автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка математических моделей и исследование алгоритмов измерений линейных и угловых величин дифракционным методом

Введение.

Глава I Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов.

1.1 Технические применения явления дифракции света.

1.2 Современные дифракционные методы измерений.

1.2.1 Измерение параметров цилиндров дифракционным методом.

1.2.2 Измерение площади и определение формы отверстий.

1.2.3 Измерение толщины покрытий.

1.2.4 Измерение показателя преломления.

1.2.5 Общее заключение по применению явления дифракции в измерительных методиках.

1.3 Обобщенная схема дифракционных методов измерений.

1.4 Классификация дифракционных методов измерений.

1.4.1 Классификация по способу регистрации.

1.4.2 Классификация по типу объекта, на котором происходит дифракция.

1.4.3 Классификация по области применения.

1.5 Выводы по главе.

Глава П Представление дифракционного метода контроля с позиций теории систем и интегральных преобразований в оптике.

2.1 Дифракционный метод асимметрии.

2.2 Анализ распределения света за фазовым корректирующим устройством (ФКУ)

2.3 Функция светового возмущения в окрестности точек инверсии фазы частотного спектра контролируемого объекта.

2.3.1 Анализ первичной дифракционной картины в плоскости фильтра.

2.3.2 Анализ вторичной дифракционной картины в плоскости регистрации.

2.3.3 Анализ свертки по координате £.

2.3.4 Переход к интенсивности по координате £.

2.3.5 Анализ свертки по координате г?.

2.3.6 Переход к интенсивности по координате //.

2.4 Выводы по главе.

Глава Ш. Теоретическое исследование дифракционного метода асимметрии. Анализ поля - амплитуда, интенсивность.

3.1 Параметры исследования.

3.2 Исследование дифракционного распределения в зависимости от размера второй щели - 2Ь.

3.3 Исследование дифракционного распределения в зависимости от расстояния между плоскостями диафрагм - z.

3.4 Исследование дифракционного распределения в зависимости от е - смещения спектра Т относительно щелевой апертуры вторичной диафрагмы.

3.5 Обобщенный анализ по параметрам.

3.6 Методы исследования.

3.6.1 Разработка математической модели (ММ) для расчета и анализа светового распределения за второй диафрагмой (ММ № 1).

3.6.3 Численные примеры работы ММ № 1.

3.6.4 Зависимость точностных характеристик метода от размера второй щели (2Ь), общий случай.

3.7 Выводы по главе.

Глава IV. Экспериментальные исследования.Ю

4.1 Методика экспериментальных исследований соответствия общей картины дифракционного распределения в плоскости регистрации теоретическому распределению интенсивности света.

4.2 Методика экспериментальных исследований соответствия чувствительности и линейного диапазона измерений теоретическому расчету.

4.2.1 Обоснование выбора параметров экспериментальной установки.

4.2.2 Схема включения позиционно-чувствительного фотодиода ФД-19-КК.по

4.2.3 Габаритный, точностной расчеты.

4.2.4 Энергетический расчет, ММ № 2.

4.2.5 Практические результаты.

4.3 Выводы по главе.

Глава V Инженерная методика расчета дифракционного автоколлиматора (ДАК).

Введение.

5.1 Описание принципа действия ДАК. Аналитическая постановка задачи.

5.2 Математическая модель ДАК (ММ № 3).

5.3 Техническое задание (ТЗ) на проектирование ДАК.

5.4 Габаритный расчет.

5.5 Выбор источника излучения.

5.6 Энергетический расчет, выбор приёмника излучения.

5.7 Точностной расчет.

5.8 Сборка и юстировка прибора.

5.9 Сравнение с существующими аналогами.

5. 10 Выводы по главе.

В настоящее время широкое применение находит математическое моделирование различных процессов и устройств в целях создания методик их расчета и анализа работы. Бурный рост этого направления обусловлен широкой доступностью средств моделирования, таких, как персональные компьютеры, сред визуального и объектно-ориентированного программирования, а также сред математических расчетов, специально адаптированных для инженеров и научных работников.

