автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Когерентно-ограниченные интерферометрические методы и системы контроля формы диффузных поверхностей

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ: ПРИНЦИПЫ, МЕТОДЫ, АППАРАТУРА

1.1. Основные определения и задачи.

1.2. Высококогерентные методы.

1.3. Методы геометрической оптики.

1.4 Когерентно-ограниченные интерферометрические методы контроля смещений и формы поверхности.

1.5 Выводы.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕОМЕТРИИ ОСВЕЩЕНИЯ

2.1. Спекл-структура и ее влияние на формирование интерференционного сигнала.

2.1.1. Базовые модель интерференционного взаимодействия и оптическая схема.

2.1.2 Амплитуда интерференционного сигнала.

2.1.3. Влияние геометрии освещения на формирование интерференционного сигнала.

2.2. Анализ интерференционного сигнала.

2.2.1. Модель гипотетических источников индивидуальных спеклов.

2.2.2. Метод площадей.

2.2.3. Метод дифференцирования огибающей.

2.3. Выводы.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА ТРИГГЕРНОГО ТИПА

3.1. Оптические щупы сканирующего и триггерного типов.

3.2. Способы минимизации влияния спекл-модуляции на результаты измерений.

3.2.1. Дополнительная модуляция в опорном канале.

Оптимизация динамических параметров.

3.2.2. Многоканальная регистрация. Уменьшение динамического диапазона интерференционного сигнала.

3.2.3. Оптический щуп с микросканированием контролируемой поверхности.

3.3. Выводы.

Получение высокоточной и достоверной информации о геометрических параметрах поверхности объектов всегда являлось важной задачей метрологии. В настоящее время для решения указанной задачи существует широкий класс методов и технических средств, которые подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные методы реализуются в различных конструкциях механических щупов. В настоящее время ведущие фирмы-производители оптико-механических приборов, такие, как Carl Zeiss, Renishaw, производят контактные щупы, позволяющие измерять рельеф поверхности с точностью до 1,0-0,1 мкм.

Основными недостатками контактных методов являются низкая производительность, требование хорошей виброзащиты, относительно быстрый износ щупового элемента. Кроме того, использование контактных методов измерений может оказать негативное влияние на объекты с малой устойчивостью к механическому воздействию. Поэтому на использование контактных методов накладывается ограничение по классу контролируемых объектов. Также контактные методы не пригодны для решения динамических задач.

Указанные недостатки исключаются применением бесконтактных методов контроля. Важное место среди них занимают оптические методы.

Оптические методы измерений рельефа поверхности и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, отраженного от контролируемой поверхности. Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективными в этом классе приборов являются интерферометриче-ские бесконтактные щупы, в которых используются источники излучения с ограниченной длиной временной когерентности. Это направление в оптическом приборостроении относительно новое и интенсивно развивается лишь в последите 10-12 лет. Приборы указанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами геометрической оптики, а именно: точность, диапазон измерений, а также расстояние до контролируемой поверхности не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения. Когерентно-ограниченные оптические щупы по точности измерений не уступают контактным, малогабаритны, удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации. Однако, несмотря на определенные успехи в практическом использовании систем с когерентно-ограниченным излучением, теоретический анализ их функционирования явно недостаточен. Остаются нерешенными многие вопросы построения и эксплуатационных характеристик указанных систем. Отсутствуют какие-либо данные анализа метрологии неплоских поверхностей, решения проблем, связанных с использованием оптических щупов триггерного типа. Выяснение этих вопросов необходимо для расширения функциональных возможностей когерентно-ограниченных измерительных систем, повышения информационного содержания измерений и более широкого их внедрения в производственную практику.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является исследование и разработка когерентно-ограниченных методов контроля геометрических параметров диффузных поверхностей и построения на их основе оптико-электронных измерительных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ существующих систем контроля формы поверхности диффузно-отражающих объектов и литературных данных;

• разработать адекватную реальной ситуации модель анализа факторов ограничения точности измерений в системах контроля формы диффузных поверхностей с когерентно-ограниченным источником излучения;

• провести исследования оптического щупа триггерного типа;

• разработать принципиальную схему оптико-электронной измерительной системы и провести экспериментальные исследования.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модель формирования огибающей интерференционного сигнала при глубине сцены анализа большей длины когерентности.

2. Введение дополнительной модуляции оптической разности хода интерферирующих световых пучков усредняет флуктуации функции видности интерференционного поля в триггерном режиме измерений.

3. При контроле поверхности с большим градиентом коэффициента отражения увеличение числа независимых каналов регистрации интерференционного поля уменьшает динамический диапазон сигнала при сохранении его средней величины.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Зеи (г.Санкт-Петербург, 1999 г.) и 4ой (г.Санкт-Петербург, 2001 г.) Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», на Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

4.4. ВЫВОДЫ

1. С целью проверки сформулированных ранее теоретических положений была разработана, сконструирована и изготовлена экспериментальная установка.

