автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерная дифрактометрия микрообъектов типовой формы

Министерство образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГБ ОД

-5 ИЙН 2зоа

На правах рукописи

ТАРЛЫКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 535.4+681.7

ЛАЗЕРНАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ МИКРООБЪЕКТОВ ТИПОВОЙ ФОРМЫ

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики (техническом университете)

Официальные оппоненты Доктор технических наук

Родионов С. А Доктор физико-математических нар

Котликов Е.Н Доктор физико-математических науъ

Привалов В.Е

Ведущее предприятие ОАО ЛОМО

Защита состоится в 15 ч. 30 мин. на

заседании диссертационного совета Д.053.26.01 Санкт-Петербургского Государственного института точной механики я оптики (Технический университет) по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИТМО(ТУ)

Автореферат разослан "2.1ШЮ ^

1 \ '

Ученый секретарь диссертационного совета, \ ] к-т.н., доцент \1 \

В.М.Красавцев уЫ!

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В науке и технике измерения анимают центральное место. Прогресс в этих областях ачастую связан с повышением их точности. Развитие целого ада отраслей промышленное-то: приборостроения, танкостроения, микроэлектроники; проведение прецизионных вмерений в науке и технике, биологии и медицине требует оздания и развития высокоточных оптических методов [змерения. Основными преимуществами оптических методов онтроля и средств измерения являются высокая скорость змерения, неконгактность, высокое пространственное азрешение, большая информативность, высокая точность змерения, информация о форме изделия и взаимном асположении отдельных элементов.

Линейные размеры элементов современных иниатюрных изделий составляют от сотен микрометров до есятых долей микрометра, т.е. находятся на пределе азрешающей способности широкого класса оптических елевизионных и электронных микроскопов. Точность змерений таких размеров необходима в пределах 0.1 - 0.01 мкм, погрешности измерений на практике достигают, в зависимости т метода измерений, типа прибора и вида изделия, величин орядка 20 -100 % от измеряемого параметра.

Интенсивность развития современного производства, азработка .новых видов материалов и в частности, омпозшщонных, создание новых прецизионных устройств правления, увеличение надежности и качества изделий требуют азвития средств, контроля применительно и к такой массовой родукции, как протяженные металлические изделия малых оперечных сечений (микропроволока, волокна, ленты, астяжки и т.п.), кроме того значительное число производимых зделий содержит микроотверстия, имеющие различное функциональное назначение.

Такие виды изделий в большом количестве производятся электротехнической, металлургической, радиоэлектронной, приборостроительной, оптической, кабельной

промышленностью.

Поперечный размер (диаметр, ширина, толщина, профиль поперечного сечения, средний диаметр совокупности волокон, нитей, микроотверстий, микрочастиц и т.п.) является одним из важнейших параметров указанных изделий. Определяя допустимые механические и электрические нагрузки, стабильность параметров по длине образцов, он влияет на качество, надежность, точность, механические характеристики других, более сложных изделий (электрических двигателей, электроизмерительных приборов, тензорезисторов, устройств на основе композиционных материалов, оптических приборов и др.) и поэтому, как правило, имеет довольно жесткий технологические допуск. Например, в соответствии с ГОСТ 18003 - 73 технологический допуск на вольфрамовую проволок} с номинальным диаметром 10 мкм не превышает ± 1.5 % от номинала.

Наиболее сложные проблемы измерения и контроля возникают для двумерных объектов - отверстий круглой формы, где незначительные изменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при изготовлении и эксплуатации оказывают очень сильное влияние на их эксплуатационные характеристики. Многообразие видов изделий вызывает необходимость разработки специализированных устройст! измерения и контроля. Особенно остро проблема измерения \ контроля стоит в диапазоне размеров менее десятка микрон. V. здесь наиболее перспективными являются когерентно-оптические методы измерения и контроля и среди них ■ дифракционный.

Дифракционный метод используется для измеренш элементов рисунка фотошаблона; диаметра проволоки, подокна отверстия, среднего диаметра совокупности частиц и т.п.

Все эти объекты, как правило, имеют теневое сечение либо з виде прямоугольного или круглого отверстия (экрана) и их "гротяженностью в направлении облучения можно пренебречь.

Дифракционный метод измерения размеров изделий збладает высокой чувствительностью к изменению размера и |юрмы объекта. В силу специфики образования ДК на результат измерения оказывают влияние и параметры поля излучения в тределах объекта измерения, а также передаточная характеристика измерительного преобразователя. С целью >ешения обратной задачи - нахождение размера и формы >бъекта необходимо разработать основные принципы метода сонтроля. Наиболее сложные проблемы измерения и контроля юзникают для случая двумерных объектов - где незначительные вменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при вготовлении и эксплуатации оказывают очень сильное влияние и ДК.

Цели и задачи работы

Цель работы состояла в разработке лазерных дифракционных 1етодов Й способов измерения характерных размеров и контроля ячества типовых объектов - прямоугольной и круглой формы. 1дя достижения поставленной цели необходимо решить ледующие задачи:

выполнить анализ влияния лазерного излучения, объекта измерения на ДК, а также измерительного преобразователя на результат измерения;

разработать модели отверстий при наличии дефекта контура; исследовать особенности формирования характерных признаков структуры ДК при наличии дефектов контура с целью решения обратной задачи;

разработать метод контроля дефектности контура отверстия; экспериментально исследовать применимость • дифрактометрии характерных размеров типовых объектов: тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц;

• создать лазерные дифрактометры тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц и провести их испытание на реальных объектах.

Научная новизна.

В диссертационной работе обобщены результаты научных исследований и практических разработок, направленных на увеличение точности измерения лазерных дифрактометров, выполненных самостоятельно и совместно с сотрудниками СПбГИТМО в 1980 -1999 гг. В работе впервые обобщены физические и технические основы лазерной дифрактометрии плоских микрообъектов типовой формы - прямоугольной и круглой. В работе комплексно исследовано влияние параметров поля излучения, оптического фурье-процессора и формы микрообъекта на параметры ДК, что позволило разработать ряд лазерных дифрактометров.

При этом получены новые научные результаты:

1. Сформулированы основные проблемы лазерной дифрактометрии - влияние параметров поля излучения на ДК, высокая скорость спада интенсивности в ДК, влияние формы объекта на ДК и предложены способы их решения.

2. Выявлены, систематизированы и исследованы с точки зрения метода лазерной дифрактометрии особенности влияния параметров поля излучения в плоскости объекта дифракции на ДК.

3. Обосновано теоретически и экспериментально влияние аберраций фурье-объектива на инвариантность фурье-преобразования, показано, что основное влияние оказывает кома.

4. Впервые продемонстрировано существование трансляционной симметрии в ДК. Обоснована возможность наблюдения трансляционной симметрии при выравнивании интенсивности ДК совокупности объектов прямоугольной формы и с обобщенными прямыми углами, а также их аффинных преобразований и рассмотрены вопросы ее

практического применения для выявления дефектности контура отверстия и измерения характерного размера дефекта.

5. Предложен новый метод анализа ДК отверстия, при наличии дефекта контура, основанный на использовании "квазиголографического" принципа. Предложена классификация видов дефекта контура круглого микроотверстия и разработаны гиповые модели дефектов контура. Для характерных размеров и формы дефекта построены ГТД-модели структуры ДК.

6. Объяснено с помощью метода ГТД происхождение локальных экстремумов в структуре ДК с локальным дефектом внутренним и внешним по отношению к котуру отверстия: для точечного дефекта, дефекта многогранной формы, дефекта полукруглой формы.

7. Получены методом ГТД формулы для расчета линий структуры ДК отверстия с локальным и распределенным дефектом контура.

В. Предложен и разработан метод измерения характерного размера микрообъекта - среднего размера тонких длинномерных изделий и площади микроотверстия, основанный на интегрировании ДК по углу.

Достоверность и обоснованность основных теоретических результатов подтверждается

экспериментальными исследованиями и статистической обработкой полученных данных. Проверка правильности предложенных моделей проводилась на моделях тест объектов, изготовленных методом фотолитографии и на промышленных образцах изделий.

