Оптические методы высокоточного измерения геометрических размеров объектов на основе дифракции света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Ялуплин, Михаил Дмитриевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Краснодар
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2006
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Ялуплин Михаил Дмитриевич
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИИ
СВЕТА
01.04.05 - оптика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Краснодар — 2006
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Яковенко Николай Андреевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических
наук, профессор Фомин Василий Васильевич
кандидат физико-математических наук, Ступак Михаил Федорович
Ведущая организация Институт автоматики и электрометрии СО
РАН, г. Новосибирск
Защита состоится "15" сентября 2006 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 в ГОУ ВПО "Кубанский государственный университет" по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд.231.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО "Кубанский государственный университет"
Автореферат разослан '¿У " 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного сове'
Евдокимов А. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Улучшение качества машиностроительной, металлургической и атомной продукции в условиях современного поточного производства, освоение новых технологий в значительной степени зависят от оснащения промышленности высокоэффективными средствами размерного контроля. Такие системы должны обеспечивать бесконтактность и надежность измерений, высокое разрешение (от долей микрон до нескольких микрон) и быстродействие (не менее 500 изм./сек), широкий измерительный диапазон (от нескольких микрон до десятков миллиметров), допускать контроль в большом измерительном объеме. Эти средства измерения должны быть относительно недорогими, и достаточно компактными настолько, чтобы их можно было встраивать в различные технологические линии производства изделий. Среди бесконтактных методов контроля всё большее распространение получают оптические, которые, в сравнении с известными методами (индуктивными, ёмкостными, пневматическими и др.), обеспечивают более высокие технические характеристики.
Для контроля изделий с четкой теневой проекцией в России и за рубежом производятся оптические измерители на основе теневых (сканирующих, проекционных) и дифракционных методов. Класс таких изделий достаточно широк и включает в себя, прежде всего, объекты цилиндрического типа - трубы, таблетки, нити, проволоки и др.
Существенно, что приведённые измерительные системы не в полной мере удовлетворяют современным техническим и массогабаритным требованиям. Всё острее ощущается потребность в компактных, широкодиапазонных и высокоточных измерителях, пригодных к применению, в промышленных условиях для контроля различных технологических процессов.
Поэтому актуальным является поиск альтернативных подходов решения задачи размерного контроля средствами оптики на основе интегральных преобразований волновых фронтов изображений объектов, исследование их возможностей в реальных условиях, выбор и разработка перспективных измерительных методов, открывающих возможность создания принципиально новых систем бесконтактного размерного контроля с улучшенными техническими характеристиками и массогабаритными показателями.
Одним из таких перспективных оптических методов является френелев-ский метод, основанный на использовании для целей размерного контроля объектов их дифракционных картин Френеля. При формировании такой картины в качестве "оптического элемента" выступает свободное пространство, которое преобразует входное распределение во френелевское изображение с более высокой точностью, чем существующие проекционные оптические системы. Характеристики такого «элемента» близки к идеальным: он не вносит дополнительных искажений при формировании френелевского изображения объекта и, таким образом, лишён всякого рода аберраций, присущих" даже совершенным линзовым системам. При этом расстояние между контролируемым объектом и считывающим фотоприёмником, определяющее структуру дифракционной кар-
тины Френеля и задающее габаритные размеры измерителя, не превышает нескольких десятков миллиметров.
До настоящего времени в литературе френелевскому методу не уделялось ■ должного внимания, особенно в части исследования его предельных характеристик. Одна из возможных причин — сложность математического аппарата, опи-" сывающего дифракционные явления Френеля.
"Вместе с тем использование явления дифракции Френеля и Фраунгофера для измерительных целей открывает новые возможности как в части радикального улучшения технических характеристик измерительных систем, так и при разработке принципиально новых - малогабаритных, дешёвых и конкурентоспособных — датчиков для решения актуальных задач размерного контроля.
