Голографические методы исследования и контроля геометрических параметров отражающих изделий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение и постановка задачи

1. Основные понятия петрологии поверхности отражающих изделий и классификация задач измерения ее параметров.

2. Контактные и бесконтактные ыетоды измерения. Преимущества когерентно-оптических методов перед другими бесконтактными методами

3. Недостатки когерентно-оптических методов и вытекающие из них задачи совершенствования. Формулировка задач диссертации

4. Научные положения, выносимые на защиту.

5. Структура диссертационной работы.

Глава I. Классификация и анализ современных оптических методов контроля геометрических параметров поверхности

1.1. Методы с формированием и обработкой оптического изображения.

1.2. Муаровые методы.

1.3. Методы с использованием спекл-структуры излучения

1.4. Голо графические методы.

1.5. Методы классической интерферометрии.

1.6. Комбинированные методы.

1.7. Выводы и обоснование выбора методов решения задач диссертации

Глава П. Описание процесса формирования топограммы с помощью корреляционных функций волновых полей

2.1. Обобщенное уравнение топограммы сфокусированного изображения.

2.2. Одноэкспозиционные методы с использованием частичной когерентности освещающего излучения

2.3. Методы, основанные на пространственной корреляции спекл-структур.

2.4. Выводы. . . . б

Глава 111. Модифицированные голографические методы измерения отклонений формы, поверхности отражающих изделий

3.1. Чувствительность голографической топограммы и факторы ее ограничения.

3.2. Голографическая сфокусированная топограмма с повышенной чувствительностью. Способ компенсации сдвига микроструктуры излучения

3.3. Отражательная голографическая, топограмма.

3.4. Влияние шумов различной природы на контраст отражательной топограммы.

3.5. Отражательная интерферограмма сдвига.III

3.6. Муаро-голографическая топография с дифракционной решеткой.

3.7. Выводы.

Глава 1У. Разработка и экспериментальное исследование методов спекл-топографии

4.1. Особенности спекл-фотографии.

4.2. Спекл-топография с маскированной апертурой.

4.3. Рефлексная спекл-топография

4.4. Рефлексная спекл-топография в частично когерентном излучении.

4.5. Спекл-топография! с круговой апертурой (СТКА).

4.6. Экспериментальное исследование метода СТКА.

4.7. Погрешности методов спекл-топографии.

4.8. Выводы.

Однии из основных показателей качества машин и приборов, определяющим их эксплуатационные характеристики, является соответствие геометрических параметров поверхности изготавливаемых деталей их расчетным значениям. Непрерывное повышение требований к точности изделий оптического и электронного машиностроения предполагает увеличение степени этого соответствия, устанавливаемого, как известно, на основании измерения параметров поверхности. Совершенствование методов измерения и контроля обработанной поверхности невозможно без четкого и однозначного определения каждого из этих параметров, вскрывающего их взаимосвязь и облегчающего системный подход к задаче измерения.

Основные определения метрологии поверхности отражающих изделий содержатся в нормативных документах (см., например, [I]). В соответствии с этими определениями все неровностй, присущие реальной поверхности в результате технологической обработки, условно можно разделить на два основных типа: микрорельеф и макрорельеф.

Задачи измерения микрорельефа состоят в отыскании автокорреляционной функции поверхности, интервала корреляции и среднеквадратичного отклонения профиля;, т.е. статистических характеристик, определяемых шероховатостью. В данной работе поверхность, обладающая совокупностью статистических характеристик, обозначается термином "диффузно отражающая поверхность".

Неровности макрорельефа характеризуют собой реальные отклонения геометрических размеров изделия и могут иметь как случайное, так и периодическое распределение вдоль поверхности. Случайный макрорельеф высотой более 1600 мкм LI] следует относить к виду отклонений формы. Большой шаг неровностей этого вида лишает смысла понятие базовой длины, применяемое при определении микрорельефа, распространяя его на всю наблюдаемую поверхность объекта. В особых случаях шаг неровностей является определяющей характеристикой при их классификации: тогда к отклонениям формы могут быть отнесены неровности с высотой меньшей 1600 икм (т.н. локальные отклонения формы - см. диаграмму рис. I).