2. Для оптического щупа сканирующего типа экспериментально исследованы диапазон измерений и частота сканирования, которая определяет скорость измерений. Определены оптимальные соотношения между этими параметрами.

3. Экспериментальной проверке подлежали методы обработки интерференционного сигнала - метод дифференцирования огибающей и метод площадей. С этой целью измерялось расстояние до контролируемой поверхности при смещении объекта относительно оптического щупа. Измерения проводились для различных углов падения зондирующего излучения. Показано, что при нормальном освещении погрешность измерений не превышает 1с/30, что при 1с = 30 мкм соответствует 1мкм. Получено хорошее совпадение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами, что подтверждает работоспособность предложенной ранее зонной модели анализа формирования интерференционного сигнала.

4. Исследована амплитуда выходного сигнала при сканировании контролируемой поверхности для различных размеров зондирующего пятна. Экспериментально подтверждены теоретические выводы зависимости

Глава 4. Экспериментальное исследование измерительной системы 129 амплитуды интерференционного сигнала от размера зондирующего пятна.

5. Исследована зависимость ширины и формы огибающей интерференционного сигнала от угла падения зондирующего излучения. Показано влияние декорреляции спекл-полей на форму огибающей сигнала.

6. Исследована возможность использования когерентно-ограниченного оптического щупа для контроля биологических объектов. Проведены измерения микрорельефа кожного покрова человека in vivo. Показана возможность применения когерентно-ограниченного оптического щупа в качестве оптического томографа. Исследован участок подповерхностного слоя кожного покрова предплечья после нанесения на него увлажняющего крема. Полученные томограммы позволяют контролировать динамику реакции кожной ткани на действие крема.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

10. Разработана принципиальная схема экспериментального устройства когерентно-ограниченного оптического щупа. Проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик. Показана возможность использования разработанного устройства для контроля биологических объектов: измерения микрорельефа кожного покрова человека in vivo и томографического исследования подповерхностного слоя кожной ткани.

1. Шероховатость поверхности. ГОСТ 25142-82. Изд-во стандартов. 1982.

2. Богомолов А.С. Голографические методы исследования и контроля геометрических параметров отражающих изделий // Канд. дисс. М. 1983.- 181с.

3. Гуров И.П., Ли Ган. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистрацией неподвижных интерференционных картин // Опт. и спектр. 1998. Т.84. №1. С.129- 138.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука. 1970. 855 с.

5. Оптическая голография. / Под ред. Г.Колфилда: пер. с англ. под ред. Гуревича С.Б. T.l. -М: Мир. 1982. 374 с.

6. Франсон М., Сланский С. Когерентность в оптике: пер. с франц. под ред. ШифринаК.С. -М.: Наука. 1967. 80 с.

7. Ландсберг Г.С. Оптика. -М.: Наука. 1976. 926 с.

8. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Соснова А.Н. -М.: Машиностроение. 1985. 340 с.

9. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. -М.: Машиностроение. 1987. 264 с.

10. Афанасьев В.А. Оптические измерения. -М.: Недра. 1968. 263 с.

11. Нагибина И.М., Хопов В.В. Автоматизированная обработка голографических интерферограмм при определении вектора смещения диффузно отражающих поверхностей // Изв. ВУЗ. Приборостроение. 1983. Т.26. №2. С.80-84.

12. Котов И.Р., Ситник Д.Н., Хопов В.В. Гетеродинная голографическая и спекл-интерферометрия // Прикладная физическая оптика: Сб. научн. трудов. -М.: МЭИ. 1987. №134. С. 113 115.

13. Haines К.A., Hildebrand В.P. Multiple-Waveiength and Multiple-source Holography applied to contour generation // Fourn. Opt. Soc. Amer. 1967. V.57. №2. P.155 162.

14. Haines К., Hildebrand В.P. Contour generation by wavefront reconstruction //Phys. Lett. 1965. V.19. P. 10- 15.

15. Hildebrand B.P., Haines K.A. The generation of three dimensional contour maps by wavefront reconstruction // Phys. Lett. 1966. V.21. P.422 - 425.

16. Zelenka F.S., Varner F.R. A new method for generating depth contour holographically // Appl.Optics. 1968. V.7. №10. P.2107-2110.

17. Friesem A. A., Levy U. Fringe formation in two-wavelength contour holography // Appl.Optics. 1976. V.15. №12. P.3009 3020.

18. Champagne E.B. Nonparaxia (imaging, magnification,and aberration properties in holography//Fourn. Opt. Soc. Amer. 1967. V.57. №1. P.51-58.

