автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Идентификация параметров интерференционных сигналов в многоканальных системах прецизионного контроля объектов

ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи Гуров Игорь Петрович

УДК 535,4.032.52:681.787.7

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПРЕШШЮННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные

приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в С.-Петербургском институте точной механики н

оптики.

Официальные оппоненты: . доктортехнических наук, профессор

В.А.Зверев:

доктор технических наук, профессор И.В. Скоков;

доктор технических наук, профессор М.Н, Сокольский,

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский

институт оптико-физнческнх измерений (ВНИИОФИ), г. Москва

Защита диссертации состоится 1994 г,

в /.С^^ас. на заседании специализированного совета Д 053.26,01 при С.-Петербургском институте точной механики

Адрес: С.-Петербургу ул. Саблинская, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке С.-Петербургского института точной механики и оптики

Автореферат разослан "¿2.' 994 г.

Ученый секретарь г

специализированного ,

совета К.т.н.доцент ¡ \ ^ В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Распитие техники и технологии машиностроения, приборостроения, электронной промышленности предъявляет возрастающие требования к точности, функциональным возможностям и уровню автоматизации измерений и контроля геометрических характеристик объектов. Прецизионные технологии в настоящее время характеризуются устойчивой тенденцией развития особоточной обработки материалов п поверхности изделий в механике, оптике и электронике, что определяется резким снижением результирующих затрат на создание продукции за счет повышения надежности и выхода годных изделий при предельном уменьшении отклонений значимых параметров от номинальных.

Достигнутый урозень точности линейно-угловых измерений зафиксирован в нормативных документах МИ 2060-90 и ГОСТ 8.016-80, определяющих порядок передачи размера единицы длины и плоского угла к средствам измерений. Актуальность задач дальнейшего повышения точности при развитии новейших наукоёмких технологий подтверждается Программой фундаментальных исследований по метрологии ; научно-техническими программами, принятыми Академией наук и правительством страны и ориентированными на эффективное использование энергетических п материальных ресурсов ; Национальной программой, направленной на решение задач нанотсхноло-

Принципиальной проблемой прецизионного контроля явля-гстся бесконтактш э измерения с малой относительной погрешностью 10"5... 10 7 при абсолютных отклонениях 0,1-100 нм параметров геометрических элементов второго порядка и сложных поверхностей в виде составных структур, не сводимые при реальных условиях измерений и требуемой точности к одномерному случаю линейных измерений. Эта проблема может быть /нгшена на основе использования многоканальных интерференционных измерительных систем, которые сочетают б себе преимущества интерферометрии и бесконтактных координатных измерений высокой точности. При этом необходимо решить важную научную проблему, заключающуюся в разработке принципов многоканальной интерферометрии, Критериев высокоточного оценивания параметров реальных интерференционных сигналов, синтезе и создании многоканальных интер-

ференвдоиных измерительных систем, исследовании их точностных характеристик.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое обобщение, разработка научных основ, положений и принципиальных решений проблемы высоточных бесконтактных интерференционных измерении и контроля геометрических элементов сложных поверхностей объектов и пространственных структур в прецизионных технологических процессах, включая :

• анализ процессов формирования измерительных сигналов при многоканальных интерференционных измерениях высокой точности ;

- исследование процессов многоканальной фотоэлектрической регистрации интерференционных сигналов и оценивание предельных точностных характеристик интерферометрического канала ;

- анализ принципов оптимальной обработки и оценивания параметров сигналов, идентификацию интерферометрических каналов и систем, синтез методов и систем оптимального оценивания фазовых характеристик реальных интерференционных сигналов ;

- разработку, теоретическое и экспериментальное исследование многоканальных интерференционных измерительных систем и их точностных характеристик.

Научная новнзна. Научная новизна полученных результатов заключается в том, что :

выполнено теоретическое обобщение, разработаны принципы построения, выбраны и обоснованы пути реализации многоканальных интерференционных измерительных систем для прецизионного контроля объектов ;

- впервые выполнена адекватная идентификация полной модели реального векторного интерференционного сигнала; выполнен синтез обощенноп структуры оптимальной интер-ферометрической системы ; введены теоретические понятия и дань! определения интерферометрического канала, многоканальной интерференционной измерительной системы, векторного интерферометрического процесса ;

- разработаны теоретнчесие .южения и исследованы

метрологические возможности координатных измерений высокой точности на основе использования специальных образцоз со сферическими поверхностями;

проведен полный анализ источников погрешностей измерения геометрических характеристик объектов в многоканальной интерферометрнческой системе; разработаны принципы оптимальной обработки интерференционных сигналов в автоматическом режиме, выявлены особенности влияния аддитивных и фазовых помех, получены аналитические выражения, позволяющие выполнять расчет основных узлов высокоточной ннтерфернционной измерительной системы;

- разработаны принципы автоматической регистрации и обработки интерференционных сигналов в двухканальных системах прецизионного позиционирования в нанометровом и суб-нанометровом диапазонах отклонений положения объектов, а также в многоканальных интерферометрнческнх системах фазового типа;

- впервые разработана обобщенная структура автоматизированных систем для контроля поверхностен второго порядка и на ее основе созданы системы бесконтактного прецизионного контроля, реализующие принципы интерференционного оптиметра и интерференционного сферометра высокой точности;

- проведены экспериментальные исследования предложенных решений, которые подтвердили адекватность разработанной общей модели ннтеферометрического процесса, правильность и достоверность основных теоретических выводов и шложешш.

Методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Анализ пространственной структуры объектов проведен на основе теории гауссовых отображений поверхности. Принципы построения и обоснование путей реализации многоканальных интерференционных измерительных систем разработаны на основе положений тег uni инвариантности с использованием элементов теории статистических оценок и теории радиоснстем. Идентификация в широком смысле моделей реального интерференционного сигнала выполнена по оригинальным методикам в процессе исследований, проведенных автором. Применение вычислительных экспериментов на разработан-г.:.;:: имитационных моделях и физического моделирования интерферометрнческнх каналов обеспечили адекватность при-

пятого подхода. Исследование процессов многоканальной фотоэлектрической регистрации и обработки интерференционных сигналов проведено в соответствии с теорией оптико-электронных •систем с использованием положений теории оптимального оценивания параметров сигналов в условиях помех. Экспериментальные исследования методов прецизионного контроля требуют высокоточных оптических и оптико-электронных систем формирования, регистрации и обработки интерференционных сигналов. Поэтому использовались оптические и оптико-электронные приборы зарубежного и отечественного производства : высокостабильные лазерные источники получения, регистрирующие устройства с приборами с зарядовой связью и фотодиодными матрицами, измерители, сопряженные с микроЭВМ. Исследования проводились с применением пакета оригинальных алгоритмов . и прикладных программ, разработанных в соответствии с положениями теории погрешностей измерительных систем и обеспечивающих корректную реализацию операций автокалибровки, тестирования, фильтрации, спектрального оценивания, определения статистических характеристик сигналов и результатов измерений.

Практическая значимость и реализация в промышленности. заключается в том, что :

-полученные в работе результаты теоретического обобщения доведены до инженерных формул, расчетных графиков и таблиц; реализованы в виде новых структурных и функциональных схем, аппаратуры и практических методик;

- создан ряд высокоточных автоматизированных многоканальных интерферометрнческих устройств п систем, которые внедрены и использованы в - метрологической практике НПО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" (г. С.-Петербург), ЦКБ МТ "Рубин" (г. С.-Петербург), МНПО "Спектр" (г. Москва) и других организации;

- впервые создана и исследована двухканальная система и методика измерений, реализующая разработанный принцип бесконтактного интерференционного оптиметра, в том числе в режиме контроля образцов со сферическими торцевыми поверхностями, которая внедрена в Конструкторском бюро точного электронного машиностроения (г. Минск) и Научно-исследовательском технологическом институте оптического станкостроения и вакуумной техники (г. Минск);

- впервые выполнена разработка бесконтактных интерференционных сферометров с предельно малой погрешностью контроля абсолютного значения радиуса кривизны сферических поверхностей, внедренная и разработки Конструкторского бюро точного электронного машиностроения и в технологические процессы других ведущих предприятий промышленности;

- на основе теоретических положений, сформулированных в работе, созданы методы и аппаратура прецизионного контроля геометрических характеристик объектов, разработаны методические материалы по метрологическому обеспечению, внедренные в ГОИ им. С.И.Вавилова (г. С.-Петербург), в институте "Геомеханика" Российской академии наук, в МГТУ им. Н.Э.Баумана (г. Москва) и других организациях;

- создан пакет алгоритмов и программ автоматической обработки интерференционных сигналов с высокоточной идентификацией контролируемых параметров, которые используются на ряде предприятий, а также в Институте точной механики и оптики.

Апробация основных положений диссертационной работы проводилась на 2 Всесоюзном совещании по теоретической метрологии (Ленинград, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и тепло-физических измерений (Харьков, 1983 г.); 5 Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обра-, ботки измерительной информации" (Москва, 1984 г.); 3 Всесо-тозном совещании "Методы и приборы для точных дилатометрических исследований материалов" (Ленинград, 1981 г.); 2 Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1985 г.); Всесоюзном семинаре "Измерение перемещений в динамическом режиме" (Каунас,

1987 г.); 4 Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" г Москва, 1987 г.); 3 Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград,

1988 г.); 3 Международном симпозиуме по системам измерений а контролю качества (Аахен, ФРГ, 1989 г.); Семинаре "Опыт вне-лрення прогрессивных средств и методов размерного контроля" (Ленинград, 1990 г.); Семинаре "Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения" (Каунас, 1990 г.)"; 2 Бессоюзной конференции "Измерения и конроль при автоматиза-

ции производственных процессов" (Барнаул, 1991 г.); Оргкомитетом юбилейной Общеевропейской научной конференции "150 лет Институту метрологии им. Д.И.Менделеева" (С.-Петербург, 1992 г.).

Публикации. По результатам исследовании и разраооток получено 11 авторских свидетельств и положительных решений по заявкам на изобретения, опубликованы 44 печатные работы, из них 23 единолично автором, 41 в центральной печати и за рубежом.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 339 стр., в том числе 216 стр. машинописного текста, 94 рис. на 94 стр. Объем приложений 29 стр. .

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ :

1. Проблема высокоточных бесконтактных измерений и контроля геометрических элементов й сложных поверхностей объектов имеет решение на основе разработанных принципов многоканальной интерферометрии, реализуемых в соответствии с введенными понятиями и определениями интерферометрического канала, многоканальной интерференционной измерительной системы и векторного интерферометрического процесса.