Практическая значимость

Разработанные методы позволили

• выполнить контроль дефектности алмазных волок; мшфротверстий, полученных лазерным сверлением и проколом, бесконтактным способом;

• исследовать трансформацию формы эритроцитов в гипоосмотическом растворе и впервые наблюдать

7

скачкообразное изменение их размера Практическая значимость работы подтверждается:

• созданием образцов лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий, работающих на разных этапах технологического процесса;

• разработкой лазерного телевизионного дифрактометра контроля дефектности микроотверстий и измерение характерных параметров совокупности биологических частиц;

• получением 6 - авторских свидетельств СССР на способы и устройства измерения и контроля;

• практическим использованием и внедрением лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий;

• универсальностью разработанных методик измерения и контроля, апробированных на широком спектре объектов от микропроволок, волокон, растяжек, алмазных волок, микроотверстий, полученных лазерным сверлением и проколом до эритроцитов различной формы;

• разработкой способов выравнивания интенсивности ДК;

• введением понятия контраста ДК, что позволило количественно оценивать качество ДК.

Научные положения и результаты, выносимые на

защиту.

1. Новый метод анализа ДК отверстия (экрана), основанный на использовании "квазиголографического" принципа - в качестве опорного излучения, в силу принципа суперпозиции оптических полей, рассматривается виртуальное дифрагированное поле круглого отверстия (экрана). Дифрагированное поле рассматривается как совокупность поля правильного отверстия (экрана) и поля дефекта.

2. Методика расчета структуры ДК отверстия с локальным и распределенным дефектом формы контура методом ГТД; показано, что в структуре ДК с локальным

дефектом возможно существование, только линий второго порядка (линии, вдоль которых группируются ¡минимумы распределения интенсивности - линии структуры ДК), причем данные линии являются локальными - соответствуют структуре ДК в пределах "собственной" зоны; - для всей ДК одновременно возможно присутствие не более двух основных типов структурных линий. Первый тип - эллипсы для дефекта внутреннего или гиперболы для внешнего, второй - параболы, возникают только в случае многоугольного дефекта; - общее количество семейств кривых с одинаковыми эксцентриситетом и наклоном равно удвоенной сумме числа угловых точек и ребер дефекта.

3. Метод оценки контраста ДК, определяемого как удвоенная величина отношения амплитуды основной гармоники фурье-спектра выровненной ДК к амплитуде нулевой гармоники (интегральная характеристика качества ДК).

4. Трансляционная симметрия наблюдается в ДК прямоугольных апертур, апертур с обобщенными прямыми углами и их аффинных преобразованиях при выравнивании распределения интенсивности, осуществляемого путем умножения на функцию обратно пропорциональную квадрату пространственной частоты. ;

5. Метод измерения характерного размера объекта, (среднего размера совокупности длинномерных объектов или площади отверстия) основанный на интегрировании ДК по углу.

6. Новый класс приборов - лазерные дифрактометры гонких длинномерных изделий и отверстий.

Практическая ценность

Выполненные исследования проводились в рамках важнейших Государственных Программ, выполнялись в соответствии с координационными планами АН СССР -Координационный план АН "ССР по проблеме "Квантовая радиофизика и квантовая электроника то теме: Исследование и разработка средств измерения и контроля геометрических параметров малоразмерных объектов средствами гогерентной оптики", Программа ГКНТ СМ СССР по стандартам

(Госстандарт) "Комплексная межотраслевая Программа метрологического обеспечения методов и средств неразрушающего контроля на 1981 - 85 годы, Проблема "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля качества" Координационного плана МВ ССО СССР", Программа Госкомитета по высшему образованию РФ "Неразрушающий контроль и диагностика - 1992 - 94 г. и 1995 - 97 г." По результатам работы в 1983 г! получена премия Министерства высшего и среднего специального образования СССР за лучшую научную работу "Разработка методов и аппаратуры неразрушающего контроля материалов и изделий с использованием лазеров".

Апробация работы и публикации

Результаты работы обсуждались и докладывались на конференциях и заседаниях: Заседание металлургической секции НТС ВНИИКГТ "Лазерная дифрактометрия качества алмазных волок" 14 марта 1989 г.; ХУ-ХХХ конференциях профессорско-преподавательского состава ЛИТМО, (Ленинград) Санкт Петербург, 1982-2000 гг.; Первой Вс. межвуз. н.-т.к. "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий" 2830 окт.1981 г. Фергана; Всесоюзном н.-т. семинаре "Опыт применения лазеров в приборостроении и машиностроении". -Л.: ЛДНТП, 1983.; П Всесоюзной межвузовской н.-т. конф. "Оптические и радиоволновые методы неразрушающего контроля качества материалов и изделий" Одесса, 1985 г.; Четвертом Вс. совещ. "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе", сент., 1987, Барнаул; XI Всесоюзной н.-т. конф. "Неразрушающие физические методы и средства контроля". Москва, 1-3 октября 1987 г.; Четвертом Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", Барнаул, 1988; XI - Всесоюзной н.-т. конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля". - М., 1988; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", 11-13 ноября Таллин, 1987; Всесоюзной научно-технической конфкренции "Оптический радиоволновой

л тепловой методы неразрушающе го контроля":. - Могилев. 23-25 лая, 1989; X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и эаспространению волн (сдв-10) 18-21 сен. 1990, Винница; ХШ н.-т. сонф. "Неразрушающие физические методы контроля", СПб, 8-11 ;ент. 1993 г; Российской с международным участием конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии - 94", М.? 1994 г; УШ Межд.н.-т. конф. "Лазеры в науке, технике, медицине". 9-12 ;енг., 1997. г. г. Пушкинские Горы; СПб, Российской н.-практ. конф. Оптика - ФЦП "Интеграция" 25-28 января 1999 г. ЙТМО(ТУ): Н.-т. конф., посвященной 200 - летию Военно-медицинской академии. - СПб., 1999; Третьем международном симпозиуме "Лазеры в медицине '99м (Высокие медицинские и информационные технологии) 20-22 мая 1999 г.; Международной конф. "Оптика-99" 19-21 октября, СПб, 1999 г.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и методики. Соавторство, в основном, относится к практической реализации и выполнению части экспериментальных исследований.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Материалы изложены на 260 страницах, включая 107 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 196 наименований на 11 страницах.

Содержание работы

Во введении аргументирована актуальность работы, формулируются задачи исследования и основные положения, защищаемые автором. Указана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится структура диссертации.

Первый раздел диссертации посвящен раскрытию основных проблем лазерной дифрактометрии одномерных и двумерных объектов. Типовыми объектами дифрактометрии

являются тонкие длинномерные изделия: проволоки, растяжки, волокна, нити, щели, зазоры, мышечные волокна и т.п., а также двумерные объекты, имеющие микроотверстия в основном круглой и прямоугольной формы и разнообразные частицы. Наибольшее распространение дифрактометрия получила при измерении и контроле объектов массового производства, имеющих круглые микроотверстия: часовые и технические камни; алмазные волоки для изготовления микропроволоки; сопла для подачи сжатого воздуха и т.п., а также при измерении микропроволок. Измерение и контроль прямоугольных отверстий наиболее актуален в микроэлектронике; совокупности волокон при изготовлении композиционных материалов; микрочастиц в экологии, порошковой металлургии; форменных элементов крови в биологии и медицине.

Основная проблема дифрактометрии - специфика изменения интенсивности в ДК, ее низкая интенсивность в области боковых дифракционных порядков; высокая скорость спада интенсивности; высокая чувствительность к форме объекта, что при контроле является и положительным качеством и проблемой.

