автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Помехоустойчивые интерферометрические системы контроля объектов на основе формирования, регистрации и обработки набора интерференционных картин

На правах рукописи

Маргаряиц Никита Борисович

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ, РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ НАБОРА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ

КАРТИН

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электроиные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013 005058743

Санкт-Петербург - 2013

005058743

Работа выполнена на кафедре компьютерной фотоники и видеоинформатики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Гуров Игорь Петрович

доктор технических наук, профессор

Латыев Святослав Михайлович доктор технических наук, профессор, НИУ ИТМО, заведующий кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов

Котов Игорь Ростиславович кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГБОУ ВПО СПбГМУ им. И. П. Павлова

Ведущая организация:

ОАО "ЛОМО"

Защита состоится «21» мая 2013 года в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики» по адресу г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, секретарю диссертационного совета Д212.227.01

Автореферат разослан 19 апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.227.01 кандидат технических наук, доцент

и |

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Интерференционные методы исследования широко используются при бесконтактном контроле различных объектов. Неразрушающие исследования актуальны при изучении свойств биологических объектов и биохимических процессов, сопровождающих изменения этих свойств. В материаловедении актуальна задача определения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материалов в широком диапазоне изменения температур. Основными требованиями, предъявляемыми к современным интерферометрическим системам (ИС), являются высокая разрешающая способность, возможность быстрой визуализации поверхностной и/или объемной структуры изучаемого объекта при использовании методов неразрушающего контроля.

Наиболее важная информация об исследуемом объекте, как правило, содержится в фазе интерференционных полос и, в ряде случаев, в амплитуде интерферометрического сигнала. При этом требуются устойчивые, оптимальные с точки зрения достигаемой точности методы формирования, регистрации и обработки интерференционных картин. Во многих экспериментах требуется обрабатывать значительные объемы информации о рельефе поверхности объекта на участках большой площади, а также о приповерхностной томографической структуре объекта, поэтому необходимо обеспечивать стабильную работу используемых ИС в условиях случайных отклонений фазы при воздействии помех, а также повышать быстродействие интерферометрических систем. Специфика структуры изучаемых материалов, необходимость создания методов и средств контроля объектов с высоким разрешением, необходимость в автоматизации получения измерительной информации требуют создания новых методов и технических систем с высокой помехоустойчивостью.

Цель диссертационной работы.

Создание методов, методик и технических систем с обеспечением помехоустойчивости при воздействии внешних влияющих факторов на основе регистрации последовательности интерференционных картин и использования методов обработки последовательности видеокадров для оценивания характеристик исследуемых объектов.

Решаемые задачи.

Для достижения цели необходимо:

1. Исследование помехоустойчивости ИС и путей повышения помехоустойчивости.

2. Исследование особенностей формирования, анализа и обработки многомерных данных в ИС.

3. Создание методик обеспечения помехоустойчивости при воздействии внешних влияющих факторов и разработка научно-технических решений для создания ИС.

4. Исследование свойств и структуры объектов и материалов методами оптической когерентной томографии (ОКТ) и интерферометрии фазового сдвига с обеспечением требуемой помехоустойчивости.

Научная новизна.

1. Рассмотрены внешние факторы, влияющие на помехоустойчивость ИС и предложены методы снижения влияния помех на основе регистрации и обработки набора интерференционных картин.

2. Проанализированы аналитические зависимости погрешности определения начальной фазы и погрешности определения положения огибающей интерференционного сигнала малой когерентности от отношения сигнал-шум в ИС и выработаны рекомендации для формирования и регистрации набора интерференционных картин, обеспечивающие получение оптимальных с точки зрения заданной точности оценок характеристик объектов.

3. Разработана методика применения алгоритмов обработки набора интерференционных картин для получения оценок фазы и/или амплитуды многомерных интерферометрических сигналов с высокой помехоустойчивостью в системах ОКТ и интерферометрии фазового сдвига.

4. Разработана методика регистрации, анализа и обработки данных, повышающая помехоустойчивость при определении величины микронеровности поверхности образца и смещения поверхности объекта с помощью интерференционного дилатометра.

5. Разработана и реализована структура и оптико-электронная система лазерной помехоустойчивой ИС контроля смещений поверхности объекта абсолютным методом с дополнительной функциональной возможностью определения высоты образца и отклонений рельефа образца по высоте за счет использования дополнительного интерферометрического канала малой когерентности.

Практическая ценность.

1. Сформулированы требования к формированию набора интерференционных картин в ИС для получения оценок фазы и/или амплитуды с требуемой точностью при обработке последовательности видеокадров.

2. Проведена верификация программного обеспечения в процессе проведения экспериментальных исследований, на основании которой даны рекомендации по оптимизации регистрации, обработки и хранению данных, получаемых в процессе измерений.

3. С использованием ОКТ выполнены наблюдения процессов функционирования и деградации биологических объектов при потере

влаги, показаны возможности исследования свойств слоев растительных тканей.

4. Создан и испытан интерференционный дилатометр для определения температурного удлинения образцов абсолютным методом при совместимости с существующими техническими решениями и методиками.

5. Разработанное техническое решение, при котором определение температурного удлинения образца проводится при предварительной установке нулевой разности хода в ИС на базе интерферометра Майкельсона, позволило значительно снизить влияние нестабильности длины волны источника излучения по сравнению с классической схемой систем на базе интерферометра Физо.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. Итерационный метод восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы.

