автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств фотометрирования на базе многоэлементных фотоприемников для систем контроля параметров изделий и технологических процессов с помощью методов дифрактометрии и спектрометрии

^ Л

л

На правах рукописи

СУРАНОВ АЛЕКСАНДР ЯКОВЛЕВИЧ

Разработка и исследование устройств фотометрирования на базе многоэлементных фотоприемников для систем контроля параметров изделий и технологических процессов с помощью методов дифрактометрии и спектрометрии.

Специальность 05. 11. 13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул, 1997 г.

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом

университете им. И. И. Ползунова

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Горбов М.М. доктор физ.мат. наук Павлов В.Е.

Ведущая организация: Сибирская государственная геодезическая академия

Защита состоится "_" декабря 1997 г. на заседании

диссертационного совета К064.29.01 Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова по адресу: 656099, пр. Ленина, 46.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 656099, Барнаул, пр. Ленина, 46, Алтайский государственный технический университет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Автореферат разослан 17 ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, О

профессор В.И.Замятин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности научных исследований и технологических процессов неразрывно связано с развитием методов и средств контроля физико-химических и геометрических параметров изучаемых или производимых объектов. Особый интерес в этом отношении представляют оптико-электронные методы и средства, отличающиеся бесконтактностью и потенциально высокой точностью измерений. Переход отечественной промышленности к серийному выпуску многоэлементных фотоприемников (МЭФ) и микропроцессорных контроллеров открыл перспективу разработки и внедрения прецизионных устройств контроля параметров объектов и технологических процессов.

Исследования и разработки в данном направлении за рубежом ведутся достаточно широко, в то время как в отечественной научно-производственной практике такие работы не получили должного развития и отражения в литературе. В имеющихся публикациях отсутствуют работы, обобщающие накопленный опыт применения МЭФ, не рассмотрены особенности фотометрирования изображений , формируемых в системах контроля, а также методы расчета и уменьшения погрешностей фотометрирования. Уровень функциональных возможностей и характеристик описанных в отечественной литературе устройств фотометрирования на базе МЭФ не позволяет говорить о реализации их потенциала и возможности построения на их основе эффективных устройств контроля. Некоторое исключение составляет многоканальный анализатор спектра МАСИ - 2, разработанный в СО РАН, однако ориентация на применение в качестве периферийного устройства универсальных ЭВМ и высокая стоимость ограничивают возможности его применения в системах контроля.

Такое состояние дел в области разработки и применения оптико-электронных устройств контроля на базе МЭФ делает необходимым исследование возможностей улучшения их точностных и скоростных характеристик за счет адаптации режимов работы используемых МЭФ к условиям регистрации, компенсации вносимых ими погрешностей и оптимизации программно-аппаратных решений при регистрации и обработке сигналов МЭФ.

Цель работы состоит в совершенствовании устройств фотометрирования на базе МЭФ, ориентированных на преимущественное приме-

нение в спектрометрических и дифрактометрических устройствах контроля, а также в разработке методов расчета их характеристик.

Предмет исследования - процесс фотометрирования спектральных и дифракционных распределений интенсивности оптического излучения с помощью МЭФ.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

1. Классификация вариантов окружения (характеристик входного излучения и основных методов обработки сигнала) устройств фотометрирования на базе МЭФ, опирающаяся на анализ способов преобразования излучения в оптических системах устройств контроля и выделение информативных характеристик излучения.

2. Система параметров и характеристик МЭФ, необходимая для разработки и оценки параметров соответствующих высокоточных устройств фотометрирования,' ориентированных на применение в задачах дифракгометрии и спектрометрии.

3. Методики измерения нелинейности характеристик преобразования и неоднородности параметров МЭФ и результаты измерений этих характеристик для линейных фотодиодных приемников.

4. Структурные схемы устройств фотометрирования на базе линейных фотодаодных приемников (ФДП) с компенсацией неоднородности темнового сигнала и неоднородности чувствительности.

5. Структурные схемы устройств фотометрирования с многократным считыванием сигнала, с пространственно адаптируемым временем накопления, с компенсацией нестационарного фонового излучения.

6. Структурные схемы устройств стабилизации амплитуды сигнала МЭФ.

7. Алгоритм оценки и методика расчета погрешности измерения координат минимумов дифракционного распределения (ДР) с помощью аппроксимации сигнала минимума кубическим полиномом.

8. Алгоритм оценки и методика расчета погрешности измерения квазипериода ДР от узкой щели по ширине его пространственного спектра.

Практическая ценность. Практическая значимость результатов работы заключается в формулировании концепции базового устройства фотометрирования и разработке на его основе двух классов приборов контроля. Первый класс включает ряд быстродействующих регистраторов и анализаторов спектра оптического излучения с расширенным диапазоном фотометрирования на базе линейных МЭФ, предназначенных для применения в системах контроля параметров атмосфе-

ры. контроля элементного состава металлов, контроля параметров оптических покрытий в процессе напыления. В устройстве фотометриро-вания, предназначенном для решения последней задачи, применены технические решения, позволяющие компенсировать нестационарное фоновое излучение. Второй класс разработанных приборов включает дифрактометры на базе линейных фотодиодных приемников, в которых реализованы технические решения по пространственной адаптации времени накопления и автоматической стабилизации амплитуды сигнала.

