автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей

V л

л

4-

/ь

Мшшстерстао общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Ли Ган

УДК 681.786.23: 681.787.7

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЙ НЕГЛАДКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сагжт-Петербург 1997г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Гасударственном институте точ механики и оптики (Техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук Гуров Игорь Петрович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нагибина Ирина Михаиловна доктор технических наук Духопел Иван Иванович

Ведущее предприятие:

АО ЛОМО г. Санкт-Петербург

(194044, Санкт-Петербург, ул. Чугунная, 20)

Защита состоится _1997г. ъ/Э: заседании дассертациот

совета Д 053.26.01 Санкт-Петербургского Гасударствешюго института то1 механики и оптики (Технического университета).

Автореферат разослан "_"_1997г. Ваши отзывы и замечания

автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направляй адресу: 197101, Санкт-Петербургский Гасударственный институт точной механи оптики (Технический университет), ул. Саблинская, д. 14, ученому секрет диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Красавцев В. М.

Общая характеристика работы

туальность.

Измерения геометрических характеристик поверхности объектов имеют кное значение для производства и научных исследований. Во многих /чаях требуется контролировать геометрические размеры или смещение ьектов с негладкой поверхностью. При этом если механический контакт с эазцом затруднен или поверхность является пластичной, необходимо гользовать бесконтактные методы контроля, среди которых наиболее шыми являются методы оптической интерферометрии. В процессе лерения имеет место влияния эффектов взаимодействия световой волны с 'адкой поверхностью и воздействие различных факторов окружающей :ды, например, флуктуаций показателя преломления, микровибраций и т. д. этому для получения точных результатов контроля объектов требуется ;спсчить помехозащищенность интерферометрической системы.

Необходимость решения задач контроля негладких поверхностей эеделяется рядом Научно-исследовательских программ США, России и КНР созданию новых материалов и обработке материалов. В частности, данная (ача имеет важное значение для научно-исследовательской темы "Точная заботка хрупких материалов" Харбинского политехнического института, "орую поддерживает Фонд естественных наук Китая.

Контроль смещений негладких поверхностей имеет важное значение для (личных технологических процессов, в том числе измерений теплового ;шерения новых материалов, имеющих негладкие поверхности, для ггроля толщин изделий из металла или полимеров, ль и задачи работы.

Целью работы является разработка и развитие методов бесконтактного ггроля смещений негладких поверхностей в современных технологических щессах, исследование характеристик помехозащищенности и точности ройств контроля.

Поставленную цель можно достигнуть различными методами. Ана научно-технической информации показывает, что для контроля смеще негладких поверхностей наиболее подходящими являются меп интерферометрии при освещении источниками с ограничен когерентностью и корреляционной обработке интерференционных сипш При использовании указанных методов необходимо решить следую] осповные задачи:

выполнить анализ современного состояния методов бесконтактг контроля смещений негладких поверхностей;

провести теоретический анализ формирования стохастических сигне в интерферометре с частично-когерентным освещением;

разработать схему оптико-электронной интерферометрической сист для контроля негладких поверхностей;

исследовать помехозащищенность и точность контроля смеще негладких поверхностей.

Научиаи новизна полученных результатов состоит в том, что: предложен помехоустойчивый метод пространственной взаим корреляционной обработки интерференционных сигналов;

разработана методика устранения влияния фоновых составляю интерференционных сигналов;

предложен вариант метода управляемого фазового сдвига для повынк помехозащищенности оптико-электронного устройства;

исследованы характеристики точности пространстве! корреляционной обработки интерференционных сигналов.

Научна» значимость результатов состоит в развитии отдель положений теории корреляционной обработки стохастиче( интерференционных сигналов и разработке новой модифик; интерферометрического метода управляемого фазового сдвига.

Практическая значимость результатов работы заключается выработке практических рекомендаций для корректного провод

контактного контроля смещений негладких поверхностей, создании и иедовании прибора для контроля негладких поверхностей, пригодного для изводственных условий и определении допустимых пределов боковых и >вых смещений объекта.

