автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Методы оперативной фотограмметрической обработки снимков, полученных на растровых электронных микроскопах

Міністерство освіти і науки України і^цозальний університет “Львівська політехніка”

;/Г°

^ 'І На правах рукопису

Іванчук Олег Михайлович

УДК 528.721.287:537.533.35

МЕТОДИ ОПЕРАТИВНОГО ФОТОГРАММЕТРИЧНОГО ОПРАЦЮВАННЯ ЗНІМКІВ, ОТРИМАНИХ НА РАСТРОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ МІКРОСКОПАХ

Спеціальність 05.24.02 - фотограмметрія та картографія

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертація є рукопис

Робота виконана на геодезичному факультеті національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Фінковський Віктор Якович, м.Львів.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Шинкаренко Георгій Андрійович, завідувач кафедри інформаційних систем Львівського Національного університету м. Івана Франка, м.Львів;

кандидат технічних наук, доцент Барановський Валентин Дмитрович,

доцент кафедри геодезії і картографії Національного університету ім. Тараса Шевченка, м.Київ

Провідна установа:

Донецький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м.Донецьк

Захист відбудеться “ 28 ” жовтня 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13 у національного університеті “Львівська політехніка” за адресою:

79013 м.Львів, вул.С.Бандери,12, корпус 2, ауд. 5~~Т£

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці національно університету “Львівська політехніка”, вул.Професорська,!

Відгуки на автореферат просимо надсилати за вказаною адресе вченому секретареві спеціалізованої ради.

Автореферат розісланий “ 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради кандидат технічних наук

С.Г.Савчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Сучасній високотехнологічній індустрії машинобудування, їладобудування, електроніки, створення космічної і військової техніки та атьох інших виробництв, а також науковим дослідженням в біології, геології, геріалознавстві, медицині та ін. потрібна високоточна достовірна якісна та ькісна просторова інформація про топографію поверхонь досліджуваних об’єктів мікронному і субмікронному рівнях.

Одним з надзвичайно ефективних та наочних, але водночас технічно і іретично складних методів дослідження кількісних параметрів мікроповерхонь номанітних об’єктів є стереофотограмметричний, який базується на опрацюванні мків, отриманих з використанням растрових електронних мікроскопів /РЕМ/. ть його полягає в отриманні та вимірюванні просторової математично визначеної делі мікроповерхні досліджуваного об’єкта за його плоскими РЕМ-іраженнями. Велика глибина фокусування зображення, різноманітні технічні зсконалення сучасних РЕМ дозволяють отримувати за їх допомогою високоякісні тографічні з хорошими метричними характеристиками РЕМ-знімки, які хоч і :тупаються класичним знімкам, отриманим за допомогою фізичної оптики, проте икористанням фотограмметричних приладів і розроблених математичних методів обробки, дають можливість отримувати усю необхідну якісну та кількісну юрмацію про мікроповерхшо об’єктів з високою достовірністю та точністю.

Розв’язання цієї складної та водночас дуже важливої задачі погребувало зусиль атьох вчених. До числа тих, які зробили найбільш вагомий внесок в розробку ірії та практики застосування стереофотограмметричних методів в мікроскопії д зарахувати: за кордоном - А.Бойда, Р.Буркгардта, С.Гоша, К.Губені, <оледніка, І.Нанківела, Х.Нагарая, П.Ховелла, колишніх радянських, а нині :ійських вчених В.І.Саркіна, І.С.Гареліка, П.П.Гончарова, Є.І.Калантарова, Ж.Сагиндикову, В.VI.Соколова та багатьох інших, а в Україні - В.М.Мельника,

Ч.Фінковського, А.Л.Красовського, В.А.Степаненка, А.В.Шостак та інших.

Однак і сьогодні залишається ще чимало питань, які вимагають подальшої іробки, зокрема, підвищення ефективності і практичної реалізації цифрових тодів обробки РЕМ-зображень, впровадження у виробництво методів гративного РЕМ-кснтролю за якістю технологічних процесів обробки поверхонь номанітних деталей приладів, механізмів, плат, двигунів тощо, метою яких є івищення їх експлуатаційних властивостей, довговічності, надійності та гншення собівартості їх виготовлення. Тому дана тематика наукових досліджень іишається актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота є завершеною розробкою прикладного методу :реофотограмметріїв растровій електронній мікроскопії, яка виконана на кафедрі зофотогеодезії національного університету “Львівська політехніка” в рамках укової тематики кафедри з застосування методів фотограмметрії для розв’язання икладних задач науки та виробництва.

Мета роботи - розробка методів отримання та оперативно фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень для визначення кількісн просторових параметрів мікроповерхонь різноманітних об’єктів.

Основні задачі досліджень наступні:

1. Розробка методів отримання та оперативної фотограмметричної оброб РЕМ-зображень для різних випадків РЕМ-знімання.

2. Експериментально-теоретичне обгрунтування точності запропоновано методу.

3. Визначення оптимальних параметрів РЕМ-знімання під час дослідже кількісних характеристик поверхонь обробки різних об’єктів.

4. Розробка методики виготовлення голографічних тест-сіток з високс роздільною здатністю та їх використання для калібрування збільшень і метричн характеристик РЕМ-зображень.

5. Дослідження величин та характеру геометричних спотворень РЕІ зображень, отриманих на різних типах РЕМ.

6. Дослідження ефективності математичних методів апроксима геометричних спотворень РЕМ-зображень.

Об’єктами досліджень були:

1) растрові електронні мікроскопи провідних фірм світу.

Важливим є встановлення характеру і величин геометричних спотворень РЕІ зображень, отриманих на різних типах РЕМ в широких діапазонах збільшень режимах РЕМ-знімання, а також дослідження стабільності роботи РЕМ як склади систем.