Перспективность такого подхода к решению указанных задач оправдана возможностью расчета необходимых параметров исследуемых процессов или устройств, математического моделирования их работы и, в конечном итоге, создания методик их расчета, отвечающих требуемым точностным характеристикам, без проведения физических экспериментов, что оправдано с экономической точки зрения.

Не составляют исключения и дифракционные методы измерений. Объектом математического моделирования в них могут служить оптические системы обработки измерительной информации.

Данные методы используют в своем принципе действия явление дифракции лазерного излучения на контролируемых объектах с последующим анализом светового распределения в дифракционных картинах. Как правило, анализируется распределение интенсивности. При этом в основу принципа действия этих методов положены измерение угловых или линейных расстояний между дифракционными экстремумами или определение интенсивности дифракционной картины в фиксированных точках.

Основная сложность реализации методов состоит в малой чувствительности в точках экстремумов распределения интенсивности излучения, так как чувствительность в этих местах близка к нулю. Для широкого класса объектов, точки минимумов в распределении интенсивности дифракционной картины соответствуют точкам инверсии фазы в их амплитудно-частотном спектре. Таким образом создав методику определения положения точек инверсии фазы в спектре амплитуды, можно не только повысить точность дифракционных измерений, но и расширить на этой основе их функциональные возможности.

Дальнейшие исследования в направлении повышения чувствительности, точности, упрощения аппаратуры для реализации дифракционного метода и расширения его функциональных возможностей выдвигают задачу по созданию оптической системы обработки информации (ОСОИ), в наиболее полной мере использующей амплитудно-фазовое распределение световых полей за контролируемыми объектами. Наиболее перспективными методами создания методик расчета такой системы, как уже говорилось, являются методы математического моделирования.

Поэтому целью работы являлось разработка и исследование комплексной математической модели преобразования световых полей при дифракционных измерениях и создание на ее основе алгоритмов измерения линейных и угловых величин дифракционным методом.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ и классификация существующих дифракционных методов контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов.

2. Оценка перспективности использования амплитудно-фазовой информации оптических сигналов при дифракционных измерениях.

3. Разработка комплексной математической модели дифракционных измерений на основе представления их с позиций теории систем и интегральных преобразований в оптике.

4. Моделирование физических процессов в оптических системах обработки информации (ОСОИ) для изучения последовательности преобразований в них световых полей. 6

5. Разработка алгоритмов определения оптимальных параметров математической модели, удовлетворяющих требуемым точностным характеристикам метода.

6. Создание экспериментального макета ОСОИ для проверки работы математической модели.

7. Создание комплекса инженерных методик расчета ОСОИ для дифракционных измерений (габаритного, энергетического).

8. Оценка перспективности расширения функциональных возможностей ОСОИ для создания дифракционных углоизмерительных приборов.

5.10 Выводы по главе

1. Впервые обоснована возможность построения дифракционного углоизмерительного прибора.

2. Составлена инженерная методика точностного, энергетического, габаритного расчетов данного прибора.

3. Доказано, что чувствительность и диапазон измерений в таком приборе регулируются за счет изменения расстояния между апертурами а также размером приемника.

4. Доказана возможность существования универсальных калибровочных кривых для приборов данного класса.

5. Приведен пример расчета ДАК.

Заключение

1. Рассмотрены основные дифракционные методы измерения и контроля, находящие применение в данное время. Проведенный анализ позволил сделать заключение, что основным блоком дифракционных измерителей, вносящим наибольшую погрешность в измерения, является регистрирующий блок. Рассмотрены существующие способы регистрации дифракционного распределения, выявлены их слабые и сильные стороны.