Реализация и внедрение результатов исследований. Разработка и исследование устройств фотометрирования на базе МЭФ проводились в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ(40-82, 10-82. 25-84). Результаты исследований внедрены в Томском ИОА, ЦКБ "Точприбор"(г.Новосибирск), на предприятиях п/я Р6681,' В8590. Р6462. Основные узлы разработанных приборов защищены патентами.

Материалы диссертации используются в учебном процессе АГУ на физическом факультете в лекционном курсе "Основы метрологии и фотометрии".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 Всесоюзных научно-технических конференциях (ВНТК) и совещаниях, а именно на I, III и IV ВНТК "Оптические сканирующие устройства и приборы на их осно-ве"(Барнаул, 1980, 1986 и 1988 г.г.), на II и IV ВНТК "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе"(Барнаул, 1981, 1987 г.г.), на I ВНТК "Автоматизированные системы обработки изображений" (Москва 1981 г.), на IV ВНТК "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"(Москва 1982 г.), на II Международной конференции "Датчики электрических и неэлектрических величин"(Барнаул, 1995).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, получено 9 авторских свидетельств на изобретение. Большинство материалов работы вошло в отчеты по НИР, проведенных кафедрой общей электротехники АлтПИ и Отделом прикладной оптоэлектроники ИФП СО АН в рамках хоздоговорной тематики.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 196 страницах, включая 72 страницы рисунков и список литературы из 142 названий.

Основные положения, представляемые к защите.

1.Для фотометрирования пространственных распределений излучения с помощью линейных ФДП необходимо выбирать диапазон изменения сигнала на уровне не более (35 - 40)% от насыщения и рассчитывать освещенность по трем отсчетам сигнала, измеренным при минимальном, номинальном и среднем времени накопления в соответствии с алгоритмом квадратичной интерполяции этих отсче-тов.

2. Для прецизионного (с погрешностью не более (0,2 - 0,3)% ) измерения квазипериода дифракционных распределений (ДР) целесообразно использовать двухэтапный алгоритм измерения с применением на втором этапе упрощенных алгоритмов кубической аппроксимации сигнала с центром локальной системы координат в точке приближенной оценки координаты, полученной на первом этапе.

3.Для оперативного (в реальном масштабе времени) измерения ширины узкой щели по дифракционному распределению с погрешностью не более 1% целесообразно использовать измерение ширины пространственного спектра ДР, включающее аппаратное дискретное преобразование Фурье изображения центрированного ДР и линейную аппроксимацию амплитудного спектра. При этом точка пересечения аппроксимирующей прямой с осью частот характеризует ширину спектра, связанную с шириной щели линейной зависимостью.

4.Использование предложенных схемно-алгоригмических решений по компенсации неоднородности темнового сигнала и чувствительности МЭФ, а также решений по многократному считыванию сигнала ФДП, поэлементному варьированию времени накопления, синхронному с прерыванием излучения накоплению суммарного и фонового сигналов обеспечивает повышение точности и помехоустойчивости устройств фотометрирования. Предложенные решения по стабилизации амплитуды сигнала ФДП позволяют устанавливать оптимальное время накопления для каждого интервала фотометрирования.

Основные положения, представляемые к защите, отражают личный вклад автора в разработку избранной проблемы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследований. Изложены научная новизна. практическая ценность работы и сведения об использовании ее результатов.

В первой главе "АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ФОТОМЕТРИРОВА-НИЯ НА БАЗЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ (МЭФ)" рассмотрена обобщенная структурная схема устройств контроля параметров объектов с помощью оптического излучения и выделен основной преобразовательный элемент - приемник излучения; для выбора параметров, влияющих на измерительное преобразование в МЭФ, рассмотрены требования, предъявляемые к устройствам контроля на базе МЭФ в ряде областей их наиболее эффективного применения; на основе анализа требований разработана классификация характеристик излучения на входе МЭФ и основных методов обработки оценок параметров излучения; рассмотрены предложенные в литературе методы и средства улучшения основных характеристик устройств фотометриро-вания на базе МЭФ; рассмотрены модели и методы измерения характеристик МЭФ, способы построения соответствующих измерительных установок и полученные результаты. На основе анализа всех перечисленных вопросов сформулированы направления исследований.

При классификации характеристик излучения на входе МЭФ и основных методов обработки оценок параметров излучения на их выходе предложено выделить три группы устройств контроля (рис. 1): устройства контроля физико-химических, геометрических и оптических параметров. При этом в качестве основных информационных характеристик излучения выделены его спектральная и пространственная плотность. Дальнейший анализ способов формирования и преобразования излучения позволяет выделить четыре основных варианта такого преобразования: пространственное разложение или преобразование Фурье спектральной плотности, формирование или преобразование излучения по законам геометрической или волновой оптики.