К задачам измерения макрорельефа относится измерение абсолютных значений высоты профиля поверхности, а также определение относительных высот различных ее участков путем сравнения с образцом. Здесь же следует указать задачу отыскания распределения углов наклона поверхности относительно базовой плоскости (крутизны или первой производной функции профиля). Наконец, определение изменений размеров и формы объекта при внешнем воздействии можно рассматривать как динамическую задачу такого рода.

Указанные задачи могут быть решены при помощи различных методов, которые подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные (щуповыеУ методы реализуются в многочисленных конструкциях плоскомеров, сферометров, кругломеров и профиломет-ров. Приборы контроля^ плоскостности обеспечивают угловую точность около 0,5«КГ5 в диапазоне 0,02-80,4 мм. Сферометры и кругломеры используются в диапазонах Ю+^Ю^ мм и 0,1*10 мм соответственно, обладая погрешностью в пределах 0,2*2% [2]. Контактные приборы пригодны как для зеркально-, так и для диффузно-отражающих объектов.

Основными недостатками контактных методов являются низкая производительность, требования хорошей виброзащиты, относительно быстрый износ щупового органа и отсутствие возможности контроля одновременно всей поверхности, требующее дополнительного объединения результатов измерения по многим траекториям щупа. Кроме того, контактные методы могут нежелательно влиять на изделие с ма

Рис, I. Диаграмма взаимосвязи трех видов неровностей поверхности.

R - шероховатость; W - волнистость; Wr - отклонения формы; Rmax - максимальная высота неровностей; Sm- средний шаг неровностей. лой устойчивостью к механическому воздействию. В динамических задачах щуповые методы вовсе не пригодны.

Большинство указанных недостатков исключаются применением бесконтактных методов контроля. Среди них можно выделить электрические и оптические методы.

К электрическим относятся методы с применением индуктивных и емкостных датчиков. В зависимости от конструкции датчиков их измерительный диапазон может перекрывать высоты макрорельефа (0,1*3 мм и 3*10 мм), а погрешность составляет ±1 мкм [3,4,5]. физические принципы этих методов ограничивают класс измеряемых объектов изделиями с металлической поверхностью, достаточно однородной по своим геометрическим параметрам, что сказывается на универсальности измерительной системы. Кроме того, возможность одновременного контроля всей поверхности не может быть реализована в связи с малой площадью датчика.

Более производительными электрические методы оказываются в динамических задачах, однако быстрое перемещение объекта в рабочем зазоре налагает еще более жесткие ограничения на пределы изменения параметров рельефа, оставляя возможность контроля! только плоских изделий с поверхностью, близкой к зеркальной.

Оптические методы основаны на измерении характеристик светового излучения, отраженного контролируемой поверхностью, и подразделяются в зависимости от измеряемого параметра (геометрия изображения, оптическая разность хода, различие в периоде растров и др.); на ряд групп, рассмотренных в главе I. Благодаря интерференции, оптическая разность хода световых колебаний является наиболее удобным для! измерения параметром, поэтому интерференционные методы успешно конкурируют по точности с контактными и превосходят электрические бесконтактные методы при измерении макрорельефа зеркально отражающих изделий в статическом режиме.

Применение когерентного лазерного излучения значительно улучшило метрологические характеристики известных оптических методов, а также привело к разработке новых методов измерения - голографических, - сочетающих высокую чувствительность3^ и возможность контроля! всей освещенной поверхности с широким классом пригодных для,контроля; объектов, как металлических, так и диэлектрических, обладающих любыми видами неровностей. Измерительный диапазон го-лографической интерферометрии указан на диаграмме (рис. I) штриховыми линиями•

Наряду с универсальностью и относительно высокой производительностью голографические методы также не лишены недостатков. Возможность проведения измерений диффузно отражающих поверхностей влечет за собой снижение чувствительности по отношению к классической интерферометрии примерно в десять раз. Однако практически достигнутая чувствительность отличается от теоретического предела, обусловленного микрорельефом поверхности, еще на порядок (глава I),.