Основные научные положения, выносимые на защиту: При контроле нормальных смещений негладких поверхностей наиболее высокая помехозащищенность достигается при использовании интерферометров с ограниченной когерентностью и предложенных методов пространственной взаимной корреляционной обработки интерференционных сигналов.

У1етод пространственной взаимной корреляционной обработки является работоспособным при неконтролируемых боковых смещениях и угловых наклонах контролируемой поверхности в диапазонах, соответствующих требованиям производственной практики.

[овышение точности и помехозащищенности контроля смещений негладких поверхностей достигается при оценивании и последующем вычитании фоновой составляющей интерференционных сигналов, полученных в исходном и последующем положениях негладкой поверхности. 1аиболее высокая точность контроля смещений негладких поверхностей обеспечивается при использовании разработанного метода вычитания фоновой составляющей на основе модифицированного метода управляемого фазового сдвига. Апробация работы.

овные положения и результаты исследований по теме диссертации надывались на международной конференции "Photonics China 96", ноябрь 6г., Пекин, КНР.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 3 научных >тах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех t, заключения, списка работ, опубликованных по теме диссертации и

списка цитируемой литературы. Объем работы составляет страши включая 4О рисунков. Список литературы содержит наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертац формулируется направление проведенных исследований, дается 061 характеристика работы, ее новизна, научная и практическая значимое основные положения выносимые на защиту, а также, описана структ диссертации.

В первой главе работы рассматриваются различные методы контр смещений негладких поверхностей при регистрации интерференцион] картины с помощью оптико-электронных систем, выделены наиболее точ! интерферометрические методы измерений. Существуют методы контр негладких поверхностей с формированием неподвижной и динамичес интерференционной картины. Для решения поставленных задач будем изу1 интерференцию при фиксированных исходном и последующем положи] контролируемой негладкой поверхности.

Анализ сведений, опубликованных в научно-технической литературе пока что одним из наиболее эффективных методов с точки зрения минимиза погрешностей контроля негладких поверхностей, помехозащищенности и прост реализации является метод, основанный на использовании источников с ограничен когерентностью, который обеспечивает широкий диапазон однозначности гомере при достаточно высокой точности и быстродействии.

Сущность метода заключается в том, что интерференционная карт появляется при условии равенства оптических длин плеч интерферометра в преда длины когерентности, при этом положение главного максимума интенсивности с совпадает-с точкой наибольшей видности интерференционных полос, как показан рис.1.

Рис. 1. Схема интерферометра с использованием источника частично-когерентного излучения

Для контроля смещений негладкой поверхности требуется скомпенсиров смещение негладкой поверхности перемещением опорного отражателя, при э-величина перемещения опорного отражателя равна искомому значению смеще негладкой поверхности. Критерием компенсации может служить максимум взаим] корреляции исходного (до смещения негладкой поверхности) и последующего (по смещения негладкой поверхности) зарегистрированных интерференциош сигналов.

Во второй главе проанализированы стохастические сигналы, кото{ формируются в интерферометрах с частично-когерентным освещением I отражении излучения от негладкой поверхности, получены аналитичес; выражения для корреляционных функций интерференционных сигнал предложены метод вычитания фоновой составляющей интерференциош сигналов и вариант метода управляемого фазового сдвига для повыше] помехозащищенности и точности контроля нормальных смещений неглад] поверхностей, представлены результаты моделирования на компьют работы интерферометра с частично-когерентным освещением.

Если измеряемая поверхность освещается гауссовым пучк комплексная амплитуда отраженной волны от измеряемой поверхност! плоскости фотоприемника имеет вид

Плоская опорная волна может быть представлена как л2 (-) = Ам ехр(Дг + ]ке).

