автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптимизация преобразования сигнала в лазерных дифракционных измерителях размеров микрообъектов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ФЕФИЛОВ ГЕОРГИЙ ДМИТРИЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА В ЛАЗЕРНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ РАЗМЕРОВ МИКРООБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: Научные консультанты:

к.т.н., проф.

д.т.н., проф. к.т.н., доц.

Митрофанов А.С.

Тарлыков В.А. Соколов В.И.

Официальные оппоненты

д.т.н., проф. д.т.н., проф.

Коняхин И.А. Привалов В.Е.

Ведущее предприятие

ОАО ЛОМО (г. С. Петербург)

/X §¿7

Защита состоится "19 декабря 2006 г." в ' ч. мин. на заседании

диссертационного совета Д.212.227.01 Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, дом 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО

Автореферат разослан "16 ноября" 2006 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д.212.227.01. (

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М.Красавцев

Общая характеристика работы Актуальность работы. Свойства и параметры изделий зависят от точности измерения и воспроизведения его линейных размеров в процессе производства. Уменьшение размеров изделий является одним из путей, с помощью которого современное приборостроение, микроэлектроника и инструментальное производство достигают принципиально новых показателей.

Для измерения линейных размеров изделий широкое распространение получили оптические методы, основными преимуществами которых являются неконтактность, высокая точность измерения и высокое пространственное разрешение, получение информации о форме изделия. С помощью оптических методов измерения малых размеров также удается решить широкий круг задач, связанных с исследованиями в

и

биологии и медицине. Однако при уменьшении размеров контролируемых объектов проявляется характерный недостаток многих оптических измерительных приборов, возникающий из-за влияния дифракции. При этом погрешность измерения объектов с линейными размерами менее 100 микрометров, в зависимости от метода измерения и типа прибора, может достигать 20-100% от измеряемой величины. В то же время технологический допуск на многие промышленные изделия, имеющие микронные размеры, составляет единицы процентов, (что соответствует допустимой абсолютной погрешности измерения размера 1-0.1 микрометра). Например, согласно ГОСТ 18003—73, допуск на вольфрамовую проволоку диаметром 10 мкм. составляет ±1.5 %.

Интенсивность развития современного производства, разработка новых видов материалов, создание новых прецизионных устройств, повышение требований к надежности и качеству изделий массового производства, таких как микропроволока, волокна, изделия содержащие микроотверстия, размер поперечного сечения которых меньше 100 микрон, требуют развития методов и средств измерения, обладающих высокой точностью и производительностью измерения микронных размеров.

Для измерения изделий с микронными размерами наиболее перспективным является дифракционный меггод измерения, в котором используется физическое явление, ограничивающее предельные возможности многих оптических приборов, но, при использовании излучения с высокой степенью когерентности, позволяющее производить высокоточные измерения линейных размеров контролируемых объектов. Измерительные устройства на его основе обладают высокой чувствительностью к

изменению размера контролируемого объекта, малой пространственной и временной локальностью измерения, обеспечивают высокую точность измерения, процесс измерения может быть автоматизирован. Практическое применение дифракционного метода измерения затруднено из-за отсутствия оптимальных алгоритмов преобразования сигнала, обеспечивающих достижение высокого метрологического уровня решения обратной задачи - нахождения размера объекта по его дифракционной картине (ДК). В связи с этим совершенствование дифракционного метода измерения микронных размеров, разработка методов оптимального преобразования сигнала с целью выделения полезной измерительной информации, поиск путей уменьшения влияния помех, находя компромиссные решения в существующем на практике противоречии между точностью измерения и помехоустойчивостью, которым посвящена данная диссертационная работа, представляется актуальным.

Цели и задачи работы — разработка и исследование способов выделения и оптимального преобразования измерительного сигнала в лазерной дифрактометрии микрообъектов, обеспечивающих практическую инвариантность информативного параметра измерительного сигнала к влиянию помех и высокий метрологический уровень. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. выполнить анализ способов выделения измерительной информации в дифрактометрии и разработать новый способ, обладающий положительными качествами известных дифракционных способов измерения;

2. разработать и экспериментально исследовать способы оптимального преобразования дифракционной картины во временной электрический сигнал;

3. методом имитационного моделирования исследовать основные факторы, оказывающие влияние на погрешность измерения микрообъекгов дифракционным способом, определить пути, обеспечивающие инвариантность информативного параметра сигнала к влиянию помех;

4. создать лазерные дифрактометры, предназначенные для измерения поперечного размера микроотверстий и тонких длинномерных изделий.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые 1. В дифрактометии, для получения измерительной информации о размере объекта применен метод анализа измерительного сигнала в фазовом пространстве;

-52. Разработана методика амплитудной пространственно-временной фильтрации сигнала из дифракционной картины с использованием оптимальной весовой функции;

3. Разработана методика бинарной пространственно-временной фильтрации сигнала из дифракционной картины с использованием оптимальной весовой функции;

4. Выявлено, что после выравнивания интенсивности максимумов дифракционной картины интервалы между минимумами и между максимумами интенсивности практически инвариантны (5<0.1%) к смещению объекта в гауссовом пучке;

5. Установлено, что при дифракции гауссова пучка на объекте круглой формы, неэквидистантность интервалов между минимумами интенсивности дифракционной картины Эйри монотонно уменьшается до нуля при увеличении отношения размеров измеряемого объекта и гауссова пучка от 0 до 0.38;

6. Показано, что эффективное подавление аддитивной помехи в электрическом сигнале, получаемом при сканировании дифракционной картины, становится возможным после выравнивания амплитуды переменной составляющей в нем.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Используя результаты выполненных исследований, разработан ряд автоматизированных оптико-электронных лазерных дифрактометров.

2. С помощью разработанных лазерных дифрактометров:

• увеличена достоверность измерения диаметра калибрующего отверстия алмазных волок и микроотверстий круглой формы в изделиях специального назначения;

• реализовано метрологическое обеспечение изготовления прецизионной цилиндрической микропроволоки, используемой для изготовления ряда высокоточных изделий выпускаемых электронной промышленностью.

Практическая значимость работы подтверждается:

1. созданием серии автоматизированных лазерных дифрактометров;

2. практическим использованием и внедрением результатов выполненных исследований и разработанных способов и устройств в лазерных дифракгометрах;

3. универсальностью разработанных способов амплитудной и бинарной пространственно-временной фильтрации полезного измерительного сигнала из дифракционной картины;

4. метрологической аттестацией лазерного дифрактометра ДИД—4м;

-65. получением шести авторских свидетельств на способы и устройства измерения и обработки измерительной информации.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ амплитудной пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала дифракционной картины;

2. Способ бинарной пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала дифракционной картины;

3. Результаты исследований влияния помех на величину погрешности измерения размера микрообъекта дифракционным способом, позволившие определить оптимальное преобразование сигнала, при котором информативный параметр, содержащийся в сигнале, практически инвариантен к смещению контролируемого объекта в гауссовом пучке, а ширина спектра пропускания электронных узлов дифрактометра сужена более чем в десять раз, что способствует уменьшению влияния аддитивной помехи и достижению высокого метрологического уровня;

4. Измерительные приборы - автоматизированные оптико-электронные лазерные дифрактометры микроотверстий и тонких длинномерных изделий.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на: Второй межвузовской н.т. конф. "Радиоволновые, оптические и тепловые методы и средства неразрушающего контроля материалов и изделий", Ленинград, 1985 г.; Всесоюзной конф. "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", Таллин, 1987 г.; YII Всесоюзной н.т. конф. "Фотометрия, и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1988 г.; Всесоюзной н.т. конф. "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля", Могилев, 1989 г.; 14 Всесоюзной н.т. конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов", Москва, 1989 г.; Российской н.п. конф. по проекту "Оптика и научное приборостроение - 2000", Санкт-Петербург, 2000 г.; XY-XXXY конф. профессорско-преподавательского состава ИТМО, (Ленинград) Санкт-Петербург, 1982 - 2006 гг.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований выполненных лично автором и при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования и разработаны способы, определившие защищаемые

положения. Соавторство, в основном, относится к части теоретических исследований и проектированию автоматизированных лазерных дифрактометров.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений.Материалы изложены на 133 страницах, включая 42 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 171 наименования на 9 страницах. Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели исследования и основные научные результаты, защищаемые автором. Указана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится структура диссертации.

Первый раздел работы посвящен обзору литературы. Наибольшее распространение дифрактометрия получила при измерении размеров изделий массового производства, имеющих круглые микроотверстия, такие как алмазные волоки; микросопла, часовые и технические камни и другие подобные изделия, а так же при измерении щелей, микропроволоки и волокон, взвесей биологических клеток и взвесей микрочастиц. Применяется дифрактометрия для измерения объектов с размерами, начиная от -10А. и более (А. — длина волны излучения), что при использовании видимого излучения соответствует диапазону измерения от единиц до сотен микрометров. В дифрактометрии используется дифракция Фраунгофера.

Второй раздел работы посвящен анализу характеристик и развитию теоретических основ дифракционного метода измерения. Основу (ядро) измерительной процедуры дифракционного метода измерения составляет формирование Фурье-образа измеряемого изделия, содержащего информацию об его геометрических параметрах, и выделение из Фурье-образа информативного параметра, который сравнивается с образцовой мерой. Структура уравнения измерений, представляющего дифракционный метод вытекает из содержания измерений, и уравнение записывается в виде:

а= МЕРЛх,

где а — размер измеряемого объекта; А ^ - входное воздействие в виде когерентного излучения с длиной волны Я.; Р — операторный символ преобразования Фурье; Н — операторный символ выделения информационного параметра; М - операторный символ сравнения образцовой меры с выделенным информативным параметром.