2. Метод помехоустойчивого восстановления смещения поверхности объекта по набору приведенных фаз, полученных в различные моменты времени.

3. Для метода восстановления параметров интерференционного сигнала получены соотношения между уровнем помех, количеством интерференционных картин в серии и погрешностью восстановления фазы.

4. Методика формирования, регистрации и обработки последовательности интерференционных картин малой когерентности расширяет область применения и функциональность приборов интерферометрического контроля объектов, позволяя оценивать параметры случайно-неоднородных, в том числе биологических, сред.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в 3-х НИР, выполненных в НИУ ИТМО, что подтверждается соответствующими актами о внедрении, по договору № 28863 "Создание оптико-электронной системы и программно-алгоритмического обеспечения метрологического комплекса для измерений характеристик теплового расширения наноматериалов" (2008 г.), по государственному контракту № 07.514.11.4058 (тема НИЧ № 310335) "Формирование, анализ и представление трехмерных изображений в информационно-телекоммуникационных системах" (2011-2012 гг.), по государственному контракту № 11.519.11.2023 (тема НИЧ № 310336) "Оценка состояния и диагностика биотканей неинвазивными высокоразрешающими методами оптической когерентной томографии и трехмерной микроскопии" (2011-2012 гг.).

Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлены на XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007), Advanced laser technologies 2007 (Levi, Finland, 2007), ОЗА: Optics for Arts, Architecture, and Archaeology (Münich, Germany, 2007), XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008), XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009), 4-ой Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии Температура- 2011 (Санкт-Петербург, 2011), Cross-Strait Tsinghua Optics and Photonics Workshop (Hsinchu, China, 2011), XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011), 5-th Finnish-Russian Photonics and Laser Simposium PALS2011 (Санкт-Петербург, 2011), XLI научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012), The 3rd International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision OSAV'12 (Санкт-Петербург, 2012), XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях, из них 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 155 страниц. Работа содержит 75 иллюстраций и 2 таблицы. Список литературы включает 96 библиографических источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулированы актуальность работы, ее цель, решаемые задачи, основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения о научной новизне и практической ценности работы, внедрению и апробации результатов работы, вкладе автора, описаны структура и объем работы.

В Главе 1 анализируется влияние различных факторов на помехоустойчивость ИС. Детально рассмотрены требования к относительной нестабильности длины волны источника излучения для обеспечения заданной точности измерений, количественно оценено влияние мощности источника излучения и чувствительности приемника излучения на характеристики интерферометрических сигналов, исследовано влияние микровибраций на параметры регистрируемой интерференционной картины, показана необходимость учета влияния температурной нестабильности на

изменение оптической разности хода в интерферометре. Проанализировано влияние внешних факторов на параметры реального интерферометрического сигнала, показано, что обработка последовательности интерференционных картин, зарегистрированных на матричный фотодетектор, позволяет оценить характер изменения фазы интерференционных полос, обусловленный влиянием внешних факторов - микровибраций и низкочастотных отклонений, вызванных температурной нестабильностью установки.

Процесс формирования и регистрации набора интерференционных картин в ИС определяется отношением сигнал-шум, как наиболее распространенным на практике критерием качества оптико-электронной системы. При регистрации интерференционного поля матричным фотоприемником необходимо учитывать квантовый характер падающего потока излучения на элемент матрицы.

Рисунок 1 - Параметры измерительной ветви ИС с регистрацией картин полос на матричном фотодетекторе ПЗС. Е0 - освещенность измеряемого объекта площади стпкс в плоскости Р, а'::кс - соответствующая площадь пикселя на матрице, А и В, А' и В' - две точки в плоскости объекта и матрицы ПЗС, соответственно, со - телесный угол, 5 и 5" - передний и задний отрезки

Для оптической системы регистрации отраженного от объекта излучения (рисунок 1) приведена формула для оценки потока излучения, приходящегося на одну ячейку фотоприемника при регистрации интерференционной картины:

е аТэцЯТ

где /¡V - энергия фотона, М - увеличение оптической системы, Ме - число фотоэлектронов, генерируемых в ячейке фотоприемника под действием излучения, ш - телесный угол, Тэ - время экспозиции, г| - квантовая эффективность матрицы, Л - коэффициент отражения от поверхности образца, Т- пропускание оптической системы. Сигнал шум определяется как

7

(5/Л') = г\ФеУТэ /(¡\г- /¡у), где V - видность картины полос, Л7 - шум считывания матричного фотодетектора. Для типовых характеристик оптических схем интерферометров и матричных фотодетекторов показано, что значение потока излучения, приходящегося на одну ячейку фотоприемника при исследовании объектов с низким контрастом, составляет величину порядка 2 • 10~12 Вт при отношении сигнал-шум порядка 20.

В ряде случаев увеличение отношения сигнал-шум только за счет конструктивных решений и использования мощных источников излучения либо невозможно, либо является весьма дорогостоящим, поэтому требуется использование новых методов, например, на основе формирования, регистрации и обработки набора интерференционных картин с учетом влияния внешних факторов на характеристики ИС.