Используя результаты выполненных преобразований, можем зани следующее выражение для интенсивности света в интерференционной картине частично-когерентном освещении

.У= у,;) + А2(=)]с11 /(2ДЛ)} х

,+лд / ] *

¡^{х.у.г) + ;ф)\(1Х Кгьл)| =

2АЛ[4лг - + ¿2 - (яг + (у)//) - 2лг^х2 + у2)//2]2/(2л"2а4) х

р[-8/2 {О? + Я?)/*] + 2А202АА+ 2А20Е х

в{[4;гг -4-;2 -(.сс + (у)//) - 2тгг(.х2 + у2)//2 -2я(г + е)\/л 0}

х

(3)

)ретический анализ показал, что достаточно изучать корреляцию грференционных сигналов, пропорциональных интенсивности света в исходном I) и последующем положениях контролируемой поверхности. При этих условиях халы можно представить соответственно как

= 5ьМ + {х,2)са^7сих' + 2(к)2 + д{х')-(рг) ^ ^

учтены возможные изменения пространственной частоты и' ■ - и + Аи и лранствегшой координаты х' = х + кх, обусловленные влиянием соответственно >вых наклонов и бокового смещения поверхности при нормальном перемещении гролируемого объекта. В (4) и (5) огибающие интерференционных полос можно гделить в форме

(„-амплитудное значение, /-длина когерентности излучения.

Выражения (4) и (5) являются основными при анализе характеристик ¡рферометра с частично-когерентным освещением для практических задач роля нормальных смещений негладкой поверхности. Оценку корреляции этих сигналов будем искать в форме

,0) = х0(л) + х„,(х,0)соБ[4лих + 9>(х)] ,

(4)

,0) = ^ехр{-(4лг^)2 (Л)2//2}

,г) = ,йехр{-[(4;пМ2 + (2(к):)2 - <рг}(1)2/12},

-0/2

Из этой формулы и выражений (4), (5) следует, что фоновая составляю сигналов оказывает достаточно сильное влияние на корреляционную функю поэтому требуется вычесть ее из сигнала Простой способ заключается в том, чт найти средние значения интенсивности в (4) и (5), вычесть эти средние значс соответственно из (4) и (5), затем найти корреляцию между получеши информационными составляющими сигналов.

Такой метод является эффективным только при условии, если фон< составляющая имеет простую форму. Если фоновая составляющая имеет слож вид, необходимо найти иной подход к решению этой задачи. В работе предлс вариант метода управляемого фазового сдвига, сущность которого заключается в что за счет малых смещений опорного отражателя интерферометра можно полу несколько сигналов на выходе интерферометра со взаимными фазовыми сдвиг Если фазовый сдвиг равен я, тогда можно устранить фоновую составляющую полученных сигналов при использовании простых преобразований сигналов

л-, (х,0) = 5оМ + ¿^(л^сов^я- га + д{х) + лг] = = - 5и!(х,0)сок[4яг« + <р{х)\

2(х,0) = _ ^ (^,0) = 2^,(л;,())сой[4я-ш: + рЫ],

52 = 50(л) + $т2{х,г) соб^тпЛс ' + 2{к);; + <р{х') - <рг + л] = = £0(х) - 2(х,2)с08[4тгм^ч- 2 {к)г + <р(х') - <рг],

2в2 (х,_) = .ь'2(х,г)-52 = 2^т2(д;,г)со5[4ли'х' + 2(к): + ср{х')-<рг\

В сигналах и принципиально отсутствуют фоновые составляющие зависимости от их формы.

При обработке упрощаются интерференционные сигналы, за счет устраг фоновых составляющих сигналов методом фазового сдвига и тем самым созда предпосылки для подавления влияния помех и улучшения вида взаи корреляционной функции интерференционных сигнаов.

Проведенные исследования показывают, что в условиях сильного влияния ех метод вычисления пространственной взаимной корреляции грференционных сигналов позволяег надежно выделять положение максимума 5ающей.

Описание построенной интерферометрической оптико-электронной темы для контроля негадких поверхностей приведено в третьей главе эты. Используя результаты исследований, проведенных в главе 2, можно гедовать интерференционные сигналы при контроле нормальных смещений ;рхности в одной точке и оценить точность контроля при последующем :днении результатов по нескольким точкам измерения. Такие оценки являются злижслшсм к корреляциошшм оценкам с учетом свойства эргодичности [айного процесса формирования интерференционных сигналов от негладкой ¡рхности.