2) мікроповерхні різноманітних об’єктів (для підтвердження ефективної використання розробленого методу у дослідженнях їх кількісних параметрі зокрема:

а) ділянки шліфованих металевих поверхонь поршнів двигунів автомобілів;

б) зразки шліфованих металевих поверхонь різної чистоти (класу) обробки;

в) мікроділянки поверхні лесових грунтів; геологічних порід;

г) еритроцити крові; ділянки руГінування зубної тканини в місцях дотику ї металевим стержнем зубної коронки.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено ефективний метод оперативного фотограмметричне опрацювання РЕМ-зображень;

- удосконалено технологію РЕМ-стереознімання, калібрування РЕМ визначення метричних властивостей РЕМ-зображень;

- запропонована і вперше практично реалізована (ще у 1983 р.) и використання методу отримання голограм з високою роздільною здатністю резистивному матеріалі напівпровідник-метал для створення голографічн (дифракційних) калібрувальних тест-сіток з роздільною здатністю г= 100(Ь-35 лін/мм;

- досліджено масштабні спотворення РЕМ провідних фірм світу в діапазі збільшень 5000*-і-100000><;

з

- досліджено характер та величини геометричних спотворень РЕМ-зображень, риманих на різних типах РЕМ, в діапазоні збільшень 5000х-*-50000*.

Методологія і мітоднка досліджень.

Робота виконана з використанням фундаментальних положень теорії і актики таких наукових дисциплін: фотограмметрія, растрова електронна кроскопія, механікаі фізика твердого тіла, виша математика.

Основні положення, що виносяться на захист:

- теорія і технологія методу оперативного фотограмметричного опрацювання ІМ-зображень;

- способи та результати експериментальних досліджень характеру і величин ометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ різних типів, та шливість апроксимації їх поліномами;

- методика та результати калібрування збільшень РЕМ провідних фірм світу:

- практичні рекомендації щодо застосування методів РЕМ-стерео-зтограмметрії дія яьісних і кількісних досліджень мікроповерхонь твердих тіл.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблений метод отримання та фотограмметричного опрацювання РЕМ-бражень дозволяє встановлювати оптимальні параметри РЕМ-знімання, виявляти рактер і величини геометричних спотворень РЕМ-зображеь та можливість їх іахування, а також забезпечує швидке та оперативне отримання просторових лькісних характеристик мікроповерхонь дослідних об’єктів з необхідною ічністю, використовуючи фотограмметричні прилади та засоби обчислювальної хніки;

- отримані експериментально голографічні (дифракційні) тест-сітки з високою >здільною здатністю (1370 лін/мм, 3530 лін/мм) дозволяють калібрувати іільшення РЕМ в діапазоні збільшень 1000х-^-100000х з точністю ±1-н2% та тановлювати метричні характеристики РЕМ-зображень при збільшеннях від 1000х ) 50000х.

Розроблені в дисертаційній роботі методи застосовувались для калібрування ЕМ та проведення іількісних досліджень мікроповерхонь різноманітних об’єктів шііфовані металеві поверхні деталей машин, геологічні породи, грунти, жтроцити крові тощо) в МДУ ім.М.Ломоносова, НД1 цивільної авіації, НДІ зоблем міцності матеріалів (усі м.Москва, Росія), НДІ напівпровідників НАН країни (м.Київ), Львівському державному університеті ім. Івана Франка, ержавному універсіггеті “Львівська політехніка”.

Апробація роботи.

Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались обговорювались на Всесоюзних конференціях з електронної мікроскопії (м.Суми, 982, 1987), Всесоюзних симпозіумах з растрової електронної мікроскопії і налітичних методів досліджень твердих тіл (м.Москва, 1984, 1986), Всеукраїнській ауково-практичній конференції “Основні напрямки розвитку фотограмметрії і истанційного зондування в Україні” (м.Київ, 1995 p.), науково-практичній онференції“Сучаснідосягнення геодезичної науки і виробництва в Україні”

(м.Львів, 1996 р.), 1-му міжнародному симпозіумі з фотограмметрії геоінформаційних систем і технологій (м.Львів, 1997 р.), міжнародній науко технічній конференції (м.Львів, 2000 р.), наукових конференціях держави університету “Львівська політехніка” (м.Львів, 1977-1999 рр.).

Особистий внесок автора в роботу.

Теоретичні положення та технологія методу оперативн фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень розроблені автором самостій Ідея автора про створення тест-сітки з високою роздільною здатніс голографічним способом для калібрування збільшень РЕМ і визначення метричі характеристик РЕМ-зображень практично реалізована за допомогою д.г Костишина М.Т та к.т.н. Романенка П.Ф. у Київському НДІ напівпровідників Н України. Дослідження геометричних спотворень РЕМ-зображень, калібруваї збільшень РЕМ та дослідження стабільності їх роботи, способи практичн застосування РЕМ-стереофотограмметрії для кількісної оцінки мікроповерхі твердих тіл виконані автором у співавторстві з проф., д.т.н. Мельником В.М., д м.н. Соколовим В.М., к.т.н. Шебатіновим М.П., програмне забезпечення роботи • допомогою доц., к.т.н. Тумської О.В. та доц., к.т.н. Глотова В.М.

Публікації. Основний зміст дисертації відображений у 10 опубліковаї роботах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 155 сторінка складається зі вступу, 3 розділів, висновку, списку літератури із 115 позицій роботі є 36 рисунків, 10 таблиць, додаток.