Кроме того, запись голографической интерферограммы с наклонным опорным пучком (схема Лейта) предполагает высокую степень пространственной и временной когерентности излучения, что, в свою очередь, ограничивает возможность использования мощности лазера только одномодовым режимом генерации (энергия одной моды обычно составляет лишь 10-30% общей энергии излучения). В случаях сильно шероховатых поверхностей значительной площади это приводит к низкой освещенности объекта, увеличивает время экспонирования и снижает производительность. х) В настоящей работе чувствительность определяется как величина, обратная минимальной разности уровней, соответствующей образованию одной интерференционной полосы (см. гл. Ш).

Далее, интерферометры (как голографические, так и классические) требуют надежной виброзащиты, т.к. смещение любого отражающего элемента на величину Х/8 вдоль оптической оси приводит к практически полной потере контраста интерференционных полос. Это обстоятельство усложняет конструкцию измерительной установки, увеличивая ее вес и габариты, и исключает возможность проведения внестендовых измерений.

Наконец, в большинстве голографических методов применяют регистрацию первичных интерференционных полос, составляющих микроструктуру голограммы, на светочувствительном носителе, в качестве которого, в основном, используется фотоэмульсия, а в некоторых случаях термопластик. Пространственная частота микроструктуры голограммы составляет в зависимости от угла между объектным и опорным пучками величину 300-3000 мм"*, что обусловливает высокие требования к разрешающей способности носителя.

Приведенный анализ недостатков указал на необходимость совершенствования голографических методов регистрации топограммы, что и явилось целью настоящей работы. Достижение поставленной цели потребовало решения ряда задач, которые были сформулированы как задачи диссертации:

1. Выявление факторов, ограничивающих чувствительность голо-графических методов измерения макрорельефа поверхности, и исследование степени их влияния на ограничение чувствительности.

2. Разработка способов увеличения чувствительности голографических методов с помощью компенсации влияния ограничивающих факторов.

3. Теоретическое обобщение когерентных методов регистрации топограммы. Исследование возможности использования частично когерентного излучения для записи топограммы отражающего объекта.

Разработка и экспериментальное исследование новых модифинаций голографических методов получения топограмм с увеличенной ' 'чувствительностью и пониженными требованиями к когерентности восстанавливающего излучения,

5, Разработка виброустойчивых методов получения топограмм с пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения и к разрешающей способности носителя,

6. Выбор параметров конструкций интерферометров, реализующих предложенные методы, с целью достижения максимальной чувствительности.

Анализ литературных данных показывает, что не все перечисленные задачи удается решить в рамках голографической интерферометрии, В связи с этим в настоящей работе предприняты усилия по развитию методов спекл-фотографии с целью применения их к решению поставленных задач.

В результате работы получены следующие научные положения , выносимые на защиту:

1. Принципиальным фактором, ограничивающим чувствительность двухэкспозиционных методов, использующих диффузно когерентное излучение, является декорреляция отраженных объектом волновых полей, происходящая в плоскости их регистрации. Наряду с физически- ; ми свойствами поверхности объекта декорреляция обусловлена также и взаимным смещением волновых полей в пределах апертуры наблюдения между экспозициями. В случае металлической поверхности взаимное смещение волновых полей имеет решающее влияние на ограничение чувствительности.

2. При взаимном смещении волновых полей, соизмеримом с величиной апертуры наблюдения объекта, указанная декорреляция может быть скомпенсирована. Компенсация достигается путем смещения или i изменения диаметра отверстия диафрагмы, маскирующей входной зрачок оптической системы, используемой для отображения объекта в голографии сфокусированного изображения или спекл-интерферометрии.

