автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение точности трехкоординатных измерений геометрических параметров изделий в компьютерной микроскопии методами продольной фокусировки и триангуляции

ЛАТОНОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ В КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ МЕТОДАМИ ПРОДОЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКИ И ТРИАНГУЛЯЦИИ

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

і 7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —2013

005537492

005537492

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шулепов Алексей Виленинович ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Проиякии Владимир Ильич федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), заведующий кафедрой «Метрология и взаимозаменяемость», г. Москва

кандидат технических наук, доцент Филонов Александр Сергеевич

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК), заведующий кафедрой прикладной оптики, г. Москва

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ), г. Москва

Защита диссертации состоится « 26 » ноября 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.04 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 1, аудитория 0622.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»).

Автореферат разослан « 25" » октября 2013 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из актуальных задач современной измерительной техники в области станкостроения и инструментального производства является повышение точности измерения линейных и угловых размеров деталей и инструмента. Для решения поставленной задачи широкое применение получили оптические приборы, отличающиеся широким диапазоном измеряемых размеров, возможностью проведения бесконтактных дистанционных измерений размеров и углов, отклонений формы, расположения и шероховатости поверхностей. Особый класс оптических средств измерения (СИ) составляют измерительные микроскопы. Они широко применяются для проведения высокоточных измерений деталей сложной формы и конструкции, элементов технологических и контрольных приспособлений, режушего инструмента.

Однако наряду с повышением точностных характеристик таких СИ часто требуется решать ещё одну актуальную задачу - повышение их универсальности и функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что в ходе выполнения сложных измерительных работ, как правило, при измерении деталей сложной формы и точных, малогабаритных деталей, возникает необходимость использования нескольких различных датчиков на измерительный цикл. Таким образом, требуется создание нового типа измерительных машин, сочетающих в себе функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и координатно-шмерительных машин (КИМ). Подобные системы, построенные на базе измерительных микроскопов, оснащенные средствами проведения оптических и контактных трехкоординатных измерений на основе использования щуповых головок, определили целый новый класс средств измерений - мультисенсорные координатно-измерительные машины (МКИМ). С применением таких СИ возможно проводить контактные и оптические измерения, выполнять высокоточное сканирование измеряемой поверхности, определять ее шероховатость. Такая многофункциональность обеспечивается применением комбинацией различных датчиков, в том числе на основе бесконтактных лазерных систем.

Современные зарубежные машины этого типа позволяют проводить измерения в плоскости Х-У с погрешностью до 2 мкм в диапазоне измерения 300x300 мм и по координате Ъ (вдоль оптической оси) с погрешностью до 5 мкм в диапазоне

измерения 200 мм, однако стоимость таких систем достигает нескольких сотен тысяч долларов.

Анализ структуры применяемых МКИМ позволяет сделать вывод о том, что подобные системы могут быть созданы путем модернизации существующих оптических измерительных и инструментальных микроскопов, парк которых насчитывает до нескольких десятков единиц на отдельных предприятиях отечественного промышленного комплекса. Эти СИ имеют совершенную и надежную механическую и оптическую системы, оснащены узлами, приспособлениями и устройствами, позволяющими проводить измерения объектов широкой номенклатуры, и хорошо поддаются компьютеризации.

Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной бесконтактной трехкоординатной информационно-измерительной системы (ИИС) на основе модернизации и компьютеризации стандартизованных СИ, в которой бы сочетались функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и КИМ. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ИИС на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющая проводить измерения по координате Ъ (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

Цель работы заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности компьютеризированных измерительных микроскопов путем построения на их основе трехкоординатных информационно-измерительных систем.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. Исследование возможности измерения по координате Ъ на компьютеризированном измерительном микроскопе с использованием методов продольной фокусировки и триангуляции.

2. Разработка принципов цифровой обработки изображений при измерении по координате Ъ с использованием указанных методов.

3. Разработка и создание экспериментального образца трехкоординатной информационно-измерительной системы на основе указанных методов.

4. Экспериментальное исследование разработанных методов и средств измерения по координате Ъ.

5. Повышение точности двухкоординатных измерений в плоскости X-Y на компьютеризированном измерительном микроскопе.

6. Разработка способа оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения.

Методологической базой исследований послужили работы М.Я. Шульмана в области автоматической фокусировки; работы В.И. Телешевского, А.В. Шулепова в области компьютеризации измерительных микроскопов; работы В.В. Mandelbrot (Польша), J. Feder (Норвегия), А.Д. Морозова в области фрактальной теории; работы А.И. Тудоровского, В.Н. Чуриловского, В.А. Панова в области теории оптических приборов; работы R.C. Gonzalez (Испания), R.E. Woods (США), И.С. Грузмана в области цифровой обработки изображений.

Методы исследования. В работе использованы методы теории дифракции и теории оптических систем, методы фрактальной теории и цифровой обработки изображений. Расчеты и разработка программно-математического обеспечения выполнялись в среде MATLAB.

Научная новизна работы заключается в:

1. установлении критериев фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность на основе цифровой обработки изображения указанной поверхности;

2. установлении взаимосвязи погрешности измерений в плоскости X-Y и точности фокусировки оптической системы на край объекта измерения;

3. выявлении зависимости, связывающей значения критерия фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность измеряемого объекта с видом обработки указанной поверхности и ее шероховатостью.