2. Теоретической основой для создания метрологического обеспечения координатных измерений высокой точности являются предложенные принципы идентификации характерных точек поверхности, представляющих собой естественные и искусственные реперные точки, определяющие границы измеряемого отрезка.

3. Основными операциями технологического процесса .прецизионного контроля в многоканальной системе являются пространственная калибровка и интерферометрический контроль, которые целесообразно выполнять в совмещенном автоматическом режиме с использованием исследованных образцов сферических поверхностей.

4. Идентификация в широком смысле интерференционых сигналов в системах прецизионного контроля сводится к моделям сигналов двух основных групп : с линейным и квадратичным изменением фазы. Предпочтительными методами обработки интерференционных сигналов первой группы являются методь;,

основанные на детерминированной экспоненциальной модели и модели восстановления авторегрессии - скользящего среднего ( в условиях помех). Для сигналов второй группы оптимальным является критерий максимума функционала правдоподобия, реализуемый в интерферометрнческих системах фазового типа на основе многоканальных систем обработки.

5. В условиях ограниченной априорной информации о характеристиках интерференционного сигнала эффективными методами обработки являются разработанные варианты непара-метрическнх методов восстановления фазы аналитического сигнала и идентификации эмпирических гистограмм первого порядка. Высокоточный контроль геометрических характеристик объектов в реальных условиях измерении обеспечивается на основе разработанных методик и алгоритмов анализа интерференционных сигналов.

6. Прецизионный контроль размера объектов с предельно высокой точностью следует выполнять в интерферометрнческоп системе, имеющей структуру двухканального (многоканального) интерференционного оптиметра. Высокоточный контроль малых смещений, в том числе в субнанометровом диапазоне отклонении объекта, целесообразно проводить на основе разработанных интерферометрнческих систем с многоканальной структурой и пространственно разнесенными каналами при алгоритмической коррекции погрешности Аббе.

7. Абсолютные измерения и контроль радиуса кривизны сферической поверхности с предельно малой погрешностью обеспечиваются в разработанной многоканальной системе, построенной по принципу бесконтактного интерференционного сферометра.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные задачи исследований, указана н; учная и практическая актуальность решаемой научной проблемы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу процессов формирования сигналов в многоканальных интерференционных измерительных системах. Рассмотрена пространственная структура объектов и выделены технологически наиболее значимые виды

поверхностей второго порядка и особых точек поверхностей. Введены понятия естественной и искусственной реперных точек, а также обобщенное понятие интерференционного сферического отображения поверхности.

Проведен сравнительный анализ основных характеристик контактных методов координатных измерений и бесконтактных методов, основанных на принципах голографии и многоканальной интерферометрии. Показано, что при номенклатуре поверхностей, ограниченной эталонными объектами, в том числе с большими углами охвата поверхности, наиболее точным является интерференционный метод, реализуемый в многоканальных оптико-электронных системах поиска, селекции и оценивания параметров интерференционных сигналов в схемах Физо и Фабри-Перо.

Выполнен структурный анализ интерференционных систем прецизионного контроля объектов. Введены понятия и опредле-ния интерференционного измерительного канала, многоканальной интерфернционной измерительной системы (МС) и векторного интерферометрического процесса. Классификация физических принципов построения каналов МС компактно представлена в виде схемы на рис. 1.

Выделены наиболее перспективные классы МС с пространственно разнесенными оптическими и фотоэлектрическими каналами. Получено операторное уравнение МС, которое можно представить в обобщенном виде

С = TIL.N1 ,

где Ь - оценка значения длины заданного отрезка, Т - обобщенный нелинейный оператор системы, N - вектор, компонентами которого являются, составляющие шума (помехи) в отдельных звеньях И каналах МС, Ь - априорно неизвестное истинное значение.

На основе разработанного системного подхода проведен анализ представительного множества ннтерферометрнческих систем с многоканальной структурой. В результате подтверждена адекватность теоретического обобщения на основе понятия векторного интерферометрического процесса классу интерференционных измерительных систем высокой точности. Процесс идентификации б широком смысле векторных интер-

Рис.1. Классификация измерительных каналов многоканальной интерференционной измерительной системы.

ферекционных сигналов сводится к соотношениям

"?[>] = % - 1е £»75 соэЩф,

ss = tsMkj?k]= ),

Тс - Tt [ п,Хк ,0 J = Тд COS (t[n] + ?в [хк ,0 Д )

для двухлупевой системы и

для многолучевой. В этих уравнениях ~S0 и sA обозначают векторы априорно неизвестных не^нформатнвных параметров, 6 -вектор значимых параметров, X - независимая переменная, Т -вектор состояния объекта, %0 - векторная функция поверхности, 9 - фазовая функция, п - временной индекс процесса. В условиях помех элементарный сигнал пнтерферометрического канала определяется моделью

• s[>, Х.А] = s0[xj + sA[Xj Cos ( г [л] +

где - фазовая помеха, Хк= Хок + Вх , |х - случайные смещения системы координат, связанной с объектом, относительно положения Х0 оси пнтерферометрического канала. Из этой модели следует, что восстановление вектора состояния объекта является нелинейной обратной задачей, решаемой в условиях априорной неопределенности сопутствующих параметров и характеристик комплекса помех. Система обработки должна обеспечивать помехоустойчивое оценивание искомого параметра е [и.} при условиях пространственной калибровки положения Х0 °си пнтерферометрического канала. Выделены основные особенности процесса пространственной калибровки оптических и фо". ^электрических каналов МС. Показано, что калибровка в автоматическом режиме сводится к задаче регистрации смещений сигналов естественных или пскусственых реперных точек поверхности. Предельная погрешность оценивания искомого параметра интерференционного сигнала в условиях дробового шума составляет

где - число фотоэлектронов, зарегистрированных в интер-

вале измерения, что соответствует пуассоновской статистике

лазерного излучения.