19. Varner F.R. Simplified multiple-frequency Holographic contouring // Appl.Optics. 1971. V.10. №1. P.215 213.

20. Кольер P., Беркхарт К., Лин Jl. Оптическая голография: пер. с англ. под ред. Ю.И.Островского. -М.: Мир. 1973. 686 с.

21. Henshaw P.D., Egekiel S. High resolution holographic contour generation using a pulsed multicolor ion laser // Appl.Optics. 1973. V. 12. №11. P.2550 2552.

22. Островский Ю.И., Танин Л.В. Перестраиваемый лазер на органическом красителе для резонансной интерферометрии и голографии // Ж. Техн. физ. 1975. Т.45. №8. С. 1756-1766.

23. Tsuruta Т., Shiotake N., Tsujiuchi F., Matsuda К. Holographic generation of contour map of diffusely reflecting surface by using immersion method // Fap. Fourn. Appl. Phys. 1967. V.6. P.661.

24. Shiotake N.,Tsuruta Т., Itoh Y et al. Holographic generation of contour map of diffusely reflecting surface by using immersion method // Fap. Fourn. Appl. Phys. 1968. V.7. №8. P.904-909.

25. ГОСТ 23276 78. Контроль неразрушающий. Голографический иммерсионный метод контроля формы изделий.

26. Семенов Э.Г. Получение голографических топограмм // Голографические методы и аппаратура, применяемые в физических исследованиях: Сб. научн. тр. -М.: ВНИИОФИ. 1976. С. 21-24.

27. Haines К.А., Hildebrand В.Р. Contour generation by Wavefront reconstruction//Phys. Lett. 1965. V.19. №1. P. 10 11.

28. Rowe S.H., Welford W.T. Surface topography of non-optical surfaces by projected interference fringes // Nfture. 1967. V.216. №5117. P.786 787.

29. Welford W.T. Some applications of projected interference fringes // Optica Acta. 1969. V.16. №3. P.371 376.

30. Shamir F. Moire gauging by projected interference fringes // Opt. And Laser Technology. 1973. №4 P.78 86.

31. Кулагин С.В. и др. Оптико-механические приборы. М.: Машиностроение. 1984. 352 с.

32. Левин Б.М. Оптические методы определения характера профиля поверхностей//ОМП. 1938. №10-11, С. 37-41.

33. Rioux М. Lazer range finder based jn synchronized scanners // Appl.Optics. 1984. V.23. №21. P.3837 3844.

34. Hausler G., Bickel G., Maul M. Optica in modern science and technology // Conf. Dig. ICO-13. 1984. P.534.

35. Dresel Т., Hausler G., Venzke H. Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar // Appl.Optics. 1992. V.31. №7. P.919 925.

36. Bickel G., Hausler G., Maul M. Triangulation with expanded range of depth // Opt. Eng. 1985. V.24. №6. P.975 977.

37. Hausler G., Herrman F.M. 3D sensing with a confocai optical "macroscope" // SPIE V.1319.0ptics in Complex Systems. 1990. P.359.

38. Shamir F., Brunfeld A., Toker G. Non-contact optical profilometer with linearized response and high sensitivity // NDT International. 1988. V.21. №6. P.430-434.

39. Hasier G., Weismann H. Acquisition of 3d-data by a heterodyne shearing-interferometer with photoelastic modulation // SPIE V. 1319.0ptics in Complex Systems. 1990. P.354 355.

40. Hasier G., Hutfless F., et al. Range sensing based on shearing inteferometry // AppLOptics. 1988. V.27. P.4638.

41. Hasier G., et al. Range sensing by shearing interferometry // Appl.Optics. 1988. V.27. №22. P.4638 -4644.

42. Hasier G., Herrmann F. Range sensing by shearing interferometry: influence of speckle //Appl.Optics. 1988. V.27. №22. P.4631 -4637.

43. Захарьевский A.H. Интерферометры. M.: Оборонгиз. 1952. 296 с.

44. Gu F., Hung Y., Chen F. Iteration algorithm for computer-aided speckle interferometry//Appl.Optics. 1994. V.33. №23. P.5308 5317.

45. Hausler G A bout fundamental limits of three-dimensional sensing (or: nature makes no presents) // SPffi V.1319.0ptics in Complex Systems. 1990. P. 352 -353.

46. Gurov LP., Gang L. Automatic inspection of non-smoth surface displacements by interferometer with low-coherent illumination // Proc. SPIE Y.2899. 1996. P. 230-239.

47. Геликонов B.M. и др. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. вып.2 С. 149- 153.

48. Hausler G., Lindner М. W. Coherence radar and spectral radar new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. 1998. V.3. №1. P. 21 - 31.

49. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов B.B. Система для измерения рельефа поверхности и упругости кожи // Мед.техника. 1997. №5. С. 35-38.

50. De Lega et al. Infrared scanning interferometry apparatus and method. USA patent 6195168. 2001.

51. Curbelo et al. Step scanning technique for interferometer. USA patent 5166749. 1992.

52. De Gront. Method and apparatus for surface topography measurement by spatial frequency analysis of interferograms. USA patent 5398113. 1995.

53. Deck. Method and apparatus for the rapid acqusition of data in edurence scanning interferometry. USA patent 5402234. 1995.

54. Aj et al. Cjmbination of white-light scanning and phase-shifting interferometry for surface profile. USA patent 5471303. 1995.

55. Khopov V.V. Interferometric probe for distance measurements. USA patent 5471302. 1994.

56. Khopov V.V., Vasiliev V.N. Method and device for determining the thickness of glass tube. European patent 0480027A1. 1994.

57. Шестов A.H. Способ определения размеров отражающего объекта / Полож. реш. заявк. изобр. №92005351 от 03.11.92.

58. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение. 1976. 296 с.

59. Франсон М. Оптика спеклов // Пер. с франц. под ред. проф. Ю.И.Островского. -М.: Мир. 1980. 171 с.

60. Georg N., Fain A. Speckle reduction using multiple tones of illumination // AppLOptics. 1973. V.12. P.1202 1212.

61. Goodman F. W. Laser speckle and related phenomena. Berlin: Spring-Verlag. 1975. P.9-75.

62. Богомолов A.C., Власов Н.Г., Штанько A.E. Получение контурных карт рельефа фотографированием в когерентном излучении // Ж. научн. и прикл. фотогр. и кинематогр. 1975. №4. С.297 299.

63. Forno С. White-light speckle photography for measuring deformation, strain, and shape // Opt. And Laser Technology. 1975. V.7. №5 P.217 221.

64. Sasaki O., Okazaki H. Sinusoidal phase modulating interferometry for surface profile measurement//Appl.Optics. 1986. V.25. №18. P.3137-3140.

65. Sasaki O., Okazaki H., Sakai M. Sinusouidal phase modulating interferometer using the integrating-bucket method // Appl.Optics. 1987, V.26. №5. P. 1089- 1093.

66. Протопопов B.B., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука. 1985. 288 с.

67. Аранчук В.М. Гетеродинное детектирование допплеровского сдвига частоты динамических спеклов пространственно разнесенными фотоприемниками // Опт. и спектр. 1995. Т.78. №2. С. 284 287.

68. Suzuki Т., Sasaki О., Marugama Т. Real time displacement measurement in sinusoidal phase modulating interferometry // Appl.Optics. 1989. V.28. №24. P.5270 5279.

69. Olsson A., Tang C.L. Dynamic interferometry techniques for optical path length measurement // Appl.Optics. 1981. V.20. №20. P.3503 3507.

70. Chebbour A., Gorecki C., Tribillon G. Range Sinding and velocimetry with directional discrimination using a modulated laser diode Michelson interferometer // Opt. Commun. 1994. V. 111. №1 2. P. 1 - 5.

71. Takeda M., Yamamoto H. Fourier-transform speckle profilometry: three-dimentional shape measurements of diffuse objects with large height steps and/or spatially isolated surfaces //Appl.Optics. 1994. V.33. №34. P.7829 -7837.

72. Клименко H.C. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. -М.: Наука. 1985. 224 с.

73. Ennos A.E. Laser speckle and related phenomena ed. By F.C.Dainty. -Berlin: Spring-Verlag. 1975. P.203 -253.

74. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М. 1981. 640 с.1. ЛИТЕРАТУРА138

75. Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хопов В.В. Влияние размера зондирующего пятна на величину сигнала в интерферометре с использованием источника излучения с ограниченной когерентностью. Труды молодых ученых и специалистов. СПб ГИТМО (ТУ) 2000.1. С.53-54.

76. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности. Современные технологии. Труды молодых ученых ИТМО. 2001. С.61-63.

77. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Когерентно-ограниченная интерферометрическая система технического зрения. -Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы V Всероссийской конференции. С-Пб. 2001. С. 126-127.

78. Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хопов В.В. Использование излучения с малой временной когерентностью для исследования биологических объектов. Труды молодых ученых и специалистов Вып. 1, ч. 1. - СПб ГИТМО (ТУ) 2000. С.41-42.

79. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хопов В.В. Использование излучения с малой временной когерентностью для томографии биотканей. Междун. Конф. «Оптика-99», Тезисы докладов. 1999. С.22.

80. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В., Майоров Е.Е. Когерентно-оптическая томография биотканей. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы III Всероссийской НТ конференции. 1999. С.151-152.