Практическая значимость работы состоит в:

1. структуре и конструкции трехкоординатной информационно-измерительной системы на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющей проводить измерения по координате Z (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции;

2. повышении точности проведения двухкоординатных измерений в плоскости X-Y на компьютеризированном измерительном микроскопе в результате повышения точности фокусировки оптической системы на измеряемый объект;

3. способе оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения, причем оценивание выполняется одновременно с проведением фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность методом продольной фокусировки;

4. критерии фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность, обладающем большей чувствительностью и точностью по сравнению с существующими критериями.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре (ГИЦ) ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. на Научно-практических конференциях «Автоматизация и информационные технологии (АИТ)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2010, 2013);

2. на Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2012);

3. на 12-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепризнанных экспериментальных методик, нормированными метрологическими характеристиками поверенных средств измерений, а также обоснована соответствием между полученными результатами и результатами работ других авторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 95 наименований, и приложения. Общий объем работы 147 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы расширения функциональных возможностей и повышения точности оптических средств измерения, в частности универсальных измерительных микроскопов, сформулирована цель диссертационной работы и задачи, решаемые при достижении поставленной цели, показана научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, определены основные положения, выносимые на защиту, приведена общая структура работы и сведения о публикациях автора по теме настоящей диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ оптических систем, обладающих возможностью проведения бесконтактных трехкоординатных измерений, и дана оценка возможности их применения для измерения малогабаритных деталей сложной формы в приборостроении, машиностроении и инструментальном производстве.

Рассмотрены современные методы бесконтактных трехкоординатных исследований микро- и наноструктур в компьютерной оптической микроскопии, в частности методами ближнепольной и конфокальной оптической микроскопии. Показано, что описанные методы обладают большим разрешением вдоль оптической оси (по координате 2), но малыми диапазонами измерения и невысоким быстродействием. В результате ближнепольные оптические микроскопы нашли свое применение, главным образом, для определения микротопографии тонких структур в металловедении, а конфокальные - для исследования образцов в медицине и биологии.

Описаны методы классической оптической микроскопии, в которой измерения проводятся при помощи оптических микроскопов с широким полем зрения. Расширение функциональных возможностей таких микроскопов обеспечивается их компьютеризацией и модернизацией: оснащением средствами проведения оптических и контактных трехкоординатных измерений. Получаемые системы образуют отдельный класс средств измерений - мультисенсорные координатно-измерительные машины. Подобные машины имеют модульную компоновку и могут оснащаться контактными и оптическими датчиками, основанными на различных физических принципах и позволяющими проводить трехкоординатные измерения.

Проанализированы принципы построения и преимущества оптических датчиков, на основе которых могут быть построены системы для бесконтактных трехкоординатных измерений, в частности:

- хроматического;

- фотограмметрического;

- датчика на основе принципа Фуко;

- датчика на основе продольной фокусировки;

- триангуляционного.

Анализ показал, что по обеспечиваемой точности измерений по координате Ъ (сравнимой с точностью зарубежных аналогов) и простоте включения в состав существующего стандартизованного средства измерения при его модернизации в качестве предмета исследования целесообразно выбрать методы продольной фокусировки и триангуляции.

Показана важность задачи фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность при проведении бесконтактных трехкоординатных измерений. Описаны известные способы автоматической фокусировки оптических систем из области теле-и фототехники.

Применение систем автоматической фокусировки в измерительных целях осуществляет ряд иностранных компаний, однако принципы построения указанных систем и алгоритмы обработки изображений измеряемых объектов являются их коммерческой тайной. Несмотря на это, проведенный анализ патентов одной из лидирующих компаний в области производства мультисенсорных трехкоординатных измерительных машин показал, что применяются пассивные системы, в которых в качестве критерия фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность используется контраст изображения. Выявленный обобщенный алгоритм вычисления контраста использовался для сравнения с разработанными критериями фокусировки.

На основе проведенного анализа и данных, содержащихся в научно-технической литературе и технических описаниях, определены основные задачи исследования и сформулированы требования к разрабатываемой ИИС на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющей проводить бесконтактные трехкоординатные измерения, в том числе по координате Ъ (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

Во второй главе разработаны принципы определения положения поверхности по координате Ъ методами продольной фокусировки и триангуляции. Разработаны специальные критерии фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность измеряемого объекта. Показано, что наведение оптической системы методом продольной фокусировки на объект измерения хорошо согласуется с условиями формирования резкого изображения увеличивающими объективами.

Важным в теории оптических систем является понятие глубины резкости, определяющей область пространства вдоль оптической оси, в пределах которой изображение считается резким. Таким образом, величина глубины резкости зависит от назначения оптической системы и даваемого ею перспективного плоского изображения.

При наблюдении в микроскоп объемного предмета полная глубина резкости Т складывается из геометрической глубины резкости Тг и волновой (дифракционной) глубины резкости Те. Аккомодационная глубина, обусловленная постоянным изменением аккомодации глаза в процессе наблюдения объемного предмета, отсутствует, поскольку глаз аккомодирован на фиксированное изображение плоской сетки окуляра.

Для оценки геометрической глубины резкости в микроскопе рассмотрен ход лучей в оптических системах «объектив - ПЗС-матрица» (компьютеризированный микроскоп) и «объектив - глаз» (некомпьютеризировнный микроскоп). Выполненные расчеты показали, что значение геометрической глубины резкости складывается из глубины пространства Д| в сторону входного зрачка и глубины пространства Л2 в противоположную сторону, и может быть вычислено по формулам:

' 2 (2 Ш где а — радиус входного зрачка объектива; р — расстояние от объектива до плоскости наведения; /1об - увеличение объектива; с1а - диаметр диска Эйри (допускаемый размер кружка рассеяния в плоскости изображения); и

(/?„,,-/иМг-Д)2

= А|+А2 = ,Г,а (2)

где ггл - радиус зрачка глаза; е - угловой предел разрешения человеческого глаза; О -расстояние наилучшего зрения; /?об - увеличение объектива; рок - увеличение окуляра.