Существенно, что при рассмотрении и анализе дифракционных изображений Френеля на этапе разработки измерительных систем не учитывается ряд факторов,' влияние которых может значительно ухудшить точностиые характеристики метода. Среди них отметим следующие: неравномерность освещающей объект волны, влияние конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференция френелевских изображений краёв объекта, искажение профиля френелевского изображения объекта при регистрации его многоэлементным фотоприёмником вследствие конечных размеров его элементов.
Целью диссертации является исследование дифракционных явлений Френеля и Фраунгофера на объектах щелевого и экранного типов применительно к их размерному контролю и разработка на основе полученных результатов высокоточных и широкодиапазонных оптических методов измерения геометрических размеров изделий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать и провести расчёт дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом пространственной неравномерности освещающей волны и степени когерентности света. Разработать алгоритмы определения геометрических параметров исследуемых объектов на основе анализа структуры регистрируемых полей (изображений).
2. Разработать высокоточный и широкодиапазонный оптический метод измерения размеров объектов на основе дифракции Френеля и теоретически исследовать его метрологические характеристики (диапазон и погрешность измерений).
3. Изучить особенности дифракции Фраунгофера на экранах малого размера (до 100 мкм) при освещении их расходящейся сферической волной света и предложить новый высокоточный алгоритм определения размеров объектов, устойчивый к влиянию проходящей (недифрагированной) волны.
4. Разработать высокоточный метод измерения размеров объектов экранного типа на основе дифракции Фраунгофера в расходящейся сферической волне света и теоретически исследовать его метрологические характеристики.
5.' Экспериментально исследовать метрологические характеристики предложенных оптических методов измерения. Разработать и создать опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя размеров объектов.
Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнена в Кубанском госуниверситете на кафедре оптоэлектроники в период с 2003 по 2006 годы по теме «Исследование и разработка новых физико-технологических принципов построения оптоэлектронных, микро- и нанооптических устройств сбора, обработки и передачи информации и перспективных сред для микролазеров», а также в лаборатории технического зрения Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в соответствии с программой Президиума СО РАН по физико-техническим наукам 10.4 "Новые оптические материалы, технологии и приборы, их применения" в рамках проекта «Научные основы оптико-электронных технологий прецизионного контроля ЗБ объектов и формирования заданных объемных микроструктур поверхности» (рег.№:0120.0403176).
Методы исследований. В работе использовались методы геометрической и волновой оптики, теории преобразования оптических сигналов и теории измерений.
Достоверность результатов подтверждалась сравнением получаемых теоретических данных с физическим экспериментом. Достоверность экспериментальных данных обеспечивалась путём использования метрологически аттестованного и поверенного оборудования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
- решена задача расчёта дифракционного поля Френеля для одномерных экранов и щелей с учетом влияния ряда факторов: неравномерности освещения гармонического типа, конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференции дифракционных изображений краёв исследуемого объекта и интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника. Получены аналитические соотношения для оценки погрешностей определения положения геометрических краёв объекта;
- предложены методы определения с высокой точностью геометрических размеров объектов по их дифракционным картинам Френеля с учётом влияния указанных выше факторов и способы расширения на порядок нижнего предела измерений; . '
- решена задача расчёта дифракционных явлений Фраунгофера на одномерных экранах при освещении их расходящейся сферической световой волной. Предложен новый высокоточный алгоритм определения' геометрических размеров объектов экранного типа на основе анализа контраста их дифракционных полей и получены аналитические соотношения для оценки диапазона измерений;
- предложен метод построения френелевских измерителей геометрических размеров объектов, который, в отличие от известных, обеспечивает более высокую точность и более широкий диапазон измерений.
Практическая ценность работы -
Результаты расчета дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом их неравномерного освещения и степени когерентности света, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерфе-
ренционных явлений, предложенные и разработанные методы измерений и их схемотехнические решения, методы анализа и обработки дифракционных полей составляют новый арсенал средств для инженерных применений в области оптического приборостроения и могут быть рекомендованы разработчикам при создании оптико-электронных измерительных систем нового поколения.