Первые дифракционные способы измерения разработаны на кафедре квантовой электроники ЛИТМО Крыловым К.И., Митрофановым А.С. и Тарлыковым В.А. Это способ, основанный на измерении интенсивности ДК в фиксированной точке и способ, основанный на измерении интервала между экстремумами ДК. Позднее в Новосибирском электротехническом институте Евсеенко Н.И., Козачок А.Г. и Солодкин Ю.Н., разработали способ измерения, основанный на анализе спектра сигнала, получаемого при регистрации ДК, где размер изделия определяется по средней частоте осцилляции интенсивности ДК. Каждый из перечисленных дифракционных способов измерения обладает положительными качествами и недостатками. Так способ, основанный на измерении интенсивности ДК в фиксированной точке, обладает теоретически сколь угодно малым временем съема измерительной информации, но имеет ограниченный практический диапазон изменения контролируемых размеров, в пределах которого чувствительность изменяется от нуля, на краях диапазона, до максимальной величины в его середине. При этом результат измерения зависит от интенсивности ДК, а измерение отношения интенсивностей в двух точках ДК приводит к еще большему сужению диапазона изменения. Способ, основанный на измерении интервала между экстремумами ДК, обладает теоретически неограниченным диапазоном измерения, чувствительностью, увеличивающейся при уменьшении измеряемого размера, результат измерения не зависит от интенсивности ДК, но при пространственно-временном преобразовании ДК время съема измерительной информации не постоянно и увеличивается при уменьшении измеряемого размера. Способ, в котором применен анализ спектра сигнала, обладает теоретически не ограниченным диапазоном измерения, постоянной чувствительностью, результат измерения не зависит от интенсивности ДК, время съема измерительной информации не постоянно. На практике данный способ измерения обладает методической погрешностью, величина которой возрастает при уменьшении контролируемого размера, так как в поле зрения уменьшается число дифракционных максимумов используемых для Фурье преобразования. Из-за этого в спектре сигнала максимум контура, соответствующий искомой частоте, смещается в область низких частот, при этом возникающая погрешность составляет более 1% если в поле зрения находится меньше семи дифракционных максимумов. Исходя из

достижимой погрешности дифрактометров в 1%, практический диапазон измерения рассматриваемым способом начинается от 70 — 100 X, или ~30 — 50 микрометров.

Применение метода анализа сигнала в фазовом пространстве позволило разработать дифракционный способ измерения, в котором объединились положительные качества рассмотренных выше способов [7]. В качестве координат фазового пространства выбраны производные анализируемого сигнала, которые в совокупности полностью определяют его параметры и обуславливают свойства фазового изображения, такие как инвариантность конкретных параметров фазового изображения к побочным параметрам сигнала и наибольшая чувствительность к информативным параметрам сигнала. В дифрактометрии применение метода анализа сигнала в фазовом пространстве позволяет получить наиболее достоверные результаты о размере объекта после выравнивания распределения интенсивности в

ДК, то есть преобразования к виду Ig(u) = /0 sin2(i/), где Iq - интенсивность сигнала;

и = ka - sin 9 — текущая переменная; к = 2ж/Х — волновое число; а — размер

измеряемого объекта; 9 - угол дифракции. Выбрав в качестве фазовых координат

I 41

первую Ig(u) и третью /g(") производные сигнала Ig (и), получим фазовое изображение 'gíu)'

сигнала Ig(u) в виде прямой линии проходящей

через начало координат (рис.1). Угол наклона

■

прямой линии к ОСИ Ig(u) зависит только от

V

»

•g

величины а (размера контролируемого объекта) , . ,

г г ' Рис.1 Фазовое изображение

и не зависит от величины интенсивности и фазы функции 1х(и), на плоскости О,3

сигнала /^(м). Фазовое изображение сигнала в этой системе координат,

Л » III

описываются уравнением (2/са) Ig(u) + Ig(u) = 0. Решая данное уравнение

относительно а, получим: а =--^-. Следовательно, вычисление корня

V 4*%(")

квадратного из отношения амплитуд третьей к первой производных сигнала (и),

при произвольном значении независимой текущей переменной, позволяет однозначно определить размер а контролируемого объекта, и может использоваться как

алгоритм для измерения размера микрообъекта [7]. Величина отношения

Ig{u)flg— const для любой точки сигнала и изменяется при изменении

размера микрообъекта. Разработанный дифракционный способ обладает теоретически неограниченным диапазоном измерения, чувствительностью, увеличивающейся при уменьшении измеряемого размера объекта, результат измерения не зависит от флуктуации интенсивности ДК, а время съема измерительной информации постоянно и теоретически сколь угодно мало. Данный способ измерения особенно эффективен при контроле движущихся объектов, а также микронных объектов типа взвесей биологических клеток или микрочастиц, так как для таких объектов характерен низкий контраст ДК, из-за чего трудно фиксировать экстремумы ДК, и затрудняется работа способа, основанного на измерении интервала между экстремумами ДК.

На основании уравнения измерения синтезирована структурная схема дифрактометра. На величину погрешности измерения размера объекта, в основном, оказывают влияние: распределение амплитуды и фазы поля в плоскости измеряемого объекта, аддитивная помеха и ширина спектра пропускания электронных узлов дифрактометра. Основной проблемой регистрации ДК и преобразования сигнала является высокая скорость спада интенсивности максимумов ДК.

Третий раздел работы посвящен оптимизации преобразования сигнала в лазерном дифрактометре. Для выделения измерительной информации о контролируемом размере объекта, ДК обычно сканируется от центра к периферии с одновременным преобразованием распределения интенсивности во временной электрический сигнал. Получаемый сигнал содержит от одного до нескольких

периодов и описывается выражением U(t) = Uq • [sin((O0^)/(OQ/]2 (при дифракции на

прямоугольном объекте) и U(t) = UQ - [-/[(«(/У^О'Р (ПРИ дифракции на объекте круглой формы), где J\ — функция Бесселя первого рода; t - время; Uq - амплитуда сигнала; и>о=2ка V/Xf — частота сигнала U(t)\ /- фокусное расстояние Фурье-объектива; V— скорость сканирования. Измерительная информация о размере объекта содержится в периоде 7q сигнала £/(/), где Tq = 1/coq = Xf/2n а V.

В работе показано, что основная доля энергии сигнала U(t) сосредоточена в широкой полосе частот его спектра SKO(ja), которая в десятки раз превосходит

частоту сод - На частоте ©о, энергии сигнала £/(/) распределенная в спектре, достигает уровня менее 50% от полной энергии сигнала, а уровня 99% на частоте 39со0, что указывает на избыточность сигнала и на трудности выделения измерительной информации с малой погрешностью [2, 10]. Это обусловлено низкой эффективностью подавления помехи традиционными полосовыми фильтрами за время сравнимое с периодом сигнала 11(1), амплитуда которого быстро затухает.

Характерной особенностью спектра <Уко(у©) является точка перегиба на частоте од (рис.2), в которой производные этой кривой имеют локальные экстремумы. При последовательном г - кратном дифференцировании спектра ^„(ую), в результате происходящих в нем преобразований, сужается практическая ширина спектра и сокращается избыточность. Третья

ш

производная спектра Зко (у'ш) (функция Бко О'со))

занимает самую узкую область частотного спектра, состоит в основном из двух максимумов, первый на частоте о = 0, а второй максимум на частоте ©о (рис.2). Связь между преобразованием спектра ^(/ш)

в результате его г — кратного дифференцирования и видоизменением сигнала определяется через свойство преобразования Фурье — "дифференцирование по

\ ■ «,СН

\ -Г Гоп 1

\/ У 1

- А— Y •5^,0»)

IW wv Wv as*-

оо as to •ъ

20 24 10

Рис.2 Спектры сигналов до и после преобразования

частоте

d —где р _ операторный символ преобразования

dv)z

Фурье; /(ы) — анализируемая функция; z — порядок дифференцирования спектра; и — независимая текущая переменная. После трехкратного дифференцирования спектра S(j(a) соответствующий ему сигнал принимает вид:

2

=(ш0/)-и0 • jfMи0 .вт2Ы). В

результате свертки весовой функции g(t) и сигнала U(i) = Uq -[2./i(c»oO/©o'F получаем сигнал Ug(t), с выровненной амплитудой переменной составляющей, длительность каждого его периода прямо пропорциональна размеру соответствующего максимума ДК. Энергия сигнала Ug(t), распределенная в спектре SK0(ju>), на частоте oq

достигает 80% полной энергии сигнала Ug{t), а уровня 99% на частоте ~Зе>о [2].

Функция g{u,t) = (м.сооО2 и = {u,v)Qtf является универсальной оптимальной

весовой функцией для преобразования распределения интенсивности в ДК или амплитуды во временном сигнале, получаемом при ее сканировании [13].

В работе рассмотрены разработанные способы амплитудной и бинарной пространственно-временной фильтрации сигнала из дифракционной картины.

Способ амплитудной пространственно-временной фильтрации сигнала в дифрактометрии основан на изменении во времени по заданному закону интенсивности регистрируемой ДК синхронно с ее сканированием и преобразованием во временной сигнал [11]. Реализуется амплитудная пространственно-временная фильтрация с помощью амплитудного пространственно-временного фильтра (АПВФ). При работе АПВФ в момент начала сканирования интенсивность ДК наименьшая, а анализатор изображения находится в центре ДК. При перемещении анализатора изображения, от центра ДК к ее периферии, интенсивность ДК возрастает в соответствии с весовой функцией g(t). При этом на выходе анализатора изображения возникает изменяющийся во времени поток излучения Ф(1), амплитуда переменной составляющей которого выровнена и описывается выражением Ф(0 = 0q < sin2(coo/) — при дифракции на объекте прямоугольной формы и

Ф(0 = Ф$ - J^(oqí) — при дифракции на объекте круглой формы.

На рис.3 приведены кривые, поясняющие работу АПВФ: 1 — кривая увеличения во времени интенсивности ДК; и семейство кривых, на которых показана ДК в моменты достижения анализатором изображения первого, второго, третьего и четвертого максимумов ДК (соответственно: непрерывная кривая, кривая, состоящая из точек, кривая штрих пунктирная и кривая, состоящая из пунктиров и точек).

Увеличение интенсивности ДК наиболее целесообразно производить, увеличивая

сканирования

Рис.3 Изменение шгпенсивнссгпиДКво времени синхронно с ее сканированием

мощность излучения лазера синхронно со сканированием ДК, увеличивая уровень накачки от порога генерации до максимальной величины или используя внешний модулятор излучения.

Моделирование весовой функции g(t) = (со0/)2 или g(t) = (со0/)3 с наименьшими аппаратными затратами осуществляется с помощью последовательно включенных интеграторов. Если весовая функция имеет более сложную зависимость, ее моделирование выполняется с помощью микропроцессорного устройства (весовая функция моделируется в виде таблично заданной функции с последующим цифроаналоговым преобразованием), или с помощью фз'нкциоиалыюго цифро-аналогового преобразователя, реализуя метод кусочно-линейной аппроксимации [II].