На основе анализа выражения для сигнала на выходе приемника излучения, пропорционального интенсивности света в плоскости регистрации Р' (см. рисунок 1), получаемого при регистрации излучения матричным приемником с размером фотоприемной площадки /*./пикселей

Л к) = з0 (/, у)(1 + УЦ, у, к) со8[ф(/, у, к) + 5ф(/, у, *)], (2)

где / = 1,..,/, j = l,..,J, к = 1,..,К, К - количество видеокадров, 50 -амплитуда сигнала, ф - фаза интерференционной картины, 6ф — случайные отклонения фазы, показано, что набор интерференционных картин содержит информацию об изменении параметров интерференционной картины во времени. Следовательно, повышение помехоустойчивости ИС при регистрации набора видеокадров с помощью матричных фотоприемников с оцениванием амплитуды и/или фазы интерференционных картин возможно, но требуется решить проблему выбора оптимального с точки зрения обеспечиваемой точности измерений количества регистрируемых видеокадров.

В Главе 2 рассмотрены особенности процессов формирования, регистрации и обработки данных в ИС при использовании методов интерферометрии малой когерентности и лазерной интерферометрии для бесконтактной диагностики объектов. Проанализирован процесс формирования набора интерференционных картин и параметры интерференционного сигнала (2) в зависимости от используемого типа ИС. Показано, что оценивание начальной фазы и положения огибающей интерференционного сигнала по набору интерференционных картин эффективно с точки зрения принципа максимального правдоподобия, при этом погрешность получаемых оценок зависит от отношения сигнал-шум, мощности источника и параметров фотоприемника. Рассмотрены методы обработки многомерных сигналов в системах малой когерентности и управляемого фазового сдвига.

Общий принцип формирования набора интерференционных картин показан на рисунке 2.

пиксель

\

¿лмммм

\

■ .«ч V* V*» ъ

х

¡¡¡ШИШШя!

Рисунок 2 - Набор видеокадров, регистрируемый фотодетектором ИС, (х, у, г) — пространственные координаты, штрихпунктирной линией иллюстрируется получение дискретного одномерного сигнала по последовательности пикселей

Матричный фотоприемник обеспечивает многоканальную регистрацию с получением значения интерферометрического сигнала одновременно для различных участков интерференционной картины или набора К интерференционных картин. При многомерной обработке компоненты сигнала могут быть определены, например, в виде последовательности отсчетов .?(/,_/'Д), взятых в дискретных точках гк=кАг, где Дг-шаг дискретизации, к = \,..,К, К - количество видеокадров, =

Сигнал х(г,_/,£) может представлять значения яркости пикселя, например, в сечении вдоль оси х двумерной интерференционной картины s(iJ,k) = s(xí, ],к).

Проанализированы погрешности определения изменения разности фаз ИС фазового сдвига 27т5Дфтах =2л(55'/5) и дисперсии оптимальной оценки

положения огибающей сигнала малой когерентности = 1?с/(51Щ, где Ьс - длина когерентности излучения источника, 2г - оптическая разность хода в интерферометре. Показано, что усреднение по площади пикселя и квантование по уровню распределения интенсивности в интерференционной картине в ИС современными матричными приемниками не оказывает существенного влияния на погрешность оценивания фазы.

Анализ процессов формирования, регистрации и методов обработки интерференционных картин показал, что для создания технических систем с обеспечением помехоустойчивости на основе регистрации последовательности интерференционных картин, необходимо проведение серии экспериментов, направленных на определение возможности использования технического устройства в составе интерферометрического комплекса для обеспечения требуемой точности исследований, а также разработка новых методов и методик обработки интерферометрических данных для оценивания характеристик исследуемых объектов.

В Главе 3 приведены результаты исследований стабильности параметров оптико-механической части ИС с использованием набора интерференционных картин, предложена методика помехоустойчивого восстановления смещения поверхности объекта по набору значений приведенных фаз, полученных в различные моменты времени, получены оценки линейности разработанного узла фазового сдвига на основе пьезоэлемента, описан метод итерационного восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы, проведено моделирование устойчивости метода при различных уровнях амплитудных и фазовых помех. Получены соотношения, позволяющие оценить количество интерференционных картин в серии измерений в зависимости от помех и требуемой точности оценки фазы. Представлены результаты предварительного исследования особенностей формирования картин интерференционных полос малой когерентности, проведенного на разработанном макете ИС малой когерентности.

При решении задачи восстановления смещения исследуемого объекта по восстановленным значениям приведенной фазы в различные моменты времени требуется обеспечить помехоустойчивость. Разность значений фазы Ф,^, вычисленных с использованием алгоритма управляемого фазового

сдвига, = фу -ф*"1 для соседних серий измерений к и к-1 не всегда даст корректный результат из-за того, что значения фазы свернуты в диапазоне 0,..,2л, поэтому предложен метод вычисления значения разности фаз Р2х в окрестности радиуса Я каждой точки поля интерференции с координатами (х,у).

(3)

В предложенном алгоритме производится перебор значений ф е-71,-тг + Дф,..,я с шагом Ду|/ для получения оценки значения фазы ф с минимальной дисперсией оценок фазы ?/(/'] ], ф) в точке (х,у) в полярных координатах, при этом точка (г,/) находится в пределах окружности радиуса Я, г(х,у,1,Я <К, где г(х, у,/', /) = ^Ц-х)2 +{] -у)2 . Функция, обеспечивающая корректное преобразование значений оценок фазы Р1} при вычислении СКО относительно значения ф, задана следующим образом F¡ j, если

U(F¡J,\^>) = iFjj-2к, если (4)

F¡ j + 2к, если /<] .■- ф < -я.