При этом в результате пространственного разложения спектральной плотности в зависимости от дисперсии спектрального прибора может формироваться квазимонохроматическое излучение или излучение с пространственно изменяющейся спектральной плотностью.

Признак /"

классификации

Класс

параметров

объектов

Устройства контроля на базе МЭФ 1

Физико-химические параметры (концент-^ рация, темпер-ра) ^

I

Геометрические параметры (размерь: ^ шероховатость) J

Класс

информативных

характеристик

излучения

Способ преобразования излучения в оптич. системе

Спектральная плотность

Оптические параметры (цвет, оптич. толщ.)

Пространственная плотность

Л

1. Простр. разложен успектр.шу

Характеристики излучения на входе МЭФ:

а) степень когерентности и монохроматичности

б) пространственная динамика

в) временная динамика)

ii у^*

2. Преобр. Фурье ^спектр, пл^

Некогер. с простр. измен.сп. ^плотн.

3. Преобр по законам угеом^шггу

ч-

Некогер. квазимо-Унохром.^

Некогер. немоно-цромапрц

С высокочаст, спектром простр. частот (точечные объекты)

4. Преобр.

по законам у^волн. опт.^

Когер. монохро Уматич. ^

С низкочаст, спектром простр. частот (протяженные объекты)

Статическое (контроль объектов) Динамическое ^ (контроль процессов) ^

[ С фоновой компонентой 1 [ Без фоновой компон. ]

Рис. 1 Классификация характеристик излучения на входе МЭФ

Квазимонохроматическое излучение имеет место и в устройствах контроля, работающих по законам геометрической оптики при использовании в их составе светодиодных излучателей. При использовании в данных устройствах тепловых излучателей и в Фурье-спектрометрах на выходе оптических систем формируется немонохроматическое излучение. В большинстве рассмотренных случаев излучение является некогерентным и характеризуется широким спектром пространственных частот.

Использование в устройствах контроля, работающих по законам волновой оптики, лазерных источников излучения определяет монохроматичность и когерентность излучения на входе МЭФ. а также преимущественно низкочастотный характер спектра пространственных частот.

Наряду с перечисленными признаками излучение на входе МЭФ может характеризоваться рядом признаков, связанных в большей степени с классом задач контроля. Так, в частности, по временной динамике могут быть выделены статическое излучение, имеющее место при контроле единичных объектов, и динамическое излучение, формируемое при контроле параметров непрерывных процессов. Излучение может характеризоваться наличием или отсутствием фоновой компоненты.

Рассмотренные характеристики излучения могут являться источниками соответствующих погрешностей фотометрирования в устройствах контроля на базе МЭФ и предложенная классификация позволяет системно рассмотреть и учесть вклад данных погрешностей. Для определения величины погрешностей необходимо исследовать порождающие их характеристики МЭФ и разработать методику расчета погрешностей устройств контроля.

Для установления связи между погрешностями устройств фотометрирования и погрешностями устройств контроля в работе предложена следующая классификация основных методов обработки оценок параметров излучения (рис.2). Из указанных методов достаточно подробно в отечественной и зарубежной литературе рассмотрены лишь методы измерения координат точечных объектов. Анализ приведенной на рис.2 классификации свидетельствует, что исходным этапом фотометрирования в устройствах на базе МЭФ является поэлементный расчет освещенности, требующий учета всех параметров характеристик преобразования элементов МЭФ и их совместного нормирования

Способ преобразования излучения в

1. Просгр. разложен.

оптич. системе чспекгрпл,

Методы обработки оценок

2. Преобр Фурье ^спектр.пл/

СРасчет^ поэлем. отношен . интенс..

3. Преобр. по законам геом. опт.

^Расчет координат точечных Ууобъектов/

4. Преобр. по законам \волн. опт.-.

Г Расчет Л коорд. протяж. У^объектовУ

г Расчет^ интегр. интенс. и параметройуихотноц излучения

Рис.2 Классификация основных методов обработки оценок параметров излучения.

В связи с этим исходным шагом при определении погрешностей фотометрирования должно стать формирование соответствующей систему параметров и характеристик (СПХ) МЭФ и их исследование. Помимо этого, необходимо разработать методы уменьшения погрешностей фотометрирования и погрешностей измерения контролируемых параметров. При этом целесообразно степень разработки методов довести до уровня реализации в автономных микропроцессорных устройствах контроля.

Для решения перечисленных задач в работе рассмотрены предлагаемые СПХ МЭФ и методы улучшения точностных характеристик устройств фотометрирования на их основе. Предложена СПХ МЭФ, характерной чертой которой является выделение характеристик и параметров отдельных элементов и характеристик всей совокупности элементов МЭФ, а также выделение для основных характеристик и параметров влияющих факторов и установление причинно-следственных связей между параметрами и характеристиками .

Рассмотрены также модели и методы измерения основных характеристик преобразования МЭФ и применяемые для этого измерительные установки.

В результате анализа намечены пути поиска методов улучшения точностных и скоростных характеристик устройств фотометрирования и сформулированы требования к установке для исследования характеристик МЭФ.