На рис.4 показаны фотографии с экрана осциллографа: на рис.4а (при отключенном АПВФ) осциллограммы сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя и его производная; на рис. 46 (при включенном АПВФ) осциллограммы сигнала на выходе формирователя напряжения управляющего накачкой лазера; сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя и его производная, а также сигнал на выходе формирователя импульса, длительность которого пропорциональна заданному количеству дифракционных максимумов.

а б

Рис.4 Осциллограммы сигналов при отключенном АПВФ (а) и при включенном АПВФ (б) Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность разработанного способа амплитудной пространственно-временной фильтрации.

К основным достоинствам амплитудного пространственно-временного фильтра относится: простота реализации; параметры сигнала управления мощностью излучения лазера могут изменяться автоматически в процессе эксперимента. Реализуется АПВФ программно, или аппаратно используя серийные электронные компоненты.

I/Io

0.010 -

0.005 -

Рис.5 Сигнал до и после ф ильтрации

Способ бинарной пространственно-временной фильтрации заключается в дискретизации ДК в виде построчного разложения, выделении и интегрировании из каждой строки разложения требуемого фрагмента видеосигнала [8].

Начиная с первой строки разложения, проходящей через центр ДК, длительность интегрируемого фрагмента каждой строки разложения симметрично увеличивается на величину ±Д/, в соответствии с весовой функцией g(t), в направлении оси £ (рис.5). Огибающая совокупности интегрируемых фрагментов за период построчного разложения ДК, представляет собой

сигнал вида Ug(t)->Uq-sin2(a0t), амплитуда

переменной составляющей в котором выровнена.

При дискретизации ДК по линейным траекториям для объекта прямоугольной 'формы изменение длительности интегрируемых фрагментов сигнала описывается

функцией /(£) = 42. Для объекта круглой формы изменение длительности

интегрируемых фрагментов сигнала описывается функцией /(£,) = Е,3, если дискретизация ДК происходит по круговым или дуговым траекториям относительно ее центра [9]. При дискретизации ДК по линейным траекториям, как это делается в типовых передающих телевизионных камерах, интегрирование круговой функции, описывающей распределение интенсивности в ДК объекта круглой формы, ведется не по дуге окружности, а по хорде, поэтому изменение длительности интегрируемых фрагментов описывается функцией

/Й) = 0,5.10-Ч4.

В работе рассмотрен способ формирования последовательности прямоугольных импульсов

с функционально изменяющейся_____

длительностью, заключающийся в Рис.6 Фотография изображения ДК и

, контура окна прозрачности согласованного

формировании импульса специальной формы пространственно*ременного фильтра

(рис.6), контур которого подобен контуру окна прозрачности оптимальной бинарной

диафрагмы, и сравнении его с согласованным но амплитуде постоянным напряжением, величина которого обратно-пропорциональна номеру строки разложения [8].

Основными достоинствами бинарного пространственно-временного фильтра (БПВФ) является то, что ось симметрии окна прозрачности фильтра автоматически перпендикулярна направлению строчной развертки, параметры окна прозрачности фильтра могут изменяться автоматически в процессе эксперимента. Реализуется БПВФ программно, или изготавливается из серийных электронных компонентов.

Экспериментально БПВФ апробирован с прямоугольной, треугольной и оптимальной формой окна. На рис.7а и 76 представлены фотографии осциллограмм, поясняющих работу БПВФ с треугольной и оптимальной формой окна; на рис.7в и 7г — осциллограммы электрического сигнала на выходе БПВФ и его производной.

«С

•НОВ» (V

а) Треугольная форма окна фильтра

б) Оптимальная форма окна фильтра

зело • КС 2в,оа а -мал «к. ■ |йв.« тха

. < А .

Л::-:'-*»*- Д:-

в) Треугольная форма окна фильтра

г) Оптимальная форма окна фильтра

Рис.7 Осциллограммы, полученные при работе бинарного пространственно-временного фильтра с треугольной и оптимальной формой окна

Сравнительный анализ изображений спектров сигнала, возникающего на выходе БГТВФ с треугольной (рис.8а) и оптимальной формой (рис.8б) наглядно показывают, что при оптимальном выборе окна существенно сужается практическая ширина спектра сигнала, что согласуется с теоретическими исследованиями.

Рис.8 Изображения спектров сигнала возникающего на выходе БПВФ с треугольной (а) и оптимальной (б) формой окна.

В четвертом разделе на примере круглого отверстия исследовано: — влияние параметров лазерного излучения; изменение неэквидистантности ДК; ограничение ширины спектра сигнала и влияние аддитивной помехи на погрешность измерения размера микрообъекта дифракционным способом.

Анализ влияния параметров излучения лазера, работающего на основной моде ТЕМоо, показывает, что наиболее существенное влияние на погрешность измерения размера контролируемого объекта оказывает распределение фазы и амплитуды поля.

Изменение распределения фазы поля в плоскости отверстия происходит из-за наклона объекта или наклонного падения излучения, а также из-за расходимости пучка излучения. При наклоне контролируемого объекта на угол & относительно плоскости волнового фронта падающего излучения, фаза поля в плоскости отверстия изменяется по линейному закону, при этом проекция отверстия принимает вид эллипса, а размер проекции отверстия 2а' = 2а сое 9, уменьшается относительно размера контролируемого отверстия. Величина относительного изменения размера

проекции отверстия более 1% происходит при его наклоне более чем на 8° [3].

Если отверстие смещено вдоль оптической оси из плоскости перетяжки пучка, на него падает излучение со сферическим волновым фронтом, а распределение фазы изменяется по квадратичному закону. При значительном изменение фазы поля по квадратичному закону (при р>0.1я, где Р — отклонение фазы на краю облучаемого отверстия) в основном происходит изменение распределения интенсивности в ДК и

сигиале /ё(м) (рис.9а, рис.9б), где заполняются минимумы ДК, при этом изменение интервалов между точками экстремумов в ДК и сигнале /к(м) незначительное (тысячные доли процента) [1, 3]. В сигнале /8(к) нарушается выравнивание интенсивности максимумов, в основном в области первого периода [3].

100. ОТН.ВД.

0.04 /V Л

4 /—

0.01 0.0 ^ ¡j\

-

1.0 о.а о.о

0.1 о.о

А А

/ ¡¡\i í Al 11 т

м м

J; \

/ K7 У У и \i

11.ВСД. *

а б

Рис.9 Видоизменение ДК (а) и сигнала /„(г/) (б) при квадратичном распределении фазы поля: 1 -/}= 0; 2- 0.1 к, 3 -р= 0.2лг, 4 -р= 0.3я.

При изменении отношения размера контролируемого отверстия к размеру гауссова пучка, а также при смещении отверстия относительно центра гауссова пучка изменяется неравномерность распределения амплитуды поля в плоскости отверстия.

Дифракция пучка излучения с гауссовым распределением амплитуды на отверстии круглой формы, смещающемся в нем, описывается выражением [1]:

2

/(и, ф) ~ a4 i J ¡Aq ■ ехр[- (а2 г2 + 2агт • cos(cp) + т2 )]• ехр[/'ги • cos(cp - ср* )]• rdrdq> i , LOO J

где A0 — амплитуда поля в центре гауссова пучка; OL = a/we — отношение радиуса

отверстия к радиусу пучка; m — i/we — отношение величины смещения отверстия к

радиусу гауссова пучка; i — величина смещения центра отверстия относительно

центра гауссова пучка; р, ф* — полярные координаты; г = р/а; и — текущая

переменная; ф, G — углы дифракции. Варьируя относительными параметрами а и т, в диапазоне от 0 до 0.5, моделировалось изменение размера отверстия и его смещение в гауссовом пучке. Анализ результатов вычислений показывает, что от величины параметра а более всего зависят интервалы между минимумами интенсивности ДК и сигнала /^(м,ф). Менее всего (5 ¿ 0.1%) от параметра а зависят интервалы между максимумами интенсивности в сигнале Ig(u, ф), где изменяется на 0.5% только интервал между первым и вторым его максимумом, при величине параметра а = 0.4.

Неэквидистантность интервалов между минимумами интенсивности дифракционной картины Эйри монотонно уменьшается при 2 увеличении параметра а от 0 до 0.38. При а = 0.38 ДК Эйри становится эквидистантной (рис.10).

Смещение круглого отверстия в гауссовом

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

пучке оказывает наибольшее влияние на а, отн. ед.

изменение интервалов между минимумами ££ ¡S^STSST^S интенсивности ДК в ее радиальном сечении, от параметра а

(п- порядковый номер интервала)

плоскость которого совпадает с направлением

смещения отверстия (ср = 0°;<р = 180°). По мере поворота секущей плоскости, влияние смещении отверстия в пучке на размер интервалов между минимумами интенсивности в ДК монотонно уменьшается и достигает наименьших значений в

сечении, ортогональном направлению смещения отверстия (ф = 90°;ф = 270°). При увеличении параметра а влияние смещения отверстия (параметр т) в гауссовом пучке на изменение интервалов между экстремумами ДК увеличивается [1]. Установлено, что в сигнале Ig(u,ф) интервалы между максимумами интенсивности

практически инвариантны (8 < 0.1%) к смещению отверстия в гауссовом пучке, при этом сохраняется незначительная неэквидистантность интервалов между максимумами интенсивности.

Моделирование воздействия аддитивной помехи показывает, что погрешность измерения интервала xi p (i, р - порядковые номера экстремумов сигнала) между

экстремумами сигнала £/(/)= U0 '[ЗЛС^оО/^о']2 °гг периода к периоду интенсивно возрастает и составляет менее 1% только между первым и вторым минимумом при отношении сигнал/шум 100. Что, при широкой полосе частот, занимаемой сигналом U(f), на практике является трудно выполнимой задачей, а подавление аддитивной помехи, за время сравнимое с периодом полезного сигнала, традиционными методами малоэффективно. Погрешность фиксирования моментов появления экстремума в сигнале U(t) увеличивается настолько быстро, что даже практически безотказный метод накопления (увеличение числа периодов, используемых для формирования интервала времени т¡р) приводит к обратному результату - к увеличению

погрешности измерения интервала между экстремумами сигнала (см. табл.1) [13]. Применение метода весовой обработки, с использованием оптимальной весовой функции, коренным образом изменяет характер воздействия аддитивной помехи на

погрешность измерение интервала x¡p в сигнале Ug(t)-^o-sin2((o0t) [13].