На рисунке 3 показан процесс корректного вычисления разности фаз в ~ к соседних кадрах, где Рт - одномерное представление массива

т=О..М-\, М - количество точек в области радиуса Я, Н(Рт) - гистограмма распределения значений массива.

р. р »(Л.)

71

¡Г............:

т} у

-7-

V.) .г -Л/2 X V" ^ / \ рф

\ '

—" К* =У л/2 ^

г)

1000 » О в) 50

-Н+1 \y-i-a

-л -1

Д1

-X-

-я+1

VI

-л -----

/

*

л 1

Рисунок 3 - Вычисление разности фаз в окрестности точки (х, у)

Видно, что "разорванная" гистограмма Н(Рт) (рисунок 3, в) является непрерывной в полярных координатах (рисунок 3, г), что позволяет определить фазу = у по критерию минимума СКО.

Разработан итерационный метод восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы.

Для исследования разработанного метода были сформированы серии из различного количества модельных картин полос. Модельные картины полос заданы в виде массива 100x100 точек, интенсивность в каждой точке определяется модельным сигналом, зависящим от идеальной фазы, смещения фазы, номера картины полос в серии. Сигнал в каждой точке картины полос искажен гауссовскими фазовыми помехами (с линейно изменяющимся СКО от 0 до 0.25я в горизонтальном направлении) и гауссовскими аддитивными помехами (с линейно изменяющимся СКО от 0 до 1.5 амплитуды сигнала в вертикальном направлении). Как видно из рисунков 4, 5, в каждой серии

модельных картин полос реализовано 10000 одномерных сигналов при различных соотношениях аддитивных и фазовых помех. На рисунке 5 приведены результаты восстановления параметров сигналов для некоторых

Рисунок 4 - Модельная картина полос 1, восстановленная из идеальной (модельной) фазы 2, искаженная фазовой 3 (СКО от 0 до 0.5л) и амплитудной 5 помехами (СКО отО до 1.5 амплитуды) по полю одного произвольного кадра. 7 - картина, искаженная амплитудной и фазовой помехами

Рисунок 5 - Восстановление параметров сигнала для двух точек кадра

бтг...............................................'арккосй^нус'реального..............

арккосинусмолельного сигнала ! -сигнала .-'* »

Получены результаты восстановления идеальной фазы из серий модельных интерференционных картин, состоящих из 13, 25, 50, 100, 200 и 400 картин полос (рисунок 6).

1 2 3 4 5 6

Результаты восстановления фазы 1) 13 2) ЛГ= 25 3) 50 4) Л'= 100 5)^=200 6)7У = 400

Соответствующие значения СКО восстановленной фазы от модельной

0.25.2тт~?:----.-..........

Рисунок 6 - Локальные значения СКО восстановленной фазы от идеальной модельной для различного набора интерференционных картин N

Результаты моделирования в соответствии с разработанным алгоритмом и полученные соотношения между уровнем помех при работе прибора, количеством интерференционных картин в серии и погрешностью восстановления фазы показаны на рисунке 7. Рассчитанные зависимости позволяют оценить количество регистрируемых видеокадров в зависимости от условий эксперимента для обеспечения требуемой точности.

Исследование параметров интерференционных картин малой когерентности картин проведено на разработанном макете ИС. Получено изображение внутреннего слоя образца офисной бумаги, показано, что на глубине около 50 мкм поток от источника излучения (лампы накаливания) ослабевает из-за поглощения и рассеяния в толще бумаги и сигнал становится неразличим на фоне шумов.

1СКО фазы Л=7 1 13

"2V

0.03

iв долях от 2л

4 ..¿„.,j

200 /' ' юо--"

0.05 - 0.1 0.15 0.2

Фазовый шум в долях от 2тг

0.25

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 Аддитивный шум, СКО в долях от амплитуды Рисунок 7 - Выбор количества интерференционных картин

В Главе 4 приведено описание и технические характеристики модернизированного микроинтерферометра МИИ-4 и разработанного интерференционного дилатометра, приведена методика измерений образцов методом ОКТ и интерферометрии управляемого фазового сдвига на основе регистрации и обработки набора видеокадров. Приведен анализ результатов исследования микроструктуры случайно-неоднородных, в том числе биологических, сред и определения ТКЛР образцовой меры корунда.

Рисунок 8 — модернизированный микроинтерферометр МИИ-4

Технические характеристики автоматизированного интерферометра (поз.1):

а) диапазон увеличения на мониторе 100..400 крат с возможностью электронного масштабирования;

б) поле зрения 200x160 мкм;

в) разрешение в латеральной плоскости ~ 0.8 мкм;

г) воспроизводимость автоматизированного латерального позиционирования предметного стола не хуже ±1 мкм;

д) разрешение по глубине < 1 мкм;

е) чувствительность при аксиальном позиционировании - 10 нм;

ж) источник излучения — галогенная лампа;

з) видеокамера VEC-135 EVS (по. 3) с интерфейсом USB 2.0, 1МПкс. линейный размер пикселя 7 мкм, быстродействие 15 кадров/сек, динамический диапазон 12 бит;

и) двухрежимный механизм фокусировки (с ручным приводом и моторизованный).