2. В результате проведенного исследования выявлено, что существующий дифракционный метод асимметрии, применявшийся для центрирования объектов может быть рассмотрен, как контрольно-измерительный высокоточный метод, при проведении дополнительного исследования. Заинтересованность этим методом обусловлена тем, что он использует в своем принципе работы амплитудно-фазовую информацию оптических сигналов, что является перспективным направлением исследований. Использование этого метода в качестве контрольно-измерительного может принести увеличение точности на порядок.

3. На основе анализа известных дифракционных методов контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов предложены их математические модели с целью определения последовательности преобразования световых полей и путей повышения точности измерений с расширением функциональных возможностей метода.

4. Обращено внимание на возможность использования для решения поставленной задачи амплитудно-фазового распределения полей за контролируемыми объектами.

5. Проведено сравнение световых полей за объектами по критерию наличия в них точек фазовой инверсии.

6. Предложена перспективная контрольно-измерительная схема и приведено выражение, связывающее параметры оптической системы обработки информации (ОСОИ) с распределением интенсивности света в плоскости регистрации.

7. Разработана и исследована математическая модель двухкаскадной оптической системы обработки информации.

8. Предложены и отработаны оригинальные алгоритмы анализа светового распределения в плоскости регистрации.

9. На основе предложенной математической модели создана гибкая методика расчета двухкаскадных дифракционных измерительных систем. Она позволяет по заданному размеру второй щели и размеру площадки приемника определить линейный диапазон измерений и чувствительность схемы. Методика также дает возможность по смоделированному дифракционному распределению выбрать приемник, обеспечивающий наивысшую чувствительность и максимальный линейный участок.

10. Методами математического моделирования выявлена степень влияния на дифракционное распределение каждого из параметров измерительной схемы. Доказано, что наибольшую роль для данной измерительной схемы играют размер второй апертуры 2Ъ и размер приемника dn.

11. Показано, что для любого размера второй щелевой диафрагмы 2Ь можно построить универсальные калибровочные кривые зависимости чувствительности, линейного участка измерений от размера приемника.

12. Экспериментальные исследования точностных характеристик дифракционного амплитудно-фазового метода регистрации подтвердили правильность сделанных расчетов, отклонение расчетных значений от практических составило не более 5%. Отклонения объясняются погрешностями изготовления диафрагм и разной чувствительностью площадок приемника.

151

13. Впервые обоснована возможность построения дифракционного углоизмерительного прибора (дифракционного автоколлиматора - ДАК).

14. Составлена инженерная методика точностного, энергетического, габаритного расчетов данного прибора.

15. Доказано, что чувствительность и диапазон измерений в таком приборе регулируются за счет изменения расстояния между апертурами а также размером приемника.

16. Доказана возможность существования универсальных калибровочных кривых для приборов данного класса.

17. Приведен пример расчета ДАК.

1. Гуриков В.А. Становление прикладной оптики XV-XIX вв. «Наука» М., 1983

2. Гуриков В.А. История прикладной оптики «Наука» М.,1993

3. Макаренко В.В. Контроль малых размеров с использованием оптических квантовых генераторов. Сборник Автоматизация контроля в машиностроении. Омск 1973

4. Макаренко В.В. Контроль малых диаметров с применением оптических квантовых генераторов. Сборник Технический контроль и методы проектирования в машиностроении, Омск, 1972 N2

5. Иваницкий Г.Р., Куниский А.С. Исследование микроструктуры объектов методами когерентной оптики. «Энергия», М.,1981

6. Линник В.П. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом (микроинтерферометр). ДАН СССР, 1933

7. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Ленинград, «Машиностроение», 1976

8. Высокоточные угловые измерения, под редакцией проф. Ю.Г. Якушенкова, М., «Машиностроение», 1987

9. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: «Машиностроение» 1978

10. Быстров Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М., «Радио и Связь», 1988

11. Мировицкая С.Д. Точность дифракционного метода измерения диаметров цилиндров. Измерительная техника 1985 N 4

12. Лоди М.Н. Автоматизированный метод измерения малых линейных размеров дифракционным лазерным методом. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. 1986