Погрешность измерения любого периода сигнала Ug (J) составляет не более 0.7% при

отношении сигнал/шум 10, и начинает эффективно работать метод накопления. В таблице 1 приведены результаты моделирования работы метода накопления, где показаны величины относительной погрешности ±Дт/р измерения интервала p

между первым и пятью последующими минимумами сигналов U{t) и £/„(/).

Таблица 1

Погрешность измерения интервалов между экстремумами в сигнале £/(/) и Ug(t)

Анализируемый сигнал Отношение сигнал-шум Относительная погрешность ± Др измерения интервалов между экстремумами сигнала СД0 и и(0 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6

U(t) 10 100 2% 0.7% 5% 1.7% 11% 3.6% 20% 6.6% 32% 11%

и g«) 10 100 0.7% 0.2% 0.3% 0.1% 0.2% 0.07% 0.16% 0.06% 0.13% 0.05%,

Применяя критерий допустимой погрешности, исследовано влияние ширины спектра пропускания электронных узлов дифрактометра на погрешность измерения, возникающую из-за искажений сигнала. Численным методом моделировалось преобразование сигналов £/(/) и Ug(t), проходящих через фильтр нижних частот [2].

В работе показано, что при выравнивании амплитуды сигнала полоса пропускания электронных узлов дифрактометра сужается практически в десять раз и не превышает Зсзо, что согласуется с данными, полученными в разделе 2. В таблице 2 приведены значения частоты среза сос фильтра нижних частот в единицах Шо, соответствующие погрешности Дт измерения интервала между экстремумами сигналов U(t) и Ug(t).

Таблица 2

Значения частоты среза сос фильтра нижних частот в единицах сор

Анализируемый Дт, %

сигнал 0,05% 0,1% 0,2% 0,5% 1,0% 2,0% 5,0%

U(t) 47сс>о 39со0 31со0 23со0 17юо 14соо Юш0

Ug(t) 3.9соо 3.2ю0 2.7ю0 2.2соо 1.9©о 1.5«>о 1.3соо

Пятый раздел работы посвящен практической реализации дифракционного метода измерения. В разделе описаны разработанные лазерные дифрактометры:

• Лазерный телевизионный дифракционный измеритель диаметра микроотверстия;

• Лазерные дифракционные измерители диаметра (ДИД) микропроволоки [4].

Разработанные дифрактометры ДИД работают в автоматическом режиме. В

дифрактометрах осуществляется сканирование и преобразование распределения интенсивности ДК во временной электрический сигнал, применяя различные приемы пространственной и пространственно-временной фильтрации сигнала [5,11,12].

Дифрактометры ДИД-4, ДИД-4м, ДИД-5 и ДИД-8 разработаны для измерения диаметра микропроволоки в диапазоне размеров - 10 500 мкм; с повторяемостью измерения 1%. В дифрактометре ДИД-4м сглаживание интенсивности дифракционных максимумов осуществляется амплитудным пространственным фильтром с переменной плотностью, изготовленным из фотоматериалов. В дифрактометре ДИД-8 применен оригинальный метод амплитудной пространственно-временной фильтрации, основанный на изменении мощности излучения лазера по заданному закону синхронно со сканированием ДК [11, 12]. Для его реализации использован Не—Ые лазер с поперечной накачкой, который генерировал импульсы излучения специальной формы синхронно со сканированием ДК.

Дифрактометр ДИД-7 разработан для контроля диаметра микроотверстий в диапазоне размеров 10 -г 80 мкм., с повторяемостью измерения 1%. Прибор работает в двух режимах: 1 — измерение диаметра микроотверстия; 2 - контроль формы микроотверстия по его дифракционной картине. В приборе реализован оригинальный способ регистрации ДК, использующий бинарную пространственную фильтрацию [5], и оригинальное устройство для выделения измерительной информации [6].

Разработанные дифрактометры, изготовлены по заказам промышленных и исследовательских предприятий. Испытания дифрактометров подтвердили возможность их использования для измерения диаметра микроотверстий и микропроволоки, ширины щелей. Дифрактометр ДИД-4м прошел метрологическую аттестацию, по результатам которой включен в метрологическую схему министерства электронной промышленности и допущен к применению в качестве рабочего средства измерения поперечного размера микропроволоки в диапазоне размеров 10-г60 мкм. с основной допускаемой погрешностью 1,16 ± 0.01%.

Заключение

В диссертационной работе разработаны способы выделения и оптимального преобразования измерительного сигнала в лазерной дифрактометрии. Исследованы основные причины, препятствующие высокоточному измерению линейных размеров микрообъектов дифракционным способом, возникающие из-за высокой скорости затухания интенсивности максимумов дифракционной картины, воздействия аддитивной и возникновения параметрических помех. Рассмотрены пути их решения.

1. Предложен новый дифракционный способ измерения линейного размера микронных объектов, основанный на анализе сигнала в фазовом пространстве.

2. Разработан и экспериментально апробирован способ амплитудной пространственно-временной фильтрации сигнала из дифракционной картины.

3. Разработан и экспериментально апробирован способ бинарной пространствешю-временной фильтрации сигнала из дифракционной картины.

4. Показано, что неэквидистантность интервалов между минимумами интенсивности дифракционной картины Эйри монотонно уменьшается до нуля при увеличении параметра а от 0 до 0.38; после выравнивания интенсивности максимумов дифракционной картины Эйри интервалы между ними практически инвариантны (5<0.1%) к смещению контролируемого объекта в гауссовом пучке.

5. Исследовано влияние ограничения практической ширины спектра сигнала и воздействие аддитивной помехи па погрешность измерения. Показано, что выравнивание интенсивности максимумов дифракционных картины позволяет сузить практическую ширину спектра сигнала более чем в десять раз, что позволяет эффективно подавлять аддитивную помеху традиционными методами.

6. Разработаны два типа автоматизированных лазерных дифрактомстров:

- лазерный дифракционный измеритель диаметра микропроволоки;

- лазерный телевизионный дифракционный измеритель диаметра микроотверстия.

7. Разработанные лазерные дифрактометры апробированы в лабораторных и промышленных условиях эксплуатации при измерении микроотверстий в диапазоне размеров 104-80 мкм., и микропроволоки в диапазоне 10-г-500 мкм.

8. Дифрактометр ДИД-4м прошел метрологическую аттестацию, и допущен к применению в качестве рабочего средства измерения размера микропроволоки в диапазоне 10-5-60 мкм., с относительной погрешностью измерения 1,16±0.01%.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Митрофанов A.C., Фефилов ГД. Оценка влияния расходимости лазерного излучения и положения измеряемого отверстия в гауссовом пучке на погрешность дифракционного метода измерения// Изв. вузов Приборостроение. 1989. Т. XXXII. № 7. С. 58-62.

2. Митрофанов A.C., Фефилов Г.Д. Анализ спектра сигналов и определение полосы пропускания дифракционного измерительного преобразователя// Изв. вузов Приборостроение. 1989. Т. XXXII. № 11. С. 69-73.

3. Митрофанов A.C., Фефилов Г.Д. Влияние неравномерности распределения фазы поля на круглом отверстии на погрешность дифракционного метода измерения. В научно-техническом вестнике СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск №4,2001. С. 74-80.

4. Митрофанов A.C., Тарлыков В-А., Фефилов ГД. Лазерные дифракционные измерители диаметра ДИД-4, ДИД-5// ПТЭ. 1984. № 3. С. 242.

5. Митрофанов A.C., Тарлыков В.А., Фефилов Г.Д. Устройство для измерения размера изделия Ас. №. 1312385. Б.И. 1987. № 19.

6. Соколов В.И., Фефилов ЛД Устройство для определения момента экстремума A.c. №.1292171. Б.И. 1987. №7.

7. Соколов В.И., Фефилов ГД. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления A.c. №. 1469352. Б.И. 1989. №12.

8. Соколов В.И., Фефилов ГД., Митрофанов A.C. Устройство для измерения геометрических параметров изделий A.c. № 1379623. Б.И. 1988. № 9.

9. Соколов В.II., Фефилов ГД., Митрофанов A.C. Устройство для измерения размера изделия A.c. № 1395950. Б.И. 1988. № 18.

10. Тарлыков В.А., Фефилов ГД., Храмов В.Ю. и другие. Исследование особенностей взаимодействия оптического излучения с элементами лазерных систем и биологическими объектами. Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск №16,2004. С. 120-131.

11. Фефилов ГД. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления A.c. № 1357701. Б.И. 1987. № 45.

12. Фефилов ГД. Метод повышения точности лазерной дифракционной измерительной системы// Материалы YII Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия, и ее метрологическое обеспечение" Москва, 1988. С. 281.

13. Фефилов ГД. Применение метода весовой обработки для уменьшения влияния аддитивной помехи на погрешность измерения ширины колец дифракционной картины Эйри// Изв. вузов Приборостроение. 2006. Т. XXXXIX. № 9. С. 63-67.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)233 4669 Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛАЗЕРНАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ

1.1. Практическое использование дифрактометрии. Объекты дифрактометрии

1.2. Дифракция на плоских экранах; основные свойства

1.2.1. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии в плоском экране; основные свойства

1.2.2. Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии в плоском экране; основные свойства

Выводы

2. ДИФРАКЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. Уравнение измерений дифракционного метода

2.2. Анализ способов выделения измерительной информации

2.2.1. Дифракционный способ, основанный на измерении интенсивности в фиксированной точке плоскости регистрации дифракционной картины

2.2.2. Дифракционный способ, основанный на измерении интервала между экстремумами дифракционной картины

2.2.3. Дифракционный способ, основанный на анализе спектра сигнала

2.2.4. Дифракционный способ, основанный на анализе сигнала в фазовом пространстве

2.2.5. Сравнительный анализ дифракционных способов измерения

2.3. Структурная схема дифракционного измерителя, анализ основных его узлов 43 Выводы

3. ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА

В ЛАЗЕРНОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ

3.1. Анализ спектра и преобразование измерительного сигнала дифракционного измерителя

3.2. Синтез оптимальной весовой функции. Анализ методов ее реализации

3.3. Амплитудная пространственно-временная фильтрация

3.4. Бинарная пространственно-временная фильтрация

3.5. Экспериментальное исследование метода амплитудной пространственно-временной фильтрации

3.6. Экспериментальное исследование метода бинарной пространственно-временной фильтрации 74 Выводы

4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ НА ДИФРАКТОМЕТРИЮ МИКРООБЪЕКТОВ

4.1. Влияние параметров лазерного излучения на дифрактометрию микрообъектов

4.1.1. Влияние гауссова распределения амплитуды поля на погрешность дифракционного метода измерения

4.1.2. Влияние неравномерности распределения фазы поля на круглом отверстии на погрешность дифракционного метода измерения

4.2. Влияние ограничения ширины спектра сигнала на погрешность дифракционного метода измерения

4.3. Влияние аддитивной помехи на погрешность дифракционного метода измерения

Выводы

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИФРАКТОМЕТРОВ И

ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУКЕ

5.1. Лазерные дифрактометры

5.1.1. Дифракционные измерители диаметра микропроволоки - ДИД-4, ДИД^м, ДИД

5.1.2. Дифракционный измеритель диаметра микропроволоки - ДИД

5.1.3. Дифракционный измеритель диаметра отверстия ДИД

5.2. Практическое использование дифрактометров серии ДИД 115 Выводы

В науке и технике измерения занимают одно из центральных мест. Проведение прецизионных измерений в науке и технике, биологии и медицине, разработка технологий новых видов материалов, развитие таких отраслей промышленности как приборостроение, микроэлектроника, станкостроение; интенсивное развитие современного производства, создание прецизионных устройств различного назначения, увеличение их качества и надежности невозможно без разработки и создания высокоточных средств измерения.