к) разработанный предметный столик для микропозиционирования объекта (поз 4). Шаговый двигатель, управляемый при помощи микросхемы (размещен в корпусе прибора) подсоединен к компьютеру через СОМ порт (поз. 2)._

Экспериментально изучена микроструктура образцов финской бумаги, изготовленных с использованием специальных методик уменьшения плотности бумаги в объеме при уплотнении приповерхностного слоя, позволяющих уменьшить общий расход сырья при изготовлении бумажных листов при сохранении качества печатного оттиска при визуальной оценке. Результаты исследования бумаги показаны на рисунке 9.

Рисунок 9 - Приповерхностная структура различных образцов бумаги

Финская бумага.

плотность 14 г/м .

а) Шаг сканирования 64 нм. Количество шагов N=200. Количество кадров на одном шаге 1.

Офисная бумага для оргтехники. Поверхностная плотность 80 г/м".

щ4\

г) Шаг сканирования 64 нм. Количество шагов N=200.

шаге 1.

б) Шаг сканирования 64 нм. Количество шагов #=200. Количество кадров на одном шаге 10.

д) Шаг сканирования 64 нм. Количество шагов #=200. Количество кадров на одном шаге 10.

Извлечь информацию о трехмерной структуре объекта можно и при отсутствии наблюдаемой картины интерференционных полос за счет используемой методики квадратичного преобразования значений сигнала каждого пикселя по последовательности видеокадров и фильтрации нижних частот, что позволяет выделить огибающие интерферометрических сигналов малой когерентности, положение максимумов которых в последовательности видеокадров характеризует рельеф поверхности и внутреннюю приповерхностную структуру исследуемого образца.

Усреднение по 10 кадрам на шаге регистрации позволяет уменьшить дисперсию оптимальной оценки положения огибающей сигнала малой когерентности за счет уменьшения влияния микровибраций, что приводит к уменьшению шумов на восстановленных изображениях на рисунке 9, б и 9,д по сравнению с 9, а и 9, г, соответственно.

Определение ТКЛР (у/Ь\М.1Ь.Т) образцовой меры корунда длиной Ь проведено на разработанном интерференционном дилатометре (рисунок 10).

;Д, ЛО

1 .....

Рисунок 10-Интерференционный дилатометр, схема освещения объекта и регистрации интерференционных картин. СДО - светодиодный осветитель, ЛО - лазерный осветитель, СД - светоделительная пластинка, 3 -зеркало, ПО - призменный отражатель, У01, У02 - уголковые отражатели, ПП - пьезопозиционер, МП — микропозиционер, Т — термостат, п подложка, ОБ - измеряемый объект, О — объектив, К - видеокамера.

Рисунок 11 - Общий вид интерференционного дилатометра

16

Фазовый сдвиг г .-г-щ. ч н

точки образца -ч»—« л '///•ч-^^С*4-'«. омеР

............... серии

¿с 100 200 ''Ш*''*' ' ........

Рисунок 13 - Вычисление смещения образца относительно подложки

Рисунок 12 — График нагрева образца и точки стабилизации

Смещение, ¡дао нм 1200

800 400 0

температуры

Образец (на подлжке)

Фазовый сдвиг точки подложки

Toa Номер

200 зоо серии

Номер серии

Для вычисления ТКЛР образца нужно знать, как образец удлиняется при нагревании. Образец помещается в термостат и нагревается согласно графику, приведенному на рисунке 12. В процессе нагревалия образца один раз в минуту производится регистрация серии из 125 картин полос с линейным смещением фазы, заданным с помощью управляемого пьезопозиционера. Разработанный метод восстановления параметров сигнала

позволяет для каждой серии восстановить значения фазы, характеризующие смещения образца и подложки. Разработанный метод отслеживания смещений позволяет по набору приведенных фаз восстановить смещение подложки, смещение образца и смещение образца относительно подложки, то есть удлинение образца. Вычисление ТКЛР производится относительно точек со стабилизированной температурой.

На рисунке 13 показан процесс формирования данных при обработке набора интерференционных картин и график температурного смещения поверхности корунда, кварцевой подложки и разность, характеризующая ТКЛР исследуемого образца. Вид графика разности смещений образца и подложки совпадает с графиком нагрева и стабилизации температуры образца. Карта смещений полос подложки и образца в зависимости от номера серии видеокадров показывает характер изменения значения интенсивности в точке в процессе нагрева, стабилизации, дополнительной стабилизации и при стабилизированной температуре. Данные использованы для расчета ТКЛР параметров образцовой меры корунда.

Таблица 1. Сравнение экспериментальных и паспортных параметров корунда

гс м/ьлог6 аСП-Ю"6 м/ь ■ 10"" аСЛ-Ю-6

эксперимент эксперимент свидетельство свидетельство

30 51,2 5,12 51,7 5,17

40 103,9 5,19 104,7 5,23

50 159,8 5.33 159,2 531

Погрешность определения ТКЛР не превышает 1 %. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В диссертационной работе разработаны и исследованы методы и

интерферометрические системы бесконтактного контроля объектов с обеспечением помехоустойчивости на основе формирования, регистрации и обработки набора интерференционных картин, а именно:

1. Исследованы факторы, влияющие на помехоустойчивость ИС, обоснована возможность повышения помехоустойчивости ИС за счет регистрации и обработки набора интерференционных картин.