Автор глибоко вдячний своєму вчителю професору, доктору технічних н; Фінковському В.Я. за постійну творчу підтримку, науковому консультанту пре д.т.н. Мельнику В.М. за практичну допомогу, цінні поради і консультації на в етапах виконання роботи, професору Московського державного університ ім.М.Ломоносова Соколову В.М. за надану можливість РЕМ-знімання та ці поради щодо практичного застосування методів РЕМ-фотограмметрії для кількісі досліджень мікроповерхонь твердих тіл, д.ф.-м.н. Петрову В.І., Д.ф.-І',

Прикарпатському A.K., д.т.н. Шанявському A.A., к.т.н. Шебатінову М.П. за твої співпрацю та консультації, своїм колегам по кафедрі аерофотогеодезії проф., д.' Дорожинському О.Л., доцентам Гудзу І.М., Бурштинській Х.В., Міщенко Тумській О.В., Туруку Д.М., Глотову В.М., старшим викладачам Москаль Н. Процику М.Т. за цінні зауваження та пропозиції. Велика подяка моїм молоди колегам по кафедрі: асистентам Бабій Л.В., Грицьківу Н.З., Колбу І.З., Лелюху ^ інженеру-програмісту Мусі І.М., завідуючим лабораторіями Ільківу Т.Я., Єрш А.Г., Николину Б.І., Хляну Я.В, інженеру Чорній Л.В., студенту-лабора Майорову Г.Є. за їх допомогу в технічному оформленні дисертації.

Окрема щиросердечна подяка професорам Костецькій Я.М., Шевченку Т.Г Шинкаренку Г.А. за працю по рецензуванню роботи та цінні зауваження щод покращення, а також професору Могильному С.Г. та співробітникам Донецьк державного технічного університету за цінні зауваження і поради при апроб; роботи у провідній організації.

Зміст дисертації

У вступі обгрунтована актуальність теми, її зв’язок з науковою тематикою федри, наукова новизна, сформована мета, основні задачі та об’єкт дослідження, иведені основні положення, що виносяться на захист, практичне значення ержаних результатів, а також дані про апробацію роботи, кількість публікацій, руктуру та обсяг дисертації. Окрім цього, приведений короткий огляд літератури з ітань, пов’язаних з розробкою та практичним застосуванням методів стерео-»тограмметрії у електронній мікроскопії. Відмічено фундаментальний внесок в зробку теорії та практики електронно-мікроскопічних досліджень, насамперед, т.н., проф. Мельника В.М., а також багатьох вітчизняних та зарубіжних вчених.

У першому ¡юзділі викладені теоретичні положення методу та

спериментальна оцінка його точності. Проблема РЕМ-стереофотограмметрії лягає у виборі математичної моделі, яка давала б можливість адекватно ттворити реальну просторову картину мікроповерхні дослідного об’єкта за його ЇМ-зображеннями. Для цього, насамперед, необхідно встановити закономірності ометрії побудови самих РЕМ-зображень. У стереофотограмметричних методах ірацювання РЕМ-зображень, розроблених зокрема проф., д.т.н. Мельником В.М., >ц., к.т.н. Калантаровим Є.І. та ін. використані відомі у фотограмметрії моделі, які зуються на проективних та перспективно-афінних перетвореннях, в основу яких ікладені рівняння проективної колінеарності та компланарності.

В розробленому автором методі ця проблема вирішена на підставі твердження ю ортогональність проектування мікроповерхні об’єкта при формуванні її РЕМ-браження та отриманіх на основі цього формул взаємозв’язку між координатами чок мікрозображення та об’єкта. '

Виконані автором численні дослідження за тестовими РЕМ-стереопарами кроповерхні лесовш грунтів дали однозначну відповідь про геометрію побудови сражения в РЕМ і підтвердили коректність отриманих у явному вигляді формул ’язку просторових координат точок мікроповерхні дослідного об’єкта з дповідними їх координатами на РЕМ-знімках для трьох основних випадків РЕМ-іімання: рівномірновідхиленого, нормально-конвергентного та конвергентного. шім чином, встановлено, що РЕМ-зображення мікроповерхні твердого тіла (за ■гови відсутності геометричних спотворень зображення) є збільшеною в А/ крат ггогональною проекцією ділянки його сканування. Умову практичної відсутності ометричних спотворень РЕМ-зображень можна виконати, якщо за допомогою ЕМ-знімків тест-сітск визначити їх характер, величини і врахувати при кількісній Зробці РЕМ-стереогар дослідних об’єктів. Цей висновок автором підтверджений ^слідженнями, описгними в розділі 2.

Покажемо геомегрію побудови зображення в РЕМ графічно на рисунках. Якщо <анувати об’єкт досліджень, поверхня якого плоска і приблизно паралельна до пощини гоніометричного столика при початковому його горизонтальному зложенні (сс=0°), і мгжі сканування об’єкта мають форму квадрата Д°В0С°00, то на оніторі РЕМ з встановленим збільшенням М отримаємо відповідне зображення

a°b°c°cf, яке перефотографовуємо в масштабі 1:1 на фотоплівку, отримуючи PEN знімок (рис. 1а)

. Рис. 1. Геометрія відповідності об’єкта сканування в РЕМ та його РЕМ-зображення: а) а=(о= 0°, б) аД)°, íü=0o, в) а=0°, о&0°.

В цьому випадку справедливими є співвідношення плоских координат:

■ Х°=х°ІМ11

Y° = y°/M.\' (

: де Xo. У" - просторові координати точок дослідного об’єкту при,а=0°, xü, у° - відповідні їм координати точок на РЕМ-знімку,

М - збільшення (масштаб) РЕМ-знімка.

За початок систем координат (просторової об’єкта О і плоскої знімка і вибирають характерну точку мікроповерхні в центральній частині або в ліво\ нижньому куті РЕМ-знімка. При нахилі об’єкта на гоніометричному столику PEI навколо осі Ґ на кут а на екрані монітора відбувається ортогональне проектуваш квадратної ділянки сканування A°B°C>D0 на умовну горизонтальну площину, результаті якого отримуємо її у формі прямокутника ABCD і відповідне йо\ зображення на РЕМ-знімку abed (рис. 16). Співвідношення координат т;

. Х=хІМ,} * = .ї0 ■ Сош, ]

аналогічне: І, де і. (.