На основе проведенных исследований разработан и создан специализированный опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя для контроля диаметров топливных таблеток тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов ВВЭР-1000 (по заказу РОСАТОМА). На защиту выносятся следующие положения:
1. Методы и результаты расчёта френелевских полей одномерных экранов и щелей с учетом влияния параметров освещающего пучка, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерференционных явлений, возникающих при взаимодействии дифракционных изображений краёв объекта.
2. Способы повышения точности и расширения нижней границы френелевского метода измерений размеров объектов.
3. Фраунгоферовский высокоразрешающий метод измерения малых размеров (до 100 мкм) непрозрачных объектов при освещении их расходящейся сферической волной света.
4. Способ определения геометрических размеров объектов по контрасту их дифракционных изображений Фраунгофера.
5. Опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя геометрических размеров объектов.
Лнчньш вклад автора заключается в поиске способов решения поставленных перед диссертантом задач, разработке физико-математических моделей и алгоритмов восстановления геометрических параметров объекта, проведении расчетов и экспериментальных исследований, а также в непосредственном участии при создании опытного образца измерителя френелевского типа.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих симпозиумах и конференциях:
• 2-nd International Symposium on Photonics in Measurement (ISPM-2004, Франкфурт, Германия);
• 3-rd International Symposium on Instrumentation Science and Technology (ISIST-2004, Сиань, Китай);
• International Symposium on Precision Mechanical Measurements (ISPMM-2004, Пекин, Китай);
• 8-th International Symposium on Measurement and Quality Control in Production (ISMQCP-2004, Эрланген, Германия);
• 6-ая Международная конференция по прикладной оптике (2004, Санкт-Петербург, Россия);
• 7-th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII-2005, г. Хаддерсфилд, Великобритания);
• 2-ая Международная конференция по автоматизации, управлению и информационным технологиям (ACIT-2005, г. Новосибирск, Россия).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в 4 научных статьях и в 8 докладах отечественных и международных симпозиумов и конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований и приложения. Объём диссертации — 117 страниц, включая 40 иллюстраций и 8 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен обзор оптических методов измерения геометрических размеров объектов в проходящем свете. Проанализированы измерительные системы, основанные на дифракционном, теневом проецирующем и сканирующем методах. Установлено, что существующий парк контрольно-измерительных систем и средств не в полной мере отвечает требованиям современного научно-технического производства, что свидетельствует об актуальности поставленной задачи разработки и создания новых высокоточных систем измерения с упрощенными схемотехническими решениями на основе дифракции света в свободном пространстве.
Во второй главе приведены результаты моделирования и расчёта дифракционных полей Френеля на одномерных щелях и экранах применительно к их размерному контролю при когерентном и частично- когерентном освещении. Исследован эффект интерференции дифракционных изображений краёв щели. Выполнен расчёт френелевского дифракционного поля для полуплоскости при освещении её волной с неравномерной (по пространству) амплитудой гармонического типа.
Френелевский метод измерения основан на использовании для целей контроля размеров объекта его дифракционной картины Френеля - френелевского изображения (рис.1). Измеряемый объект размера О с амплитудным пропусканием /(х,, у1) освещается плоской (или сферической) монохроматической волной света с амплитудой Е0. На расстоянии г от объекта, удовлетворяющем условию 2 < Э1 /X формируется дифракционная картина Френеля в виде амплитудного распределения g(x2,yI), равного свертке входного распределения /(Х,>У>) с импульсным откликом свободного пространства И(х2,у^ = ехр(1к[х1+у1]/2г)/1Лг-.
,у2) = Е, | //(х,, у, Ж*2 - х„у2- у, )с!х{с1у,. (1)
Полученное распределение интенсивности света 1{х2,у2) = |,уг)|2 регистрируется многоэлементным фотоприёмником, например ПЗС линейкой, выходной сигнал с которой поступает в электронный блок обработки измерительной информации. В этом блоке с помощью соответствующих алгоритмов
производится вычисление искомых геометрических параметров объекта.