Допускаемый размер кружка рассеяния для некомпьютеризированного микроскопа определятся величинами е, Э и общим увеличением системы - (Р„бфок). Волновая глубина резкости изображения может быть вычислена по формуле:

где А - апертура объектива, X - длина волны используемого освещения.

Величины дифракционной, геометрической и полной глубин резкости для различных сменных объективов в компьютеризированном и некомпьютеризированном микроскопе УИМ-21 при освещении зеленым светом (Л=530мкм) приведены в таблице 1. Увеличение окуляра для некомпьютеризированного микроскопа составляло 10 крат.

Таблица 1

Геометрическая, дифракционная и полная глубины резкости для различных сменных объективов в компьютеризированном и некомпьютеризированном УИМ-21

Увеличение объектива ((¡об), крат Геометрическая глубина резкости Тг, мкм Дифракционная глубина резкости Т„, мкм Полная глубина резкости Т, мкм

комп-ный микроскоп некомп-ный микроскоп комп-ный микроскоп некомп-ный микроскоп комп-ный микроскоп некомп-ный микроскоп

1 52,6 245,1 41,4 41,4 94,0 286,5

1,5 29,1 114,7 26,5 26,5 55,6 141,2

3 9,6 26,7 9,2 9,2 18,8 35,9

5 2,9 5,6 3,9 3,9 6,8 9,6

В случае наблюдения в микроскоп объекта с идеально плоской поверхностью, полная глубина резкости определяет зону нечувствительности микроскопа вдоль оптической оси. Это означает, что смещение объекта вдоль оптической оси, то есть вдоль вертикальной оси Ъ, на величину ±272 от плоскости наведения (фокусировки) объектива не вызовет изменение резкости получаемого изображения. На практике поверхность любой детали имеет поверхностные микронеровности, высота которых может быть охарактеризована параметрами шероховатости, в частности Иг. Тогда размер зоны нечувствительности и определяется как:

{Т- при & < Г

(4)

0, при &г > Г

Таким образом, поскольку полная глубина резкости и ее составляющие имеют меньшие значения для компьютеризированного микроскопа, он имеет большую

чувствительность к смещению поверхности объекта вдоль оптической оси и, следовательно, может быть использован для построения трехкоординатной ИИС для измерения по координате Ъ методом продольной фокусировки.

Первым методом измерения координаты Z является метод продольной фокусировки, принципиальная схема которого показана на рис. 1. Производя фокусировку на измеряемые поверхности (рис. 1-1, 1-111), расстояние по вертикали между которыми необходимо измерить, и снимая отсчеты 21 и 22 соответственно, можно вычислить искомое расстояние А/т. ЛИ = 22 - 21.

Для реализации указанного метода визирный микроскоп устанавливается на точные направляющие по координатной оси Ъ, оснащается измерительным преобразователем и устройством вертикального перемещения. Для точного наведения оптической системы на измеряемую поверхность необходима система оценивания точной фокусировки.

Очевидно, что при построении рассматриваемой ИИС основной задачей является обеспечение точной фокусировки оптической системы визирного микроскопа на поверхность измеряемой детали. Для этой цели могут быть использованы различные критерии фокусировки, определяемые на основе цифровой обработки изображений измеряемой поверхности.

1

II

III

гтах

з г\

пзс

\ 1 / Ли—

пзс

\|/

ПЗС

X

У

Рис. 1. Принципиальная схема измерений координаты Ъ с использованием метода продольной фокусировки

Анализ показал, что для большинства современных бесконтактных трехкоординатных измерительных систем оценка точности фокусировки основана на вычислении контраста изображения. Полученный алгоритм вычисления контраста описывается как:

^ • мр,х +/4„ й* +^ J

где Л'рй, Мр1х - количество пикселей, формирующих изображение, по длине и ширине матрицы соответственно; /¿„/„¡„ и - максимум/минимум яркости изображения

вдоль сечения по длине и ширине матрицы соответственно.

Особенностью поверхностей деталей, которые измеряются на микроскопе, является наличие у них шероховатости поверхности. Эти поверхностные микронеровности могут быть использованы для точной фокусировки визирного микроскопа на измеряемую поверхность. Критерием качества работы подобных систем может служить резкое изображение поверхностных микронеровностей, соответствующее наилучшей сфокусированности системы на измеряемый объект.

Рассматривая сечения характерных цифровых изображений поверхностных неровностей (рис. 2а, 26), наблюдаемых при несфокусированном и сфокусированном состоянии оптической системы визирного микроскопа, получим функции яркости изображения одной и той же поверхности в несфокусированном и сфокусированном состоянии соответственно (рис. За, 36).

Рис. 2. Цифровое изображение поверхностных Рис. 3. Вертикальные срезы функции яркости

неровностей типичного объекта измерения: (а) - расфокусированного изображения;

(а) - объект не в фокусе; (б) - объект в фокусе (б) - сфокусированного изображения

Видно, что при настройке резкости оптической системы шаговые характеристики функции яркости сохраняются, а высотные параметры изменяются. В частности, при фокусировке оптической системы на поверхность возрастает амплитуда яркости, увеличивается наклон сторон профиля функции яркости, ее спектральный состав и другие характеристики. В качестве критериев фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность было предложено использовать:

- средний угол наклона сторон профиля функции яркости:

! "к:1 1 "л:1 / -1 Л^-' м % рам-ра,

- длину профиля функции яркости:

^ = £Ц = I , (7)

1=1 ¡=1

где 11 - яркость ¡-го пикселя; рк, - номер ¡-го пикселя; Ир,х - количество пикселей, формирующих изображение, по длине матрицы.

- площадь яркостной картины:

(Ш-1ИП-1)

+ (8)

где т, п - размер изображения в пикселях (ширина, высота).