Характерной особенностью фурье-спектра изделия является концентрация основной части световой энергии в пределах нулевой пространственной частоты, а для получения информации о размере и форме изделия используются боковые дифракционные порядки. Разница в интенсивностях между центральным и пятым дифракционными лепестками для щелевого отверстия составляет примерно 200 раз, а для круглого - 3000 раз. Для решения данной проблемы предлагается использовать выравнивание интенсивности в ДК с помощью бинарных пространственных фильтров. Использование бинарных фильтров позволяет осуществлять регистрацию до нескольких десятков дифракционных порядков. Использование щелевых бинарных фильтров с изменяющимся углом раскрыва при контроле круглых отверстий позволяет сглаживать неоднородности ДК и поднимать интенсивность дальних

дифракционных порядков

Наибольшее применение в дифрактометрии получила дифракция Фраунгофера, позволяющая наиболее полно реализовать основные преимущества дифрактометрии инвариантность и высокую точность измерения. Математически дифракционные явления в зоне Фраунгофера достаточно хорошо описываются с помощью аппарата фурье-анализа, что и используется при рассмотрении дифракционных явлений в диссертационной работе.

Для описания структуры ДК в диссертационной работе используются принципы геометрической теории дифракции (ГТД). В соответствии с ГТД угловые точки контура являются источниками сферических волн: контур апертуры порождает краевую волну; величина дифракционного поля в заданной точке вычисляется как сумма дифракционных волн, где результат интерференции волн определяется геометрической разностью хода и постоянным фазовым сдвигом. Для зоны дифракции Фраунгофера ГТД-модель дифракции можно рассматривать на плоскости. Задав направление наблюдения q(0) и определив координаты излучающих точек вектором гш, в качестве эйконала данного луча будем рассматривать скалярное произведение вщ = [гш 4(9)]- Сетка экстремумов поля дифракции определяется разностями фаз интерферирующих волн Дщ,п = к(зт - 8„), к = 2-я/Я,. Линии, вдоль которых разность фаз постоянна, определяют структуру ДК. Под термином "структура" будем понимать совокупность зон ДК, в каждой го которых дифракционное поле формируется взаимной интерференцией характерного набора дифракционных волн. Прямолинейному краю соответствует зона ДК в виде полосы, участку кривой, зона в виде двух противолежащих секторов, угловая точка оказывает влияние на всю плоскость ДК. В центре - яркое пятно, имеющее форму моментного эллипса апертуры, развернутого на 90°.

Важным для анализа и при расчете ДК являются свойства симметрии ДК. В случае дифракции - каждая картина дифракции Фраунгофера обладает центром симметрии,

независимо от того, существует или нет такая в исходном отверстии. В зависимости от симметрии отверстия ДК может обладать еще осью симметрии и плоскостью симметрии. Трансляционная симметрия в ДК отсутствует.

В литературе отсутствует понятие контраста ДК, что затрудняет анализ дифракционных распределений. В соответствии с этим в работе вводится понятие контраста ДК, позволяющее количественно оценивать качество картины. Проблема использования стандартного понятия контраста ДК связана со спецификой изменения интенсивности - она асимптотически затухает с большой скоростью. В силу специфики образования ДК в ней, в отличие от случая

двухлучевой интерференции, нельзя рассматривать контраст по полю и в точке, а можно использовать только

интегральную оценку. В качестве такой оценки можно использовать амплитуды частот фурье-спектра выровненной ДК. Фурье-спектр Рис.1. Зависимость контраста вь1р0вненн0й ДК имеет

линейчатую структуру. В нем можно выделить нулевую гармонику и гармонику, соответствующую основному пространственному периоду ДК. Для оценки величины контраста воспользуемся отношением амплитуд гармоник. Под контрастом ДК, для сохранения общепринятого диапазона его изменения, будем понимать удвоенную величину отношения амплитуд гармоник модуля фурье-спектра: соответствующей основной пространственной частоте ДК и нулевой пространственной частоте.

Сопоставление величины контраста, рассчитанного по предлагаемому способу, с величиной контраста в интерферометре Юнга, показало, что они практически равны друг другу (рис.1). В дальнейшем в работе оценка влияния

0.5

0.0

0.25 0.5 0.75 ©'я

(степени когерентности) в интерферометре Юнга от расстояния между точками поля

возмущающих факторов рассматривается с позиций данного определения контраста.

Анализ дифракционных методов измерения показал, что наиболее предпочтительным методом дифрактометрии является метод, основанный на измерении расстояния между экстремальными точками. В работе он используется для анализа дифракционных распределений и положен в основу разработанных дифрактометров.

Во втором разделе анализируется влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье-процессора на дифрактометрию микрообъектов.

Анализ влияния параметров одномодового излучения показал, что наиболее существенное влияние оказывает распределение амплитуды поля при измерении и контроле изделий типа экран при близких соотношениях размеров экрана и радиуса пучка (когда пространственные периоды фурье-спектра лазерного пучка и объекта измерения соизмеримы). Это обстоятельство может быть наиболее существенным при измерении элементов топологии фотошаблонов.

Расходимость излучения практически не влияет на вид ДК. Существенное влияние на ДК могут оказывать только локальные фазовые неоднородности в пределах объекта дифракции. Их наличие вызывает нарушение симметрии й эквидистантности расположения экстремумов ДК, но основным информационным параметром их обнаружения является нарушение симметрии картины.

Временная когерентность излучения при использовании лазерных источников влияния на ДК не оказывает. Пространственная когерентность начинает заметно влиять на ДК при размере изделия D соизмеримом с интервалом корреляции а или большем. Относительное изменение размера ^фракционных лепестков Awn = Kn(D/oc)",%, где Ко = 2.6, Kj = -1.3, Кг = -0.5. Моделирование влияния многомодового

излучения на вид ДК и его экспериментальное исследование показало, что многомодовый режим работы лазера приводит к систематической ошибке измерения, величина которой в пределах пучка излучения лазера не превышает десятых долей процента..

Во всех случаях влияние параметров лазерного го лучения приводит к увеличению углового размера центрального дифракционного лепестка и уменьшению размера боковых дифракционных лепестков, причем с удалением от центра влияние параметров уменьшается. Контраст ДК во всех случаях уменьшается.

Увеличение апертуры фотоприемника приводит к уменьшению контраста ДК и изменению расстояния между экстремальными точками, имеющему такой же характер, как и при воздействии параметров лазерного излучения. Относительное изменение размера дифракционного лепестка 8а

7

= -рп (Ь/я)", где Ь - ширина апертуры фотоприемника, р! — 13.6, Р2 ~ 5.6, рз — 3.0.

Фурье-объектив является одним го основных элементов лазерного дифрактометра. Использование объектива позволяет значительно сократить габаритные дифрактометра и воспользоваться свойством инвариантности Фурье-преобразования. При практическом применении объектива необходимо учитывать наличие аберраций, возможную дефокусировку объектива, наличие дефектов изготовления и эксплуатации на поверхности оптических элементов. Наличие царапин, частичек пыли, пузырей и напряжений внутри материала линзы может приводить к существенному искажению ДК, так как каждая точка поверхности линзы участвует в формировании ДК во всей плоскости регистрации.

Анализ аберраций третьего порядка показал, что основное влияние на инвариантность фурье-преобразования оказывает кома, нарушающая симметрию строения пучка лучей. Устранение комы позволяет обеспечить выполнение условия инвариантности при смещении

16

эбъекта поперек оптической оси для одиночной лигой! Смещение объекта вдоль оптической оси приводит к изменению эазмера ДК за счет дисторсии, величина которой зависит от

-5.0 -2,5 ап,мм :2.5 Цмм

Рис.2. Относительное изменение размера ДК и зола измерения. р=5а

положения входного зрачка, роль которого вьшолняет объект дифракции, и угла дифракции. Вид зоны измерений1 при погрешности ±0.5 % , для линзы, рассчитанной на минимум комы, приведен на рис. 2. Экспериментальное исследование подтвердило предложенную модель влияния аберраций фурье-объектива на ДК и показало возможность использования в качестве объектива плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью в сторону' измеряемого изделия.