Учитывая специфику проблемы прецизионного контроля, заключающуюся в наличии значительного объема • априорной пнфомацни о конкретном объекте, следует выделить две основные задачи : определение сдвига заданного сигнала и оценивание параметров интерференционного сигнала в условиях помех.

Вторая глава посвящена исследованию процессов многоканальной фотоэлектрической регистрации и преобразования интерференционных сигналов. Выделены основные составляющие погрешностей регистрации интерференционного сигнала, обусловленные неидеальностью идентификации модели, отклонением реальных значен: 1 независимой переменной от заданных и ошибками измерений. Показано, что эффективность операции фотоэлектрической регистрации целесообразно характеризовать величиной отношения сигнал- шум ( S/N ). Анализ операций прецизионного контроля объектов показал необходимость минимизации относительных погрешностей пространственных измерений и, следовательно, обеспечения предельно малых погрешностей регистрации разности фаз интерферирующих волн в реальных условиях измерений. Выполнен теоретический анализ предельных погрешностей фотоэлектрического преобразования интерференционных сигналов. Показано, что разрешающая способность ннтерферометрического канала по фазе зависит от значения разности фаз и связана с величиной отношения S/N , которое при выделении квадратурной компоненты в условиях дробового шума и фазовых гауссовых флуктуации с дисперсией S"2 составляет

s/n

N. ((f£)2V2sU2&

-f+a'^Vcos £ + (V /2 )(1-а)( 1-я cos 2 е,)

где V - впдность интерференционных полос, к • =. ехр(— С ) , величина <ffc определяет разрешающую способность канала пс фазе. Оценка предельной погрешности при условии S/N » 1 в точке eopi = -rr-n-vccosV , V < 1, составила Л« 27Г • 10" рад. Установлено, что влияние фазовых флуктуации наиболее заметно при значениях видности V —>- 1 н проявляется подобно

■Вп -и0 /Н(и)/2

$о(и)

йШ-ио) и0 Вп

-и5-и0 -и5+и0 -и0 о и0 и$-и0 и$+и0

Рис,2. Формирование пространственно-частотного спектра При дискретизации интерференционной картины.

снижению видностн. Анализ показал, что предельная погрешность интерферометрнческого канала определяется прежде всего значениями мощности источника излучения, квантовой эффективности приемника излучения, видностн интерференционных полос, которая может быть расчитана по приведенным инженерным формулам для реального интерферометр!гческого канала.

Проведен анализ точностных характеристик процессов

дискретизации и квантования по уровню интерференционных сигналов. Выделены операции дискретизации распределения интесивности и распределения фазы, реализуемые с использованием многоэлементных приемников излучения. Разработана методика выбора требуемого шага и числа точек дискретизации на основе спектрального представления интерференционного сигнала в области пространственных частот в форме

где (к-и-,) - информативная спектральная компонента со значимой частотой а , 1-1С а) - оптическая передаточная функция системы, Беи,) - спектральная функция светочувствительной ячейки. Процесс дискретизации иллюстрируется на рис.2. Приведены результаты исследования точностных характеристик прцесса квантования интерференционных сигналов,. при этом

Рис. 3. Метод калибровки с использованием образца сферической поверхности. И., , И2 , - контролируемые отрезки в трехканальной системе.

выявлен основной источник погрешности - нелинейность передаточной характеристики АЦП. Показано, что использование разрядной сетки в 7-8 двоичных разрядов обеспечивает в большинстве практических задач интерферометрии предельно малую

случайную погрешность квантования.

Исследованы операции совместной обработки показаний интерферометрнческих каналов, приведены расчетные формулы связи глобальной системы координат МС с локальными системами координат интерферометрнческих каналов. Предложен иллюстрируемый на рис.3 метод совместной пространственной калибровки интерферометрнческих каналов с использованием многофункциональных мер - образцов сферических поверхностей при контроле геометрических характеристик объектов.

В третьей главе рассмотрены методы оптимальой обработки • интерференционных сигналов, которые при решении задач прецизионного контроля объектов необходимо разделить на две основные группы : сигналы с линейно изменяющейся фазой и с квадратичным (нелинейным) изменением фазы. Обработку сигналов первой группы допустимо вести на основе квази-оптймальных методов спектрального оценивания. При этом методически обоснованным следует считать применение регрессионного анализа Г - последовательности отсчетов сигнала на основе параметрической модели

sip) = s0+ Sc cos27ru.0p - ss sin2"яц.0p + N</>).

В условиях малых шумов используется экспоненциальная модель детерминированной составляющей интерференционного сигнала в форме

M/1 Г "Г

s(p) = I 2s, вхр^р-^У« AIJ *

X COS [ £с+ 2пи{ (р-1) Д |] ,

где i<p<M , s^ н ¡fj - соответственно амплитуда и коэффициент затухания {-ой составляющей, д| - шаг дискретизации. Исследования показали, что в условиях гауссовых аддитивных помех модели сопоставимы по результатам с моделью восстановления арторегрессии - скользящего среднего. Выявлена заметная взаимосвязь результирующих погрешностей с качеством и

надежностью априорных оценок параметров интерференционного сигнала. Обобщенны]"! алгоритм обработки представлен в виде блок-схемы на рис.4.