Свойства и параметры изделия зависят от точности воспроизведения его линейных размеров, отклонение размеров за границы допуска приводит не только к ухудшению технических характеристик, но и нарушению функционирования и выходу изделий из строя. Уменьшение размеров изделий является одним из путей, с помощью которого современное приборостроение, микроэлектроника и инструментальное производство достигает принципиально новых показателей. За последние годы минимальные размеры изделий, подлежащих контролю, сократились до единиц и долей микрометров, и появляются изделия с элементами субмикронного размера. Изделия, имеющие малые поперечные размеры выпускаются электротехнической, металлургической, кабельной, радиоэлектронной, приборостроительной, оптической промышленностью. Поперечный размер изделия (размер микроотверстия и микрочастицы, толщина нити, проволоки, волокна, ширина проводника или ленты и т.п.), является одним из важнейших параметров, определяя в значительной степени допустимые механические, электрические и иные параметры изделий. Например, стабильность параметров по длине изделия или допустимый разброс диаметра микроотверстий оказывает влияние на качество, надежность, точность, механические и электрические характеристики и прочие параметры более сложных устройств электроизмерительных приборов, электрических двигателей, тензорезисторов, воздушных подшипников, двигателей внутреннего сгорания, устройств на основе композиционных материалов, оптических приборов и многих других. Поэтому поперечный размер изделий имеет жесткий технологический допуск, так, в соответствии с ГОСТ 18003-73 технологический допуск на вольфрамовую проволоку диаметром 10 мкм. составляет ±1.5 % от номинального размера.

С помощью высокоточных средств измерения малых размеров удается решить широкий круг задач, связанных с исследованием в биологии и медицине. Это - определение размеров клеток и других биологических объектов, внутриклеточных образований, а также определение толщины клеточных оболочек, мембран в функционирующем микроорганизме. Появляется возможность быстрого, бесконтактного обнаружения физиологических и морфологических изменений в клетках, автоматической сортировки их в проточной системе, проводить быстрый диагностический анализ, диагностировать заражение и последствия облучения. В частности, большое значение в медицине имеет измерение линейных размеров клеток крови животных и человека. Это нужно для выявления реакции организма на воздействия, обусловленные влиянием различных факторов.

Уменьшение размеров подлежащих контролю изделий и объектов предъявляет повышенные требования к средствам контроля линейных размеров, в которых должны сочетаться:

• высокая точность измерения в диапазоне микронных размеров;

• широкий и непрерывный рабочий диапазон измерения;

• измерение объекта без механического контакта с ним;

• малое время съема измерительной информации;

• высокая производительность и малая локальность измерения;

• не жесткое положение контролируемого объекта в зоне измерения;

• простота реализации и удобство пользования измерителем.

Контроль геометрических параметров изделий с малыми линейными размерами (5 - 500 мкм.) в настоящее время осуществляется с помощью различных средств измерения /СИ/, которые делятся на две основные группы: контактные и неконтактные [96,101].

Несмотря на широкое внедрение в производство контактные СИ не всегда удовлетворяют все возрастающим требованиям к таким параметрам как погрешность измерения, производительность и рабочий диапазон размеров. Многие контактные СИ на практике сложно автоматизировать.

Неконтактные СИ применяются для контроля размеров и формы изделий, контроля отдельных видов геометрических параметров (контроль диаметра тонких нитей и малых отверстий, их отклонений от круглой формы, измерение шероховатости поверхности и т.п.), к ним относятся емкостные [114], пневматические, оптические и оптико-электронные устройства [96].

Для контроля малоразмерных изделий широкое распространение получили оптические методы измерения с использованием инструментальных, телевизионных и электронных микроскопов, а также проекционных измерительных приборов. Основными преимуществами оптических методов контроля являются неконтактность, высокая точность измерения, высокое пространственное разрешение, информация о форме изделия и взаимном расположении отдельных элементов, относительно небольшое время съема измерительной информации.

Особую сложность представляет измерение и контроль размеров в диапазоне от 100 микрометров и менее, так как этот диапазон размеров находится на пределе разрешающей способности многих видов оптических измерительных приборов. Погрешность измерений изделий с такими размерами не должна превышать 1 - 0.01 микрометров, а на практике, в зависимости от метода измерения и типа прибора, погрешность составляет до нескольких десятков процентов от измеряемой величины.

Трудности высокоточных измерений изделий с размерами менее 100 микрометров ставят задачу разработки специализированных методов измерения. Для решения этой задачи наиболее перспективными являются когерентно-оптические методы измерений, а среди них - дифракционный. Дифракционные явления, физически ограничивающие предельные возможности многих оптических приборов, позволяют, при использовании излучения с высокой степенью когерентности, проводить высокоточные измерения размеров контролируемых объектов. В основу работы дифракционного метода измерения положена однозначная зависимость параметров пространственного фурье-образа контролируемого объекта от его геометрических параметров.

Разработка алгоритмов измерения строится на различиях в выполняемых при проведении измерительной процедуры преобразованиях измерительного сигнала. К основным свойствам измерительных алгоритмов, нацеленных на обеспечение необходимой точности измерения, следует отнести инвариантность, оптимальность, робастность. Очевидно, что разработка и применение оптимальных алгоритмов измерений может обеспечить достижение наивысшего метрологического уровня. Имеется в виду, что, оптимизация алгоритма рассматривается как оптимизация составляющих его преобразований с учетом их последовательности. Принципиальным ограничением для применения оптимальных алгоритмов является недостоверность априорных сведений об условиях проведения измерений.

Результат измерения, как правило, отличается от истинного значения измеряемой величины. При этом точность измерений уменьшается как из-за отличия реальных характеристик звеньев измерительной цепи от номинальных, так и за счет влияющих факторов. В силу специфики образования дифракционной картины (ДК) на погрешность работы дифрактометра оказывают влияние параметры поля облучающего контролируемый объект, также на результат измерения оказывает влияние несогласованность характеристик и параметров измерительного сигнала и узлов измерительного преобразователя и воздействие аддитивной помехи. Наибольшие трудности возникают при измерении двумерных изделий, в частности круглой формы, где претерпевшая дифракцию световая энергия образующая ДК рассеяна на 360°. Интервалы между максимумами и между минимумами интенсивности ДК неэквидистантны, а скорость спада интенсивности максимумов более высокая, чем в ДК длинномерного изделия или изделия прямоугольной формы.

Практическое использование дифракционных методов затрудняется из-за отсутствия разработанных оптимальных алгоритмов измерения доведенных до уровня инженерных методик решения обратной задачи - нахождение размера объекта по дифракционной картине.

Таким образом, разработка дифракционного метода измерения геометрических параметров микроотверстий и тонких длинномерных изделий, исследование специфических вопросов влияния параметров лазерного излучения на ДК и результат измерения, оптимальное преобразование сигнала с целью выделения полезной измерительной информации, которым посвящена данная диссертационная работа, представляется весьма актуальным.

Цели и задачи работы - разработка и исследование способов выделения и оптимального преобразования измерительного сигнала в лазерной дифрактометрии микрообъектов, обеспечивающих практическую инвариантность информативного параметра измерительного сигнала к влиянию помех и высокий метрологический уровень. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. выполнить анализ способов выделения измерительной информации в дифрактометрии и разработать новый способ, обладающий положительными качествами известных дифракционных способов;

2. разработать и экспериментально исследовать способы оптимального преобразования дифракционной картины во временной электрический сигнал;

3. методом имитационного моделирования исследовать основные факторы, оказывающие влияние на погрешность измерения микрообъектов дифракционным методом, определить пути, обеспечивающие инвариантность информативного параметра сигнала к влиянию помех;

4. создать лазерные дифрактометры, предназначенные для измерения поперечного размера микроотверстий и тонких длинномерных изделий. Структурно диссертационная работа состоит из четырех разделов, введения, заключения, приложения и списка литературы.

В первом разделе работы приводятся основные свойства дифракционной картины Фраунгофера классических объектов; формулируются основные проблемы лазерной дифрактометрии. В разделе анализируются характеристики и параметры основных дифракционных способов измерения. Сравнительный анализ дифракционных способов измерения показывает, что наиболее перспективным является: способ, основанный на измерении интервала между экстремальными точками дифракционной картины. К основным достоинствам выделенного способа лазерной дифрактометрии следует отнести: увеличение чувствительности при уменьшении размера контролируемого объекта, непрерывный, широкий рабочий диапазон, инвариантность результата измерения от флуктуаций мощности излучения лазера и амплитуды измерительного сигнала. Методами формальной метрологии описан измерительный алгоритм дифракционного метода, в виде уравнения измерения, раскрывающее содержание измерительных процедур как последовательность операторов, характеризующих возникновение сигнала и выполняемые измерительные преобразования. На основании уравнения измерения представляющего дифракционный способ измерения синтезирована структурная схема дифрактометра, проведен анализ его основных узлов.