3. Топограмма на восстановленном изображении может быть получена методом записи голограммы за одну экспозицию в частично когерентном излучении. Модуляция интенсивности изображения при этом реализуется путем управления степенью когерентности, описываемой соответствующей функцией (временной и продольно-пространственной |u(AZ,0)|).

4. Топограмма на изображении, восстановленном спекл-фотографи-ей, может быть получена методом двух экспозиций со смещением источника освещающего излучения между экспозициями. Интенсивность фурье-образа анализируемого участка изображения модулируется в этом случае интерференционной картиной Юнга, образованной двумя коррелированными спекл-структурами.

5. Топограмма, формируемая отражательной голограммой, образуется вследствие пересечения изображения поверхности объекта системой изофазных плоскостей параллельных плоскости голограммы. Система секущих плоскостей является интерференционной картиной в области наложения двух волн, одновременно восстановленных голограммой, и характеризуется настройкой на бесконечно широкую полосу. Расстояние между этими плоскостями описывается выражением характерным для муарового эффекта.

Таким образом, разработка методов получения топограмм отражающих изделий, основанных на корреляции спекл-структур, позволяет перенести в этот раздел интерференционных измерений все преимущества спекл-фотографии: сочетание интерференционной чувствительности с пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения, разрешающей способности носителя и виброустойчивости измерительной установки.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена аналитическому об

4.8. Выводы

На основе теоретических предпосылок главы П в настоящей главе разработаны три принципиально:новых метода получения топограммы диффузно отражающего объекта:

I. В методе спекл-топографии с маскированной апертурой использовано возникновение регулярной пространственной несущей при интерференции двух изображений объекта под углом друг к другу в плоскости регистрации. При двойном фотографировании пространственная несущая модулируется фазовым множителем, пропорциональным углу поворота Ad освещающего пучка между экспозициями.

В первом порядке дифракции при восстановлении полученного негатива образуются интерференционные полосы равных значений взаимного сдвига изображений (равных значений кружка нерезкости оптической системы),, являющиеся, топографическими контурами.

2. Метод спекл-топографии с круговой апертурой основан на двойном фотографировании диффузно-когерентного излучения, рассеянного объектом, при повороте освещающего пучка на угол hd между экспозициями. Пространственная несущая при этом носит случайный характер, т.к. обусловлена спекл-структурой, сформированной объектом и оптической системой. Области одинаковых значений сдвига спекл-структуры в плоскости изображения при анализе спекл-фотогра-фии образуют либо топографические контуры, либо полосы Юнга, период которых однозначно связан с величиной макрорельефа. Благодаря увеличению входного зрачка по сравнению с методом маскированной апертуры; данный метод характеризуется увеличением чувствительности примерно на порядок.

3. Рефлексная спекл-топография использует относительно высокую степень направленности диффузно-когерентного излучения и малые размеры элементов спекл-структуры в непосредственной близости от поверхности объекта. Двойное фотографирование распределения излучения вблизи поверхности с поворотом пучка на угол Дс( между экспозициями производится при этом без оптической системы, что упрощает экспериментальную схему и увеличивает ее механическую жесткость.

При сканировании рефлексной спекл-топограммы узким лазерным пучком период полос Юнга позволяет определить глубину рельефа с точностью, близкой к теоретическому пределу (~А"~*).

Общей чертой указанных методов является способ внесения разности фаз в сигнальный пучок между экспозициями, сближающий эти методы с аналогом в голографической интерферометрии (метод двух источников),. По чувствительности методы, разработанные в данной главе, сопоставимы с методом двух источников ( Н о* 60 мкм), а в случае рефлексной спекл-топографии (п. 4.3) она может быть приближена к теоретическому значению, обусловленному микроструктурой поверхности

Вместе с тем, предложенные методы обладают присущими спекл-, фотографии относительно высокой виброустойчивостыо, пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения и некритич-^ностью к величине угла падения пучка на поверхности объекта. Важным достоинством спекл-топографии с круговой апертурой (п. 4Л} является возможность увеличения чувствительности путем компенсации взаимного смещения волновых полей (см. главу Ш, п. 3.2).