Также в качестве критерия фокусировки было предложено использовать фрактальную размерность изображения поверхности:

- фрактальная размерность поверхности, вычисляемая «методом пирамид»:

£>,(<?) = 2 + 1п(^)/1п(1); (9)

&0 д

- фрактальная размерность профиля:

£),(<?) = 1 + 1п(^)/1п(1), (Ю)

'■и о

где 8 = 1 // - размер укладываемых элементов: длина основания пирамиды для и длина отрезка для О^; ¿о - площадь окна изображения в пикселях в квадрате; Ь0 -размер окна изображения в выбранном сечении в пикселях; 5 - площадь боковых граней уложенных пирамид; £ - длина уложенных отрезков.

Правилом для точной фокусировки системы на плоскость измерения является достижение выбранным критерием фокусировки наибольшего значения (см. рис. 5).

Вторым методом измерения координаты Ъ является триангуляционный метод, сущность которого заключается в следующем (рис. 4). Индикаторный луч, диаметром, например, около 1 мм, от подсвечивающей системы (Л) на основе полупроводникового лазера, установленной на визирный микроскоп, направлен в точку фокуса оптической системы. Луч падает под углом а к оптической оси микроскопа. При наведении оптической системы на измеряемую поверхность до получения ее резкого изображения (например, с использованием метода продольной фокусировки) пятно от индикаторного луча располагается в точке фокуса оптической системы визирного микроскопа и соответственно в центре поля зрения (в перекрестии). Тогда вертикальное смещение измеряемой поверхности по оси Ъ на ЛИ приведет к перемещению АХ центра изображения пятна в поле зрения влево (при смещении вниз, при этом АХ<0, рис. 4-П) или вправо (при смещении вверх, при этом АХ>0, рис. 4-Ш), а искомая величина ЛИ вычисляется как:

ДА = АХ • к ■ с1%а, (11)

где к - коэффициент, связывающий линейные размеры в плоскости наведения (поверхность детали) и плоскости изображения (ПЗС-матрица).

Разработанная система позволяет работать в двух различных режимах. В первом режиме измерений (рис. 4-П, 4-Ш) выполняется определение перепада АИ высот по координате Ъ исходя из смещения АХ центра пятна от перекрестия в соответствии с зависимостью (11).

I II III IV

Рис. 4. Принципиальная схема проведения измерений координаты Ъ с использованием триангуляционного метода

Во втором режиме (рис. 4-1У) перемещением визирного микроскопа по координате Ъ центр пятна от подсвечивающей системы удерживается в центре поля зрения. При этом координаты перемещения 21, 22 ... 2, отсчитываются по измерительному преобразователю по оси Ъ. Тогда высота измеряемой ступеньки АН может быть определена как разность координат визирного микроскопа по координате Ъ в первом положении (рис. 4-1) и втором положении (рис. 4-[V): А)г =22-21.

Для реализации указанной системы на основе триангуляции требуется оснастить визирный микроскоп точными направляющими, измерительным преобразователем по координате Ъ, подсвечивающей лазерной системой.

В третьей главе разработаны методики и представлены результаты экспериментальных исследований методов продольной фокусировки и триангуляции.

Проведено исследование точности разработанных алгоритмов вычисления фрактальной размерности в среде МАТЬАВ. Установлено, что вычисленные значения для тестовых объектов с известными фрактальными характеристиками по площади и профилю отличаются от теоретических значений не более чем на 1%.

Проведено сравнение чувствительности метода продольной фокусировки, использующего критерий контраста Рс наблюдаемого изображения поверхности объекта и разработанные критерии фокусировки £>д, Рк, р1 и Полученные результаты пронормированы к их максимальным значениям и для удобства сравнения приведены к одному диапазону значений от 0,5 до 1.

Анализ полученных зависимостей на рис. 5 показал, что все критерии имеют различную чувствительность к смещению визирного микроскопа вдоль оптической оси, а их максимальные значения соответствуют положениям визирного микроскопа по координате X, в которых достигается наилучшая фокусировка системы на измеряемую поверхность. Меньшая чувствительность критериев на основе фрактальных размерностей и О^ обусловлена тем, что в силу своей специфики они могут принимать строго ограниченные значения: от 1 до 2 и от 2 до 3 соответственно.

Используемый критерий на основе контраста изображения имеет большую чувствительность, а его характеристика имеет гладкий вид по сравнению с критериями Д[, 0$. Предлагаемые критерии на основе угла наклона сторон профиля Рк, длины профиля и площади яркостной картины Ея имеют самую высокую чувствительность и сравнимую с контрастом гладкость характеристик.

Рис. 5. Нормированные значения различных критериев фокусировки в зависимости от величины перемещения визирного микроскопа по координате Ъ

Все предложенные критерии, за исключением Вь являются интегральными и мало чувствительны к отдельным дефектам (выбросам) поверхностных неровностей. Показана возможность использования критериев О/, и Д? в качестве критериев фокусировки, однако их малая чувствительность и значительное машинное время вычисления могут затруднить их практическое применение. Необходимо исследовать погрешность измерений с применением разработанных критериев £>5, Рк, р1 и /"х.