Рис.4. Помехоустойчивый алгоритм с идентификацией модели интерференционного сигнала.

Типичные значения погрешностей при экспериментальных исследованиях составили не более ( 1...5 ) • 10*3 от полного фазового цикла, что соответствует субнанометровому диапазону в линейной мере л субмикрорадианному диапазону значений по углу. Таким образом, подтверждена'практическая возможность прецизионной пространственной калибровки интерферометри-ческих каналов МС.

Интерференционные сигналы второй группы характеризуются моделью

5 (х,р = s6u,i¡,8> + N (х, iр ,

где

sc(x,y,I)*sA(x,if eos{ e + (2-n/XR)[(x-X¡Z+ (у-У)2]}

- Информативная составляющая сигнала и

n = se+ n0 (x, ij)

—> 7-

- аддитивная помеха, б = (£, X , Y ) . Показана теоретичес-

кая корректность и практическая реализуемость оптимальной обработки сигналов с квадратичным распределением фазы на основе критерия максимума функционала прлдоподобня ь интерферометрических системах фазового типа. Исследования показали, что дисперсия оцнкн положения детерминированного интерференционного сигнала на фоне фазовых флуктуации снижается пропорционально площади анализируемого участка поверхности объекта.

Рис.5. Функциональная схема оптимальной обработки в иитерферометрнческой системе фазового типа.

Функциональная схема синтезированной оптимальной интер-ферометрнческой системы обработки показана на рис.5. Использование пространственно разнесенных интерферметрическнх каналов является целесообразным для реализации операций прецизионного контроля поверхностен второго порядка и составных поверхностей.

Выделены преимущества нопараметрических методов обработки интерференционных сигналов в условиях ограниченной априорной информации. Получено выражение для комплексного спектра интерференционного сигнала с квадратичным изменением фазы в виде

¿c(u)=¿A(u) * cds(£-.Ma2/á7r+Tr/4) expf-^JTH.X'jJ

где }j - длина волны, R -радиус кривизны отраженного волнового фронта. Проведены исследования точностных характеристик восстановления фазы сформированного аналитического сигнала

Л -,

X) 3Д(Х) C0S(í(X) + j. SA(X) [_ Sili, íf(X)-h Л (х, fi)J ,

где Д(х,£) - погрешность оценки мнимой составляющей сигнала, зависящая от искомого параметра с фазовой функции ср(Х) • Показана высокая помехозащищенность спектральных методов идентификации и применимость разработанных алгоритмов обработки к задачам прецизионного контроля объектов с фазовой погрешностью йб 4 (1/50)* 2тх при введении расчетных поправок и погрешностью позиционирования ГХ <г 0,02% от размера анализируемого участкал лаян зрения интерферометрического канала.

Получены частотные характеристики оптимальных чшль-тров интерференционного сигнала в спектральной области для случаев мультипликативного шума и фазовых флуктуации соответственно в форме

M(u) = С-С*)/ i&W -г G-( к,) * Gn(I<,)] , Híu,) = { S*{}i?-f-af?/[Giu)i-G„(u)]} exp(-j27nt-X ),

где G(и) и &., (и/- спектральные плотности интерференционного сигнала и шума, - характеристическая функция фазовых

флуктуации. Разработана методика помехоустойчивого экспресс-

оценивания сопутствующих параметров интерференционных Сигналов при идентификации эмпирических гистограмм первого Порядка.

В четвертой главе представлены результаты научно-технических разработок п экспериментальных исследований точностных характеристик многоканальных систем прецизионного контроля наиболее значимых отдельных параметров : перемещения, размера, или вектора значимых параметров, при соответствующем выборе режимов функционирования нескольких измерительных каналов. Показана практическая применимость положений теории инвариантности измерительных систем и принципа многокаиальностн к интеферометрическим системам прецизионного контроля.

Инвариантной к изменению фоновой составляющей в двух-лучевой интерференционной картине и взаимным смещениям объекта, изображения в интерферометре и приемнике излучения является разработанная ннтерферометрическая система с дополнительным неинтерференцнонным оптическим каналом. По сравнению с известными системами в разработанной МС принципиально устранено влияние погрешности компарпрования Аббо за счет алгоритмической фазовой коррекции комплексного спектра пнт^ ференционного сигнала, определяемой множителем коррекции

О = ехр { }2тг[Л1(|о + + С V ^ >11 '

где IX, , - пространственные частоты значимых компонент

реальной интерференционной картины, , >/0 - кординаты

центра поля приемника излучения, т -- [(Я(г+ ^ +

ц. , V, - пространственные частоты идеализированной модели изображения. Инвариантно!! к нзмег ;ио шага и ориентации интерференционных полос является разработанная модификация МС фазового типа с параллельными пространственно разнесенными каналами.

Определены пути построения, проведены экспериментальные исследования дьухканальной системы автоматической регистрации и обработки интерференционных сигналов при контроле малых перемещений в субнанометровом диапазоне отклонений объекта на основе использования разработанных методов физического моделирования сигналов многолучевой и двухлучевой интерференции. Практически достигнута предельная погреш-

«ость позиционирования по оптическому реперу не более 0,022~ им в течение нескольких часов. Показана возможность псподьзо-зания плоскопараллельного интерферометра Фабри-Перо для высокоточного контроля с автоматической коррекцией погрешности \ббе.

