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DE2839949A1 - Spectrum sequential scanning system - uses stepwise discrete signal detection to determine signal average and standard deviation - Google Patents

Spectrum sequential scanning system - uses stepwise discrete signal detection to determine signal average and standard deviation

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Publication number
DE2839949A1
DE2839949A1 DE19782839949 DE2839949A DE2839949A1 DE 2839949 A1 DE2839949 A1 DE 2839949A1 DE 19782839949 DE19782839949 DE 19782839949 DE 2839949 A DE2839949 A DE 2839949A DE 2839949 A1 DE2839949 A1 DE 2839949A1
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DE
Germany
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individual signals
measured value
standard deviation
size
value
Prior art date
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DE19782839949
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German (de)
Inventor
Hans Adolf Von Ing Gr Derschau
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Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The process determines a spectrum by sequentially scanning it using a stepping monochromator (3). At each step a number of discrete signals is rapidly recorded. The computer (7) calculates the average value M and the standard deviation of the signals. The standard deviation is compared with the desired signal scatter and if it lies outside the step is repeated. The monochromator only moves on to the next step when the standard deviation lies within the desired limits. the average value for each successful step is stored (9) to generate the detected spectrum.

Description

"Verfahren zum Erfassen aufein-"Procedure for recording on one

anderfolgender Meßwerte einer Funktion" Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen aufeinanderfolgender Meßwerte einer abhängigen Variablen beim Durchlaufen der zugehörigen unabhängigen Variablen mit einer über den jeweiligen Meßwert selbst gesteuerten Geschwindigkeit. other measured values of a function " description The present invention relates to a method of detecting consecutive Measured values of a dependent variable when running through the associated independent Variables with a speed controlled by the respective measured value.

Bei der Erfassung einer abhängigen Variablen, beispielsweise der Absorption oder Extinktion einer Probe als Funktion einer unabhängigen Variablen, beispielsweise der Wellenlänge des Lichtes wird üblicherweise die unabhängige Variable kontinuierlich durchlaufen und die abhängige Variable wird dabei laufend gemessen und erfaßt, zum Beispiel registrierf. Um auch kleine Veränderungen der zu messenden Größe einwandfrei erfassen zu können ohne beim Auftreten von großen Veränderungen ein übersteuern befürchten zu müssen ist es bekannt die Verstärkung der Meßsignale in Abhängigkeit von ihrer Amplitude zu regeln, so daß einem kleinen Meßwert eine hohe Verstärkung entspricht und umgekehrt. Bekannt ist es auch die Meßwerterfassung mit variabler spektraler Bandbreite des Meßlichtes durchzuführen. Beide Verfahren führen jedoch zu verzerrten Meßkurven.When capturing a dependent variable, such as absorption or absorbance of a sample as a function of an independent variable, for example The independent variable of the wavelength of light is usually continuous run through and the dependent variable is continuously measured and recorded, for Example registr. To ensure that even small changes in the size to be measured are flawless to be able to record without overriding when major changes occur It is known to have to fear the amplification of the measurement signals as a function to regulate their amplitude, so that a small measured value has a high gain corresponds and vice versa. It is also known to record measured values with variable perform spectral bandwidth of the measuring light. However, both procedures lead to distorted measurement curves.

Es ist ferner bekannt bei einem Photometer im elektronischen Teil eine hohe Zeitkonstante vorzusehen und beim Auftreten von hohen Signalamplituden die Abtastgeschwindigkeit herabzusetzen. Ein solches Gerät erfaßt zwar auch höhere Meßwerte unverzerrt, es ist jedoch nicht in der Lage bei kleinen, stark verrauschten Meßsignalen eine gesicherte Meßwerterfassung zu gewährleisten und seine Grund-Abtastgeschwindigkeit stellt stets einen Kompromiß zwischen Genauigkeit und Meßgeschwindigkeit dar.It is also known in a photometer in the electronic part to provide a high time constant and when high signal amplitudes occur reduce the scanning speed. Such a device also records higher ones Measured values are undistorted, but it is not capable of small, very noisy Measuring signals to ensure a secure acquisition of measured values and its basic scanning speed always represents a compromise between accuracy and measuring speed.

Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erfassen aufeinanderfolgender Meßwerte einer abhängigen Variablen beim Durchlaufen der zugehörigen unabhängigen Variablen zu schaffen, bei dem die gesuchte Funktion unverzerrt aus Werten zusammengesetzt wird, die in allen Signalbereichen meßtechnisch einwandfrei ermittelt sind.It is now the aim of the present invention to provide a method of detection successive measured values of a dependent variable when running through the associated to create independent variables in which the function sought is undistorted Values is put together that are technically correct in all signal ranges are determined.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in aufeinanderfolgenden Abtastschritten jeder Meßwert als Mittelwert mehrerer schnell nacheinander gewonnener Einzelsignale gebildet und zugleich eine die Streuung der Einzelsignale kennzeichnende statistische Größe bestimmt wird, und daß die Durchlaufgeschwindigkeit umgekehrt proportional zu dieser Größe gesteuert wird. Es ist dabei vorteilhaft das Verfahren so zu führen, daß die Weiterschaltung von einem Abtastschritt zum nächsten erfolgt sobald die dem jeweiligen Meßwert zugeordnete, die Streuung der Einzelsignale um diesen Wert kennzeichnende Größe innerhalb eines vorgebenen Bereiches liegt.This object is achieved according to the invention in that in successive Sampling steps each measured value as the mean value of several obtained quickly one after the other Individual signals are formed and at the same time one that characterizes the scattering of the individual signals statistical size is determined, and that the throughput speed is reversed is controlled proportionally to this size. It is advantageous to use the method so that the switching takes place from one sampling step to the next as soon as the assigned to the respective measured value, the scattering of the individual signals around the variable characterizing this value lies within a specified range.

Zur Kennzeichnung der Streuung der Einzelsignale um den Meßwert wird vorzugsweise die Standardabweichung bestimmt, welche definitionsgemäß ein Maß dafür ist, wie die Amplituden der Einzelsignale um den Mittelwert herum streuen.To identify the spread of the individual signals around the measured value, preferably the standard deviation determines which, by definition, is a measure of it is how the amplitudes of the individual signals scatter around the mean value.

Bei dem neuen Verfahren wird also die Meßwerterfassung diskontinuierlich vorgenommen, wobei der während jedes Abtastschrittes ermittelte Meßwert als Mittelwert aus einer Vielzahl von Einzelsignalen gewonnen wird und die zugeordnete, die Streuung kennzeichnende Größe innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt. Jeder Meßwert ist damit meßtechnisch einwandfrei ermittelt und zwar unabhängig davon ob das jeweilige Meßsignal stark verrauscht ist oder nicht.With the new method, the acquisition of the measured values is therefore discontinuous made, with the measured value determined during each sampling step as the mean value is obtained from a large number of individual signals and the assigned, the scatter characteristic size is within a predetermined range. Every measured value is thus correctly determined in terms of measurement technology, regardless of whether the respective Measurement signal is very noisy or not.

Bei der Ermittlung jedes Meßwertes wird beispielsweise die Gewinnung von Einzelsignalen und die Bestimmung von Mittelwert sowie Standardabweichung kontinuierlich solange durchgeführt bis die Standardabweichung im vorbestimmten Wertbereich liegt. Danach erfolgt die Weiterschaltung der unabhängigen Variablen zum nächsten Abtastschritt. Es ist auch möglich bei jedem Abtastschritt eine vorbestimmte Zahl von Einzelmessungen zu gewinnen und daraus Mittelwert sowie Standardabweichung zu bestimmen. Ist die Standardabweichung zu groß, so wird die Meßwerterfassung unter Beibehaltung der Zahl der Einzelmessungen wiederholt und dieser Zyklus läuft solange ab, bis die Standardabweichung im vorbestimmten Wertbereich liegt.When determining each measured value, for example, the extraction of individual signals and the determination of mean value and standard deviation continuously carried out until the standard deviation is in the predetermined value range. Then the independent variables are switched to the next sampling step. A predetermined number of individual measurements is also possible for each sampling step and to determine the mean value and standard deviation from this. Is the If the standard deviation is too large, the measured value will be recorded while maintaining the Number of individual measurements repeated and this cycle continues until the Standard deviation is in the predetermined range of values.

Durch diese meßtechnisch einwandfreie Erfassung der Meßwerte erfolgt das Durchlaufen der unabhängigen Variablen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit; die Dauer jedes Abtastschrittes hängt davon ab wie stark verrauscht das jeweilige Signal der abhängigen Variablen ist. Die Abtastgeschwindigkeit wird also bei dem neuen Verfahren automatisch gewählt und zwar ohne jeden Kompromiß alleine in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Meßwerterfassung.This technically correct acquisition of the measured values takes place cycling through the independent variables at different speeds; the duration of each sampling step depends on how noisy it is Signal of the dependent variable is. The scanning speed is so in the automatically selected new method and without any compromise alone depending on the accuracy of the data acquisition.