Для определения погрешности измерения методом продольной фокусировки использовалась эталонная мера, построенная при помощи плоской пластины с однородной шероховатостью Яа=0,63 мкм, установленной на синусный стол с наклоном 2 мм на 100 мм. Система последовательно фокусировалась на точки наклоненной поверхности, отстоящие друг от друга на расстоянии 100 мкм по оси Ъ. Сравнивались значения, которые задавались при помощи эталонной меры, и результаты измерений по оси Ъ с помощью метода продольной фокусировки визирной системы микроскопа. На рис. 6 представлены результаты исследования погрешности измерений по оси Ъ для поверхности детали с однородной шероховатостью. Установлено, что наибольшей погрешностью до 11 мкм обладают критерии на основе фрактальных размерностей и £>£. Применяемый в настоящее время критерий на основе контраста Рс обеспечивает получение погрешности не более 4,5 мкм. Наибольшая точность измерения по оси X достигнута при

использовании критериев фокусировки: угла наклона сторон профиля Рк, длины профиля /\г и площади яркостной картины Р$. В этом случае погрешность измерений вдоль оптической оси визирной системы микроскопа не превышает 3,5 мкм. 4,0

-Контрастность Рс

-Угол наклона профиля Рк, длина профиля Р1_, площадь яркостной картины Рэ

—♦—Фрактальная размерность Оэ

2 —»-Фрактальная размерность £

Измеряемый размер, мм

Рис. 6. Погрешность измерения вдоль вертикальной оптической оси измерительного микроскопа методом продольной фокусировки в зависимости от используемого критерия фокусировки для поверхности детали с однородной шероховатостью

Аналогичный эксперимент с поверхностями, обладающими малой

шероховатостью по параметру Яа 0,063 мкм, показал, что погрешность измерения

размеров по координате Ъ методом продольной фокусировки при использовании

фрактальных критериев Д? и П1 составляет до 15 мкм, критерия на основе контраста

Рс - до 7 мкм, на основе угла наклона сторон профиля Рк, длины профиля Р1 и

площади яркостной картины Р$ - до 6 мкм.

На погрешность измерения оптического измерительного микроскопа в

плоскости Х-У существенное влияние оказывает точность фокусировки микроскопа

на плоскость измерения. При отсутствии резкости граница теневого изображения, на

которую наводят визирную систему микроскопа, становится размытой и смещается

«в тело» объекта, приводя тем самым к уменьшению измеренного размера

охватываемой поверхности и увеличению размера охватывающей.

При визуальном наведении резкости наблюдаемого изображения детали, погрешность измерения размеров в плоскости X-Y на микроскопе может достигать значений в пределе до 2...3 мкм. Разработанный метод продольной фокусировки для измерения по координате Z позволяет уменьшить составляющую погрешности, обусловленную расфокусировкой изображения детали. Для этого исследована зависимость погрешности измерения размера призматической детали теневым методом в плоскости X-Y от смещения визирного микроскопа от положения его точной фокусировки на край измеряемой поверхности. Установлено (рис. 7), что с повышением резкости изображения края объекта, увеличивается значение критерия фокусировки FK, а наименьшая погрешность измерения соответствует максимальной резкости изображения и максимальному значению критерия фокусировки FK.

Таким образом, применение разработанных критериев фокусировки оптической системы при автоматизированной цифровой обработке изображений позволяет уменьшить погрешность измерений в плоскости X-Y. При этом точность определения положения края объекта повышается на 0,5 мкм.

Шероховатость является важной характеристикой геометрической точности поверхностей деталей. Разработанные методы, основанные на цифровой обработке изображений поверхностных микронеровностей, могут быть использованы для оценивания шероховатости поверхностей. Это обусловлено наличием зависимости между энергией светового потока, рассеянной шероховатой поверхностью, и высотными и шаговыми характеристиками указанной поверхности.

Проведено экспериментальное исследование образцов шероховатости, полученных различными видами обработок и с различной шероховатостью по параметру Ra. При этом, световой поток, отраженный в оптическую систему визирного микроскопа от измеряемой

поверхности, формировал изображение в цифровой видео-системе микроскопа, критерия фокусировки F к (пунктирная линия) представляющее собой яркостный

Рис. 7. Влияние смещения визирного микроскопа по координате Ъ на погрешность измерения (сплошная линия) и значение

рельеф изображения поверхностных неровностей. Для каждой поверхности вычислялась площадь яркостного рельефа наиболее резкого изображения этой поверхности. Для достижения резкого изображения применялся метод продольной фокусировки на основе одного из разработанных критериев - угла наклона сторон профиля Рк.

Показано (рис. 8), что на исследованных диапазонах шероховатости по параметру Яа экспериментальные данные для плоских и цилиндрических поверхностей, обработанных шлифованием, и плоских точеных поверхностей хорошо аппроксимируются логарифмическими зависимостями с коэффициентами детерминации 0,98-0,99. При этом вид полученных зависимостей согласуется с результатами работ других авторов.

Шлифование (плоское)

Шероховатость поверхности по параметру Ра, мкм

Строгание

Шероховатость поверхности по параметру Ра, мкм

Шлифование (цилиндрическое)

1,6

о -1-1-1-1-1

О 0.2 0,4 0,6 0,8 1

Шероховатость поверхности по параметру Ра, мкм

Точение

3 т

0 -1-1-1

0 2 4 6

Шероховатость поверхности по параметру Р,а, мкм

Рис. 8. Зависимость площади яркостного рельефа изображения поверхности от значения ее шероховатости по параметру Иа для различных видов обработки поверхности (указаны): ♦ - экспериментальные данные; - - аппроксимирующая зависимость

Зависимость для поверхности, обработанной строганием, хорошо аппроксимируется линейной функцией (коэффициент детерминации 0,99), что обусловлено более грубой структурой по сравнению с другими исследованными видами обработок, наличием четко выраженной периодической структуры глубоких впадин и выступов.

Полученные зависимости могут быть использованы для оценки шероховатости поверхности методом сравнения с образцами шероховатости для поверхностей малогабаритных деталей при измерении на измерительном микроскопе.

Для триангуляционной системы проведено исследование погрешности измерения расстояний по координате Ъ для шероховатых поверхностей с покрытием и без покрытия. Показано (рис. 9), что структура шероховатой поверхности оказывает влияние на точность измерения положения поверхности по координате Ъ. Так, для поверхностей с гладким покрытием (хромирование матовое) погрешность не превышает 2 мкм, а для поверхностей с выраженной анизотропией микронеровностей погрешность достигает 5 мкм.