2. Предложена методика вычисления смещения поверхности исследуемого образца, обеспечивающая корректное преобразование значения разности фаз с минимальной дисперсией оценок фазы в локальной точке.

3. Разработан новый метод восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы. Данный метод позволяет восстанавливать фазу по полной серии из заданного числа видеокадров, с исключением кадров, наиболее отклоняющихся от вычисленной фазы. Это позволяет повысить точность восстановления фазы и исключить влияние кратковременных помех на установку.

4. Разработанный метод локальной отбраковки точек позволяет детектировать и устранить влияние фазовых помех от различных источников, разнесенных по пото кадра. Для точек кадра, не искаженных помехами, значения сигнала не отбраковываются, следовательно, не происходит снижение точности восстановления параметров сигнала в отсутствие помех.

5. Использование интерферометрического канала малой когерентности в интерференционном дилатометре обеспечивает возможность определения, высоты исследуемого образца и отклонений рельефа поверхности с погрешностью в несколько микрометров. При этом относительная погрешность определения температурного удлинения образца снижается до допустимых малых значений.

6. Получены соотношения между уровнем помех, количеством интерференционных картин в серии и погрешностью восстановления фазы для оценки требуемого количества видеокадров для обеспечения заданной точности измерений.

7. Показано, что методика формирования, регистрации и обработки последовательности интерференционных картин малой когерентности позволяет расширить функциональность приборов интерферометрического контроля параметров случайно-неоднородных сред.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации из перечня ВАК:

1. Gurov I., Vorobeva Е., Kaipets A., Margaiyants N. Full-field high-speed optical coherence tomography system for evaluating multilayer and random tissues // Proc. SPIE. - 2007. - V. 6618. - P. 661807-01 - 661807-07.

2. Alarousu E., Gurov I., Kalinina N.. Kaipets A., Margariants N.. Myllyla R., Prykari Т., Vorobeva E. Full-field high-resolving optical coherence tomography system for evaluating paper materials // Proc. SPIE. - 2008. - V. 7022. -P. 702212-01-702212-07.

3. Компан Т. А., Коренев А. С., Пухов H. Ф., Гуров И. П., Дудина Т. Ф., Маргарянц Н.Б. Метод спекл-интерферометрии для определения теплового расширения наноматериалов // Измерительная техника. -2011,-№4.-С. 48-52.

4. Волынский М. А, Воробьева Е. А., Гуров И. П., Маргарянц Н.Б. Бесконтактный контроль микрообъектов методами интерферометрии малой когерентности и оптической когерентной томографии // Изв. вузов. Приборостроение. - 2011. - Т. 54. - № 2. - С. 75-82.

5. Гуров И.П., Жукова Е.В., Маргарянц HJ5. Исследование внутренней микроструктуры материалов методом оптической когерентной микроскопии с перестраиваемой длиной волны // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. — №3(79).-С. 40-45.

6. Гуров И.П., Волынский М.А., Жукова Е.В., Маргарянц Н.Б. Исследование растительных тканей методом оптической когерентной микроскопии//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №5(81). - С. 42-47.

7. М.А. Волынский, И.П. Гуров, Е.В. Жукова, Н.Б. Маргарянц, Е.С. Рысева Исследование микроструктуры поверхностных слоев растительной ткани методом оптической когерентной микроскопии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -2013.-№2(84).-С. 54-59.

Публикации в других изданиях:

8. Волынский М.А., Гуров И.П., Жукова Е.В., Левшина A.B., Маргарянц Н.Б., Сёмов A.A. Исследование трехмерной микроструктуры материалов на основе методов оптической когерентной томографии // Фотография. Изображение. Документ. -2010. -№ 1. - С. 81-86.

9. Волынский МА., Гуров И.П., Ефремов A.B., Маргарянц Н.Б. Применение интерферометра малой когерентности для определения размера образцов наноматериалов в интерференционном дилатометре // Труды научно-исследовательского центра Фотоники и оптоинфориатщси. Сб. статей. / Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО. - 2010. - Вып. 2. - С. 366-375.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации" 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Тел.(812)2334669. Объем 1,0 у.нл. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ ИА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ, РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ НАБОРА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ

КАРТИН

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201356928

Маргарянц Никита Борисович

Научный руководитель д.т.н., профессор И.П. Гуров

Санкт-Петербург, 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

Глава 1. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ............................12

1.1. Влияние внешних факторов на помехоустойчивость интерферометрических систем............................................................................13

1.1.1. Требования к относительной нестабильности длины волны источника излучения.............................................................................14

1.1.2. Влияние мощности источника излучения и чувствительности приемника излучения на характеристики интерференционных картин и интерферометрических сигналов .......................................16

1.1.3. Влияние микровибраций и температурной нестабильности окружающей среды на параметры регистрируемой интерференционной картины...............................................................23

1.2. Методы повышения помехоустойчивости при формировании и регистрации интерференционных картин..........................................................28

1.2.1. Стабилизация параметров источников излучения интерферометрических систем............................................................30

1.2.2. Требования к параметрам оптико-механических узлов интерферометрических систем............................................................31

1.2.3. Повышение помехоустойчивости интерферометрических систем при использовании набора видеокадров................................32

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ, РЕГИСТРАЦИЯ И ОБРАБОТКА МНОГОМЕРНЫХ ДАННЫХ В ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ .................................................................................................................................36

2.1. Методы формирования многомерных интерферометрических сигналов..................................................................................................................37