Во второй главе "ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ, ВНОСИМЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ФО-

ТОПРИЕМНИКАМИ" описана экспериментальная установка для исследования характеристик МЭФ, рассмотрено измерение энергетических характеристик элементов линейных фотодиодных приемников (ФДП), его характеристик неоднородности чувствительности и темнового сигнала, предложены программные и программно-аппаратные решения по компенсации погрешностей, вносимых МЭФ.

Экспериментальная установка, используемая в работе, базировалась на ЮМ РС. С помощью ЭВМ были автоматизированы функции формирования управляющих напряжений МЭФ с программно регулируемыми амплитудно-временными параметрами, формирования эталонных перемещений или размеров с помощью шаговых двигателей и пьезоэлектрических перемещателей, а также функции ввода и обработки сигналов МЭФ и эталонного датчика перемещений (интерферометра). Для формирования эталонных оптических полей использовался ряд источников излучения (лампы накаливания, лампы с линейчатым спектром, светодиоды, лазерные излучатели) и спектральные приборы: полихроматор на базе стилометра ФСПА-У с линейной дисперсией 0,75 нм/мм и полихроматор ММ-800 с линейной дисперсией 50 нм/мм.

Измерение энергетической характеристики линейного ФДП включало измерение передаточной характеристики элемента по аналоговому сигналу в диапазоне от 1 до 9 В и измерение линейности накопления фотогенерированного сигнала. Измерение первой характеристики показало, что в диапазоне от 4,5 до 8 В она с погрешностью не более 0,1% аппроксимируется квадратичной функцией, а максимальное отклонение от линейной функции не превышает ±0,5% и уменьшается до ±0,2% при изменении нижней границы до 5 В. Измерение характеристики накопления производилось с помощью линейного изменения времени накопления при постоянной освещенности с последующим вычитанием темнового сигнала. В результате измерений (рис.3) было определено (рис.4), что при увеличении относительной (пересчитанной и нормированной на напряжение смещения) амплитуды сигнала до (20 - 25)% резко возрастает погрешность аппроксимации характеристики накопления линейной функцией, а при увеличении более (30 - 35)% и квадратичной функцией. Исходя из этого в работе предложено устанавливать верхний диапазон сигнала на уровне (30 - 35)% , а величину освещенности рассчитывать по трем отсчетам сигнала Ш, Ш, 112, полученным соответственно при минимальном,

40001-

3000

2000

Ё 1000 -

5

0 20 40 60 80 100

Номер шага приращения времени накопления.

Рис.3

Характеристики накопления элемента линейного ФДП при различных приращениях времени накопления (ОТ=1-14), О -темновой сигнал при ОТ = 14. 2200

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800

С.К.О = 3

200

400

600 800 1000 Номер элемента

Рис. 7

Результаты компенсации неоднородности темнового сигналы линейного ФДП на различных уровнях.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Относительная величина максимального сигнала, Рис. 5

Зависимости среднеквадратичных погрешностей аппроксимации характеристин накопления линейной (1) и квадратичной (2) функциями при Есм = 8 В.

50

40

30

I 2°'I

о

X

5 ® 10

400 500 600 700 800 900 1000 1100

Длина волны излучения, нм.

Рис. 8

Зависимость неоднородности чувствительности линейного ФДП от длины волны излучения.

номинальном Тн.ном. и среднем времени накопления в соответствии с алгоритмом квадратичной интерполяции

Е = [4*(U2 - U1) - (U3 - U1)]/TH.hom (1)

Исследован характер пространственного распределения и зависимости от напряжения смещения темнового сигнала линейного ФДП. Линейный характер последней зависимости позволил предложить метод и схему программно-аппаратной компенсации неоднородность темнового сигнала данных приемников за счет инверсного неоднородности изменения напряжения смещения. Расчеты, выполненные в работе, и результаты измерений скомпенсированного темнового сигнала, приведенные на рис. 5, показывают возможность его компенсации с точностью 0.1% от диапазона сигнала. Дополнительным достоинством такого решения является возможность регулирования коэффициента усиления сигнала ФДП перед его квантованием в широком диапазоне.

Исследована спектральная зависимость неоднородности чувствительности линейного ФДП и показано (рис.6), что ее низкочастотная компонента резко, с 10% до (40 - 45)% возрастает при увеличении длины волны излучения более (700 - 800) нм. Такое увеличение может быть объяснено увеличением неоднородности характеристик полупроводника с увеличением глубины проникновения излучения. Показана возможность применения обнаруженной закономерности для спектральной фильтрации излучения лампы накаливания с целью уменьшения неоднородности чувствительности с 20% до 10%.

Для устройств контроля, использующих когерентное излучение предложена методика компенсации неоднородности чувствительности и приведены экспериментальные результаты ее реализации. В основе методики лежит использование квазиравномерного пространственного распределения центральной части ДР от узкой щели, аппроксимируемого квадратичной функцией и нормируемого к максимальному значению. Помимо этого, показано (рис.7), что пространственное распределение высокочастотной компоненты неоднородности чувствительности для квазимонохроматического излучения с длиной волны 590 нм. и для когерентного излучения гелий-неонового лазера (632,8 нм) имеют высокий (0,9) коэффициент корреляции, что позволяет использовать для компенсации неоднородности чувствительности некогерентные источники с близкой длиной волны. Для цифровых устройств фотометрирования на базе МЭФ предложено программно-аппаратное решение по компенсации неоднородности чувствитель-ности элементов

МЭФ. Суть решения заключается в подаче компенсирующих отсчетов напряжения на вход опорного напряжения АЦП при квантовании регистрируемого изображения.