При этом шероховатость поверхности, угол падения луча, диаметр лазерного луча оказывают влияние на погрешность этого метода.

6 5

1 4

I3

а. о

О)

2

5 1 Ь 0

0

1 -1 ф

ё-2 с

-3 4

Л

/ \ Д

/ \ / * » / \ ¡к

> V/ Л Ч \

/ /,

' 90 105

\ / \ \/1 \ / ч V/

м

покрытием

-Поверхность без покрытия

Измеряемый размер, мкм

Рис. 9. Погрешность измерения вдоль вертикальной оптической оси измерительного микроскопа триангуляционным методом для различных поверхностей

В четвертой главе приведены перспективные направления развития разработанных методов продольной фокусировки и триангуляции в измерительных информационных системах. Разработаны методы и конструкции модернизированных узлов для построения на базе измерительных микроскопов трехкоординатных ИИС.

1. Повышение чувствительности метода продольной фокусировки может быть достигнуто за счет использования большего по размеру и более светочувстсивтельного матричного фотоприемника в системе видеонаблюдения компьютеризированного микроскопа.

2. Предложены пути расширен™ функциональных возможностей в части измерения формы и наклона поверхностей. Для этого используется система индикаторных лучей различной формы и расположения в триангуляционном датчике, которые формируют регулярную решетку в зоне измерения, и применяются соответствующие алгоритмы анализа изображения, которые позволяют определить перемещение измеряемой поверхности по координате Z и ее наклоны вокруг осей X и У по изменению расположения системы лучей и изменению формы отдельных лучей.

3. Возможна оптимизация алгоритмов и программ обработки изображений для повышения точности вычисления разработанных критериев фокусировки (например, критерия на основе фрактальной размерности) и проведения измерений в режиме реального времени (за счет аппроксимации).

В заключении изложены основные выводы и результаты, полученные в работе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе проведенного анализа данных, содержащихся в научно-технической литературе, и по результатам экспериментальных исследований показано, что построение системы для трехкоординатных измерений на базе измерительного микроскопа может быть обеспечено на основе применения метода продольной фокусировки и метода триангуляции.

2. Разработаны критерии фокусировки оптической системы визирного микроскопа на шероховатую поверхность. Установлено, что:

- критерии угла наклона профиля, длины профиля и площади яркостной картины изображения поверхности имеют большую чувствительность по сравнению с применяемым в настоящее время критерием контрастности и обеспечивают погрешность измерения по координате Ъ для шероховатых поверхностей до 3,5 мкм-6 мкм в зависимости от шероховатости поверхности измеряемой детали, что превосходит точность применяемого в настоящее время критерия контрастности;

- критерии на основе фрактальной размерности («изрезанности») поверхности и профиля яркостной картины изображения поверхности имеют меньшую чувствительность по сравнению с другими разработанными критериями фокусировки и обеспечивают погрешность измерения по координате Ъ до 11мкм-15мкм в зависимости от шероховатости поверхности измеряемой детали.

3. В результате применения системы для точной фокусировки оптической системы визирного микроскопа повышается точность двухкоординатных измерений в плоскости Х-У за счет снижения субъективной погрешности при измерениях, вызванной несфокусированностью изображения измеряемого объекта. При этом точность определения положения края объекта повышается на 0,5 мкм.

4. Разработан способ качественного оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения. Оценивание осуществляется одновременной с проведения процедуры фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность.

5. На основе метода триангуляции разработана система измерения координаты Ъ, позволяющая проводить измерения по координате Ъ (вдоль оптической оси визирного микроскопа) с погрешностью до 5 мкм, что соответствует точности современных зарубежных аналогов. Установлено, что на погрешность этого метода оказывают влияние шероховатость поверхности, угол падения и диаметр лазерного луча.

6. Разработана структура и состав оборудования для модернизации существующих измерительных микроскопов и построения на их основе трехкоординатных информациошю-измеригельных систем, а также программное обеспечение, позволяющее производить точную фокусировку оптической системы, измерение координаты Ъ, оценивание шероховатости поверхности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. ЛатоновИ.В., ШулеповА.В. Применение оптоэлектронной измерительной системы на базе фотокамеры для определения параметров геометрической точности малогабаритных объектов // Вестник ВНИИНМАШ. - 2012. - № 2. - С. 97-101.

2. Латонов И.В., Шулепов A.B. Применение фрактальной теории для оценки качества фокусировки оптической системы измерительного микроскопа на шероховатую поверхность // Приборы. - 2013. - № 4. - С. 58-63.

3. Латонов И.В., Шулепов A.B. Способ бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению, формируемому оптической системой измерительного микроскопа // Вестник МГТУ «Станкин». — 2013. -№ 1(24).-С. 141-145.

4. Латонов И.В., Шулепов A.B. Повышение качества продукции при производстве микросистемной техники на основе построения трехкоординатных измерительных систем на базе оптических измерительных микроскопов // Вестник ВНИИНМАШ. - 2013. - № 2. - С. 49-55.

Статьи и материалы конференций:

5. Латонов И.В. Исследование оптического метода измерения линейных размеров // Материалы студенческой научно-практической конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2010)»: тез. докл. — М.: МГТУ «Станкин», 2010. - С. 72-73.

6. Латонов И.В., Шулепов A.B. Автоматизированная трехкоординатная информационно-измерительная система на базе компьютеризированного измерительного микроскопа // Материалы всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)». В 2 т. Т. 1: сб. докл. -М.: МГТУ «Станкин», 2012. - С. 272-276.

7. Латонов И.В., Шулепов A.B. Разработка методов измерения по координате z на трехкоординатной информационно-измерительной системе на базе компьютеризированного измерительного микроскопа // 12-я Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений»: сб. докл. — М.: Изд-во НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - С. 67-71.