Y = ylM. І . у = /. ]

Аналогічно при нахилах гоніометра з об’єктом навколо осіТ' на кут<и(рис.1 ці співвідношення наступні:

х’ = хімА де *' = х°, 1

Y - у / М. } у' = у0 ■ Cosco. I

Для визначення просторових координат точок мікроповерхні об’єкта X,Y,Z( необхідне їх вимірювання по стереомоделі за двома РЕМ-знімками і стереокомпараторі та обчислення результатів вимірів за відповідними формулами залежності від умов РЕМ-знімання. Автором отримані відповідні формули для

- рівномірио-відхиленого (-а,=а„, й),-(ц1=ісІ=к„=0°);

- нормально-конвергентного (а,= 0°, а ? 0°, о),=щ,=к,-к„=0°);

- конвергентного («,^а„/0°, о)=о)„=к,= к„=(Г).

Геометрія виводу формул показана на рис.2 для прикладу рівномірно-ііілєного випадка РЕМ-знімання.

Рис.2. Умовне відображення точок мікроповерхні об'єкта на РЕМ-знімгах для рівномірио-відхиленого випадку РЕМ-знімання.

На підставі геометричних співвідношень відповідних відрізків (рис 2) німані формули зв’язку просторових координат точок мікроповерхні об’єкта як функції виміряних координат точок РЕМ-знімка л.у, різниць паралаксів гок Ар, кутів нахилу знімків а та їх збільшень (масштабу) М вздоиж )рдинатних осей знімка х,у. У явному вигляді ці формули для різних випадків М-знімання приведені в авторефераті (див. формули (4)+(6)).

З формул (4)-Ц6) отримані формули середніх квадратичних похибок, шо бактеризують теоретичну точность визначення просторових координат точок фоповерхні дослідного об’єкта.

X _ х° + /2 jq3

Mr cosa

JÍ-103

AÍ,

Z(/0 =

АР?

2A/JC-sina

•103.

X =

{x0nIMx)-W-h-Sman

Cosa„

(4) y=J!Í..io: А/,

б) нормально-конвергентного: •ІО3

Z(h) = +&Рх)-Со.чал-x°n-Cosan М х -Sin{an ~ал )

У Формулах (4W6):

■10

•10

м

ZUi) =

У

x“-(\-Cosan) + Ap‘ М х-Sin ап

+ Аї

(5)

+ Ду

вич

р° = х° гх. І І л

о

(7

Приймаючи середні квадратичні похибки величин, які входять в формули тес тнчної точності методу, зокрема, шІД=0.03 мм, шм =0.01М, //10=0.1 , були обчисі значення іпх , ніу , під/,, для різних параметрів РЕМ-знімання (М=500*-н500( а=±3 -s-б ) і перепаду висот мікрорельєфу (Ah=±0.1, 1, 10 мкм), які представлеї роботі у вигляді графіків, приклад одного з яких приведений на рис.З mZ(h) мкм

12 т ' М=1ПППХ

1.0 + Л95

0.8 --

0.6 --

0.4 -0.2 --

— __0.3.3------------^27

mv=mY=0.03-b0.05 мкм

-а„

±3°

±4°

±5°

±6°

+ al

для мікрорельєфу з перепадом висот ДЬ = ±10 мкм;

----- для мікрорельєфу з перепадом висот ДЬ = ±1 мкм.

Рис 3. Графіки теоретичної точності визначення висот (перевищень) точок мікроповерхні об’єкта.

п

Оскільки сьогодні в Україні в практичній РЕМ-фотограмметрії немає окоточних просторових тест-об’єктів субмікронних розмірів, за допомогою яких кна було б виконати оцінку точності розробленого методу класичним шляхом, ору довелось її виконати іншим способом, суть якого полягала в наступному.

На РЕМ “НкасЫ” 5-800 були отримані РЕМ-знімки мікроноверхні лесового нту при кутах нахилу гоніометричного столика від 0 до 10 з інтервалом 2 та х значеннях збілішень - 1000х і 3000х. З числа знімків зі збільшенням 1000х фмовано чотири стереопари з комбінаціями кутів нахилів: лівий знімок а -0 , а ві послідовно а =4,6,810 та аналогічно чотири стереопари зі знімків іьшених у 3000х, Тим самим, було змодельовано нормально-конвергентний іадок РЕМ-знімання. Аналогічно з цих же знімків змодельовано і конвергентний іадок РЕМ-знімання: по три стереопари зі знімків з кутами нахилів - лівий -

4, а праві -а=6,8,10 та збільшеннями 1000х і 3000х. На кожній стереопарі іирались та вимірювались на стереокомпараторі одні і ті ж характерні точки роповерхні лесового грунту (в кількості від 25 до 50 залежно від серії перименту і збільшення знімків). Далі на ПК за формулами (5) або (6) (залежно змодельованого виду РЕМ-знімання) обчислювались їх просторові координати ’.ДіїіИ врахуванням геометричних спотворень РЕМ-знімків, які в свою чергу начались за допомогою калібрувальних тест-сіток. Таким чином координати кної точки визначалась 4 рази зі стереомоделей нормально-конвергентного іадку РЕМ-знімання і 3 рази - конвергентного. Причому необхідно відзначити, вхідні параметри при обчисленнях просторових координат точок для кожної реомоделі були різними, а саме: кути нахилу знімків та виміряні різниці >алаксів одноіменних точок відносно початкової, проте обчислені значення їх )рдинат виявились близькими - в межах теоретичної точності для даних заметрів РЕМ-знімання. Остаточно оцінка точності виконувалась за різницями зрдинат точок, отриманих по окремій стереомоделі від їх середніх значень, шслених за всіма моделями. Усереднені результати середніх квадратичних кибок координат точок, обчислених з декількох серій вимірюваь, приведені в )Л. 1. Аналіз результатів експериментальних досліджень дає нам право зробити :новок про коректність теоретичних засад методу та виведених формул.