Третий раздел работы ' посвящен трансляционной ДК. Систему концентрических окружностей, получаемую при выравнивании ДК круглого отверстия, можно рассматривать как некую опорную структуру, обладающую

трансляционной симметрией подобия. Использование такой структуры оказалось очень эффективным при дифрактометрии микроотверстий. Поэтому

представляется целесообразным получения регулярных тестовых структур от дпертур другой формы. В работе впервые показано, что в ДК кроме таких элементов симметрии как центр, ось и

симметрии

Рис.3. Транслящюнная симметпия ПК исследовать . возможность

плоскость симметрии существует трансляционная симметрия. Трансляционная симметрия появляется, если допустить, что плоская фигура является только частью бесконечно продолжающегося рисунка. Исходно она наблюдается в структуре^ минимумов ДК прямоугольных элементов и в ДК системы круглых отверстий. В работе показано, что полную трансляцию в ДК можно наблюдать при дифракции на многоугольной апертуре с прямыми углами или на совокупности прямоугольных отверстий (экранов), одинаково ориентированных или на их аффинных преобразованиях, используя выравнивание ДК (рис. 3). Наблюдение трансляционной симметрии возможно благодаря особенности излучения прямого угла в пределах всей плоскости регистрации ДК. Наблюдение элементов трансляционной симметрии в ДК возможно и для апертур содержащих обобщенные прямые углы (прямой угол образован касательными к сторонам угла) но только в ограниченных секторах. Для прямоугольного сектора, имеющего два прямых обобщенных угла, трансляционная .симметрия наблюдается во втором и четвертом секторах вне зоны действия цилиндрических волн боковых граней апертуры (рис. 4). В работе приведен пример ^л4;

использования тестовой структуры ({ФАц/0*^7(01) * объекта типа "линза" для нахождения размера объекта. Для такой формы контура в пределах двух секторов ДК существует ^¡КХ

область взаимной интерференции '1

двух угловых точечных .^¡^^^чЬ^ШОг^ источников, образующих систему РиЫ 1ансяяционтя эквидистантных полос. Глубина стшетрия в ДК сектора модуляции этих полос зависит от для Зи4квадранта величины дефекта.

Четвертый раздел работы посвящен дифрактометрии мироотверстия при наличии дефекта контура. В соответствии с

особенностями технологических процессов обработки можно выделить два основных типа отклонения от круглости:

локальные: -распределенные

трещины, (огранка)

Локальные дефекты Внутренний Наружный

Распределенный дефект

п:

Рис.5. Виды дефекта контура

сколы, риски, наплывы и контур отверстия имеет вид многогранной фигуры. Для разработки методики контроля и проведения теоретических исследовашш разработаны геометрические аппроксимации характерных видов дефекта (рис. 5) и приведена классификация апертур

круглой формы с локальным дефектом по размеру дефекта, его форме контура, симметрии, по расположению дефекта относительно края отверстия: внутренний, внешний и т.п. В силу специфики вида контура дефекта локальные и распределенные дефекты рассматриваются отдельно.

При наличии локального дефекта процесс формирования ДК от апертуры с дефектом рассматривается как

качестве опорного излучения круглого отверстия. В силу

'квазиголографическшТ используется ДК виртуального тринципа суперпозиции оптических полей ДК представляется сак наложение дифракционного поля дефекта на поле эталонной тертуры и2 = иотв + идеф.

Рассмотрим случай 1ространственный период

малого дефекта: г поля дефекта много

больше

1ространственного периода поля отверстия. В пределах митрального лепестка дефекта амплитуда его поля становится

соизмеримой с амплитудой поля отверстия, что приводит к значительной модуляции (рис. 6). Линии экстремумов ДК

Рис. 6. Схема отверстия с дефектом и области интерференции полей отверстия и дефекта

образуют регулярную структуру. В соответствии с ГТД линии структуры ДК поля круглого отверстия формируются двумя точечными источниками, расположенными на противоположных концах контура, а поле малого дефекта формируется точечным источником, расположенным в его центре. Задачу можно рассматривать как двумерную (с полярными координатами р=кК5т0, (р) поскольку положение точек отрыва луча, для заданного направления наблюдения не зависит от 6. В соответствии с ГТД три источника излучения создают три пары интерферирующих лучей. Найдем проекции векторов, задающих црложение точечных источников, на направление наблюдения и рассмотрим разность фаз волн. Линии постоянной разности фаз двух краевых волн отверстая образуют систему концентрических окружностей к^-Бг) = 2к118т9т =л/4(3+2т), где ят - эйконалы лучей. Линии постоянной разности фаз краевых лучей отверстия и луча дефекта есть семейство кривых

О 2л 4 л бтт кавт в

второго порядка.

1 - есоз(ф — Фо) вч полярной системе

Уравнение искомого семейства линий экстремумов координат является

;емейством подобных эллипсов, гипербол или парабол с эксцентриситетом е=1±о/11, где случаю е<1 соответствует

эллипс, е>1 - гипербола, е=1 парабола. В направлении линии, соответствующей расположению дефекта, формируется теневая зона. Она указывает направление на дефект. Линии равной интенсивности, полученные расчетным путем в приближении Фраунгофера, подтверждают характер линий структуры (рис.7). При переходе к контролю микроотверстий с конечным размером дефекта задача усложняется из-за необходимости чета формы дефекта. При дифракции на отверстии с дефектом тогоугольной формы в структуре ДК система концентрических

Рис. 7. Структура распределения интенсивности вДКот круглого отверстия с малым дефектом.

, V \ \)J

\ v> т Теневая зола';-

Рис.8:/Уема дифракционной задачи и структура ДК

:олец пересекается яркими лучами. Число лучей равно числу >ебер дефекта и они ориентированы вдоль нормалей к ним рис.8). Теневая зона опять указывает направление на дефект. Угловые точки дефекта излучают сферические волны.

Моделирующие источники цилиндрических волн ребер дефекта расположены в серединах соответствующих ребер. Линии постоянной разности фаз, соответствующих источников дефекта и источников отверстия являются семействами кривых второго порядка. Принципиальное отличие от случая точечного дефекта заключается в том, что в случае многоугольного дефекта появляются кривые, имеющие локальный характер (существующие только в пределах лучей) (рис. 9). Линии постоянной разности фаз, соответствующие источникам в угловых точках, образуют шесть семейств эллипсов и парабол или гипербол и парабол в зависимости от того внутренний или внешний дефект. Параболы соответствуют точечным источникам на контуре апертуры. В случае треугольного дефекта всего имеется десять семейств линий. Для многоугольного краевого дефекта всего насчитывается 2(2К-1) семейств линий постоянной разности фаз, где N - число источников лучей дефекта.

Рис.9. ДК для отверстия с треугольным дефектом

При наличии дефекта полукруглой формы характер структуры ДК аналогичен случаю многоугольного дефекта.

Линии постоянной разности фаз интерференции двух; [сточников на контуре апертуры и источника на контуре [ефекта являются двумя семействами эллипсов. 1аличие локального дефекта приводит к модуляции ДК. )тношение амплитуд поля дифракции правильного отверстия и:

Рис. 10. Зависимость еыдностиДК от размера дефекта

юля дифракции дефекта пропорциональны отношению их шощадей лишь в главном лепестке ДК и существенно 'величиваются в пользу компоненты поля дефекта в области юкового излучения отверстия (рис. 6), что и определяет хреимущество дифракционного метода по сравнению с методом еометрической оптики. В силу большой разницы •еометрических размеров дефекта и отверстия форма дефекта фактически не влияет на величину модуляции дифракционного

поля отверстия. При сложении амплитуд полей дефекта, и отверстия из-за их разного пространственного периода возникает амплитудная модуляция ДК. В качестве информационного параметра определения размера дефекта можно использовать глубину модуляции вдоль дифракционных колец V ~ (г/Я). Глубина модуляции является функцией номера дифракционного кольца и практически не зависит от формы дефекта (рис. 10).