Все это позволяет рекомендовать данные методы для контроля формы диффузно отражающих изделий значительных размеров (натурных конструкций).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом диссертационной работы являются результаты исследований, позволяющие разработать ряд новых методов измерения макрорельефа отражающих объектов в диапазоне 10*1000 мкм, отличающихся повышенной чувствительностью, устойчивостью к вибрациям и пониженными требованиями к когерентности излучения. Эти результаты можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. На основе анализа данных литературы и в ходе экспериментального исследования установлено, что принципиальным фактором ограничения чувствительности двухэкспозиционных методов, использующих диффузно-когерентное излучение, является декорреляция волновых полей, рассеянных объектом, в плоскости их регистрации. Наряду с физическими свойствами поверхности объекта декорреляция обусловлена также и взаимным смещением волновых полей в пределах апертуры наблюдения, причем для металлических поверхностей последний фактор имеет решающее влияние на ограничение чувствительности.

2. Теоретически и экспериментально разработан простой способ компенсации взаимного смещения волновых полей с целью увеличения чувствительности измерений. Способ признан изобретением и защищен авторским свидетельством [132].

3. Аналитический обзор литературных данных позволил систематизировать оптические методы контроля макрорельефа и уточнить их классификацию.

На основе использования зависимости модуля взаимной функции когерентности (пространственной и временной) от продольной координаты предложены одноэкспозиционный метод регистрации топограмм и двухэкспозиционный метод с муаровым эффектом.

5. Разработан метод получения топограмм в схеме голографии сфокусированного изображения с компенсацией смещения волновых полей, обладающий повышенной чувствительностью и пониженными требованиями к когерентности источника восстановления,

6. Показано, что топограмма, формируемая отражательной голограммой, полученной методом двух источников, характеризуется настройкой на бесконечно широкую полосу. Шаг контуров при этом описывается зависимостью характерной для муарового эффекта,

7. Разработана методика муаро-голографического измерения радиуса кривизны зеркально отражающих поверхностей. Предложена модификация метода, сочетающая широкий диапазон измерений с малым изменением угла падения пучка.

8. Предложен и экспериментально разработан новый метод спекл-топографии с маскированной апертурой, отличающийся существенно сниженными требованиями к когерентности излучения, разрешающей способности носителя и хорошей устойчивостью к вибрациям.

9. Предложен и экспериментально разработан метод спекл-топо-графии с круговой апертурой, сочетающий достоинства метода маскирования апертуры с увеличением чувствительности примерно на порядок.

10. Предложен и экспериментально разработан новый метод рефлексной спекл-топографии, обладающий высокой устойчивостью к вибрациям и чувствительностью близкой к теоретическому пределу

Важным достоинством разработанных методов является сочетание в них чувствительности, приближающейся к теоретическому пределу, с возможностью применения для шероховатых изделий, отличающихся значительной площадью поверхности и малой локальной крутизной. Поверхности подобного типа могут образовываться при шлифовании оптических заготовок, различных видах механической обработки изделий из металла, химическом травлении и точном литье.

При использовании диффузных рассеивателей разработанные методы в случае необходимости могут быть применены и для; измерения зеркально отражающих поверхностей.

Результаты диссертации использованы, при проведении научно-исследовательских работ в НИИ строительной физики и Центральном институте авиамоторостроения им. П.И. Баранова, а также в учебно-методической работе Московского института электронного машиностроения (акты внедрения приведены в приложении).

Б заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность профессору Ю.Н. Пчельникову и особую признательность к.ф.-м.н. Н.Г. Власову - научномуруководителю: работы, а также отметить внимательное отношение и поддержку коллектива сотрудников кафедры "Электронные приборы" МИЭМ.