У другому розділі дисертації детально обгрунтовано та описано іропоновану автором технологію отримання та оперативного опрацювання РЕМ-5ражень на прикладі декількох РЕМ провідних фірм світу, зокрема: підготовчі доти (приведення РЕМ та об’єктів досліджень до РЕМ-знімання), методику РЕМ-феознімання, визначення дійсних збільшень (масштабу) РЕМ-зображень, слідження величин і характеру їх геометричних спотворень за допомогою тест-ок, апроксимацію спотворень поліномами, методику вимірювань РЕМ-стереопар

стереокомпараторі та отримання просторових кількісних параметрів фоповсрхні дослідних об’єктів. .

Відомо, що в процесі формування РЕМ-зображення на кожному етапі його зорення виникають геометричні спотворення, окремі складові яких визначити йже неможливо. Проте встановлено, що спотворення викликані роботою систем

Таблиця

Результати дослідження експериментальної точності методу

Кш МІ Вид РЕМ-знімання К-сть стереомоделей Сер.к-сть вимір, точок на 1 моделі Ср.-кв.похибки обчислення координат Мах абсол.відхш координат е сер.зн.

тх. мкч mY, мкМ mz, МКМ дх, МКМ ДУ, МКМ

1000х 60(Г Нормально- конвергентний 4 Теор. 0,05+0,08 0,05-0,08 0,9+1,4 0,15 0,20

50 0,03-0,05 0,03-0,05 0,5+0,7

Конвергентний 3 Теор. 0,05-0,08 0,05-0,08 0,9+1,4 0,20 0,25

50 0,03-0,06 0,03-0,06 0,7+1,0

3000х 1800х Нормально- конвергентний 4 Теор. 0,02-0,03 0,02+0,03 0,5+0,7 0,05 0,07

25 0,01-0,02 0,01-0,02 0,3+0,5

Конвергентий 3 Теор. 0.015 0,025 0,5+0,7 0,06 0,08

25 0.01-0.02 0,01+0,02 0.4+0.6

скапування поверхні зразка пучком електронів і систем розгортки РЕМ-зображення па екр; монітора РЕМ на один-два порядка більші від спотворень, що виникають п перефотографуванні його з екрану па фотоплівку внаслідок дисторсії об’єктиву фотоапара деформації фотоплівки тощо. Тому в роботі головну увагу зосереджено на встановлеї величин і характеру спотворень кінцевого РЕМ-зображення в залежності, насамперед, і типу РЕМ та зміни параметрів РЕМ-знімання, а також на їх врахуванні методом полії міальної апроксимації. Для виконання цих численних досліджень необхідно мати тест-сіткі різними роздільними здатностями. Дня досліджень РЕМ-зиімків при збільшеннях до 20( використовувалась тест-сітка з г=200 лін/мм, яка була виготовлена на замовлення пре Мельника В.М. у Державному оптичному інституті ім.С.І.Вавілова. Однак для досліджс зображень при більших збільшеннях роздільна здатність цієї тсст-сітки була нсдостатньс Автором була запропонована ідея використання для отримання тест-сіток з висок роздільною здатністю фоторезистпвпого матеріалу метал-напізпровідник з застосуванням

:ографічного методу запису зображення, розробленому в НДІ напівпровідників ЛН раїпи проф., д.т.н. Костишиним М.Т. та к.т.н. Романенком П.Ф. Таким чином, за їх юмогою були отримані тест-сітки з роздільною здатностю 1370 лін/мм та 3530 лін/мм, які волили (вперше на початку 80-х років у колишньому СРСР) визначати дійсні значення ііьшень РЕМ в діапазоні від 2000х до 100000х з точністю 1-2%, а також встановлювати ичини і характер геометричних спотворень РЕМ-зображень при збільшеннях до 50000х. В :ертаціїї приведені результати численних досліджень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ >відних фірм світу: “Hitachi”, “JEOL” (обі Японія), “Stereoscan” (Англія), "Quickscan” НА), “Tesla"’ (Чехія) при різних параметрах РЕМ-знімання: зміні збільшень, кута нахилу ііометричного столика, його робочої відстані вздовж осі Z приладу. Характер і величини ітворень у кожного РЕМ різні, проте їм усім притаманна висока стабільність в широкому пазоні робочих параметрів, тому спотворення РЕМ-зображень мають чітко виражений тематичний характер і їх легко можна врахувати при фотограмметричному опрацюванні Vl-стереопар. Це значно підвищує (не менш як на порядок) точність отримання >сторових кількісних параметрів мікроповерхонь дослідних об’єктів. У таблицях 2. З иші результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень поліномами різних іів. Спільним для усіх пидів РЕМ є те, шо в центральній ділянці зображення радіуса 10-15 спотворення незначні - в межах 0.1-0.2 мм, а з наближенням до країв значно зростають. :ягаючи 1-2 мм. Однак, як це видно з таблиць, їх легко апроксимувати поліномами, ікраще поліномом загального виду 3-ї степені, залишкові середні квадратичні похибки ля апроксимації яким зменшуються на порядок до величин 0.03-0.07 мм, співрозмірних з іністю вимірювання РЕМ-знімків. Характер і величини спотворень для їх графічної ічності (для РЕМ “Hitachi”) преставлені в роботі у вигляді векторних діаграм (див. рис.Зб) гістограм їх розподілу за величинами (±Дт, Ду) до і після апроксимації поліномом ального вигляду 3-ї степені.