Второй раздел работы посвящен особенностям преобразования измерительного сигнала в лазерной дифрактометрии. Проведен анализ спектра сигнала. Разработана методика синтеза весовой функции необходимой для оптимального преобразования сигнала, рассмотрены методы её реализации. Критерием оптимальности преобразования сигнала является максимальное сужение практической ширины его спектра, не приводящее к потере измерительной информации о размере контролируемого объекта. Рассмотрен метод бинарной пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала из ДК с использованием весовой функции. Проведена экспериментальная проверка метода бинарной пространственно-временной фильтрации.

В третьем разделе проведен анализ влияния помех на дифрактометрию микрообъектов: рассмотрено влияние параметров лазерного излучения, таких как неравномерность распределения амплитуды и фазы облучающего поля в плоскости контролируемого объекта; рассмотрено влияние ограничения ширины спектра сигнала и влияние аддитивной помехи на погрешность измерения. Показано, что выравнивание интенсивности максимумов ДК делает практически инвариантными интервалы между максимумами интенсивности и отношение производных нечетных порядков в измерительном сигнале к смещению контролируемого объекта в гауссовом пучке. В результате выравнивания интенсивности максимумов ДК практическая ширина спектра сигнала сузилась более чем в десять раз, при этом амплитудная погрешность дифференцирования измерительного сигнала = 0.2-0.5%, а погрешность определение моментов экстремума в нем 1% - 0.1% при отношении сигнал/шум соответственно 10-100.

Четвертый раздел работы посвящен практической реализации метода лазерной дифрактометрии. В нем приведено описание разработанных дифрактометров микроотверстий и тонкой проволоки. В приложении приведены акты внедрения.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ амплитудной пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала дифракционной картины;

2. Способ бинарной пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала дифракционной картины;

3. Результаты исследований влияния помех на величину погрешности измерения размера микрообъекта дифракционным способом, позволившие определить оптимальное преобразование сигнала, при котором информативный параметр, содержащийся в сигнале, практически инвариантен к смещению контролируемого объекта в гауссовом пучке, а ширина спектра пропускания электронных узлов дифрактометра сужена более чем в десять раз, что способствует уменьшению влияния аддитивной помехи и достижению высокого метрологического уровня;

4. Измерительные приборы - автоматизированные оптико-электронные лазерные дифрактометры микроотверстий и тонких длинномерных изделий.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Используя результаты выполненных исследований, разработан ряд автоматизированных оптико-электронных лазерных дифрактометров.

2. С помощью разработанных лазерных дифрактометров:

• увеличена достоверность измерения диаметра калибрующего отверстия алмазных волок и микроотверстий круглой формы в изделиях специального назначения;

• реализовано метрологическое обеспечение изготовления прецизионной цилиндрической микропроволоки, используемой для изготовления ряда высокоточных изделий выпускаемых электронной промышленностью. Практическая значимость работы подтверждается:

1. созданием серии автоматизированных лазерных дифрактометров;

2. практическим использованием и внедрением результатов выполненных исследований и разработанных способов и устройств в лазерных дифрактометрах;

3. универсальностью разработанных способов амплитудной и бинарной пространственно-временной фильтрации полезного измерительного сигнала из дифракционной картины;

4. метрологической аттестацией лазерного дифрактометра ДИД-4м;

5. получением шести авторских свидетельств на способы и устройства измерения и обработки измерительной информации.

В диссертационной работе все расчеты и моделирование выполнены для дифракционной картины Фраунгофера объектов типовой формы и в пренебрежении толщиной объекта, то есть для тонких плоских экранов.

Выводы

Результаты теоретического анализа дифракционных способов измерения, разработка способов амплитудной и бинарной пространственно-временной фильтрации сигнала, исследование влияния параметров лазерного излучения, исследование влияния аддитивной помехи и определение ширины спектра пропускания электронных узлов позволили разработать два типа лазерных дифрактометров:

• лазерные дифракционные измерители диаметра и некруглости формы сечения микронной проволоки и косвенного измерения диаметра и некруглости волоки (ДИД-4, ДИД-4м, ДИД-5, ДИД-8);

• лазерный телевизионный дифрактометр диаметра микроотверстия (сопла) (ДИД-7);

Дифракционные измерители диаметра проволоки и косвенного диаметра волоки прошли испытания в промышленных условиях. Был измерен диаметр проволоки, профиль сечения углеродных волокон.

Лазерные телевизионные дифрактометры микроотверстия были испытаны на образцах отверстий, изготовленных методом прокалывания, методом лазерного сверления, а также на алмазных волоках.

Дифрактометр ДИД-4м прошел метрологическую аттестацию, по результатам которой включен в метрологическую схему, и допущен к применению в промышленных условиях в качестве рабочего средства измерения поперечного размера микропроволоки в диапазоне размеров 10+60 мкм.

Результаты испытаний показали преимущества дифракционного способа измерения по сравнению с другими способами измерения.

Заключение

В диссертационной работе сформулированы основные проблемы, возникающие при выделении измерительной информации из дифракционной картины и преобразовании сигнала в лазерном дифрактометре, это: высокая скорость затухания интенсивности максимумов ДК и воздействие аддитивной и мультипликативных помех.

1. Предложен новый дифракционный способ измерения линейного размера микронных объектов, в основу которого положен метод анализа сигнала в фазовом пространстве. Новый дифракционный способ измерения в совокупности обладает основными достоинствами известных дифракционных способов.

2. Методами формальной метрологии, в виде уравнений измерения, описан дифракционный способ измерения микронных объектов.

3. Разработана методика синтеза весовой функции для оптимального преобразования дифракционной картины. В основу синтеза положены спектральные преобразования сигнала направленные на сокращение избыточности и повышение информативности получаемых спектральных признаков.

4. Разработан и экспериментально апробирован способ амплитудной пространственно-временной фильтрации полезного сигнала из ДК, с использованием оптимальной весовой функции.

5. Разработан и экспериментально апробирован способ бинарной пространственно-временной фильтрации полезного сигнала из ДК, с использованием оптимальной весовой функции.

6. Осуществляя имитационное моделирование, проведен анализ влияния параметров лазерного излучения на дифрактометрию микрообъектов; получены графические зависимости величины погрешности измерения от величины отношения размера объекта и величины его смещения к размеру гауссова пучка, показано:

- интервалы между минимумами и между максимумами интенсивности в пространственном сигнале I (и,(р) (после выравнивания интенсивности максимумов ДК) практически инвариантны к смещению контролируемого объекта в гауссовом пучке;

- интервалы между минимумами ДК круглого отверстия и пространственного сигнала Ig(u,i р) становятся практически эквидистантными, при отношении размера отверстия к размеру гауссова пучка равным ~ 0.38.

7. Проведено исследование влияния ограничения ширины спектра пропускания электронного тракта дифрактометра и воздействие аддитивной помехи. Показано, что выравнивание интенсивности максимумов ДК позволяет сузить полосу пропускания более чем в десять раз (до величины Зш0), что способствует эффективному подавлению аддитивной помехи.

8. Разработано два типа лазерных дифрактометров:

- Дифракционные измерители диаметра проволоки и косвенного диаметра волоки;

Лазерный телевизионный дифрактометр диаметра микроотверстия.

9. Проведена апробация разработанных лазерных дифрактометров в лабораторных и промышленных условиях эксплуатации на таких объектах как микропроволока в диапазоне размеров 10+500 мкм., и микроотверстия в диапазоне размеров 20+80 мкм.

10. Дифрактометр ДИД-4м прошел метрологическую аттестацию, по результатам которой включен в метрологическую схему, и допущен к применению в промышленных условиях в качестве рабочего средства измерения поперечного размера микропроволоки в диапазоне размеров 10+60 мкм., с относительной погрешностью измерения 1,16±0.01%.

1. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. - М.: Связьиздат, 1957.

2. Александров В.К., Биенко Ю.Н., Ильин В.Н. Оптико-электронные средства размерного контроля технологических микрообектов. Мн.: Наука и техника, 1988. 240 с.

3. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1959,

4. Анисимов М.П., Сгонов A.M. Пространственный спектр протяженного круглого отверстия// Автометрия, 1987. № 1. С. 41-43.

5. Антенны сантиметровых волн. / Пер. с англ. Под ред. Я.Н. Фельда, М.: Издательство "Советское радио", 1950. 319 с.

6. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Б., Чиркин Н.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М: Наука, 1981. 640 с.

7. Астромскис B.C., Василяускас Р.С., Палявичус Ф.П., Рагульскис К.М. Способ контроля чистоты поверхности// А.с. № 137961. Опубл., Б.И. 1988. № 9.

8. Балашов Е.П., Смолов В.Б. и др. Информационные системы: табличная обработка информации. Под ред. Е.П. Балашова и В.Б. Смолова. Энергоиздат, Лен. Отделение, 1985. 184 с.

9. Барт М.А., Тараненко А.В., Фельдман С.В., Ханонкин А.А. Дифрактометрический контроль волок малых диаметров// Алмазы и сверхтвердые материалы. Н.-т. реф. сб. М.: НИИмаш, 1976. Вып. 7. С. 21-22.

10. Беклемишев Н.Н., Беневоленский С.Б, Истомина Н.А., Копылов П.В. Повышение точности дифрактометрического метода измерения геометрических элементов микрорельефа интегральных схем// Измерительная техника, 1998. № 3. С. 13-14.

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

12. Боярчук К.А., Виноградов В.В., Воляк К.И., Краснослободцев А.В. Определение размеров железо-марганцевых конкреций с помощью оптической обработки изображений морского дна/ Препринт № 324. АН СССР. М., 1985. 25 с.

13. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике,- М.: Наука, 1980. 976 с.

14. Бутиков Е.И. Оптика: Учебное пособие для вузов/ Под ред. Н. И. Калитеевского.- М.: Высш. шк., 1986. 512 с.

15. Бурдун Т.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1975. 336 с.

16. Быстров Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М.: Радио и связь, 1988. 168 с.

17. Бычков P.M., Коронкевич В.П., Чугуй Ю.В. Измерение параметров резьбы методами когерентной оптики. ОМП, 1977. № 11. С. 50-55.

18. Бычков P.M., Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Повышение точности дифракционных методов размерного контроля// Автометрия, 1984. № 3. С. 75-84.

19. Ваганов Р.Б., Кацеленбаум Б.З. Основы теории дифракции. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 272 с.

20. Васильев Б.А. и др. Использование методов оптического моделирования для исследования зеркальных несинфазных антенн// Автометрия, 1977. № 2. С. 105-110.