В третьей главе "РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ И Б ЫТРОДЕЙСТВИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ФОТОМЕТРОВ" описаны технические решения, позволяющие за счет учета характера излучения и соответствующей адаптации режимов работы МЭФ повысить точность и расширить диапазон фотометрирования, а также стабилизировать амплитуду максимального сигнала МЭФ за минимальное время.

Для фотометрирования статических изображений предложены технические решения (а.с. 1492224. а.с. 1569584), позволяющее производить многократное считывание сигнала ФДП. Суть предложений состоит в формировании нетиповых управляющих импульсов, квантовании и выборочной записи в буферное ОЗУ совместно с номером считывания отсчетов сигнала ФДП, уровень которых не превышает верхний уровень диапазона АЦП. При расчете освещенность элементов МЭФ с линейной энергетической характеристикой определяется путем нормирования сигнала к номеру считывания. Для МЭФ с нелинейной ;г энергетической характеристикой предложено техническое решение (а.с.

1672802), позволяющее производить поуровневую регистрацию максимального отсчета и номера считывания.

Для случая фотометрирования изображения с выраженным максимумом освещенности (дифракционного распределения или спектра лампы накаливания) предложено техническое решение (патент 2084842), позволяющее производить пространственную адаптацию времени накопления за счет различия частот стирания и считывания сигнала. При этом время накопления может линейно убывать или возрастать от одного края МЭФ к другому или иметь экстремум (минимум или максимум) в заданной точке МЭФ. Направление изменения времени накопления или точка экстремума выбираются таким образом, чтобы компенсировать его увеличением уменьшение освещенности фотометрируемого изображения. В работе приведены выражения для расчета параметров предлагаемого устройства. Характер сигнала МЭФ при фотометрировании дифракционного распределения от узкой щели с исходным квадратичным убыванием амплитуд боковых максимумов показан на рис.8

Для фотометрирования спектральных кривых пропускания оптических покрытий при их напылении в вакууме в условиях попадания в тракт зондирующего излучения нестационарного фонового излучения испарителей предложены технические решения, позволяющие компенсировать данное излучение. Суть этих решений (а.с. 1547491, а.с. 1627865) состоит в использовании для накопления суммарного и фонового спектров различных секций линейного ПЗС-фотоприемника с билинейной организацией, причем во втором а.с. предложена новая организация такого приемника. При этом накопление каждого спектра производится небольшими порциями, синхронно с работой модулятора, прерывающего зондирующее излучение. После окончания интервала накопления производится считывание сигналов секций накопление и поэлементное вычитание фонового сигнала. Высокая скорость прерывания излучения позволяет обеспечит малую погрешность компенсации. В работе приведены функциональные схемы блоков, обеспечивающих накопление и считывание сигнала МЭФ в описанном режиме и временные диаграммы работы устройств.

Большое значение для повышения точности и быстродействия при контроле единичных объектов с помощью МЭФ имеет стабилизация амплитуды максимального сигнала с помощью выбора оптимального времени накопления. В предложенных ранее устройства данная задача решалась аппаратными средствами путем пошагового изменения времени накопления на заданную величину, что приводило к большим временным затратам.

В данной работе предложено два технических решения по стабилизации амплитуды видеосигнала, опирающиеся на процессорный метод расчета оптимального времени накопления. В первом решении (а.с. 1443207), ориентированном на применение в устройствах фотометрирования с относительно небольшим межстрочным изменением максимальной освещенности, время задержки экспозиции Т в (¡+1)-м цикле рассчитывается по формуле

14+1 = Т1- (Тс -Т1)*(1Гн + Оиш)/(Ш + 01Л), (2)

где Тс - длительность строки,

ин - нижний допустимый уровень напряжения сигнала, Бит, ЭШ - максимальное и текущее отклонение сигнала. Во втором техническом решении (а.с. 1748283), рассчитанном на применение МЭФ с неразрушающим считыванием, в частности фотодиодных приемников, для оценки максимальной освещенности исполь-

зуется тестовое считывание сигнала с максимальной частотой в начале цикла накопления. Исходя из оценки максимальной освещенности рассчитывается и формируется интервал времени, необходимый для накопления максимального сигнала с заданным уровнем. Таким образом. стабилизация максимального сигнала на оптимальном уровне производится в течении одного интервала накопления.

В четвертой главе "РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИФРАКЦИОННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ УСТРОЙСТВ ФОТОМЕТРИРО-ВАНИЯ НА БАЗЕ МЭФ" рассмотрены алгоритмы измерения параметров дифракционных распределений, в частности алгоритм измерения координат минимумов дифракционных распределений, а также алгоритмы измерения квазипериода данных распределений по разности координат минимумов и по ширине их пространственного спектра. Параллельно с анализом алгоритмов рассматриваются систематические и случайные погрешности соответствующих измерений.