У третьому розділі дисертації приведені приклади практичного застосування ¡роблених мегодів при дослідженнях різноманітних об’єктів. Тут приведені дослідження, дозволили встановити оптимальні параметри РЕМ-знімання (збільшення М, кути нахилу мків стереопари) для забезпечення необхідної дослідникам точності отримання кількісних зсторових величин мікроповерхні об’єктів, зокрема таких, як параметри мікрошорсткості іфованих металевих поверхонь (на прикладі внутрішніх поверхонь циліндрів поршнів ігунів різних марок автомобілів, див рис.4 г). Також отримана ЦММР мікроповерхні

Результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ ••Нцас1іі"8-800. поліномами різних видів

№ п/п Висота столика г, мм Кут нахилу а0 Збільшення РЕМ,крат Дійсні збільшення РЕМ- знімків Ср.кв.спотв на контр.точ. до апроксим. Ср.кв.спотворення після їх апроксимації поліномами

Загальн.вид п=10 Вго\уп’а п=11 йІіозЬ’а п=4 Скороченим п=6

крат м. крат пі Ді. мкм '»4,. мкм 1)13, мкм іщ мкм І’ІЛ, мкм ІЩу ммк '«А мкм ш5у мкм 11>5х мкм І115у мкм

1 14.0 597.5 608.5 493.7 642.3 39.8 45.5 110.2 109.8 92.9 127.3 61.4 48.9

2 14.5 603.8 611.7 541.9 632.1 78.0 32.0 147.0 116.9 113.5 168.6 69.2 36.5

3 15.0 611.7 621.6 791.0 843.1 72.5 32.9 108.4 128.8 162.1 244.5 76.9 32.9

4 15.5 612.6 619.4 809.8 818.2 50.7 35.1 118.2 123.9 183.8 229.9 58.1 33.8

5 16.0 608.6 620.8 719.5 793.5 48.9 27.4 116.4 124.5 141.2 231.4 52.7 29.1

1 а=0° 610.4 617.5 490.4 713.7 41.3 64.0 120.6 126.7 136.7 192.6 40.8 57.0

2 а=4° 606.3 615.2 512.7 695.2 47.4 57.5 115.4 .117.5 143.5 201.4 47.5 59.1

3 а=6° 607.8 618.4 648.5 748.4 51.2 44.3 112.7 124.8 156.8 220.6 54.4 52.9

4 а-8° 605.1 616.7 715.4 815.2 54.9 55.4 109.9 118.4 148.7 187.9 56.6 58.7

5 а=10° 604.7 619.1 573.5 721.8 43.7 60.6 113.3 121.7 171.3 196.1 45.2 62.3

1 3000 1720.0 1750.2 519.6 394.0 70.6 64.5 111.6 303.0 83.1 134.4 80.9 6Н4

2 5000 2883.5 2929.2 460.3 398.8 34.2 25.1 111.5 146.1 77.3 116.9 55.2 69.2

3 10000 5697.4 5859.8 559.6 319.9 55.1 63.9 І30.І 127.4 108.1 191.8 79.8 76.9

4 20000 11400. 11650. 583.4 465.2 115.3 88.5 157.4 213.6 243.7 236.3 132.8 58.1

С ПСПАА 1 /І1ПП 1 ЛААЬ ЛЯ7 8 ¿58 6, 115 0 107.1 251.6 241.7 293.6 255.8 138.6 52.7 .

А ии;шил —'

Результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень поліномами різних видів

н 5 3 Дійсні збільшення Ср.кв.спотв на контр.точ. до апроксмм. Ср.кв.спотворення після їх апроксимації поліномами

№ п/п 2 5Г •о Я х РЕМ-знімків Загальн.вид п- ІО Вго\уп’а п- 1 1 СЬозЬ’а п—4 Скороченим

3 ЕО М„ крат Му. крат т&х, мкм »¡АV. мкм >”сЬ мкм пізу мкм 1>і£х мкм теу ммк т&х мкм т5у мкм тх мкм т5у мкм

1 2 3 4 5 6 <3 /-V С О о є гг £ 2 1234.0 1234.5 1233.0 1327.0 1327.0 1327.0 1308.8 1309.0 1305.8 1408.0 1408.0 1408.0 303.3 305.1 316.7 291.4 317.6 349.9 482.7 436.2 487.0 459.2 527.9 619.7 29.2 73.6 31.8 34.7 49.5 64.7 26.8 27.6 21.9 37.5 50.4 49.2 53.4 88.1 63.7 64.5 , 86.4 94 А 46.7 52.5 57.0 72.4 67.3 97.5, 228.0 250.7 256.2 216.5 240.0 251.9 264.8 235.1 277.6 267.4 ■ 312.5 347.5 33.5 63.9 32.1 36.4 51.6 66.9 33.2 34.0 31.0 39.9 56.4 53.6.

1 2 3 4 5 О и 5. 2 20 1031.4 1031.4 1240.0 1240.0 1240.0 1043.8 1043.8 1254.0 1254.0 1254.0 159.3 164.5 164.5 178.7 159.4 300.2 301.0 321.7 315.4 312.6 21.1 27.8 24.7 23.2 26.4 25.6 24.2 27.9 26.1 22.7 100.7 102.8 54.7 74.2 94.7 131.6 130.6 59.6 67.4 101.4 148.7 152.1 147.4 152.9 139.2 262.3 258.9 254.9 247.4 243.4 25.2 27.8 27.2 25.2 31.4 33.3 27.6 29.4 27.3 25.6

1 ' 2 3 , 4 5 6 £ Сй Л. о о 3 ^ о > й Я &а 3. 3; 344.9 416.0 897.0 915.1 995.8 1054.0 336.5 410.0 885.0 899.5 990.1 1049.0 325.6 313.2 176.5 143.5 129.5 116.4 441.9 424.7 182.5 140.9 304.9 210.1- 50.7 37.2 31.7 32.2 45.1 42.1 49.4 44.4 29.5 18.9 225.7 35.4 138.3 65.4 57.9 62.5 85.5 62.4 124.8 112.4 87.5 96.2 286.7 89.7 281.7 194.9 147.6 106.1 123.6 104.9. 307.4 256.9 169.5 111.2 302.0 193.7 92.4 41.1 34.2 42.1 72.5 . 46.5 £5.3 47.6 31.5 36.6 231.5 39.4.