При наличии огранки модель контура отверстия описывается уравнением р = К. + ИсойОкр). Для выпуклой фигуры, в соответствии с ГТД моделью, на кошуре существует

два источника,

расположение которых зависит от четности огранки. При четной огранке они расположены на одной линии; при нечетной они расположены по одну сторону линии,

указывающей направление наблюдения. В отличие от случая локального дефекта линии структуры ДК при огранке контура не имеют

Рис. п.Моделъ дифракции для характерных экстремумов отверстия с огранкой контура модуляции. Но

"характерные лучи " в ДК наблюдаются. Их происхождение объясняется зависимостью амплитуды дифрагированных лучей от величины кривизны контура отверстия Р(г,а) ~ ^2тс/[К(фУ]

где - К(ф) кривизна в стационарной точке. Число лучей зависит от четности огранки.

В пятом разделе рассматривается вопрос измерения характерного размера изделия. Использование традиционного понятия размера в целом ряде случаев становится невозможным:

ельзя говорить о диаметре отверстия, если оно имеет тклонения от правильного круга. В этом случае, исходя из лужебного назначения изделия, можно измерять, например, арактерный размер, площадь, средний диаметр и т.п.

Использование дифрактометрии позволяет измерить арактерный размер отверстия, средний размер совокупности ольшого числа однотипных изделий: проволок, волокон, ¡астиц. В данной работе с целью увеличения точности и меньшения времени измерения характерного размера изделия кпользуется вращение ДК. Благодаря использованию ютоприемника интегрирующего типа изображение ДК »егуляризируется - оно приобретает вид правильной системы :онцентрических колец, что позволяет значительно снизить ;лияние интерференционных эффектов. Численное

юделирование для хаотически ориентированных тонких (линномерных предметов (проволок, волокон, щелей) и »тверстий различной формы (многогранных, эллиптических, с юкальным дефектом) и при наличии фазовых возмущений юказало, что этот способ обладает значительными феимуществами перед способом основанным на использовании шогократных измерений по разным сечениям. Так, для дефекта юлукруглой формы, размер которого составляет 5 % диаметра, вменение ширины дифракционного кольца в произвольном ;ечении может достигать 15 %. В этом случае для обеспечения ядабки измерения порядка 0,1 % нужно провести усреднение по ¡ыборке примерно из 900 реализаций по нескольким дафракционным порядкам в пределах большого числа сечений.

При выполнении аналогового усреднения интенсивности

шллитуды; р, ф - полярные координаты; фк - величина угла, в тределах которого производится усреднение,

по углу результат измерения имеет аналогичную погрешность

измерения при одной реализации. Ьт(р,ф) функция распределения

Шестой раздел посвящен практической реализации лазерной дифрактометрии. В процессе работы разработано четыре группы лазерных дифрактометров:

• Дифракционные измерители диаметра (ДИД) проволоки и косвенного диаметра волоки;

• Лазерный телевизионный дифрактометр диаметра микроотверстия;

• Лазерный телевизионный дифрактометр качества канала волоки; ' * •••

• Лазерный телевизионный дифрактометр среднего диаметра эритроцитов на базе микроскопа.

Во всех вариантах дифрактометров используется

преобразование

пространственного

распределения

Рис. 12.Лазерный телевизионный дифрактометр

интенсивности во временную зависимость. В первой группе

устройств такое преобразование выполняется на базе зеркальной жгако-механической развертки. В следующей группе приборов 5 качестве устройства пространственно-временного треобразования использовалась передающая телевизионная самера.

Контроль качества канала алмазной волоки проводился та газерном телевизионном дифрактометре (рис. 12). Для !ыявления напряжений в кристалле алмаза в приборе федусмотрено введение перед мишенью видикона анализатора.

В вычислительном устройстве из телевизионного сигнала ¡ыделяется строка. Ее изображение подсвечивается на экране юнитора. Размер изделия определяется в вычислительном стройстве по расстоянию между экстремальными точками ДК. *езультат измерения высвечивается на экране монитора, куда ыводится и изображение ДК изделия. Визуально по ДК в оответствии с методикой контроля можно определить вид ;ефекта - локальный или огранка (рис. 13) и наличие апряжений в кристалле алмаза.

Рис. 13. ДКалмазных волок с огранкой контура и локальным дефектом

В качестве основных объектов дифрактометрии двумерных эъектов использовались алмазные волоки из натуральных * и жусственных алмазов, а также микроотверстия изготовленные тамповкой (проколом) и лазерным сверлением в еталлической фольге. С точки зрения сопоставления качества икроотверстий, выполненных различными средствами )нтроля, алмазные волоки являются наиболее удобным

объектом, так как они в соответствии с ГОСТом проходят 100 контроль. Было документально исследовано несколько соте! алмазных волок (в приложении к диссертации имеется 5 акта испытаний). Результаты исследования сопоставлены с данными полученными работниками различных предприятий 1 соответствии с методикой, рекомендуемой ГОСТом. В вывода? актов отмечается, что метод лазерной дифрактометрю позволяет установить однозначную зависимость между видо* дефекта и ДК, повысить быстродействие в 5 - 10 раз документировать результаты 28

просмотра, что позволяет разработать классификацию видо! дефектов волок, снизить риск профессионального заболеванш глаз.

Лазерная дифрактометрия была использована и дм исследования мазков крови и живых эритроцитов.

Исследование мазков крови позволило выявить наличие ориентированной эллиптичности эритроцитов, величина которой коррелирует с содержанием белка в крови, что является еще одним диагностическим параметром наличия патологии е организме человека. -

При изучении механизма гипоосмотического набухания эритроцитов был обнаружен эффект скачкообразного изменения их размера в процессе увеличения осмотического давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были сформулированы основные проблемы лазерной дифрактометрии микрообъектов типовой формы: влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье-процессора; влияние формы контура микроотвёрстия; высокая скорость спада интенсивности ДК.

1 Проведен анализ влияния параметров лазерного излучения на дифр актометрию микрообъектов; получены аналитические выражения для расчета величины погрешности измерения.

2. Рассмотрено влияние оптического фурье-процессора на

тифрактометрию микрообъектов; показано, что основное злияние на нарушение инвариантности фурье-преобразования эказывает аберрация кома; приведена методика расчета эбъектива, обеспечивающего максимальную зону измерения при $аданной погрешности измерения; получено соотношение, тозволяющее учесть влияние апертуры фотоприемника на гогрешность измерения.

3. Введено понятие контраста ДК, как удвоенного >тношения амплитуды основной гармоники фурье-спектра $ыровненной ДК к амплитуде нулевой гармоники, что юзволило количественно оценивать величину контраста ДК при )азличных возмущающих факторах.

4. Впервые продемонстрировано существование грансляционной симметрии в ДК; показано, что рансляционную симметрию можно наблюдать при (ыравнивании распределения интенсивности в ДК овокупности объектов прямоугольной формы и с обобщенными грямыми углами, а также на их аффинных преобразованиях.

5. Предложен новый метод анализа ДК отверстия экрана), основанный на использовании квазиголографического" принципа - в качестве опорного га лучения, в силу принципа суперпозиции оптических полей, досматривается виртуальное дифрагированное поле круглого »тверстия (экрана). Дифрагированное поле рассматривается как овокупность поля правильного отверстия (экрана) и поля [ефекта. :

6. Выявлены на наглядном языке ГТД основные ачественные закономерности структуры ДК отверстия с окальным и распределенным дефектом.

7. Объяснено с помощью метода ГТД происхождение окальных экстремумов в структуре ДК с локальным дефектом нутренним и внешним по отношению к контуру отверстия: для очечного дефекта, дефекта многогранной формы, дефекта олукрутлой формы.

8. Получены методом ГТД формулы для расчета линю структуры ДК отверстия с локальным и распределенньи дефектом контура.

9. Предложены способы контроля характерного размер, отверстия и дефекта; выполнено их теоретическое обоснование и экспериментальная проверка.

10. Разработано четыре типа лазерных дифрактометров:

- Дифракционные измерители диаметра проволоки и косвенного диаметра волоки;

- Лазерный телевизионный дифрактометр диаметр;

микроотверстия;

- Лазерный телевизионный дифрактометр качеств;

канала волоки;

- Лазерный телевизионный дифрактометр среднего диаметра эритроцитов на базе микроскопа.