21. Весельев В.М., Лизунов В.Д., Загарских С.А. Лазерная дифракционная установка для измерения малых линейных размеров// Измерительная техника, 1990. № 2. С. 19-21.

22. Волгин Л.И. Методы построения измерительных устройств с малой аддитивной погрешностью. Измерения, контроль, автоматизация, 1977. № 3 (11). С. 11-20.

23. Владимиров С.Н., Савин А.И., Шац Я.Б., Котлецов Б.Н., Туркевич Ю.Г. Способ измерения размеров тестовых элементов рисунка фотошаблонов// А.с. № 643747. Опубл. Б.И, 1979. №3.

24. Волински В., Новицки М., Бадзяк В. Способ бесконтактного измерения диаметров проводов, волокон, струй жидкости и ширины щелей// А.с. № 358869. Опубл. Б.И, 1972. №34.

25. Волков В.В., Герасимов Л.Л., Ларионов Ю.В., Мичков А.Н., Склянкин В.Д. Устройство для измерения линейных размеров и формы элементов на плоских объектах с дифракционными тестовыми структурами// А.с. № 966491. Опубл. Б.И, 1982. №38.

26. Гагина Н.М., Ринкевичюс Б.С. Влияние размера гауссова пучка на точность дифракционных измерений//Измерительная техника, 1997. № 11. С. 30-32.

27. ГОСТ 1.25-76. ГСС. Метрологическое обеспечение. Основные положения.-12 с.

28. ГОСТ 8.000-72. ГСИ. Основные положения. М.: 1972. 4 с.

29. ГОСТ 16263-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения. М., 1970. 54 с.

30. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. 38 с.

31. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. Пер. с англ./ Под ред. Г.И. Косоурова. М.: Мир, 1970.364 с.

32. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. -Л.: Энергоиздат. Лен.Отд-ние, 1990. 192 с.

33. Гутников B.C. Методы реализации специальных весовых функций в измерительных устройствах. Измерения, контроль, автоматизация, 1983. № 2 (46). С. 3-15.

34. Демочко Ю.А., Ребрин Ю.К. Устройства управления лазерным излучением. Радиотехника, 1976. Т. 19. 218 с.

35. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z -преобразования. -М.: Наука, 1971. 288 с.

36. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам/ Пер. с англ. -М.: Энергоиздат, 1983.

37. Евсеенко Н.И., Козачок А.Г., Солодкин Ю.Н. Анализ дифракционных способов измерения линейных размеров// Метрология, 1984. № 2. С. 17-23.

38. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. JL: Энергия, 1971. 528 с.

39. Заездный A.M. Характеристики инвариантности измерительных систем и возможности их улучшения// Известия ВУЗов. Сер. Приборостроение, 1972. № 12.

40. Зверев В.А. Радиооптика (преобразование сигналов в радио и оптике). М.: Издательство "Советское радио", 1975. 304 с.

41. Звонарев C.JL, Кийко В.В., Наумова В.Л., Тарлыков В.А. Особенность дифрактометрии линейных размеров единичных элементов микроэлектроники// Измерительная техника, 1989. № 11. С. 42-43.

42. Зоммерфельд А. Оптика. М.: Издательство Иностранной Литературы, 1953. 486 с.

43. Иваницкий Г.Р., Куниский А.С. Исследование микроструктуры объектов методами когерентной оптики.-М.: Энергия, 1981. 168 с.

44. Иванов Б.Р., Циделко В.Д. Принципы построения высокоточных аналоговых дифференциаторов. Измерения, контроль, автоматизация, 1984. № 2 (50). С. 38-49.

45. Ильин В.Н. Применение дифракции Френеля для размерного контроля отверстий// Измерительная техника, 1995. № 6. С. 20-23.

46. Кавалеров Г.И., Мандельштам С.М. Введение в информационную теорию измерений. -М.: Энергия, 1974. 376 с.

47. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Наука, 1971. 375 с.

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

49. Климков Ю.М., Кузьмина Т.И. Дифракция пучка ОКГ ТЕМоо моды на круглой диафрагме в зоне Фраунгофера// Известия вузов СССР. Приборостроение, 1975. Т. ХУ1 И. №12. С. 87-92.

50. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Советское радио, 1978.

51. Короленко П.В., Макарова С.Н., Ханаев A.M. О расчете дифракции лазерных пучков в ближней и дальней зонах// Известия вузов. Радиофизика, 1978. Т. XXI. № 11. с. 1644-1647.

52. Корнеев Г.Д. Измерения и меры. М, 1975. 129 с.

53. Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Дифракция Фраунгофера на объемных телах постоянной толщины//Автометрия, 1987. № 3. С. 79-92.

54. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение, 1978. 336 с.

55. Крылов К,И., Митрофанов А.С., Султанов Р.В., Тарлыков В.А. Способ измерения размеров//А.с. №372429., Опубл., Б.И, 1983, № 35.

56. Кузьмин И.В., Кедрус В.А. Основы теории информации и кодирования. Киев. Вища школа, 1977. 280 с.

57. Кюн Р. Микроволновые антенны. -Л.: Судостроение, 1967. 517 с.

58. Лендарис М.И., Стенли К.А. Методы дискретизации дифракционных картин для автоматического распознавания образов. ТИИЭР, 1970. Т. 58. № 2. С. 22-40.

59. Ленский А.В. Об аподизирующем влиянии формы контура зрачка// Оптика и спектроскопия, 1989. Т. 67. № 6. С. 1380-1386.

60. Лизунов В.Д., Весельев В.М. Лазерная фотоэлектрическая установка для измерения малых поперечных размеров// Измерительная техника, 1977. № 3. С. 36-38.

61. Лоди М.Н. Математическая модель поля дифракции при измерении малых линейных размеров//Измерительная техника, 1990. № 12. С. 12-13.

62. Лопатин В.Н., Сидько Ф.Я. Введение в оптику взвесей клеток. Новосибирск, "Наука" Сибирское отделение, 1988.

63. Маликов Н.Ф. Основы метрологии. М,: Комитет по делам мер и измерительных приборов при СМ СССР, 1949. 480 с.

64. Маликов Н.Ф., Тюрин Н.И. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1965. 240с.

65. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973. 592 с.

66. Микроэлектродвигатели для систем автоматизации (технический справочник). Под редакцией Э.А. Лодочникова и Ф.М. Юферова М.: Энергя, 1969. 272 с.

67. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977. 600 с.

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

69. Митрофанов А.С., Тарлыков В.А. Лазерный дифракционный измеритель размеров изделий, использующий телевизионную камеру// Сборник "Использование оптических квантовых генераторов в современной технике". Л.: ЛДНТП, 1977. С. 190-192

70. Митрофанов А.С., Тарлыков В.А. Устройство для измерения размеров изделий// А.с. № 603841, Опубл., Б.И, 1978. № 15.

71. Митрофанов А.С., Тарлыков В.А., Фефилов Г.Д. Лазерные дифракционные измерители диаметра ДИД-4, ДИД-5// ПТЭ, 1984. № 3. С. 242.

72. Митрофанов А.С., Тарлыков В.А., Фефилов Г.Д. Устройство для измерения размера изделия// А.с. № 1312385. Опубл., БД 1987. № 19.

73. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Оценка влияния расходимости лазерного излучения и положения измеряемого отверстия в гауссовом пучке на погрешностьдифракционного метода измерения// Известия вузов СССР. Приборостроение, 1989. Т. 32. № 7. С. 58-62.

74. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Анализ спектра сигналов и определение полосы пропускания дифракционного измерительного преобразователя// Известия вузов СССР. Приборостроение, 1989. Т. XXXII. № 11. С. 69-73.

75. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Дифрактометрия изделий на основе пространственно-временной фильтрации дифракционной картины Фраунгофера// Материалы XXX н.-т. конференция проф.-преп. состава ГИТМО. С.Петербург, 25-28 янв. 1999. С. 25.

76. Мкртчян Р.Г., Микоян Ф.А., Саркисян Г.П. Математическое моделирование дифракции света на клетках красной крови// Биофизика, 1988. Т. 33. Вып. 4. С. 634636.

77. О'Нейл. Введение в статистическую оптику. М.: Мир, 1966. 254 с.

78. Оптическая обработка информации/ Под ред. Д. Кейсесента. Пер. с англ., под редакцией С.Б. Гуревича. -М.: Мир, 1980. 351 с.

79. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. -Киев: Вища школа, 1983. 456 с.

80. Осмоловская Е.П., Лоди М.Н. Пределы и погрешность измерения тонких лент дифракционным методом// Измерительная техника, 1973. № 9. С. 25-26.

81. Основы автоматического управления/ Под редакцией B.C. Пугачева М.: Физматгиз, 1963. 648 с.

82. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М.: Мир, 1971. 495 с.

83. Передача и обработка информации голографическими методами/ Под редакцией С.Б. Гуревича. М.: Издательство "Советское радио", 1978. 304 с.

84. Петраков А.В. Совмещение телевизионных растров. М.: Радио и связь, 1985.

85. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. 387 с.

86. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980. 272 с.

87. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Под редакцией В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 487 с.

88. Применение методов Фурье-оптики/ Под редакцией Г. Старка. М.: Радио и связь, 1988. 536 с.

89. Рабинер П., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. 848 с.

90. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Издательство "Советское радио", 1975. 304 с.

91. Рыфтин Я.А. Телевизионная система (теория). М.: Издательство "Советское радио", 1967. С. 220-227.

92. Саркин В.И., Круглов М.Г. Средства контроля геометрических параметров деталей приборов// Измерение, контроль, автоматизация, 1981. № 5. С. 50-60.

93. Сахно С.П., Тымчик Г.С. Дифракция света на прямоугольной апертуре со статистически неровным краем// Оптико-механическая промышленность, 1985. № 12.С. 10-12.

94. Смирнов А.Я., Меньшиков Г.Г. Сканирующие приборы. Л.: Машиностроение, 1986. 145 с.

95. Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, 1981. 248 с.

96. Соболев В.Н. Информационно-статистическая теория измерений. М.: Машиностроение, 1983. 224 с.

97. Соколов В.И., Фефилов Г.Д. Устройство для определения момента экстремума// А.с. № 1292171. Опубл., Б.И, 1987. №7.

98. Соколов В.И., Фефилов Г.Д. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления// А.с. № 1469352. Опубл., Б.И, 1989. № 12.