Так, в частности, для измерения параметров ДР предложено использовать двухэтапный алгоритм с определением на первом этапе приближенного значения координаты с помощью метода квадратичной интерполяции прореженных отсчетов сигнала. На втором этапе для точного измерения координаты минимума производится расчет коэффициентов кубического полинома, аппроксимирующего сигнала в окрестности минимума. В работе проведено моделирование систематической погрешности измерения координаты минимума и квазипериода. Показано, что относительная (нормированная к величине квазипериода) систематическая погрешность измерения квазипериода для первых двух минимумов не превышает 0,2% при увеличении относительной полуширины окна аппроксимации до 0,4.

Для случайной погрешности измерения координаты минимума с помощью предложенного метода получено аналитическое выражение

где 5в .относительная погрешность измерения амплитуды сигнала, М - порядок минимума, п0 = пЛЭХ - относительная (нормированная к величине квазипериода ЭХ) полуширина окна аппроксимации.

На основе выражения (3) было получено выражение для расчета случайной погрешности измерения квазипериода ДР по первым двум

(3)

минимумам при использовании для его фотометрирования технических решений, описанных выше.

Оценки величины ctdt при п0= 0,2 - 0,3, Sei = Ю'2. и п = 40 - 50 дают значение 0,2 - 0,3 элемента МЭФ. Таким образом, расчетное значение относительной (нормированной к величине квазипериода) случайной погрешности измерения квазипериода при указанных выше параметров близких к реальным будет составлять величину порядка 0,1%.

Экспериментальная проверки погрешности предложенного алгоритма производилась с помощью микроперемещателя на базе пьезо-элементов. который изменял ширину щели на 2мкм при ступенчатом с шагом 140 В изменении напряжения на его электродах в диапазоне от 0 до 1250 В. Результаты измерений приведены на рис. 9 и свидетельствуют о возможности достижения субмикронной точности измере-ний. В частности на графике просматривается петля гистерезиса пьезоперемещателя ширинок порядка 0,02 мкм.

Для скоростных систем контроля геометрических параметров объектов с помощью методов дифрактометрии в работе предложен алгоритм оперативного измерения квазипериода или ширины щели по ширине пространственного спектра ДР. В основе алгоритма лежит расчет амплитуд гармоник спектра относительно размера МЭФ, выделение значимых гармоник, линейная аппроксимация и расчет ширины спектра как частоты, на которой аппроксимирующая функция пересекает ось частот.

Расчет относительной систематической погрешности измерения параметров ДР с помощью предложенного метода (рис. 10) показывает, что в диапазоне частот от 4 до 10 ее величина не превышает 1%. Для расчета случайной погрешности измерения в работе получено следующее аналитическое выражение

В работе предложена и практически реализована схема скоростного дифрактометра на базе умножителя-аккумулятора К1518ВЖ1, позволяющего рассчитывать амплитуду гармоники по 1000 отсчетам за время не более 1 мс, а ширину спектра по 10 гармоникам за время не более 25 мс, т.е. практически в реальном масштабе времени регистрации изображения ДР.

(4)

Yfo = 4* au/Um*^М~/(2*Пэ)

(5)

члпп _

& s'

S

о

5

G О

ё а

в

юо

о X

600 800 1000

Номер элемента

Рис.

600 800 100 Номер элемента

Рис. 7

Неоднородность чувствительности линей- Вид сигнала дифракционного рас-ного ФДП при облучении когерентным (1) и пределения при поэлементном уве-

квазимонохроматическим излучением с

длиной волны 590 нм (2).

42,0 -,

41,5-

2 ж 2

х с; а> 3"

41,0

40,5

40,0

личении времени накопления.

1.0-1

0,8-

э

а а.

0,6

0,4-

о 0,2-к S

5 -0,2-

600 800 1000 1200 Величина напряжения, В

Рис. 9

График зависимости измеренной ширины щели от напряжения на пьезоперемещателе.

7 8 9 10

Номер гармоники

4 5 6

РИС. 10

Зависимость относительной погреии ности измерения квазипериода ДР при уровне порога 5% амплитуды первой гармоники.

В пятой главе "УСТРОЙСТВА ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ НА БАЗЕ МЭФ ДЛЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ И ТЕХНОЛОГИЧСКИХ ПРОЦЕССОВ" рассмотрены принципы построения аппаратуры и методика отладки программного обеспечения устройств фотометрирования на базе МЭФ; описано базовое устройство фотометрирования на основе однокристальной микроЭВМ и ряд устройств фотометрирования, применяемых для контроля спектральных характеристик оптических покрытий, а также автоматизированный дифракгометр, предназначенный для контроля диаметров прецизионных изделий и микроперемещений объектов.

В заключении изложены основные результаты работы.