Рис.6. Двухкйнальная система - бесконтактный интерферен-,ионный оптиметр. 1 и 2 - фотоэлектрические преобразователи-юрмирователи многомерных интерференционных сигналов, 3 -[еханизм поступательного геремещения контролируемого образа 4 с приводом 5, 6 - механизм осевого вращения, 7 и 7' - отра-сатели интерферометра Фабри-Перо.

Проведена разработка, выполнены анализ и исследования эчностных характеристик бесконтактного интерференционного

оптиметра с двухканальной структурой для контроля размер; объектов с поверхностями второго порядка, функциональна: схема которого приведена на рис.6. Контролируемое перемеще ние образца вдоль осей измерительных каналов позволяет реали зовать фазовый метод измерения зазоров между поверхностьк образца 4 и отражателями 7-7' стабильного интерферометр; ..Фабри-Перо при различных положениях образца 4.

По сравнению с известными устройствами ре.зраС'0т?.нна; система обеспечивает прецизионный совмещенный контрол: размера и взаимного расположения участков контролируемо!

изменении параметров окружающей среды погрешность контрол! размера составила 11 им при доверительной вероятности 0,98 или в относительных единицах 1-10

Рис.7. Схема интерференционного устройства контрол; бокового смещении образца. 1 - источник излучения, 2 - кол лиматор, 3 - светоделитель, 4 и 5 - опорные отражатели, 6 объектив, 7 - многоэлементный приемник излучения, 8 устройство обработки.

Предложен метод и разработай ряд устройстз автоматичес-ого определения параметра сдвига интерференционного сигнала :етодом автосвертки на основе соотношения ( для одномерного л у чая )

где интегрирование ведется по полной длине реализации, й ( 2 ) смещенный на расстояние X интерференционный сигнал в иде четной функции, причем при § = 2 X имеем эффективный ритерий

!сследованы погрешности метода и показана его применимость ля решения задач высокоточного совме ..энного контроля ентрировки и осевого расположения сферических поверхностей, том числе в многокомпонентных системах в проходящем свете, о сравнению с известными устройствами регистрации, в том исле автоколлимационного типа, разработанные устройства арактеризуются повышенной помехозащищенностью и точнос-ш за счет использования фазового принципа контроля харак-;ристик поверхности. Функциональная схема одного из разрабо-шных устройств приведена на рис.7.

На основе использования метода многоканальной интерфе-эметрии разработаны многоканальные системы, реализующие зинцип бесконтактного сферометра. Одна из представительных 1зработок иллюстрируется функциональной схемой на рис.8, оказана возможность совместного прецизионного оценивания ¡солютного значения радиуса кривизны и отклонений формы )верхности в нанометровом диапазоне. Выполнен детальный тлиз погрешностей прецизионного контроля, получены фор-улы и графики для расчета основных характеристик элементов яогоканальной системы с предельно малой относительной ¡грешностью контроля х < 1- Ю ...5- 10 , Так, допустимая )грешность, приведенная ко входу одного интерферометричес->го канала, может быть рассчитана по формуле

е 2 6 - базовая длина хорды сферометра, I? - радиус кривиз->1. Разработана аппаратура и программно-алгоритмическое

тах

I ок, I = х 42 1г/2 2

/ » 1С

Г

43 Оо

1С —- 11 —-н

П д:

Рис.8. Трехканальная система - бесконтактный ннтерферен циоиный сферометр. 1 - источник излучения, 2 - коллиматор, 3 1 4 - светоделители, 5 - оптический клин, 6 и 7 - объективы, 8 и ! - многозлементные приемники излучения, 10 и 11 - блоки регис грации п обработки, 12 - канал контроля линейного перемехце ник.

обеспеченно ь виде пакета оригинальных прикладных програмг автоматической обработки сигналов в многоканальной интерфе рометр.*ческой системе.

¡ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнена разработка принципов многоканальной шп-ер ферометрии и идентификации параметров реальных интерфе ренционных сигналов.

В результате теоретических и экспериментальных исследовании решен комплекс проблем теории анализа интерференционных измернтеьных сигналов и синтеза мнгоканальных интерференционных измерительных систем высокой точности. На этой основе проведено теоретическое обобщение, разработаны научные положения и дано принципиальное решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение научной проблемы абсолютных высокоточных бесконтактных измерений и контроля параметров геометрических элементов сложных поверхностей в прецизионных технологических процессах. Комплексное решение научно-технических задач позволило разработать ряд пнтерферометрических систем и устройтсв повышенной точности. В результате работы обоснованы следующие выводы и положения :

1. Проведены исследование свойств пространственной структуры объектов, выделены основные виды номинальных поверхностей и особых точек, показано, что разработанный принцип обобщенного описания объектов на основе интерференционного сферического отображения поверхности является основой исчерпывающего представления пространственных характеристик контролируемых элементов при формировании интерференционных сигналов. Дано определение интерферо-метрического канала, выполнен синтез обобщенной структуры многоканальной интерференционной измерительной системы и получены теоретические соотношения для расчета требуемого числа пнтерферометрических каналов. Установлено, что наиболее перспективной является структура с пространственно разнесенными каналами и многомерной обработкой интерференционных сигналов.