Л"2
Фоте приемник
Блок обработки измерит, информ.
Рис.1 Френелевский метод измерения размеров объектов в когерентном свете
В качестве примера на рис.2 приведено френелевское изображение объекта в виде одномерной щели шириной Б. Вычисление О производится на основе алгоритма пороговой обработки френелевского распределения (порогового алгоритма), который базируется на следующем известном факте. Если параметры Д 2, Л выбраны таким образом, что число Френеля Мфр = Э2 /4Хг »1, то положения границ объекта (координаты .г, = +£>/2) в его френелевском изображении приближённо соответствуют точкам д'2, в которых интенсивность выходного распределения 1(х2) составляет 25 % от интенсивности падающего излучения 10 Иными словами выбором порога 1„ор = 0.2510 обеспечивается определение искомого параметра О согласно уравнению:
1(х2 — ±Ь / 2) = 111ор = 0.251о. . (2)
Рис.2 Структура френелевского изображения щели
Установлено, что вследствие интерференции дифракционных изображений двух полуплоскостей щелевого объекта в плоскости регистрации имеет место, в отличие от френелевской картины полуплоскости, дополнительная высокочастотная модуляция, причем её период Т в окрестности геометрических краёв объекта равен Т = ХтЮ (рис.2). Распределение интенсивности света в этих окрестностях имеет следующий вид:
'/<*,) =/с
0.25 +
-Д^ ,Ю2
--соэ(-
2л£> 2г
к кх«В.
+ —м
4 г
(3)
Найдено, что в этом случае при использовании алгоритма (2) происходит смещение геометрических границ объекта на величину Дхивт < = у^у, которое, например, при £>=1 мм и Ифр =100 может составлять 0.5 мкм.
Эта составляющая погрешности измерения заметно снижается при фоторегистрации распределения 1(хг) ПЗС-линейкой вследствие её интегрирующих свойств (по пространству), а также при использовании частично-когерентного освещения (рис.3). В последнем случае благодаря некогерентным свойствам протяжённого источника 1 (с размером Дисг.) имеет место усреднение элементарных френелевских картин от каждой его точки согласно уравнению свёртки:
. 1чк(х2)-т2- Т |б(х,-т^|2гсс/-Цаги
«ст \ нет /
где т=г/Г — схемотехнический параметр (И — фокусное расстояние коллими-рующей линзы). Это позволяет в выходном распределении 1чк(х2) в значительной степени подавить когерентные шумы и дополнительную микроструктуру дифракционного изображения (рис.4). Однако при таком освещении, наряду с уменьшением амплитуды френелевских колебаний,
Блок
обработки измер. инф.
-
(А)
Рис.3 Френелевский метод измерения размеров в частично-когерентном свете
It.\2l •■■ rVA 4 к
■ л i 1\ w S^vn fvlfl
Oil, -J 0.251
I I 1
меняется структура поля в окрестности геометрического края объекта, что требует коррекции уровня стандартного порога 1пор=0,251о при определении геометрических параметров указанного объекта.
В результате расчётов показано, что при частично-когерентном освещении в случае использования стандартного порога происходит смещение положения границ объекта на величи-
Рис.4 Структура френелевского изображения края при когерентном (1) и некогерентном (2) освещении
ну 0,.г.
■Дх„=АИ1-
где
бл/2 6фР
: &ист IF - угловой размер источника излучения, а вфр = -fX7z - угловой размер зоны Френеля.
Разработан и экспериментально исследован алгоритм определения положения истинных границ объекта в дифракционной картине в зависимости от степени когерентности освещающего объект пучка. Согласно данному алгоритму скорректированный порог 1пор. при ДЙСТ /л/а! «1 следует выбирать равным:
£р -10[0.25 + х2А2ист /\2кт\= 10[о.25 + (9ИСТ/G„p)3 /12], (4) что позволяет значительно снизить погрешность Дхт.