11. Проведена апробация лазерных дифрактометров т таких объектах, как проволока, угольное волокно, лента.

12. Разработана и опробована в промышленных условия; методика контроля качества алмазных волок.

13. Экспериментально исследована лазерная дифракгометрия мазков крови и живых эритроцитов ] гипоосмотических средах. Выявлено на мазках крови больны: множественной миеломой наличие ориентированно! эллиптичности эритроцитов; впервые обнаружен эффек скачкообразного изменения размера эритроцита пр] гипоосмотическом набухании.

Список основных публикаций по теме диссертации

Бессмелъцев С.С., Лендяев A.B., Скворцова Ю.А., Тарлыков

B.А. Лазерная дифрактометрия оптических и механических свойств эритроцитов // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 4.

C. 47-51.

Бессмельцев С.С., Скворцова ЮА., Тарлыков В А., Александрова Л.А. Влияние лечебного плазмафереза на трансформацию эритроцитов больных с множественной миеломой в условиях гипоосмотического гемолиза (метод лазерной дифрактометрии) '// Эфферентная терапия. 1999. Т.

5. №2. С. 24-28.

Бессмелъцев С.С., Скворцова 10.А., Тарлыков В.А., ¿Александрова Л.А. Исследование жесткости мембраны эритроцитов больных с множественной миеломой (метод лазерной дифрактометрии) // Эфферентная терапия. 2000. Т.

6. № 1. С. 37-42.

Веселовский А. Б., Митрофанов A.C., Фефилов Г.Д., Тарлыков ВА. Лазерные измерители геометрических параметров тонких проволок, волокон и микроотверстий. -Тематич. сб. трудов ЛИТМО. "Приборы и устройства для исследования и контроля веществ, материалов, изделий."-Л., ЛИТМО, 1986.

Веселовский А.Б., Крылов К.И., Мйтрофанов A.C., Тарлыков

B.А. Лазерные измерители "ДИД" и "МИКРОН". Опыт применения лазеров в приборостроении и машиностроении. -Л.: ЛДНТП, 1983. С. 10-13.

Веселовский А.Б., Митрофанов A.C., Тарлыков ВА. Способ измерения линейных размеров изделий А.С.№ 832325, Опуб.1981, Б.И, № 19.

Виноградов И.Р., Тарлыков В А. Трансляционная симметрия картины дифракции Фраунгофера от многоугольной апертуры // Оптика и спектроскопия. 1995. Т. 79. № 6.

C. 1005-1008.

8. Звонарев СЛ. Кийко B.B. Наумова ВА. Тарлыков В.А Особенность дифрактометрии линейных размеро! единичных элементов топологии фотошаблонов / Измерительная техника. 1989. № 11. С. 42-43.

9. Звонарев СЛ., Тарлыков ВА. Структура дифракционного спектра круглого отверстия с локальным дефектом / Автометрия. 1995. № 2. С. 33-38.

10. Кийко В.В., Тарлыков В А , Чижов CA. Влияние фазовыз возмущений на лазерную дифрактометрию микроотверстий /. Измерительная техника. 1990. № 8. С. 23-25.

11. Кийко В.В., Тарлыков В А. Погрешность дифракционного метода измерения микроотверстий с локальными дефектам» // Измерительная техника. 1988. № 11. С. 19-21.

12. Кинбер Б.Е., Тарлыков В А., Звонарев C.JI. Дифракционный метод определения дефектов малых отверстий. - Волны v дифракция - 90 /М.: Физическое общество, 1990, Т.1. С. 332335.

13. Клюев В А., Звонарев С.Л., Зеликсон ГА., Кийко В.В., Тарлыков В А., Хейфец М.Ф. Анализ формы канала алмазных волок дифракционным методом. - Сб. науч. трудов "Прогрессивные алмазные инструменты в промышленности" / ВНИИАЛМАЗ. -М.: ВБИИТЭМР, 1989, С. 69-75,

14. Крылов К.И., Митрофанов A.C., Султанов Р.В., ;Тарлыков ВА. Способ измерения размеров. - A.c. № 372429., Опубл. 1983, Б.И № 35.

15. Крылов К.И., Тарлыков ВА., Кийко В.В., Звонарев СЛ. Лазерный метод контроля качества волочильного инструмента / Тезисы докладов Ш Всесоюзной конф. "Применение .лазеров в технологии и системах передачи и обработай информации". Ч. П. Лазерные измерительные системы. - Таллин, 1987. С. 145-146.

6. Магурин В.Г., Тарлыков В А. Трансляционная симметрия дифракционных картин Фраунгофера плоских апертур с обобщенными прямыми углами // Оптика и спектроскопия. 2000. № 4. С.

7, Митрофанов A.C., Тарлыков В. А. Исследование дифракционного способа контроля диаметра проводов и. волокон // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1976. Т. XIX. № 1.С. 104-108.

. 8. Митрофанов А. С, Тарлыков В А. Лазерные дифракционные измерители и их применение в промышленности. - Л., ЛДНТП, 1977. - 26 с.

З.Митрофанов A.C., Тарлыков В.А. Опыт разработки и внедрения дифракционных лазерных измерителей диаметра, проволок в электротехнической промышленности. -Материалы краткосрочного семинара. "Применение оптико-электронных устройств в энергетике и электротехнике." - Л.. ЛДНТП, 1979 г. С. 98 -101.

Ю. Митрофанов A.C., Тарлыков В А. Устройство для измерения размеров изделий. - A.c. № 603841, Опубл., Б.И. 1978, № 15

1\. Митрофанов A.C., Тарлыков В А., Фефилов Г.Д. Лазерные дифракционные измерители диаметра ДИД-4, ДИД-5 II ПТЭ. 1984. № 3. С. 242.

12. Митрофанов A.C., Тарлыков В А., Фефилов Г.Д. Лазерный дифракционный измеритель диаметра отверстий / Тезисы докладов Ш Всесоюзной конф. "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации". Ч П. Лазерные измерительные системы. - Таллин, 1987. С. 142.

1Ъ. Митрофанов A.C., Тарлыков В.А., Фефилов Г.Д. Разработка и исследование лазерных дифракционных измерителей малых размеров. Тез. докл. Первая всес. межвуз. н.-т. конф. "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий". -Фергана, 1981. Ч 1.С.143-145.

24. Митрофанов A.C., Тарлыков В А., Фефилов Г.Д. Устройство для измерения размера изделия A.c. К» 1312385, Опуб., Б.И. 1987, №19.

25. Потапов А.И., Клопов В.Д., Павлов И.В., Тарлыков В А. Лазерный дифрактометрический контроль геометрических параметров микропроволок и микроволокон / Тезисы Российской с международным участием конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии - 94". - М.,

. 1994 г.

26. Потапов А.И., Павлов И.В., Тарлыков В А. Лазерный дифрактометрический контроль особо тонких проволок и нитей / Тезисы ХШ н.-т. к "Неразрушающие физические методы контроля". - СПб. 8-11 сентября 1993 г.

27. Тарлыков В А. Дифрактометрия волок с локальным дефектом // Дефектоскопия. 2000. № 4. С.

28. Тарлыков В А. Влияние модового состава излучения на погрешность дифракционного метола измерения малых линейных размеров // Измерительная техника. 1986. № 8. С. 22-24.

29. Тарлыков В А. Дифрактометрия микроотверстия круглой формы при наличии огранки контура // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т. 43. № 1-2. С. 103-109.

30. Тарлыков В А. Использование дифракции для измерения площади микронного отверстия // Метрология. 1987. № 8. С. 27-32.

31. Тарлыков В А. Объектив для дифракционного измерителя размеров изделий И Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1982. № 5. С. 88-91.

32. Тарлыков В А. Погрешности лазерного дифрактометра малых линейных размеров, вносимые оптическим фурье-процессором // Измерительная техника. 1986. № 6. С. 22-23.

33. Тарлыков В А. Способ измерения изделий. - A.c. № 1211598, Опубл., Б.И 1986, Ко 6.