2. Выделены основные функции многоканальной интерференционной измерительной системы, которыми являются поиск,, селекция и точное наЕедение на заданные точки поверхности, реализуемые в совмещенных фотометрическом режиме калибровки каналов и ннтерферометрнческом режиме прецизионного контроля. Показаны преимущества многоканальных систем контроля в достигаемо:: точности, функциональных возможностях и информативности по сранению с одноканальными в реальных \гсловиях физического эксперимента.

3. Постр'.с:!.11 адекватная модель реального векторного интерференцно-. -чго сигнала, получены оценки погрешностей

дискретизации и квантования сигналов. Найдены аналитические выражения для расчета значении отношения интерференционного сигнала к шуму и предельных погрешностей фотоэлектрической регистрации в двухлучевом и многолучевом интерферометрических каналах.

4. Разработаны теоретические положения и показаны возможности координатных измерений высокой точности с использованием принципа калибровки интерферометрических систем с пространственно разнесенными каналами по специальным образцам со сферическими поверхностями.

5. Разработаны и исследованы системы автоматической регистрации и обработки интерференционных сигналов при позиционировании в нанометросом и субнанометровом диапазоне отклонений положения объекта. Погрешность позиционирования по оптическому реперу многолучевого типа в автоматическом режиме составила 0,02 им в диапазоне перемещений до 50 мкм. В условиях воздействия комплекса помех фазовая погрешность синхронк й обработки интерференционных сигналов двухлучово-го тниа не превышала ( 1...2 )• 10 ■ 2тг рад.

0. Разработаны и исследованы двухканальные пнтер-ферометрические системы и методики измерений, реализующие принцип бесконтактного интерференционного оптиметра. Погрешность контроля размера объектов в реальных условиях измерений составила 11 им в диапазоне до 100 мм.

7. Разработаны принципы построения помехоустойчивых систем интерферометрическсго контроля взаимного расположения отражающих поверхностей второго порядка в многокомпонентных системах.

Ь. Разработаны и исследованы многоканальные системы, реализующие принцип бесконтактного интерферомегрического сферометра при абсолютных измерениях радиуса кривизны лолерхкости с малой относительной погрешность; > 1 • 10 ... б-

?« -работаниые устройства являются ¡-овым поколением интеллектуальных систем прецизиоииого контроля, оснащенных периферийным оборудованием, интерфейсами связи с ЭВМ и оригинальным программно-алгоритмическим обеспечением.

Основные результаты опубликованы в работах :

1. Влияние неравномерности освещенности поля на точность интерференционных измерительных систем / Деп. во ВНИИКИ 26.08.1980, № 41. - 7 с. Соавторы - В.И.Прнцкер,

B.Д.Свердличенко.

2. Применение фотопреобразователей на основе приборов с переносом заряда в интерференционных измерительных системах / Деп. во ВНИИКИ 15.ОС.81, № 64. -9 с.

3. Точный синхронный детектор // Измерительная техника.

1981. № 12. С.46-47. Соавторы - В.И.Прнцкер, Э.И.Свсченкова.

4. Автоматизация измерений темпер .-урного удлинения образцов в высокоточных интерференционных дилатометрах методами машинной обработки изображений // Метрология.

1982. № 5. С.3-8.

5. Автоматическая селекция ахроматической полосы методом огибающей // Оптика и спектроскопия. 1983. Т.54. Вып.5. С.846-850. Соавторы - В.И.Прнцкер, О.Д. Глухов.

6. О точности автоматических фотоэлектрических преобразователей интерференционной картины // Тезисы докладов 2 Всесоюзного совещания по теоретической метрологии. Л., 1983.

C.100-101. Соавтор О.Д.Глухов.

7. Метод автоматического интерференционного измерения теплового расширения в условиях свечения исследуемого образца // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение температурных I! теплофизических измерений". Харьков, 1983. С.214-215. Соавтор - О.Д.Глухов.

8. Оптимальный фильтр для исследования фазовых характеристик интерференционной картины в присутствии мультипликативной помехи // Тезисы докладов 5 Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительно!! информации". М., 1984. С.238-239.

9. Помехоустойчивый фотоэлектрический метод измерения фазовых характеристик интерференционной картины // Тезисы докладов 3 Всесоюзного совещания "Методы и приборы для точных дилатометрических исследований материалов". Л., 1984. С.62-63.

10. О применении многоканальной регистрации сигналов г. высокоточных интерферометрах перемещений // Тезисы докладов 2 Всесоюзного совещания "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". Л., 1985. С.119-120. Соавтор - В.Н.Носаль.

11. Исследование фотоэлектрических преобразователей для интерференционных измерительных систем // Оптика и спектроскопия. 1985. 'Г.59. Вып.5. С.1113-1117. Соавторы -В.А.Арутюнов, И.М.Нагибина.

12. Помехоустойчивый фотоэлектрический метод измерения фазовых характеристик интерференционной картины // Метрологчя. 1986. № 7. C.8-1G.

13. Влияние параболических искажений волнового фронта на точность фотоэлектрических интерферометров // Журнал прикладной спектроскопии. 1986. Т.44. № 3. С.504-506. Соавтор - И.М.Нагибина. .

14. Влияние аддитивного и фазового шума на точность измерений фаз в интерференционных устройствах // Метрология. 1987. М> 6. C.4S-50. ,

15. Применение вероятностно-взвешивающего фильтра при фотоэлектрической регистрации сигналов многоканального интерферометра перемещений // Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Измерение перемещений в динамическом режиме". Каунас, 1987. С.96-97.