Рис.4. Приклади РЕМ-зображень та їх графічне представления: а), тест-сітка з роздільною здатністю 3530 лін/мм при М=25000х; б) векторні діаграми геометричних спотворень РЕМ-знімків; в), г), є), ж) РЕМ-знімки мікроповерхонь лесового грунту, металевої деталі двигуна автомобіля, еритроцитів крові та зубної тканини людини; д), е) мікрогілан в горизонталях т; в аксонометричній проекції поверхні лесового грунту.

>вого грунту, яку графічно представлено у вигляді мікротопоплану в ізонталях, аксонометричній тривимірній проекції (див рис.4 в,д,е) та у вигляді £ілів з заданим напрямом і кроком перетину поверхні. Для графічного іставлення мікроповерхні об’єкта використовувались широко поширені пакети ■рам GRID та SURFER. В цьому ж розділі представлені результати досліджень огічних об’єктів, зокрема фізичних властивостей еритроцитів крові та характеру тування зубної тканини людини (див.рис.4 є,ж). Дослідження еритроцитів юлили встановити їх типи, дійсні розміри та якість крові; а дослідженнями юї тканини встановлено величини її руйнування в ділянках дотику з металевими инами зубної коронки.

Обчислення результатів вимірів РЕМ-стереопар і отримання просторових )динат точок мікроповерхонь дослідних об’єктів для подальшого розв’язання «іадних задач виконувались на ПЕОМ за формулами (4-6) в залежності від :обу та параметрів РЕМ-знімання. , '

Висновки

1. Розроблені теоретичні положення методів отримання і оперативного зграмметричного опрацювання РЕМ-зображень та експериментально верджена їх ефективність для кількісної оцінки мікроповерхонь твердих тіл. (

2. Отримані математичні залежності між просторовими координатами точок юповерхні і відповідними точками на РЕМ-стереознімках для трьох випадків 1-знімання та експериментально підтверджена їх коректність.

3. Запропонована і практично реалізована ідея використання голографічного

>ду для отримання тест-сіток з високою роздільною здатністю (до 3500 лін/мм), іхідних для каїібрування збільшень РЕМ та визначення метричних' іктеристик РЕМ-зображень. .

4. Теоретично та експериментально досліджені геометричні властивості РЕМ-іажень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу в широкому діапазоні ьшень від 500х до 150000х. Зокрема встановлено:

а) РЕМ-зображенням притаманні значні геометричні спотворення (від 0.5 до мм на краях знімка); вони мають систематичний характер і їх, як правило, <тивно можна апроксимувати поліномом загального виду 3-ї степені;

б) величини і характер цих спотворень суттєво не змінюються при змінах іметрів РЕМ-зн/мання (збільшення, кута нахилу гоніометричного столика, його шення вздовж осі Z приладу); вони залежать виключно від типу РЕМ, його зичних властивостей ¿та технічних характеристик;

в) сучасні РЕМ можна вважати стабільно працюючими системами за умови іимання технологічних режимів їх експлуатації.

5. Запропоновано способи практичної реалізації розробленого методу для іідження та визначення просторових параметрів мікроповерхонь твердих тіл в их галузях науки і виробництва: машинобудуванні, матеріалознавстві, геології, ицині та ін.

Список публікацій .

1. Финковский В.Я., Мельник В.H., Иванчук О.М. К теории фотогр метрической обработки РЭМ-снимков Н Геодезия и картография.-Москва,-19! №2.-С.29-33.

2. Мельник В.H., Соколов В.H., Иванчук О.М., Тумская О.В., Шебатинов М Калибровка геометрических искажений РЭМ-снимков.-Рук.деп. в ВИНИТИ.-19! №528.-18 с. .

3. Мельник В.Н., Иванчук О.М., Соколов В.Н. Стереофотограмметричес обработка РЭМ-изображений // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума РЭМ. М.-1984.-С.45.

4. Мельник В.H., Иванчук О.М., Соколов В.Н. Метод фотограмметрии в Р^ теория, возможности, ограничения // Тезисы XIII Всесоюзной конференции электронной микроскопии. М.-1987.-С.523-524. : -

5. Мельник В.H., Соколов В.H., Шебатинов М.П., Иванчук О.М. Ана погрешностей стереоизмерений в растровой электронной микроскопии // Изв. СССР. Сер.физическая.-1987.-№3.-С.468-474.

6. Мельник В.H., Иванчук О.М., Максимюк Ю.Й. Калибровка геометричес искажений РЭМ-снимков // Геодезия и фотограмметрия,- Ростов н/Д: Рост.ш строит.ин-т.-1990.-С. 37-44.

7. Іванчук О.М., Мельник В.М. Дослідження точності визначення збільше (масштабу) РЕМ-знімків за допомогою тест-сіток з різною роздільною здатніст Матеріали наук.-практ.конф.-Львів.-1996.-С.92-94.

8. Іванчук О.М. Фотограмметричний метод оперативного опрацювання РІ стереопар для кількісної оцінки мікроповерхонь' твердих тіл // Вісник геодезі картографії.-Київ.-1998.-№2.-С.51-53.

9. Шостак A.B., Іванчук О.М. Деякі питання фотограмметрии» моделювання фрактографічних поверхонь // Геодезія, картографія аерофотознімання.- Львів,- 1999.-№59.-С.89-94.