8. Латонов И.В. Применение фрактальной размерности для оценки качества фокусировки оптической системы измерительного микроскопа на шероховатую поверхность // Материалы студенческой научно-практической конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2013)». Первый тур: сб. докл. - М.: МГТУ «Станкин», 2013. - С. 228-231.

Подписано в печать 22.10.2013 г. Заказ № 2297 Тираж 100 шт. Отпечатано в типографии «АллА-принт» г. Москва, Лубянский пр-д., д. 21, стр. 5 www.allanrint.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«СТАНКИН»

04201364133 На правах рукописи

Латонов Игорь Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ В КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ МЕТОДАМИ ПРОДОЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКИ И ТРИАНГУЛЯЦИИ

Специальность 05 Л1Л 6 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Шулепов Алексей Виленинович

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Анализ проблемы бесконтактных терхкоординатных измерений в оптической микроскопии 9

1.1. Задача бесконтактных трехкоординатных исследований

в микроскопии 9

1.2. Современные методы бесконтактных трехкоординатных исследований

микро- и наноструктур в компьютерной оптической микроскопии 12

1.3. Методы «классической» оптической микроскопии 17

1.4. Задача автоматической фокусировки в оптических системах 31

1.5. Выводы по главе и постановка задач 37 Глава 2. Разработка методов бесконтактных трехкоординатных измерений

на компьютеризированном оптическом микроскопе 39

2.1. Оптическая система универсального измерительного микроскопа 39

2.2. Глубина резкости в компьютеризированном оптическом микроскопе 43

2.3. Разработка принципов измерения положения поверхностей детали

по координате Ъ на основе продольной фокусировки 53

2.4. Разработка критериев фокусировки оптической системы

на измеряемую поверхность 57

2.5. Разработка принципов измерения положения поверхностей детали

по координате Ъ на основе триангуляционного метода 66

2.6. Выводы по главе 69 Глава 3. Экспериментальное исследование принципов бесконтактных трехкоординатных измерений на компьютеризированном оптическом микроскопе 70

3.1. Описание экспериментальной установки 70

3.2. Методики проведения экспериментов и результаты исследования трехкоординатной ИИС на основе принципа продольной фокусировки 81

3.3. Методики проведения экспериментов и результаты исследования трехкоординатной ИИС на основе принципа триангуляции 87

3.4. Методики проведения экспериментов и результаты исследования точности измерений в плоскости Х-У на трехкоординатной ИИС 91

3.5. Исследование способа бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению 93

3.6. Выводы по главе 95 Глава 4. Описание информационно-измерительной системы для проведения бесконтактных трехкоординатных измерений и определение перспективных направлений ее развития 97

4.1. Состав и структура трехкоординатной информационно-измерительной системы на основе методов продольной фокусировки и триангуляции 97

4.2. Анализ погрешностей, возникающих при проведении измерений на разработанной трехкоординатной ИИС 103

4.3. Перспективные направления развития разработанной системы 105

4.4. Выводы по главе 108 Заключение 109 Библиографический список используемой литературы 111 Приложения 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из актуальных задач современной измерительной техники в области станкостроения и инструментального производства является повышение точности измерения линейных и угловых размеров деталей и инструмента. Для решения поставленной задачи широкое применение получили оптические приборы, отличающиеся широким диапазоном измеряемых размеров, возможностью проведения бесконтактных дистанционных измерений размеров и углов, отклонений формы, расположения и шероховатости поверхностей. Особый класс оптических средств измерения (СИ) составляют измерительные микроскопы. Они широко применяются для проведения высокоточных измерений деталей сложной формы и конструкции, элементов технологических и контрольных приспособлений, режущего инструмента.

Однако наряду с повышением точностных характеристик таких СИ часто требуется решать ещё одну актуальную задачу - повышение их универсальности и функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что в ходе выполнения сложных измерительных работ, как правило, при измерении деталей сложной формы и точных, малогабаритных деталей, возникает необходимость использования нескольких различных датчиков на измерительный цикл. Таким образом, требуется создание нового типа измерительных машин, сочетающих в себе функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и координатно-измерительных машин (КИМ). Подобные системы, построенные на базе измерительных микроскопов, оснащенные средствами проведения оптических и контактных трехкоординатных измерений на основе использования щуповых головок, определили целый новый класс средств измерений - мультисенсорные координатно-измерительные машины (МКИМ). С применением таких СИ возможно проводить контактные и оптические измерения, выполнять высокоточное сканирование измеряемой поверхности, определять ее шероховатость. Такая многофункциональность обеспечивается применением комбинацией различных датчиков, в том числе на основе бесконтактных лазерных систем.

Современные зарубежные машины этого типа позволяют проводить измерения в плоскости Х-У с погрешностью до 2 мкм в диапазоне измерения

300x300 мм и по координате Z (вдоль оптической оси) с погрешностью до 5 мкм в диапазоне измерения 200 мм, однако стоимость таких систем достигает нескольких сотен тысяч долларов.

Анализ структуры применяемых МКИМ позволяет сделать вывод о том, что подобные системы могут быть созданы путем модернизации существующих оптических измерительных и инструментальных микроскопов, парк которых насчитывает до 50 единиц на отдельных предприятиях отечественного промышленного комплекса. Эти СИ имеют совершенную и надежную механическую и оптическую системы, оснащены узлами, приспособлениями и устройствами, позволяющими проводить измерения объектов широкой номенклатуры, и хорошо поддаются компьютеризации.

Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной бесконтактной трехкоординатной информационно-измерительной системы (ИИС) на основе модернизации и компьютеризации стандартизованных СИ, в которой бы сочетались функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и КИМ. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ИИС на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющая проводить измерения по координате Z (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

Цель работы заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности компьютеризированных измерительных микроскопов путем построения на их основе трехкоординатных информационно-измерительных систем.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. Исследование возможности измерения по координате Ъ на компьютеризированном измерительном микроскопе с использованием методов продольной фокусировки и триангуляции.

2. Разработка принципов цифровой обработки изображений при измерении по координате Ъ с использованием указанных методов.

3. Разработка и создание экспериментального образца трехкоординатной информационно-измерительной системы на основе указанных методов.

4. Экспериментальное исследование разработанных методов и средств измерения по координате Z.

5. Повышение точности двухкоординатных измерений в плоскости X-Y на компьютеризированном измерительном микроскопе.

6. Разработка способа оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения.

Методологической базой исследований послужили работы М.Я. Шульмана в области автоматической фокусировки; работы В.И. Телешевского, А.В. Шулепова в области компьютеризации измерительных микроскопов; работы В.В. Mandelbrot (Польша), J. Feder (Норвегия), А.Д. Морозова в области фрактальной теории; работы А.И. Тудоровского, В.Н. Чуриловского, В.А. Панова в области теории оптических приборов; работы R.C. Gonzalez (Испания), R.E. Woods (США), И.С. Грузмана в области цифровой обработки изображений.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории дифракции и теории оптических систем, методы фрактальной теории и цифровой обработки изображений. Расчеты и разработка программно-математического обеспечения выполнялись в среде MATLAB.

Научная новизна работы заключается в:

1. установлении критериев фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность на основе цифровой обработки изображения указанной поверхности.

2. установлении взаимосвязи погрешности измерений в плоскости X-Y и точности фокусировки оптической системы на край объекта измерения.

3. выявлении зависимости, связывающей значения критерия фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность измеряемого объекта с видом обработки указанной поверхности и ее шероховатостью.

Практическая значимость работы состоит в:

1. структуре и конструкции трехкоординатной информационно-измерительной системы на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющей проводить измерения по координате Z (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

2. повышении точности проведения двухкоординатных измерений в плоскости Х-У на компьютеризированном измерительном микроскопе в результате повышения точности фокусировки оптической системы на измеряемый объект.

3. способе оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения, причем оценивание выполняется одновременно с проведением фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность методом продольной фокусировки.

4. критерии фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность, обладающем большей чувствительностью и точностью по сравнению с существующими критериями.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре (ГИЦ) ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. на Научно-практических конференциях «Автоматизация и информационные технологии (АИТ)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2010, 2013);

2. на Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2012);

3. на 12-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепризнанных экспериментальных методик, нормированными метрологическими характеристиками поверенных средств измерений, а также обоснована данными,

полученными в ходе исследований в лабораториях ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», и последующей корректной оценкой погрешности их измерений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 95 наименований, и приложения. Работа содержит 147 страниц, в том числе 118 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц, одно приложение.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук, доценту A.B. Шулепову за ценные руководящие указания при подготовке диссертационной работы, а также доктору технических наук, профессору В.И. Телешевскому и другим членам кафедры «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ БЕСКОНТАКТНЫХ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

1.1. Задача бесконтактных трехкоординатных исследований в микроскопии

Микроскопия - это совокупность технологий и методов по изучению объектов с использованием микроскопа. С момента изобретения первого микроскопа прошло практически 400 лет и за это время человечеству удалось разработать несколько десятков видов микроскопов, в том числе работающих уже не на оптических принципах [55]. На сегодняшний день можно выделить следующие виды микроскопии:

- оптическая микроскопия;

- рентгеновская микроскопия;

- электронная микроскопия;

- сканирующая зондовая микроскопия.

Все они нашли свое применение для получения изображений поверхности и ее локальных характеристик в различных сферах науки, включая медицину, биологию, минералогию, металловедение и т.д.

Рентгеновский микроскоп [72] основан на использовании электромагнитного излучения с длинной волны от 0,01 до 1 нм, обладающего высокой проникающей способностью. В нем изучаемый объект помещается перед источником излучения и просвечивается рентгеновскими лучами. Благодаря тому, что коэффициент поглощения рентгеновских лучей зависит от размеров атомов, через которые они проходят, такой метод позволяет получать информацию не только о структуре, но и о химическом составе изучаемого объекта [14]. При помощи рентгеновского проекционного микроскопа можно оценить качество тонких покрытий, получить микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм, применить для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов [59], при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нм, что на порядок больше разрешающей способности оптического

микроскопа (до 200 им). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 15 нм [91].

Электронный микроскоп позволяет получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 эВ - 400 кэВ и более [64, 93]. Разрешающая способность электронного микроскопа в 500 раз превосходит разрешение лучших световых микроскопов и может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля. Такие микроскопы применяются в биологических и научных исследованиях, для анализа дефектов и неисправностей полупроводников, исследования образцов в промышленности [60].

В сканирующем зондовом микроскопе процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом [4]. При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и У (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). В общем случае это позволяет получить истинно трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки [7, 49]. В физике, химии, биологии, междисциплинарных науках, таких как материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, микроэлектромеханические системы), фотохимия и многие другие.

Хотя с помощью вышеперечисленных микроскопов возможно получить истинно трехмерные (сканирующий зондовый микроскоп) или псевдо трехмерные (растровый электронный микроскоп [21]) изображения поверхности образцов, данная работа направлена на исследование оптических способов получения

информации об объекте, в частности при помощи микроскопа. Таким образом, в дальнейшем рассмотрению будут подлежать только методы и средства оптической микроскопии.

Следует отметить, что определение микроскопии, данное в начале параграфа, никоим образом не ограничивает область ее применения и не определяет конструкцию используемого