В целях повышения помехозащшцешгости интерферометрической системы ¡сообразно исследовать смещения поверхности по методике измерения толщины эго (0.5-1.5мм) воздушного зазора между контролируемой поверхностью и зной поверхностью стеклянной пластинки по схеме интерферометра Физо. Для доения возможного влияния флуктуаций показателя преломления, »нтролируемых смещений оптико-механического блока относительно образца и их факторов нужно использовать сдвоенный интерферометр Майкелъсона-Физо.

Метод измерения воздушного зазора основан на использовании яфицированного интерферометра Майкельсона-Физо с источником излучения с ниченной когерентностью.

Измерение смещения контролируемой поверхности достигается за счет роля значения толщины воздушного зазора, образованного этой поверхностью и »ной поверхностью дополнительной стеклянной пластинки. Часть излучения из : плеч интерферометра Майкельсона направляется в виде двух световых пучков с иной оптической разностью хода к измеряемому воздушному зазору,

образующему интерферометр Физо. В результате перемещения уголкового отражат в интерферометре Майкельсопа появление максимума видности результируюп интерференционных полос соответствует толщине котролируемого зазора.

В одном из плеч интерферометра Майкельсона производится сканирова уголкового отражателя. Пучки излучения из двух плеч интерферометра объединяю на светоделителе и направляются к измеряемому воздушному зазору интерферометру Физо. Отраженные от передней и задней поверхностей воздушн зазора пучки могут интерферировать лишь в малой области разностей оптичсс: путей, определяемой длиной когерентности супертоминесценшого лазерного дж Таким образом, максимальная видность интерференционной карта регистрируемой фотоприемником, будет иметь место в случае равенства д оптических путей двух отраженных световых волн.

Принцип контроля воздушного зазора иллюстрируется на рис.2.

При отражении двух пучков от границ воздушного промежутка (интерферометр Физо) образуются пучки света а, а', б, б', отраженные от измеряе: поверхности и от опорной поверхности стеклянной пластины. Интерферируя попа между собой, они образуют сложную интерференционную картину. В случае, кс оси пучков б и а' совпадут, их оптическая разность хода станет равной нулю и 63 сформирован классический интерференционный сигнал при ограниченной

От интерферометра Майкельсона

Контролируемая поверхность

Опорная поверхность

б'

Рис.2. Ход лучей в измеряемом воздушном зазоре й

ерснтности освещения. Пучки а и б' не попадают в приемную апертуру и не вносят ажений в сигнал.

Таким образом, видность интерференционной картины от указанных двух ков будет иметь максимум при переходе через точку пулевой разности хода.

Устройство для измерения воздушного зазора состоит из двух блоков, один из орых является оптико-мехашгаеской измерительной головкой, а второй - блоком дварительной обработки сигналов и сопряжения с компьютером. Измерительная эвка и блок соединены электрическим кабелем. Соединение блока обработки с пыотером осуществляется отдельным кабелем. Блок обработки не имеет ственной системы отображения результатов измерения и может подключаться к иллографу для оперативного контроля сигнала. Окончательная обработка сигналов изводится в компьютере, отображение результатов измерения осуществляется на плее в виде графиков или цифровых данных в соответствии с программой, зенной в компьютер.

Результаты экспериментального исследования точностных характеристик контактного контроля нормальных смещений негадких поверхностей даны горой части главы 3.

Для проведения экспериментальных исследований разработана циальная методика регистрации и обработки интерференционных сигналов, сазано, что исследование взаимных корреляционных функций ерференционных сигналов в устройствах бесконтактного контроля есообразно проводить при регистрации и совместной обработке данных, ученных для различных точек контролируемой негладкой поверхности. \ этом данные в отдельной точке могут быть получены при фокусировке цирующего светового пучка на контролируемой поверхности.

Экспериментальные исследования проведены применительно к методу [итания среднего значения интерференционных сигналов и разработанному ианту метода управляемого фазового сдвига.