16. Согласованный фильтр для идентификации положения центра интерференционной картины // Тезисы докладов б Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации". М.. 1987, С.143-144. Соавтор - А.Б.Павлова.

17. Применение ПЗС-фотопрпемнпков в интерференционных измерительных системах / Сб. научных трудов "Исследования в области линейных и угловых изменений". Л., ВШШМ, 1988. С.40-43. Соавтор - А.И.Шишкин.

18. Применение метода дискретизации интерференционной картины для измерения перемещений сферической поверхности // Оптико-механическая промышленность. 1983. № 9. С.35-37. Ссазторы - И.М.Нагибина, А.Б.Павлова.,

19. A Noise-Immune Interferometric Method for Measuring the Dimentions of Regular-Shaped Bodies // 3rd Intern. IMEKO-Symposium (ISMQC). Aachen (FRG), 1989. P.15-20. Соавтор -Ю.В.Тарбеев.

20. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах // Измерения, контроль, автоматизация. 1990. Вып.2(74). С.69-79.

21. Определение положения отражающей поверхности второго порядка методом машинной обработки интерференционной картины // Автометрия. 1990. № 3. С.30-36. Соавтор -А.В.Павлова.

22. Интерференционные фотоэлектрические системы на основе приборов с зарядовой связькз для линейных измерений // Материалы семинара "Опыт внедрения прогрессивных средств и методов размерного контроля". Л., ЛДНТП, 1У90. С.47-51.

23. Многоканальная фотоэлектрическая система на основе приборов с зарядовой связью для прецизионного измерения толщины линз // Материалы семинара "Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения". Каунас, 1990. С.113-114.

24. Алгоритмическая коррекция погрешности Аббе в многоканальном интерферометре // Известия ВУЗов. Приборостроение. 1991. № 2. С.78-83.

25. Прецизионный интерферометрический контроль объектов по критерию максимума функционала правдоподобия // Тезисы докладов 2 Всесоюзнгой конференции "Измерения и контроль при автоматизации производственных процс ;сов". Барнаул, 1991.

26. Структура многоканальных интерференционных измерительных систем для прецизионного контроля геометрических характеристик объектов // Известия ВУЗов. Приборостроение. L991. № 9. С.59-66. Соавтор - И.М.Нагибина.

27. Интерференционные измерения и контроль параметров геометрических элементов на основе критерия максимума функционала правдоподобия // Аптометрня. 1992. jVs 3. С.99-104.

28. Statist;'-.!! synthsis of high-sensitivity interferometric

- -5 Ü -

systems // In : "European scientific motrological conference "150th anniversary of the D.I.Mendeleyev Institute for Metrology". 1092. St.-Petersburg. Sept.1-3. P.42-43.

29. Using a noise-immune interferometric method to measure the dimentions of bodies having regular shapes // Measurement.

1992.V.10.No.2. P.62-64. Соавтор - Ю.В.Тарбеев.

SO. Интерферометр для измерения тел правильной геометрической формы /'/ Измерительная техника. 1992. Ли 8. С.30-32. Соавторы - Ю.П.Ефремов, Н.А.Кплшпш, А.Б.Павлова, Е.В.Тп-щенко.

31. Определение начальной фазы периодического сигнала ограниченной протяженности методом идентификации гистограмм // Известия ВУЗов. Приборостроение. 1903. Л1!; 1. С.79-83. Соавтор - С.Н.Старков.

32. Многоканальные интерференционные измерительные системы для прецизионного контроля геометрических параметров объ^-лов // Известия ВУЗов. Приборостроение. 1993. № 3. С.61-70.

33. Прецизионное позиционирование и контроль объектов методом идентификации интерференционного сферического отображения поверхности // Известия ВУЗов. Приборостроение.

1993. № 5. Соавтор - S.Д.Пайков.

34. Способ измерения оптической разности хода лучей в интерферометрах с фиксированной базой и устройство для его осуществления. - A.c. 835193 (СССР). 1981.

35. Интерференционный дилатометр. - A.c. 911146 (СССР).

1982.

36. Способ регистрации нулевой разности хода и устройство для его осуществления. - A.c. Ö39938 (СССР). '982. Соавтор -В.И.Прпцкор.

37. Способ измерения порядка интерференции и устройство для его осуществления. - A.c. 1013750 (СССР). 1983. Соавтор -В.Д.Свердличенко.

38. Интерференционный способ измерения геометрических параметров образца и устройство для его осуществления. - A.c. 1129491 (СССР). 1984.

39. Интерференционной измерительное устройство. - A.c. 260681 (СССР). 1988.

40. Интерференционный способ контроля геометрического асположенпя линз и устройство для его осуществления. • [олож. реш. по заявке № 4920361/28. Заявл. 21.03.Dl.

41. Интерференционный способ измерения геометрических араметров образца и устройство для его осуществления. - A.c. 776602. 1992.

42. Интерференционный сферометр. - Полож. реш. по оаяв-е М 5049773/28. Заявл. 17.06.92.

43. Способ контроля центрировки линз и устройство для ого существления. • A.c. 1830477. 1993.

44. Способ измерения геометрических параметров по. орхности объекта и устройство для его осуществления. • А.с, 825978. 1993.

ООъем 2 п.л. Бесплатно

Подписано к печати 15.02,34 г. Заказ 4С» Тираж IUü акэ.

Ротапринт. ;:r;:,:C. ISGCCC, С.-ПзтерСург, пер.Грявцова, 14