В приложении приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа отечественной и зарубежной литературы выявлены области наиболее эффективного применения устройств фотометрирования на базе МЭФ, включающие контроль физико-химических параметров объектов методами спектрального анализа, контроль геометрических параметров объектов с помощью методов геометрической и волновой оптики и контроль оптических параметров объектов. Предложена классификация характеристик излучения на входе и методов обработки оценок освещенности на выходе устройства фотометрирования, выделены основные характеристики устройств фотометрирования на базе МЭФ и предложена схема их взаимосвязи с параметрами и характеристиками МЭФ. Предложена также система параметров и характеристик МЭФ, ориентированная на применение при проектировании высокоточных устройств фотометрирования.

2. Для экспериментальной оценки основных характеристик линейных МЭФ разработана автоматизированная экспериментальная установка с программным управлением амплитудно-временными параметрами управляющих напряжений, параметрами излучения и перемещением МЭФ или элементов оптических схем.

3. Исследован характер нелинейности энергетических характеристик линейных фотодиодных приемников (ФДП). Получены числовые оценки нелинейности цепей накопления и считывания сигнала. Предложен алгоритм коррекции нелинейности.

4. Исследована неоднородность темнового сигнала линейных ФДП и предложен метод ее компенсации, базирующийся на инверсном

по отношению к неоднородности изменении напряжение смещения элементов ФДП. В работе показана теоретическая возможность обеспечения погрешности компенсации на уровне 1.5 от погрешности измерения величины сигнала и экспериментально получена относительная погрешность компенсации порядка 0.1 %.

5. Исследована спектральная зависимость неоднородности чувствительности линейных ФДП и показано, что ее низкочастотная составляющая обнаруживает тенденцию к увеличению от (10 - 15) % до (40 - 45) % при увеличении длины волны излучения более 700 нм. Неоднородность чувствительности для источников когерентного и некогерентного излучения имеет высокую (порядка 0.9) корреляцию по высокочастотной компоненте, что позволяет использовать квазимонохроматические источники излучения для компенсации неоднородности чувствительности МЭФ к когерентному излучению. Предложено решение устройства компенсации неоднородности чувствитель-ности с помощью инверсного неоднородности изменения опорного напряжения АЦП, входящего в состав устройства фотометрирования.

6. Для расширения диапазона фотометрирования стационарных изображений в устройствах фотометрирования на базе ФДП предложены схемные решения, обеспечивающие выборочную регистрацию максимальных отсчетов сигнала при повторном неразрушающем считывании, а также пространственное варьирование времени накопления за счет выбора различных частот стирания и считывания сигнала и их переключения в точке экстремума изображения.

7. Предложено решение задачи компенсации нестационарного фонового излучения в устройствах фотометрирования на базе МЭФ. В основе такого решения лежит использование линейных ПЗС-фотоприемников с билинейной организацией, в двух секциях которого осуществляется синхронное с прерыванием излучения накопления суммарного и фонового изображения и последующее поэлементное вычитания этих изображений при считывании. Для сохранения разрешающей способности, и .более эффективного использования излучения предложена схема специального фотоприемника с модифицированной билинейной организацией, в котором обеспечена зарядовая связь всех элементов с каждой секцией накопления.

8. Для решения задачи оперативного выбора оптимального времени накопления, при котором максимальный уровень сигнала МЭФ близок к верхнему диапазону АЦП, предложено использовать алгоритмы и

схемные решения, ориентированные на реализацию в микропроцессорных контроллерах. В основе алгоритмов лежит метод экстраполяции времени накопления на базе оценок максимальной освещенности. При этом показано, что в устройствах фотометрирования на базе ФДП с неразрушающим считыванием сигнала за счет применения программно-аппаратных решений возможен выбор оптимального времени накопления в каждом цикле накопления сигнала.

9. При измерении параметров объектов с помощью методов ди-фрактометрии предложено для измерения квазипериода (расстояния мевду минимумами) ДР использовать кубическую аппроксимацию сигнала в окрестности этих минимумов. В качестве координаты минимума должно приниматься одно из решений квадратного уравнения, получаемого в результате приравнивания нулю производной аппроксимирующего полинома. Теоретически и экспериментально показано, что предложенный алгоритм позволяет измерять координаты минимумов и величину квазипериода с относительной погрешностью (0,2 - 0,3) %. а сам размер вспомогательной щели и размер объекта - с субмикронной погрешностью.

10. Для решения задач скоростной дифрактометрии предложен алгоритм измерения параметров ДР от узкой щели базирующийся на измерении ширины пространственного спектра ДР.. Предложенный алгоритм позволяет получать оценки параметров ДР с погрешностью не более 1 % за время порядка 25 мс, т.е. фактически синхронно со считыванием изображения.

11. На основе проведенных исследований разработано базовое устройство фотометрирования и на его основе ряд спектрометров и ди-фрактометров, позволивших решить важные задачи контроля параметров изделий и технологических процессов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи

1. Суранов А.Я. Анализ формирования и методы обработки видеосигнала линейного ПЗС-фотоприемника в автоматизированном регистраторе спектра оптического излучения.// Измерения и автоматизация производственных процессов. Межвуз. сб. - Барнаул: АлтПИ, 1983. - С.22 - 25.