Во время завершения работы над диссертацией была опубликована статья А.А.Воеводина и И.М.Нагибиной "Получение линий равного уровня по методу смещенного источника" (Известия вузов MB и ССО СССР - Приборостроение, 1983,т.26, № 8, с.78-81). Анализ данной публикации показал ее хорошее соответствие с результатами главы Ш, что подтверждает их достоверность.

1. ГОСТ 2789-73 и др. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики: Сборник . - Введ. с 01.01.75 до 01.01.85. - Содерж.: ГОСТ 2789-73 - ГОСТ 2.309-73.

2. Иванова И.Г. Исследование и разработка интерференционных методов измерения радиусов кривизны малогабаритных, деталей сложной формы: Автореферат диссертации М., 1973.

3. Зарипов М.Ф., Лиманов И.А. Индуктивные датчики с улучшенными метрологическими характеристиками. Уфа, 1974. - 125 с.

4. Кутейников В.Е. Основные технологические требования по обеспечению макро- и микрогеометрии основы магнитного диска.

5. В сб.: Вопросы радиоэлектроники, сер. ТПО. М., 1974, вып.4, с. 3-8.

6. DISA Electronic. Емкостные датчики: DISA Complete catalog. -1970, VI. 12 с.

7. Отчет / Государственный оптический институт (ГОИ). -53ИГ-2-418-66. Л.: 1966.

8. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. Л.-М.: Гостехиздат, 1948. - 280 с.

9. Данилов А.А. Исследование и разработка измерительных средств для контроля, геометрических параметров изделий микроэлектроники: Автореферат диссертации Л., 1973.

10. Voss G. Industriephotogrammetrie ein moderns Koordinaten-mepverfahren. - Industrie-Anzeiger,l976, v.98,N67, p.1195-1198.

11. Гинзбург B.M., Степанов Б.М. Голографометрия. В кн.: "14 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. Тезисы докладов (1980 г., 19-24 октября)", с. 144.

12. Yu F.T.S., Tai A. Modulation-detection holographic image con-turing Jap.Journ. of Appl.Phys.,1975» v.14, Suppl.1, p.213-216.

13. Rowe S.H., Welford W.T. Surface Topography of Non-Optical Surfaces by Projected Interference Fringes. Nature, 1967, v. 216, N 5117, p. 786-787.

14. Welford W.T. Some applications of projected interference fringes. Optica Acta, 1969, v. 16, N 3, p. 371-376.$4. Shamir J. Moire gauging by projected interference fringes. -Opt. and Laser Technology, 1973, N 4, p. 78-86.

15. Сухарев И.П., Ушаков Б.Н. Исследование деформаций и напряжений методом муаровых полос. М.: Машиностроение, 1969. -208 с.

16. Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций. -М.: Мир, 1972. 335 с.

17. Дюрелли А., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара. М.: Мир, 1974. - 359 с.

18. Bryngdahl 0. Characteristics of superposed patterns in optics. Journ. Opt. Soc. Amer., 1976, v. 66, N 2, p. 87-94.

19. Bryngdahl 0. Moire and higher grating harmonics. Journ. Opt. Soc. Amer., 1975, v. 65, N 6, p. 685-694.

20. Yokozeki S., Patorski K. Moire fringe profile prediction method and its application to fringe sharpening. Appl. Optics, 1978, v. 17, N 16, p. 2541-2547.

21. Fourney M.E., Nakagaki M. Optical Contouring Techniques. -In: Thin-Shell Structures. Theory, Experiment, Design. Pasadena: Prentice-Hall, 1972, p. 152-165.

22. Jaerisch Y7., Makosch G. Optical Contour Mapping of Surfaces. Appl. Optics, 1973, v. 12, N 7, P. 1552-1557.

23. Dessus В., Leblanc M. The "fringe method" and its application to the measurement of deformations, vibrations, contour lines and differences of objects. Opto-electronics, 1973, N 5»p. 369-391.24