ра режима мультиплексора соединены соответственно с прямым и инверсным выходами 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 перемещения 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.