4. Тарлыков В.А., Кгшко B.B. Дифрактометрия микроотверстий с локальными дефектами// Дефектоскопия. 1988. № 11. С. 1621.

5. Тарлыков.ВА., Кийко В.В., Звоиарев С.Л Устройство для размерного контроля отверстия A.c. № 1534302, Опубл., Б.И. 1990, № 1.

6. Тарлыков В.А., Звонарев С.Л. Определение характерного размера нитевидных объектов по дифракционной картине /У Измерительная техника. 1991. № 6. С. 22-24.

7. Тарлыков В.А., Бессмельцев С.С., Андреева Н.Е., Губаренко Н.К. Использование дифрактометрии мазков крови для диагностики реологических расстройств и оценки динамики течения заболеваний системы крови // Клиническая лабораторная диагностика. 1997. № 4. С. 8-11.

Мазурии В. Г., Тарлыков В А. Влияние локального дефекта многоугольной формы на структуру дифракционной картины Фраунгофера круглого отверстия // Автометрия. 2000. № 1. С. 57-64.

5. Бессмельцев С.С., Лендяев A.B., Скворцова Ю.А., Тарлыков ВА. Особенности гипоосмотического набухания сферулированного эритроцита / Российская н.-прак. конф. "Оптика и научное приборостроение-2000" ФЦП "Интеграция".29-30 марта 2000 г. / Тез. докл. - СПб: ГИТМО(ТУ), 2000. С. 19.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре издательских систем ИТМО. Тел:(812)233-46-69. Лицензия ГШД № 69-182 от 26.11.96 Тираж 100 экз. Бумага ГОЗНАК.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Лазерная дифрактометрия.

1.1. Объекты дифрактометрии, проблема измерения и контроля.

1.2. Дифракция на плоских экранах; основные свойства.„.

1.2.1. Дифракция Френеля и Фраунгофера.

1.2.2. Свойства симметрии дифракционной картины.

1.2.3. Преобразование фурье-спектра в оптическом процессоре.

1.3. Геометрическая теория дифракции.

1.4. Контраст дифракционной картины.

1.5. Анализ дифракционных методов измерения. Структурная схема лазерного дифрактометра.

Выводы.

2. Влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье - процессора на дифрактометрию микрообъектов.

2.1 Влияние параметров лазерного излучения.

2.1.1. Влияние формы волнового фронта на дифракционное распределение.

2.1.2. Влияние распределения амплитуды поля на дифракционную картину.

2.1.3. Влияние когерентности лазерного излучения на дифракционное распределение.

2.1.4. Влияние модового состава излучения на дифракционное распределение.

2.2. Влияние оптического фурье - процессора.

2.2.1.Влияние апертуры фотоприемника.

2.2.2. Фурье - объектив лазерного дифрактометра.

Выводы.

3.Трансляционная симметрия дифракционной картины Фраунгофера.

3.1.1.Понятие трансляционной симметрии.

3.1.2. Особенность излучения прямого и обобщенного углов.

3.1.3. Классификация апертур.

3.2. Трансляционная симметрия дифракционной картины от совокупности прямоугольных элементов.

3.3. Трансляционная симметрия дифракционной картины от апертуры с обобщенными прямыми углами.

3.3.1. Влияние локального дефекта на структуру дифракционной картины

Фраунгофера чечевицеобразной апертуры.

Выводы.

4. Дифрактометрия микроотверстия при наличии дефекта контура.

4.1. Дефекты контура микроотверстая.

4.2. ГТД модель дифракции на отверстии с дефектом.

4.3. Дифрактометрия микроотверстия с малым локальным дефектом.

4.4. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом конечного размера.

4.4.1. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом многогранной формы.

4.4.2. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом полукруглой формы.

4.4.3. Измерение характерного размера дефекта.

4.5. Дифрактометрия микроотверстия с огранкой контура.

4.5.1. Структура дифракционной картины.

4.5.2. Измерение степени огранки контура.

Выводы.

5. Дифрактометрия характерного размера изделия.

5.1. Дифрактометрия площади микроотверстия с дефектами кошура.

5.1.1.Измерение характерного размера отверстия при наличии фазовых возмущений в апертуре отверстия.

5.2. Дифрактометрия среднего размера совокупности длинных протяженных изделий.

Выводы. в. Практическая реализация лазерных дифрактометров и их использование в промышленности и науке.

6.1 Лазерные дифрактометры.

6.1.1. Дифракционные измерители диаметра проволоки - ДИД.

6.1.2. Дифракционный измеритель диаметра сопла - ДИД-7.

6.1.3. Лазерный телевизионный дифрактометр качества канала волоки.

6.1.4. Лазерный телевизионный дифрактометр биологических объектов.

6.2 Практическое использование дифрактометров серии ДИД.

6.3 Результаты экспериментальных исследований микроотверстий на лазерном телевизионном дифрактометре.

6.4 Дифрактометрия эритроцитов.

6.4.1. Дифрактометрия мазков крови.

6.4.2. Дифрактометрия эритроцитов в условиях гипотонического гемолиза.

Выводы.

В науке и технике измерения занимают центральное место. Прогресс в этих областях зачастую связан с повышением их точности. Развитие целого ряда отраслей промышленности: приборостроения, станкостроения, микроэлектроники; проведение прецизионных измерений в науке и технике, биологии и медицине требует создания и развития высокоточных оптических методов измерения. Основными преимуществами оптических методов контроля и средств измерения являются высокая скорость измерения, неконтактность, высокое пространственное разрешение, большая информативность, высокая точность измерения, информация о форме изделия и взаимном расположении отдельных элементов.

Линейные размеры элементов современных миниатюрных изделий составляют от сотен микрометров до десятых долей микрометра, т.е. находятся на пределе разрешающей способности широкого класса оптических телевизионных и электронных микроскопов. Точность измерений таких размеров необходима в пределах 0.1 - 0.01 мкм, а погрешности измерений на практике достигают, в зависимости от метода измерений, типа прибора и вида изделия, величин порядка 20 - 100 % от измеряемого параметра.

Интенсивность развития современного производства, разработка новых видов материалов и в частности, композиционных, создание новых прецизионных устройств управления, увеличение надежности и качества изделий требуют развития средств контроля и такой массовой продукции, как протяженные металлические изделия малых поперечных сечений (проволока, волокна, ленты, растяжки и т.п.). Значительное число производимых изделий содержит микроотверстия, имеющие различное функциональное назначение. Такие виды изделий в большом количестве производятся электротехнической, металлургической, кабельной, радиоэлектронной, приборостроительной, оптической промышленностью.

Поперечный размер: диаметр, ширина, толщина, профиль поперечного сечения, средний диаметр совокупности волокон, нитей, микроотверстий, микрочастиц и т.п. является одним из важнейших параметров указанных изделий. Определяя допустимые механические и электрические нагрузки, стабильность параметров по длине образцов, он влияет на качество, надежность, точность, механические характеристики других, более сложных изделий (электрических двигателей, электроизмерительных приборов, тензорезисторов, устройств на основе композиционных материалов, оптических приборов и др.) и поэтому, как правило, имеет довольно жесткий технологический допуск. Например, в соответствии с ГОСТ 18003 - 73 технологический допуск на вольфрамовую проволоку с номинальным диаметром 10 мкм не превышает ± 1.5 % от номинала.

Наиболее сложные проблемы измерения и контроля возникают для двумерных объектов - отверстий круглой формы - где незначительные изменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при изготовлении и эксплуатации оказывают очень сильное влияние на их эксплуатационные характеристики. Многообразие видов изделий вызывает необходимость разработки специализированных устройств измерения и контроля. Особенно остро проблема измерения и контроля стоит в диапазоне размеров менее десятка микрон. И здесь наиболее перспективными являются когерентно-оптические методы измерения и контроля и среди них -дифракционный.