2. Госьков П.И., Суранов А.Я., Якунин А.Г. Автоматизированный регистратор пространственно разложенного спектра оптического излу-

чения на основе линейного ПЗС-фотоприемника.// ПТЭ. - 1984. N 4. -С.241. ......

3. Суранов А.Я.. Якунин А.Г. Автоматизированный анализатор оптического спектра с линейным ПЗС-фотоприемником.// ПТЭ. - 1984. N 5. -С.239.

4. Суранов А.Я., Шпомер A.B., Якунин А.Г. Применение автоматизированного регистратора спектра на основе линейного ПЗС- фотодиодного приемника для спектрального анализа металлов.// Журнал прикладной спектроскопии. -1985. -T.XLIII. -Вып. 3. -С. 377 - 382.

. 5. Суранов А.Я. Методика расчета параметров системы автоматической стабилизации амплитуды видеосигнала многоэлеменгного фотоприемника.// Изв. ВУЗов. Приборостроение.-1987. -N 12.-С.70 - 74.

- 6. Суранов А.Я., Госьков П.И., Якунин А.Г. Микропроцессорная система измерения параметров бинарных изображений на основе многоэлементного фотоприемника.// Микропроцессорные средства и системы.-1988. N 1. С.54 - 56.

7. Якунин А.Г., Госьков П.И., Суранов А.Я. Система отладки оптико-электронных приборов со встроенными микропроцессорами.// Оптико-механическая промышленность. -1988. -N 3. -С.42 -44.

8. Якунин А.Г., Госьков П.И., Суранов А.Я. Комплекс технических средств для автоматизации исследований многоэлементных фотоприемников.//Измерительная техника. -1988. -N 4. С.22 - 24.

Доклады и тезисы докладов

1. Суранов А.Я., Якунин А.Г. Применение приборов с зарядовой связью для регистрации быстропротекающих процессов.// Автоматизированные системы обработки изображений:Тез.докл. Всес.конф.. -М. 1981. -С.152.

2. Якунин А.Г., Суранов А.Я. Статистические исследования шумов сигнала линейных ПЗС.// Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов:Тез.докл. 4.2: Всес.конф. - Барнаул. 1982 -С.45 - 46.

3. Госьков П.И., Арутюнов В.А., Суранов А.Я., Якунин А.Г. Автоматический регистратор спектра оптического излучения на основе линейного ПЗС.// Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез.докл Всес.конф.,. -М., 1982. -С.87.

4. Суранов А.Я. Измерение параметров дифракционных картин по спектру сигнала системы регистрации на базе многоэлементного фото-

приемника.// Датчики электрических и неэлектрических величин: Докл. Междунар.конф. -Барнаул., 1995. -С. 107 - 10В.

5. Суранов А.Я. Спектровизор на базе линейного многоэлементного фотоприемника для систем контроля параметров оптических покрытий.// Датчики электрических и неэлекгрических величин: Докл. Междунар.конф. -Барнаул., 1995. -С.34 -35.

6. Суранов А.Я. Измерение квазипериода колебаний дифракционного распределения от узкой щели с помощью многоэлементного фото-приемника.//Датчики электрических и неэлекгрических величин: Докл Межунар.конф.. -Барнаул., 1995. -С.117 - 119.

7. Суранов А.Я. Анализ погрешности измерения квазипериода колебаний дифракционного распределения от узкой щели с помощью многоэлементного фотоприемника.// Датчики электрических и неэлектрических величин: Докл Междунар.конф. -Барнаул., 1995. -С. 120124.

Изобретения

1. A.c. 1443207 СССР Устройство стабилизации амплитуды видеосигнала / А.Я.Суранов, ПИ.Госьков. А.Г.Якунин, А.Б.Чигорко.-опубл. в Б.И. 1988, N 45.

2. A.c. 1492224 СССР Многоканальный фотометр / А.Я. Сура-нов, М.А.Царегородцев, А.Г.Якунин. - опубл. вБ.И., 1989, N 25.

3. A.c. 1547491 СССР Многоканальный спектрометр /А.Я. Суранов.

4. A.c. 1569584 СССР Многоканальный фотометр / А.Я.Суранов,-опубл. вБ.И., 1990, N21.

5. A.c. 1627865 СССР Многоканальный спектрометр / А.Я.Суранов. -опубл. вБ.И., 1991, N6.

6. A.c. 1672802 СССР Многоканальный фотометр / А.Я.Суранов.

7. A.c. 1748283 СССР Устройство стабилизации амплитуды сигнала / А.Я.Суранов. -опубл. в Б.И., 1992, N 26.

8. Патент РФ 2084842 Устройство фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещен-ности.А.Я.Суранов.-опубл. в Б.И., 1997, N 20.

9. А.Я.Суранов. Устройство компенсации темнового сигнала многоэлементного фотодиодного приемника.Положительное решение по заявке 95106085 от 18.04.95 г.

10. А.Я.Суранов. Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников. Положительное решение по заявке 95111894 от 11.07.95 г.