2.1.1. Формирование многомерных интерферометрических сигналов в корреляционной и спектральной интерферометрии.......................40

2.1.2. Формирование многомерных сигналов в интерферометрии управляемого фазового сдвига.............................................................46

2.2. Оценивание параметров интерферометрического сигнала на основе набора картин интерференционных полос.........................................................49

2.2.1. Оценка начальной фазы интерферометрического сигнала.....51

2.2.2. Оценка положения огибающей интерферометрического сигнала....................................................................................................55

2.3. Влияние дискретизации и квантования распределения интенсивности в интерференционной картине на погрешность оценивания фазы.........................................................................................................................57

2.4. Обработка многомерных сигналов в интерферометрических системах малой когерентности............................................................................62

2.5. Восстановление фазы при использовании алгоритма управляемого фазового сдвига......................................................................................................63

Глава 3. ИСЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОБРАБОТКИ НАБОРА ИНТЕРФЕРЕНЦИОНЫХ КАРТИН....................................................67

3.1. Исследование стабильности параметров оптико-механической части интерферометрической системы при обработке набора интерференционных картин......................................................................................................................68

3.2. Оценивание линейности узла фазового сдвига на основе пьезоэлемента.........................................................................................................73

3.3. Помехоустойчивая методика регистрации набора интерференционных картин для определения динамики изменен ия геометрических параметров объекта...................................................................80

3.4. Исследование устойчивости метода восстановления фазы интерферометрического сигнала.........................................................................86

3.5. Исследование параметров интерференционных картин малой когерентности.........................................................................................................89

Глава 4. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ОБЪЕКТОВ............................................................................................................94

4.1. Исследование структуры материалов при помощи системы широкопольной оптической когерентной микроскопии...................................94

4.1.1. Исследование микроструктуры случайно-неоднородных на автоматизированном микроинтерферометре.....................................98

4.2. Неразрушающий контроль внутренней микроструктуры объектов методом оптической когерентной микроскопии с перестраиваемой длиной волны.....................................................................................................................101

4.2.1. Неразрушающее изучение микроструктуры предметов искусства..............................................................................................106

4.2.2. Изучение внутреннего строения растительных тканей........108

4.3. Определение температурного коэффициента теплового расширения материалов на интерференционном дилатометре............................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................138

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ................................140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты использования результатов диссертационной

работы..................................................................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

Интерференционные методы исследования широко используются при бесконтактном контроле различных объектов [1,2]. Неразрушающие исследования актуальны при изучении свойств биологических объектов и биохимических процессов, сопровождающих изменения этих свойств [3-7]. В материаловедении актуальна задача определения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материалов в широком диапазоне изменения температур и оценки особенностей приповерхностного слоя исследуемых образцов [8,9].Основными требованиями, предъявляемыми к современным интерферометрическим системам (ИС) при контроле свойств объектов, являются высокая разрешающая способность, возможность быстрой визуализации поверхностной и/или объемной структуры при использовании методов неразрушающего контроля.

Наиболее важная информация об исследуемом объекте, как правило, содержится в фазе интерференционных полос и, в ряде случаев, в амплитуде интерферометрического сигнала. При этом требуются устойчивые, оптимальные с точки зрения достигаемой точности методы формирования, регистрации и обработки интерференционных картин. Во многих экспериментах требуется обрабатывать значительные объемы информации о рельефе поверхности объекта на участках большой площади, а также о приповерхностной томографической структуре объекта, поэтому необходимо обеспечивать длительную стабильную работу используемых ИС в условиях случайных отклонений фазы при воздействии помех, а также повышать быстродействие интерферометрических систем. Специфика структуры изучаемых материалов, необходимость создания методов и средств контроля объектов с высоким разрешением, необходимость в автоматизации получения измерительной информации требуют создания новых методов и технических систем с высокой помехоустойчивостью.

Целью диссертационной работы является создание методов, методик

и технических систем с обеспечением помехоустойчивости при воздействии

5

внешних влияющих факторов на основе регистрации последовательности интерференционных картин и использования методов обработки последовательности видеокадров для оценивания характеристик исследуемых объектов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование помехоустойчивости ИС и путей повышения помехоустойчивости.

2. Исследование особенностей формирования, анализа и обработки многомерных данных в ИС.

3. Создание методик обеспечения помехоустойчивости при воздействии внешних влияющих факторов и разработка научно-технических решений для создания ИС.

4. Исследование свойств и структуры объектов и материалов методами оптической когерентной томографии (ОКТ) и интерферометрии фазового сдвига с обеспечением требуемой помехоустойчивости.

Научная новизна выполненных исследований:

1. Рассмотрены внешние факторы, влияющие на помехоустойчивость ИС и предложены методы снижения влияния помех на основе регистрации и обработки набора интерференционных картин.

2. Проанализированы аналитические зависимости погрешности определения начальной фазы и погрешности определения положения огибающей интерференционного сигнала малой когерентности от отношения сигнал-шум в ИС и выработаны рекомендации для формирования и регистрации набора интерференционных картин, обеспечивающие получение оптимальных с точки зрения заданной точности оценок характеристик объектов.

3. Разработана методика применения алгоритмов обработки набора интерференционных картин для получения оценок фазы и/или амплитуды многомерных интерферометрических сигналов с высокой

помехоустойчивостью в системах ОКТ и интерферометрии фазового сдвига.