Es ist vorteilhaft die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Abtastschritten gleich groß zu wählen. Die Größe dieser Abstände wird dem jeweiligen Meßproblem angepaßt.The distances between successive scanning steps are advantageous to choose the same size. The size of these distances depends on the particular measurement problem customized.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung; Fig. 2 die Registrierung einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessenen Funktion.The invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 and 2 of the accompanying drawings Drawing explained in more detail. In detail: FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a Apparatus for carrying out the method according to the invention; Fig. 2 shows the registration a function measured with the device according to FIG.

In Fig. 1 ist stark schematisiert ein Photometer dargestellt, bei dem das Licht einer Lichtquelle 1 durch eine Probe 2 tritt und mittels eines Monochromators 3 spektral zerlegt wird. Mittels eines Motors 5, welcher beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet ist wird der Wellenlängenvorschub des Monochromators 3 gesteuert, so daß Licht der jeweils gewählten Wellenlänge auf einen photoelektrischen Empfänger 4 trifft. Bei einer vorgegebenen Wellenlänge, beispielsweise der Wellenlänge Ao der Fig. 2 werden mittels einer Anordnung 6 schnell hintereinander mehrere Einzelsignale des Empfängers 4 gewonnen und einem Rechner 7 zugeleitet. Dieser bildet aus den Einzelsignalen den Mittelwert M und bestimmt eine die Streuung der Einzelsignale um diesen Mittelwert kennzeichnende Größe. Als diese Größe wird in der folgenden Beschreibung die Standardabweichung 5'verwendet. Das C'-Signal wird einem Vergleicher 8 zugeführt, welchem über einen Eingang 10 ein Vergleichswert zugeführt ist.In Fig. 1, a photometer is shown in a highly schematic manner, at which the light from a light source 1 passes through a sample 2 and by means of a monochromator 3 is spectrally broken down. By means of a motor 5, which for example as a stepper motor the wavelength advance of the monochromator 3 is controlled, see above that light of the chosen wavelength on a photoelectric receiver 4 hits. At a predetermined wavelength, for example the wavelength Ao 2, a plurality of individual signals are generated in rapid succession by means of an arrangement 6 of the receiver 4 and forwarded to a computer 7. This forms from the Individual signals the mean value M and determines the spread of the individual signals variable around this mean value. As this size is used in the following Description the standard deviation 5 'is used. The C 'signal is used by a comparator 8 is supplied to which a comparison value is supplied via an input 10.

Entspricht das M -Signal von Rechner 7 dem über 10 zugeführten Soll-Wert oder liegt es innerhalb eines vorgegebenen Bereiches um diesen Wert, so gibt der Vergleicher 8 einen Impuls zurück zum Rechner 7, welcher bewirkt das der zugehörige Mittelwert M dem Registrierer 9 zugeführt wird. Der Wert kann hier registriert werden, wie dies Fig. 2 zeigt oder er kann für eine spätere Auswertung gespeichert werden. Zugleich gibt der Vergleicher 8 einen Impuls zum Schrittmotor 5, welcher bewirkt, daß der Wellen längenvorschub des Monochromators 3 um einen vorbestimmten Betrag weiterbewegt wird. Es wird dann beispielsweise die in Fig. 2 mit 11 bezeichnete Wellenlänge eingestellt und die nächste Messung vorgenommen.If the M signal from computer 7 corresponds to the nominal value supplied via 10 or if this value is within a specified range, the Comparator 8 sends a pulse back to computer 7, which causes the associated Mean value M is fed to the recorder 9. The value can be registered here, as shown in FIG. 2, or it can be saved for later evaluation. At the same time, the comparator 8 sends a pulse to the stepping motor 5, which causes that the wave length advance of the monochromator 3 by a predetermined amount is moved on. It is then designated by 11 in FIG. 2, for example Set the wavelength and take the next measurement.