Дифракционный метод измерения размеров изделий обладает высокой чувствительностью к изменению размера и формы объекта. Но в силу специфики образования дифракционной картины (ДК) на результат измерения оказьюают влияние как параметры поля излучения в пределах объекта измерения так и передаточная характеристика измерительного преобразователя. Использование дифракционного метода затрудняется отсутствием разработанных инженерных методик решения обратной задачи нахождение размера и формы объекта по ДК. Дифракционный метод используется для измерения элементов рисунка фотошаблона; диаметра проволоки, волокна, отверстия, среднего диаметра совокупности частиц и т.п. Все эти объекты, как правило, имеют теневое сечение либо в виде прямоугольного или круглого отверстия (экрана) и их протяженностью в направлении облучения можно пренебречь. Наиболее сложные проблемы появляются при измерении и контроле двумерных объектов - где незначительные изменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при изготовлении и эксплуатации изделия, оказывают очень сильное влияние на ДК. Одним из перспективных дифракционных методов решения обратной задачи является метод геометрической теории дифракции (ГТД).

Таким образом, исследование специфических вопросов влияния параметров лазерного излучения, передаточной характеристики измерительного преобразователя на результат измерения, влияние формы микроотверстия на ДК и разработка методов контроля и измерения геометрических параметров тонких длинномерных изделий и микроотверстий, которым посвящена данная диссертационная работа, представляется весьма актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка лазерных дифракционных методов и способов измерения характерных размеров и контроля качества типовых объектов - прямоугольной и круглой формы.

При выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ влияния основных возмущающих факторов: лазерного излучения; объекта измерения; измерительного преобразователя на ДК;

• разработать модели отверстий при наличии дефекта контура;

• исследовать особенности формирования характерных признаков структуры ДК при наличии дефектов контура с целью решения обратной задачи;

• разработать метод контроля дефектности контура отверстия;

• экспериментально исследовать применимость дифрактометрии характерных размеров типовых объектов: тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц;

• создать лазерные дифрактометры тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц.

Структурно диссертационная работа состоит из шести разделов, приложения, вводного и заключительного раздела, а также списка использованной литературы.

В первом разделе работы анализируются основные проблемы лазерной дифрактометрии одномерных и двумерных объектов; приводятся основные соотношения для дифракции Фраунгофера; рассматривается применение аппарата ГТД для построения структуры ДК; приводятся основные свойства симметрии ДК; вводится понятие контраста ДК, позволяющее количественно оценить качество ДК; отмечается, что наиболее предпочтительным методом лазерной дифрактометрии является метод, основанный на измерении расстояния между экстремальными точками.

Во втором разделе рассматривается влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье-процессора на дифрактометрию микрообъектов; показано, что распределение амплитуды поля наиболее сильно сказывается при измерении изделий типа экран при соизмеримых размерах пучка и объекта, рассматривается влияние на ДК локальных фазовых возмущений поля излучения в пределах объекта измерения; приводятся соотношения позволяющие оценить влияние пространственной когерентности, неравномерности распределения амплитуды поля, конечного размера апертуры фотоприемника на результат измерения. Анализ влияния аберраций Фурье-объектива показал, что наибольшее влияние на свойство инвариантности оказывает кома.

Третий раздел работы посвящен трансляционной симметрии ДК. Здесь рассматривается условие ее наблюдения для апертур прямоугольной формы и апертур с обобщенными прямыми углами; приводится пример ее применения как тестовой структуры для измерения размеров объектов.

В четвертом разделе рассмотрено моделирование структуры ДК методом ГТД для круглых отверстий при наличии дефектов контура; выделено два основных типа отклонения формы от круглой: локальные и распределенные; приведены геометрические аппроксимации характерных видов дефектов. Формирование структуры ДК при наличии дефекта рассматривается как процесс наложения поля дефекта на тестовую структуру, создаваемую излучением дифрагированным круглой апертурой. Механизм формирования поля рассмотрен на примере точечного дефекта и характерных дефектов конечной величины; показано, что в структуре поля присутствуют линии, описываемые кривыми второго порядка; рассматривается вопрос измерения характерного размера дефекта.

В пятом разделе рассмотрен дифракционный метод измерения характерного размера изделия - среднего размера или площади. При наличии дефектов контура отверстия об его диаметре говорить затруднительно и поэтому для оценки характерного размера предложено использовать вращение ДК. Показано, что в этом случае погрешность измерения площади отверстия минимальна. Рассмотрен также вопрос измерения среднего размера совокупности тонких протяженных изделий, хаотически расположенных на плоскости.

Шестой раздел работы посвящен практической реализации метода лазерной дифрактометрии. В нем приведено описание разработанных конструкций дифрактометров проволок, отверстий и алмазных волок; представлены результаты экспериментального исследования качества канала алмазных волок. Приведено описание лазерного телевизионного дифрактометра эритроцитов и результаты его практического использования.

В приложении приведены акты испытаний, методика контроля, акты внедрения.

На защиту выносятся следующие оригинальные научные результаты:

- новый метод анализа ДК отверстия (экрана), основанный на использовании "квазиголографического" принципа - в качестве опорного излучения, в силу принципа суперпозиции оптических полей, рассматривается виртуальное дифракционное поле круглого отверстия. Дифрагированное поле рассматривается как совокупность поля правильного отверстия (экрана) и поля дефекта;

- методика расчета структуры ДК отверстия с локальным и распределенным дефектом формы контура методом ГТД; показано, что в структуре ДК с локальным дефектом возможно существование только линий второго порядка (линии, вдоль которых группируются минимумы распределения интенсивности - линии структуры ДК), причем данные линии являются локальными - соответствуют структуре ДК в пределах "собственной" зоны; - для всей ДК одновременно возможно присутствие не более двух типов структурных линий. Первый тип - эллипсы для дефекта внутреннего или гиперболы для внешнего, второй - параболы, возникают только в случае краевого (углового) дефекта; - общее количество семейств кривых с одинаковыми эксцентриситетом и наклоном равно удвоенной сумме числа угловых точек и ребер дефекта;

- метод оценки контраста ДК, определяемого как удвоенная величина отношения амплитуды основной гармоники фурье-спектра выровненной ДК к амплитуде нулевой гармоники;

- трансляционная симметрия ДК, наблюдаемая в ДК прямоугольной апертуры и ДК апертуры с обобщенными прямыми углами при выравнивании распределения интенсивности, осуществляемого путем умножения на функцию обратно-пропорциональную квадрату пространственной частоты;

- метод измерения характерного размера объекта (среднего размера совокупности длинномерных объектов и площади отверстия), основанный на интегрировании ДК по углу.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем: Разработанные методы позволили

- неконтактным способом выполнить контроль дефектности алмазных волок; микроотверстий, полученных лазерным сверлением и проколом;

- исследовать трансформацию формы эритроцитов в гипоосмотическом растворе и впервые наблюдать скачкообразное изменение их размера.

Практическая значимость работы подтверждается:

- созданием образцов лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий, работающих на разных этапах технологического процесса;

- разработкой лазерного телевизионного дифрактометра контроля дефектности микроотверстий и измерение характерных параметров совокупности биологических частиц;

- получением 6 - авторских свидетельств СССР на способы и устройства измерения и контроля;

- практическим использованием и внедрением лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий;

- универсальностью разработанных измерительных методик измерения и контроля, апробированных на широком спектре объектов от проволок,

12 волокон, растяжек, алмазных волок, микроотверстий, полученных лазерным сверлением и проколом до эритроцитов различной формы;

- разработкой способов выравнивания интенсивности ДК;

- введением понятия интегрального контраста ДК, что позволило количественно оценивать качество ДК.

Все расчеты и моделирование в диссертационной работе выполнены в пренебрежении толщиной объекта, т.е. для тонких плоских экранов.

С целью улучшения иллюстративных возможностей рисунков в большинстве графиков, демонстрирующих распределение амплитуды поля или интенсивности в зависимости от каких-либо возмущений, учитывая высокую скорость спада, по оси ординат откладывается отношение

1о§[1 + К • 1(и)] 1оё[1 + КМ(0)]' где К = 10 -г-10 ,1(и) - интенсивность, и - пространственная частота.