13. Лизунов В.Д. Бесконтактный метод измерения малых линейных размеров. Измерительная техника 1976 N 2

14. Лоди М.Н. Математическая модель поля дифракции при измерении малых линейных размеров. Измерительная техника 1990 N 12

15. Лизунов В.Д. Измерение толщины покрытий на цилиндрических образцах малых размеров. Измерительная техника 1978 N 2

16. Тарлыков В.А. Определение характерного размера нитевидных объектов по дифракционной картине. Измерительная техника 1991 N 6

17. Тарлыков В.А. Погрешности лазерного дифрактометра малых линейных размеров, вносимые оптическим Фурье-процессором. Измерительная техника 1986 N 11

18. Арефьев А.А., Старостенко Б.В. Определение показателя преломления оптически прозрачных сред дифракционным методом. Измерительная техника 1986 N 5

19. Дифракционный метод контроля диаметра цилиндрических деталей. С.П. Сахно, Г.С. Тымчик. «ОМП» 1987 N7

20. Кларк Р. Рождение бомбы (сокращенный перевод с английского В.Н. Дульнева) Москва 1962

21. Чехович Е.К. Оптико-электронные методы автоматизированного контроля топологии изделий микроэлектроники, Минск, «Наука и техника», 1989

22. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения, М. 1987

23. Юу Ф. Т. С. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию, М., «Советское радио», 1979.

24. Фотолитография и оптика, под редакцией проф. Я.А. Федотова и профессора Г.Поля, М. «Советское радио», Берлин «Техника».

25. Котлецов Б.Н. Микроизображения: Оптические методы получения и контроля, JI. «Машиностроение» 1985

26. Реди Дж. Промышленные применения лазеров, Издательство «Мир», Москва, 1981

27. Лазарев Л.П., Мировицкая С.Д. Контроль Геометрических и оптических параметров волокон Москва «Радио и Связь», 1988

28. Вагнер Е. Т., Митрофанов А.А., Барков В.Н., Лазерные и оптические мтоды контроля в самолетостроении, Москва, Машиностроение 1977

29. Вагнер Е.Т. Лазеры в самолетостроении М.; "Машиностроение",1982

30. Зацаринный А.В. Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений, М.; Недра, 1976

31. Ямбаев Х.К. Специальные приборы для инженерно-геодезических работ М.; "Недра", 1990

32. Пронин С.П. Перспективы развития ОЭП, предназначенных для измерения малых линейных размеров», Сборник докладов четвертой международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» ИКАПП-97 том 1,2. Барнаул 1997

33. Александров В.К. и др. Дифракционные и интерференционные методы контроля диаметра оптических волокон. Минск 1989

34. Кирчин Ю.Г. Разработка и исследование оптико-электронных систем для контроля смещений. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. 1993

35. Москвин А.С. Оптико-электронные датчики контроля линейных размеров объективов для систем управления. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук.

36. Pryor T.R, North W.P.T. The Diffractographic Strain Gage, Experimental Mechanics, December 1971 pp. 565-568

37. Vafidakis A.P., Theocaris P.S., Liakopoulos C. Experimental Investigation on Amplitude Diffraction-Grating Imaging, Journal of the Optical Society of America, Vol. 59, Number 5, May 1969 pp.568-572

38. Патент Франция МКИ G 01 b N 1603129, опубл.22 марта 1971 заявка 4 июля 1968г. Устройство для измерения диаметра волокон и нитей небольшой толщины.

39. Патент Франция МКИ G01 b 11/00 N 2146752, опубл. 1973 Дифракционный способ измерения размеров мелких объектов путем сравнения

40. Патент Франция МКИ G01 b N 1506288, заявка от 23 .02.1966, опубл. 22.12.1967

41. Патент США МКИ GO lb 9/02 N 3785737 Опубл. 15 января 1974 Separation measurement method and devices employing diffraction waves

42. Hageniers O.I, Pryor T.R, Pastorius W. J., North W.P.T. Straight Edge Profile Analysis by the Diffractographic Method with Application to Razor Blades, The review of scientific instruments, volume 43, number 11, November 1972

43. Патент Великобритания МКИ G01B 15/00 N 1293348, опубликован 18 октября 1972 A method of and apparatus for analysing objects with two or three dimensional shapes and/or patterns.