4. Разработана методика регистрации, анализа и обработки данных, повышающая помехоустойчивость при определении величины микронеровности поверхности образца и смещения поверхности объекта с помощью интерференционного дилатометра.

5. Разработана и реализована структура и оптико-электронная система лазерной помехоустойчивой ИС контроля смещений поверхности объекта абсолютным методом с дополнительной функциональной возможностью определения высоты образца и отклонений рельефа образца по высоте за счет использования дополнительного интерферометрического канала малой когерентности.

Практическая значимость работы:

1. Сформулированы требования к формированию набора интерференционных картин в ИС для получения оценок фазы и/или амплитуды с требуемой точностью при обработке последовательности видеокадров.

2. Проведена верификация программного обеспечения в процессе проведения экспериментальных исследований, на основании которой даны рекомендации по оптимизации регистрации, обработки и хранению данных, получаемых в процессе измерений.

3. С использованием ОКТ выполнены наблюдения процессов функционирования и деградации биологических объектов при потере влаги, показаны возможности исследования свойств слоев растительных тканей.

4. Создан и испытан интерференционный дилатометр для определения температурного удлинения образцов абсолютным методом при совместимости с существующими техническими решениями и методиками.

5. Разработанное техническое решение, при котором определение температурного удлинения образца проводится при предварительной установке нулевой разности хода в ИС на базе интерферометра Майкельсона, позволило значительно снизить влияние нестабильности длины волны источника излучения по сравнению с классической схемой систем на базе интерферометра Физо. Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в 3-х НИР, выполненных в НИУ ИТМО, что подтверждается соответсвующими актами о внедрении, по договору № 28863 "Создание оптико-электронной системы и программно-алгоритмического обеспечения метрологического комплекса для измерений характеристик теплового расширения наноматериалов" (2008 г.), по государственному контракту № 07.514.11.4058 (тема НИЧ № 310335) "Формирование, анализ и представление трехмерных изображений в информационно-телекоммуникационных системах" (20112012 гг.), по государственному контракту № 11.519.11.2023 (тема НИЧ № 310336) "Оценка состояния и диагностика биотканей неинвазивными высокоразрешающими методами оптической когерентной томографии и трехмерной микроскопии" (2011-2012 гг.).

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. Итерационный метод восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы.

2. Методика помехоустойчивого восстановления смещения поверхности объекта по набору приведенных фаз, полученных в различные моменты времени.

3. Для метода восстановления параметров интерференционного сигнала получены соотношения между уровнем помех прибора, количеством

интерференционных картин в серии и погрешностью восстановления фазы.

4. Методика формирования, регистрации и обработки последовательности интерференционных картин малой когерентности расширяет область применения и функциональность приборов интерферометрического контроля объектов, позволяя оценивать параметры случайно-неоднородных, в том числе биологических, сред.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлены на XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2007), Advanced laser technologies 2007 (Levi, Finland, 2007), XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2008), XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2009), 4-ой Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии Температура-2011 (Санкт-Петербург, Россия, 2011), Cross-Strait Tsinghua Optics and Photonics Workshop (Hsinchu, China, 2011), XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2011), 5-th Finnish-Russian Photonics and Laser Simposium PALS2011 (Санкт-Петербург, Россия, 2011), XLI научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012), The 3rd International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision OSAV'12 (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях, из них 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 155 страниц. Работа содержит 75 иллюстраций и 2 таблицы. Список литературы включает 96 библиографических источников.

В Главе 1 анализируется влияние различных факторов на помехоустойчивость ИС. Детально рассмотрены требования к относительной нестабильности длины волны источника излучения для обеспечения заданной точности измерений, количественно оценено влияние мощности источника излучения и чувствительности приемника излучения на характеристики интерферометрических сигналов, исследовано влияние микровибраций на параметры регистрируемой интерференционной картины, показана необходимость учета влияния температурной нестабильности на изменение оптической разности хода в интерферометре. Проанализировано влияние внешних факторов на параметры реального интерферометрического сигнала, показано, что обработка последовательности интерференционных картин, зарегистрированных на матричный фотодетектор, позволяет оценить характер изменения фазы интерференционных полос, обусловленный влиянием внешних факторов - микровибраций и низкочастотных отклонений, вызванных температурной нестабильностью установки.

В Главе 2 рассмотрены особенности процессов формирования, регистрации и обработки данных в ИС при использовании методов интерферометрии малой когерентности и лазерной интерферометрии для бесконтактной диагностики объектов. Проанализирован процесс формирования набора интерференционных картин и параметры интерференционного сигнала (2) в зависимости от используемого типа ИС. Показано, что оценивание начальной фазы и положения огибающей интерференционного сигнала по набору интерференционных картин эффективно с точки зрения принципа максимального правдоподобия, при этом погрешность получаемых оценок зависит от отношения сигнал-шум,

мощности источника и параметров фотоприемника. Рассмотрены методы обработки многомерных сигналов в системах малой когерентности и управляемого фазового сдвига.

В Главе 3 приведены результаты исследований стабильности параметров оптико-механической части ИС с использованием набора интерференционных картин, предложена методика помехоустойчивого восстановления смещения поверхности объекта по набору значений приведенных фаз, полученных в различные моменты времени, получены оценки линейности разработанного узла фазового сдвига на основе пьезоэлемента, описан метод итерационного восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реально