Entspricht dagegen bei der Wellenlänge to der Wert nicht dem Vergleichswert so liefert der Vergleicher 8 einen Impuls zum Rechner 7, welcher zur Anordnung 6 weitergeleitet wird und bewirkt, daß bei derselben eingestellten Wellenlänge die Messung wiederholt wird. Zu diesem Zweck werden wie beim vorgehenden Schritt wieder eine vorbestimmte Zahl von Einzelsignalen gewonnen und dem Rechner 7 zugeführt. Entspricht jetzt der Çe-Wert dem Soll-Wert, so wird der Wellenlängenvorschub des Monochromators 3 weitergeschaltet, entspricht dagegen der Wert dem Soll-Wert immer noch nicht, so wird die Meßwerterfassung in der geschilderten Weise wiederholt.If, on the other hand, the value for the wavelength to does not correspond to the comparison value so the comparator 8 delivers a pulse to the computer 7, which to the arrangement 6 is passed on and has the effect that at the same set wavelength the Measurement is repeated. To do this, use the same procedure as in the previous step a predetermined number of individual signals obtained and fed to the computer 7. If the Çe value now corresponds to the target value, the wavelength advance of the Monochromator 3 switched on, however, the value always corresponds to the target value not yet, the measured value acquisition is repeated in the manner described.

Auf diese Weise wird sch-ließlich wie in Fig. 2 andeutungsweise dargestellt ist die Kurve 12 aus einer Vielzahl von einzelnen Meßpunkten M zusammengesetzt, wobei der Abstand aufeinanderfolgender Meßpunkte entsprechend dem eßproblem gewählt ist. Man wird diesen Abstand normalerweise gleich groß wählen und zwar so groß, daß bei einer Registrierung gemäß Fig. 2 die Kurve zwischen aufeinanderfolgenden Meßpunkten M linear gezogen werden kann ohne das eine Verfälschung der Meßkurve eintritt.In this way, as shown in FIG. 2, is indicated the curve 12 is composed of a large number of individual measuring points M, The distance between successive measuring points is chosen according to the eating problem is. This distance will normally be chosen to be the same and so large, that with a registration according to FIG. 2, the curve between successive Measurement points M can be drawn linearly without falsifying the measurement curve entry.

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Claims (6)

Patentansprüche 1. Verfahren zum Erfassen aufeinanderfolgender Meßwerte einer abhängigen Variablen beim Durchlaufen der zugehörigen unabhängigen Variablen mit einer über den jeweiligen Meßwert selbst gesteuerten Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in aufeinanderfolgenden Abtastschritten jeder Meßwert als Mittelwert mehrerer schnell nacheinander gewonnener Einzelsignale gebildet und zugleich eine die Streuung der Einzelsignale kennzeichnende statistische Größe bestimmt wird und daß die Durchlaufgeschwindigkeit umgekehrt proportional zu dieser Größe gesteuert wird. Claims 1. A method for acquiring successive measured values of a dependent variable when iterating through the associated independent variable with a speed controlled by the respective measured value itself, thereby characterized in that each measured value is taken as the mean value in successive sampling steps formed several individual signals obtained quickly one after the other and at the same time one the statistical variable characterizing the scattering of the individual signals is determined and that the throughput speed is controlled inversely proportional to this size will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennzeichnung der Streuung der Einzelsignale um den Meßwert die Standardabweichung bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that for marking the scatter of the individual signals around the measured value, the standard deviation is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterschaltung von einem Abtastschritt zum nächsten erfolgt sobald die, die Streuung der Einzelsignale kennzeichnende Größe des jeweiligen Meßwertes innerhalb eines vorgebenen Bereiches liegt.3. The method according to claim 1, characterized in that the forwarding from one sampling step to the next, the scattering of the individual signals takes place as soon as possible characteristic size of the respective measured value within a specified range lies. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung jedes Meßwertes die Gewinnung von Einzelsignalen und die Bestimmung des Mittelwerts und der die Streuung der Einzelsignale um diesen Mittelwert kennzeichnenden Größe solange kontinuierlich wiederholt wird, bis diese Größe innerhalb ihres vorgegebenen Bereiches liegt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that for Formation of each measured value, the extraction of individual signals and the determination of the Mean value and that characterizing the scatter of the individual signals around this mean value Size is repeated continuously until this size is within its specified Area. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung jedes Meßwertes eine vorbestimmte Zahl von Einzelsignalen gewonnen und dieser Vorgang unter Beibehaltung der Zahl der Einzelmessungen solange wiederholt wird bis die, die Streuung der Einzelsignale kennzeichnende Größe innerhalb ihres vorgebenen Bereiches liegt.5. The method according to claim 1 to 3, characterized in that for Formation of each measured value a predetermined number of individual signals obtained and this The process is repeated while maintaining the number of individual measurements until the variable that characterizes the scattering of the individual signals within its specified range Area. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Abtastschritten gleich groß sind.6. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the The distances between successive scanning steps are the same.
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