При вычитании среднего значения экспериментально подверждено яние формы фоновой составляющей на результат вычисления значений

взаимной корреляционной функции. В результате для типичных услс регистрации нулевой разности хода по критерию максимума коррел? стохастических интерференционных сигналов погрешность конт] смещения поверхности может достигать 5-7мкм. Это обуслов.) искажениями полезной составляющей и возникновением стохастиче< компоненты корреляционной функции, что приводит к "размытию" дашп области максимума корреляции.

Экспериментально подверждены преимущества разработанного вари метода управляемого фазового сдвига для устранения влияния фоне составляющих произвольного вида. При проведении контроля смегцс негладких поверхностей таким методом погрешность может быть снижен значений 1-2мкм, что находится в полном соответствии с требоваш производственной практики при реализации бесконтактного конт негладких поверхностей в современных технологических процессах.

Основные результаты и выводы:

1. Среди различных интерферометрических методов и устро предназначенных главным образом для контроля нормальных смещений негла поверхностей одним из наиболее эффективных методов с точки зрения минимю погрешностей контроля негладких поверхностей, помехозащищенности и прос реализации являются методы, основанные на использовании источнике ограниченной когерентностью, которые обеспечивают широкий диш однозначности измерений при достаточно высокой точности и быстродействии.

2. Проведешшй теоретический анализ формирования интерференцис картины при частично-когерентном освещении показал, что контроль смен негладкой поверхности можно осуществлять при вычислении пространстве взаимной корреляционной функции зарегистрированных сиги пропорциональных интенсивности света в поле интерференции.

3. Метод вычисления значений пространственной взаимной корреляцис функции интерференционных сигналов является работоспособным

астическом характере амплитуд и фаз регистрируемых сигналов интерференции, нтролируемых боковых смещениях и угловых наклонах контролируемой рхности в диапазонах, соответствующих требованием производствешшй тики.

4. Повышение точности и помехозащищенности контроля смещений адких поверхностей достигается при оценивании и последующем итании фоновой составляющей интерференционных сигналов, полученных ходном и последующем положениях негладкой поверхности.

5. Наиболее высокая точность контроля смещений негладких :рхностей обеспечивается при использовании разработанного метода ятания фоновой составляющей на основе модифицированного метода шляемого фазового сдвига.

6. Предложена методика измерения толщины малого воздушного зазора ду контролируемой поверхностью и опорной поверхностью стеклянной ;тинки по схеме интерферометра Физо, которая позволила повысить гхозащшценность интерферометрической системы.

7. Интерферомстрическая оптико-электронная система, построенная по яфицированной схеме Майкельсона-Физо, позволяет измерять толщину [ушного промежутка с погрешностью однократного измерения не более 3-5

8. Разработанное оптико-электрошгое устройство обеспечивает измерения в |й точке поверхности, сбор данных от нескольких точек и совместную обработку 1ых. Такая методика является корректным приближением к пространственной мной корреляционной обработке.

9. В методе вычитания фоновой составляющей корреляционная функция 1слястся с высокой помехоустойчивостью по отношению к стохастическим стуациям интерференционных сигналов, положение максимума корреляции ьно определяется с погрешностью не более /</10.../с/100, где /с - длина

когеретности излучения, поэтому погрешность контроля не превышает еда микрометров.

10. Экспериментальные исследования показывают, что точно определения максимума корреляционной функции, вычисленной на осн предложенного варианта метода управляемого фазового сдвига являе заметно более высокой, чем при простом вычитании среднего значе! интенсивности. При этом погрешность не превышает 1-2мкм в слу контроля смещений существенно негладких поверхностей.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1.1. P. Gurov and Gang Li, Automatic inspection of non-smooth surface displacements

interferometer with low-coherent illumination// Proc. SPIE. 1996. V2899. p.230-239.

2. И. П. Гуров, Ган Ли, Интерферометрические методы и устройства контр смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистран неподвижной интерференциошюй картины. // Оптика и спектроскопия. 1997, Т Вып. 2.

3. И. П. Гуров, Ган Ли, Интерферометрические методы и устройства контр смещений негладких поверхностей. И. Методы и устройства с формирован динамической интерференционной картины. // Оптика и спектроскопия. 1997, Т Вып.З.