99. Соколов В.И., Фефилов Г.Д., Митрофанов А.С. Устройство для измерения геометрических параметров изделий// А.с. № 1379623. Опубл., Б.И, 1988, № 9.

100. Соколов В.И., Фефилов Г.Д., Митрофанов А.С. Устройство для измерения размера изделия//А.с. № 1395950. Опубл., Б.И, 1988, № 18.

101. Солодовников А.И., Спиваковский A.M. Основы теории и методы спектральной обработки информации. Учебное пособие. Л.: Изд. Ленинградского университета, 1986.272 с.

102. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, 1971. 339 с.

103. Стахов А.П. Введение в алгоритмическую теорию измерений. М.: Издательство "Советское радио", 1977. 288 с.

104. Струнский М.Г., Горбов М.М. Бесконтактные емкостные микрометры. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 136 с.

105. Суходоев И.В. Шумы электрических цепей. М.: "Связь", 1975. 351 с.

106. Танский Е.А. Прецизионные системы стабилизации скорости двигателей. Л.: Энергия, 1975. 88 с.

107. Тарлыков В.А. Лазерная дифрактометрия микрообъектов типовой формы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. С.Пб., 2000. 35 с.

108. Тарлыков В.А. Объектив для дифракционного измерителя размеров изделий// Известия вузов СССР. Приборостроение, 1982. № 5. С. 88-91.

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

110. Тарлыков В.А. Способ измерения изделия// А.с. № 1211598, .Опубл, 1986. Б.И. № 6.

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

112. Тарлыков В.А., Кийко В.В. Дифрактометрия микроотверстий с локальными дефектами// Дефектоскопия, 1988. № 11. С. 16-21.

113. Тарлыков В.А., Кийко В.В., Кошелев А.С., Звонарев СЛ. Узел сканирования дифракционного измерителя// IY Всесоюзное совещание "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе": Тез. докл,- Барнаул, АПИ, 1988. Ч. 2. С. 231-232.

114. Тарлыков В.А., Кийко В.В., Звонарев СЛ. Устройство для размерного контроля отверстия//А.с. № 1534302, Опубл., Б.И, 1990. № 1.

115. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Госиздат физико-математической литературы, 1962. 236 с.

116. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. 276 с.

117. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Наука, 1971.408 с.

118. Фельдбаум А.А. Теретические основы управления. М.: Физматгиз, 1963.

119. Федорова И.С. Расчет функции распределения диаметров цилиндров по данным рассеяния когерентного излучения//ДАН СССР, 1975. Т. 223. № 4. С. 1007-1009.

120. Фефилов Г.Д. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления// А.с. № 1357701. Опубл. БИ, 1987. № 45.

121. Фефилов Г.Д. Метод повышения точности лазерной дифракционной измерительной системы// Материалы 7 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия, и ее метрологическое обеспечение" Москва, 1988. С. 281.

122. Фефилов Г.Д. Применение метода весовой обработки для уменьшения влияния аддитивной помехи на погрешность измерения ширины колец дифракционной картины Эйри// Известия вузов. Приборостроение, 2006. Т. XXXXIX. № 9. С. 63-67.

123. Фефилов Г.Д. Арифметическое устройство для лазерного дифракционного измерителя линейных размеров/ Тезисы докладов Всесоюзной конф. "Применение лазеров в науке и технике". Ленинград, 1980.

124. Физическая оптика, Терминология. -М.: Наука, 1968. 32 с.

125. Франк Г.М., Лемажихин Б.К. Определение размеров эритроцитов методом дифракции света в связи с проблемой биологического действия ионизирующей радиации. Труды института биологической физики, 1955. Вып. 1. С. 276-287.

126. Франсон М, Сланский С. Когерентность в оптике. М.: Гл. ред. ф.-м. Литературы. Изд-во "Наука", 1967.80 с.

127. Чехович Е.К. Оптико-электронные методы автоматизированного контроля топологии изделий микроэлектроники. Мн.: Наука и техника, 1989. 213 с.

128. Чугуй Ю.В. Методика получения оптических фильтров пространственных частот с использованием силуэтных транспарантов. В кн.: Оптические устройства для хранения и обработки информации. Сб. Научных трудов. Новосибирск: СО АН СССР, 1974. С. 226-242.

129. Шередько Е.Ю. Влияние периодической неравномерности фазы поля в раскрыве антенны на ее направленные свойства// Радиотехника, 1959. Т. 14. № 2. С. 17-24.

130. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. Пер. с англ. к.т.н. В.А. Хохрякова, М.: Изд-во «МИР», 1982. 238 с.

131. Уоткинс А.С. Управление процессом изготовления оптических волокон. ТИИЭР, 1982. Т 70. №6. С. 123-131.

132. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства,- Л.: Энергоатомиздат, 1989. 224 с.

133. Цветков Э.И. Измерительно-вычислительные средства и формальная метрология// Измерительная техника, 1983. № 9. С. 25 28.

134. Циделко В.Д., Иванов Б.Р. Принципы построения определителей экстремума сигнала. Измерения, контроль, автоматизация, 1977. № 1 (9). С. 16-31.

135. Циделко В.Д., Иванов Б.Р. Принципы построения аналого-цифровых определителей экстремума. Измерения, контроль, автоматизация, 1977. № 3 (11). С. 21-29.

136. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Л.: Энергия, 1969. 375 с.

137. Юу. Ф.Т.С. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию. Пер. с англ. Под ред. В.К. Соколова. М.: Советское радио, 1979. 304 с.

138. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. 360 с.

139. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. с. 86.

140. Adaptive filters. Edited by C.F.N. Cowan and P.M. Grant/ Prentce-Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1985.

141. Application note on measuring the diameter of small fibers // Lazer Focus, 1967. V. 3. № 17. P. 30-31.

142. Bayer R., Caglayan S., Moser J. Analysis of erythrocyte flexibility by means of laser diffraction: effects of mechanical stress, photosensitation and ozone // Proceedings SPIE, 1993. V. 1884. P. 291-302.

143. Bessis M., Mohandas N. A diffractometric method for the measurement of cellular deformability // Blood cells, 1975. V. 1. №2. P. 307-313.

144. Bhcki N., Daszkiewicz M., Galas J. Measurement of wires and fibers by using CCD line scan detector // SPIE V. 1991. Diffractometry and Scatterometry, 1993. P. 115-121.

145. Bracewell R.N. The fourier transform and application. VcGraw-Hill/New York, 1965.

146. Fink W., and Schneider W. A coherent-optical method for measuring fibre diameters // Optica Acta, 1974. V. 21. № 2. P. 151-155.

147. High accuracy microdimension measurement system by using laser and CCD /XingX.Z., Li M., Ozono S., Kato J., Bai R., Zheng W., Li Q. //Measurement, 1987. V. 5. № 2. Apr-Jun. P. 91-95.

148. Jagliano F.P., LimbyRM., Watkins L.S. Lazer in industry // Proceedings of IEEE, 1969. V. 57. №2. P. 114-147.

149. Kallman H.E Transversal filters. Proceedings IRE, July 1940. Vol. 28. № 7. P. 302-310.

150. Kanai M., Ito H. Diffraction patterns of thin wedges illuminated by coherent light. Optik, 1996. 102, 2.

151. Kim Y,, Grebel Y., Jaggard D.L. Diffraction by fractally serrated aperture // JOSA. A, 1991. V. 8. № l.P. 20-26.

152. Koedam M. Determination of small dimensions by diffraction of a lazer beam // Pfilips Tech. Rev, 1966. V. 27. № 7. P. 206-210.

153. Ponder E. Hemolysis and Related Phenomenon.-New York, 1948.

154. Rakels J. and Hingle H.T. The use of optical diffraction techniques to obtain information about surface finish, tool shape and machine tool condition //Wear, 1986. V. 109. P. 259266.

155. Shore R.Q. A corrected expression for the diffraction pattern of a slit aperture with exponentially correlated illumination // Optica Acta, 1969. V. 16. № 1. P. 131-132.

156. Shore R.Q. Partially coherent diffraction by a circular aperture // Electromagnetic waves. Intern. Ser. Monogr. V. 6. Pt. 2. P.787-795.

157. Shore R.Q., Thompson B.J., Whitney R.E. Diffraction by apertures illuminated with partially coherent light // JOSA, 1966. V. 56. № 6. P.733-738.

158. Svetlik J. The Fraunhofer diffraction of a lazer beam with an approximately Gaussian amplitude profile by circular apertures // Optik, 1976. V. 46. № 2. P. 195-202.

159. West P. One line gange for wire and fiber diameter measurement // Measure and Controlly, 1974. V. 7. 2. P. 45-46.

160. Комиссия в. составе начальник лаборатории 63 Новокшонов В.И. - председатель

161. Члены: ведущий инженер Махнырь Н.И., старший инженер Мартынова 3,В.

162. Составила настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы Феффюва Г.Д.,реализованные в лазерном дифракционном измерителе диаметра ДИД-4М,внедрены на предприятии п/я A-38I6.

163. Начальник лаборатории № 63 ^Щ^^^^^оъоттьъ В. И. Ведущий инженер ^{-а^Ш^

164. Старший инженер ------Мартынова З.В.1. СОГЛАСОВАНО1. УТВЕРЖДАЮ

165. ГЛАВНЫЙ МЕТРОЛОГ ПРЕДПРИЯТИЯ п/я А-38'б1. ЗАМ. РУКОВОДИТЕЛЯс1. Г.А.АНТОНОВ " ^ » 1989г.

166. С В И Д йТЕЛЬСТВО tf I о метрологической аттестации средства измерений

167. Дифракционный измеритель диаметра ДИД-4К

168. Дата выпуска декабрь 1988 г.

169. ШР! Наименование мэтроло»! Полученные ! Оттенка точностиш , гических характеристик «g^T ^грешности); Р ; определения1.шри^ик | .метрологические1 характеристик1. Диапазон измерениядиаметра, мкм 10-60 0,.5

170. Основная допускаемая + 0 От погрешность, % 1,16 • *

171. Ло результатам мэтрологической аттестации протокол у I от 26 января 1989г. дифракционный измеритель диаметра ДЩ-4М, заводской № 8003 отвечает требованиям ТЗ и допускается к применению в качестве рабочего средства измерений.

172. Очередную поверку провести не позднее 20 января 1990 г.

173. Начальник лаб. К 63 и. Н0В0КШ0К0В

174. Начальник лаб.линейно-угловых измерений ^ Н.А.ХРАМОВ