10. Іванчук О.М. Вибір оптимальних параметрів РЕМ-знімання дослідженнях шорсткості шліфованих поверхонь твердих стереофотограмметричним методом // Матеріали міжнар. наук, конф,- Львів,- 2( С.256-259.

Анотації

Іванчук О.М. Методи оперативного фотограмметричного опрацюва знімків, отриманих на растрових електронних мікроскопах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних науі спеціальністю 05.24.02 - фотограмметрія та картографія. Національний універс ■‘Львівська політехніка”. Львів, 2000.

В дисертації представлено теорію та практику стереофотограмметри1 методів отримання та опрацювання РЕМ-зображень. Приведені резуль експериментальних досліджень величин і характеру геометричних спотворень

М-зображень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу в широкому діапазоні іаметрів РЕМ-знімання та підтверджена ефективність їх апроксимації гіномами. Приведені приклади застосування розроблених методів при :ктронномікроскопічних дослідженнях мікроповерхонь дослідних об’єктів в иинобудуванні, геології, медицині та отримання їх просторових кількісних >аметрів з необхідною для дослідників точністю.

Ключові слова: растрова електронна мікроскопія, фотограмметрія,,

метричні спотворення РЕМ-зображень, тест-сітки, стереомодель.

Иванчук О.М. Методы оперативной фотограмметрической обработки імков, полученных на растровых электронных микроскопах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по іциальности 05.24.02 - фотограмметрия и картография. Национальный іверситет «Львовская политехника», Львов, 2000.

В диссертации представлена теория и практика стереофотограмметрических годов получения и обработки РЭМ-изображений. В частности, приведены ¡ученные в явном виде формулы связи пространственных координат точек кроповерхности исследуемого объекта X, Y, Z(h) с их координатами х, у на РЭМ-реоснимках для 3-х основных способов РЭМ-стереосъемки: равномерно-лоненного, нормально-конвергентного и конвергентного. Рассчитана ретически и подтверждена экспериментально точность получения ютранственных координат точек, которая зависит от увеличения (масштаба) імков и точности с которой его можно определить, от углов наклона образца при мке и точности их установки на шкале гониометра РЭМ, от точности измерения ірдинат точек снимка на стереокомпараторе и от величины разностей іеренньїх параллаксов точек (т.е. от перепада высот микрорельефа поверхности), и известных параметрах РЭМ-съемки с точностью тм =0.01+0.02М, ///«=0.1 -0.2 , ,=0.03-0.05 мм можно определять пространственные количественные параметры кроповерхностей объектов с точностью:

при М=1000><, а=±3-6°- mx,f= 0.03+0.05 мкм, m7jth)=0.5+1.0 мкм для 4/)=±10 мкм;

)пдь)=0.3+0.6 мкм для 4/і=±1мкм;

при М=5000х - //1x1=0.006+0.010 мкм, /н^рО.ЗО+О^О мкм для 4/г=±10 мкм;

т-ді,г0.08+0.15 мкм для Л/;=±1 мкм;

при М=25000х - ///v.r=0.002+0.005 мкм, //іад=0.025+0.050 мкм для ЛІі=± 1 мкм;

wg^pO.008+0.018 мкм для 4/і=±0.1мкм.

В диссертации представлены результаты многочисленных исследований іибровки увеличений РЭМ в диапазоне от 100х до 100000х, а также определения іичин и характера геометрических искажений РЭМ-изображенин, полученных на М ведущих фирм мира: «Hitachi», «JEOL», «Stereoscan», «Quickscan», «Tesla» с лощью голографических тест-сеток с высокой разрешающей способностью (до І0 лин/мм). Установлено, что искажения увеличений могут достигать до ±25% от ановленых на шкале РЭМ, а их разномасштабность вдоль осей х,у снимка - 15% і точности калибровки увеличений с помощью тест-сеток - ±1+2%.

Геометрические искажения РЭМ-изображений также значительны и м< достигать на краях снимка до 2.5 мм, однако их величины и характер зависят toj от метрических характеристик и качества юстировки РЭМ, оставаясь практич< неизменными при изменениях параметров РЭМ-съемки: увеличения, углов наю гониометра, его рабочего расстояния вдоль оси Z в течении длительного Bpeiv (порой до года), что говорит о значительном преобладании систематическое составляющей над случайной и позволяет их учитывать путем использовг полиномиальной апроксимации (лучше всего полинома общего вида 3-й степени

В работе приведены практические примеры применения разработан методов при электронномикроскопических исследованиях микроповерхно' различных объектов, в частности, при определении количественных параме-микрошероховатости, износа, эрозии шлифованных трущихся металличе< поверхностей (внутренних поверхностей поршней и цилиндров двига автомобиля), при установлении характера микрорельефа и структуры различ типов. лессовых грунтов, при исследованиях размеров и выявлении ti эритроцитов крови человека, а также характера и величин разрушения зубной ti человека в местах ее соприкосновения с металлическими частями зубных прок коронок.

.'-‘Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, фотограмме! геометрические искажения РЭМ-изображений, тест-сетки, стереомодель.

Ivanchuk О.М. Methods of efficient photogrammetric processing of im produced by scanning electronic microscope. - Manuscript.

^: Thesis for a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.2

- photogrammetry and cartography. National university "Lvivska politechnika”, 1 2000.

The theorie and practice of stereophotogrammetric methods of producing processing of SEM-images is represented in the dissertation. The resullts of experim invistigation of values and characters of geometrical distorsion of SEM-images prod on the SEM of known firms of the world in wide range of SEM-surveyingparameter shown and effectiveness of their aproximation by polinomials is proved. The exampl developed methods application for SEM-invistigations of mierosurfaces of experim objects in machinery construction, geology, medicine and producing of their s| parameters with necessary for reseachers accuracy are presented.

Key words: scanning electron microscopy, photogrammetry, geometrical distors SEM-images, test-grids, stereomodel.