44. Патент Великобритания МКИ GO IB 19/40 N 1324003, опубликован 18 июля 1973

45. Betz H.D. An asymmetry method for high precision alignment with laser light, Applied Optics, vol. 8, 1969 r. N5 pp. 1007-1012

46. Митрофанов A.C., Тарлыков B.A. Исследование дифракционного способа контроля диаметра проводов и волокон, Известия ВУЗов. Приборостроение, 1976, т. 19 N 1

47. Тарлыков В.А., Кийко В.В. Погрешность дифракционного метода измерения микроотверстий с локальными дефектами. Измерительная техника 1988 N1 стр. 19-21

48. Тарлыков В.А., Кийко В.В, Дифрактометрия микроотверстий с локальными дефектами Дефектоскопия 1988, N11, стр. 16-21

49. Тарлыков В.А. использование дифракции для измерения площади микронного отверстия, Метрология, 1987 N 8, стр. 27-32

50. Виноградов И.Р., Тарлыков В.А. Трансляционная симметрия картины дифракции Фраунгофера от многоугольной апертуры, Оптика и Спектроскопия, 1995, том 79, N6, стр. 1005-1008

51. Тарлыков В.А. Лазерная дифрактометрия микрообъектов типовой формы. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. СПбГИТМО(ТУ), Санкт-Петербург, 2000

52. Назаров В.Н. и др. Способ измерения линейных размеров объектов и устройство для реализации способа. А.С. СССР N 521456, Б.И. 1976 N26

53. Назаров В.Н. и др. Оптическое устройство для измерения расстояний до подвижного объекта А.С. СССР N 533140, Б.И. 1976, N 39

54. Гущо Ю.П. Фазовая рельефография. М., Энергия, 1974

55. Обреимов И.В. О приложении Френелевской дифракции для физических и технических измерений, M.-JI., Издательство АН СССР, 1945

56. Зверев В.А. Радиооптика, М., Советское радио, 1975

57. Назаров В.Н. Исследование оптической системы обработки информации (F-Ф} для дифракционных измерений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ЛИТМО, Ленинград, 1978

58. Линьков А.Е., Назаров В.Н. Дифракционный автоколлиматор. Международный оптический конгресс «Оптика XXI век», VII Конференция «Прикладная оптика», 16-20 октября 2000 г., Сборник трудов т.1, ВНЦ ТОЙ им. С.И. Вавилова, Санкт-Петербург 2000 г.157

59. Калитиевский Н. И. Волновая оптика, Москва, «Высшая школа»,1995

60. М.Борн, Э.Вольф Основы оптики. М., «Наука», 1970

61. Андреев A.JL, Ишанин Г.Г., Мусяков B.JL, Полыциков Г.В. Выбор и расчет схем включения позиционно-чувствительных и многоэлементных фотоприемников. Учебное пособие. JL: Лен. Ин-т точн. Механики и оптики, 1987, с. 68

62. Павлов А.В., Черников А.И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М., Энергия, 1972, 239 с.

63. Першиков В. И., Савинков В.И., Толковый словарь по информатике, М., «Финансы и статистика», 1991

64. Справочник конструктора оптико-механических приборов под общей редакцией д-ра техн. Наук В.А. Панова, Л., «Машиностроение», 1980

65. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов, Часть 1, Принципы конструирования оптических приборов и их элементов. Учебное пособие.-СПб-ИТМО. 1996.

66. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов, Часть 2, Основы теории точности и понятие надежности приборов и элементов. Учебное пособие.-СПб-ИТМО. 1999.