Значительное внимание в работе уделено изучению особенностей формирования френелевских изображений объектов в зависимости от степени пространственной неравномерности освещающей объект волны. Моделирование неравномерной волны при расчёте дифракционного поля выполнялось на примере гармонического распределения вида:
E.x(x1) = E0[l + acos(cBx1+cp)], (5)
где й)=2я/Т — угловая пространственная частота колебаний (Т — период), <р - начальная фаза колебаний, а параметр а определяет амплитуду «шума», который накладывается на однородное поле Е0, и, таким образом, задаёт степень неравномерности освещающей объект волны (0<а<1). Выбором <р можно смещать «шумовую» составляющую вдоль оси х. Так, например, <р=0 (<р=^п) эта составляющая имеет косинусоидальный вид: 2?(дг,) = Е0 (1 ± cos сох,), а при tp=st/2 (<р=Зп/2) — синусоидальный: E(xt) = £„ (1 + sin caxl). Исследованы два случая неравномерности: высокочастотного типа (Т«-J~Zz) и низкочастотного
Показано, что при освещении объекта в виде полуплоскости неравномер-
ной волной вида (5) распределение интенсивности света в дифракционной картине Френеля имеет вид:
1(х2) = Г,\У(х2) + 0.5ае-^пк[е'^^Г^ -/3) + еч^^Г(х2 +/?)]|2, (6)
О 2(0 ъ
где р = —. Видно, что выходное поле (6), кроме полезной составляющей, соответствующей дифракционному изображению края при его равномерном освещении, содержит две дополнительные «шумовые» составляющие с амплитудой а. Эти два дополнительных дифракционных изображения края смещены
относительно центра на величину р = ±Хг!Т и сдвинуты . по фазе
-Ьи1 П к
е по отношению
к основному члену (рис.5). Интерференция этих трёх полей и определяет структуру и отличительные особенности дифракционного полуплоскости края при освещении её распределением (5).
Выявлено, что неравномерное освещение объекта приводит к искажению профиля его френелевской картины
и смещению его геометрических краёв при определении их стандартным пороговым алгоритмом (1пор =0,2510). Так, при неравномерности высокочастотного типа (Т«) имеет место смещение Ахшр геометрического края объекта, не превышающее величины Лхтр ~ 0.5Т. Эту составляющую погрешности можно заметно снизить при использовании частично-когерентного освещения, а также путём низкочастотной фильтрации френелевского изображения.
В третьей главе аналитически оценены две из основных составляющих погрешностей измерения френелевского метода, обусловленные влиянием степени неравномерности освещающей объект волны (низкочастотного типа) и интегрирующими свойствами многоэлементного фотоприёмника вследствие конечных размеров его элементов. Разработаны высокоточные алгоритмы восстановления геометрических размеров исследуемых объектов с учётом влияния указанных факторов. Проведено исследование диапазона измерений френелевского метода.
Аналитически показано, что при неравномерном освещении полуплоскости волной (5) использование стандартного порогового алгоритма при обработке её френелевской картины приводит к систематической погрешности опреде-
Рис.5 Формирование френелевского изображения полуплоскости при освещении её неравномерной волной (гармонического типа)
ления положения края:
_ a cos(рcos(?rIN1)--JiaN'1 sinq>cosfo/N2) + 0.5«2 eos2 q>
1 + a(1 + eos <p) - I-^IttoN'1 sin <p ' ' *
где . Например, при Д= 0.63 мкм, z= 10
мм, T=5 -Jáz и «=10 % значение составляет 6 мкм. Установлено, что по-
ведение смещения Лхт7) зависит от значения начальной фаза колебаний (р. Так, в случае 2 значение величина &хиер в N раз меньше, чем при qr= 0.
Таблица
Остаточная погрешность определения положения границы объекта 5х = |дхнср - Дх.,,,^1 при различных значениях N и а (<р=ж!2)
N/a a=0.05 а=0.1 а=0.2 а=0.3 а=0.4 а=0.5
, 1 4.5-10"* 7.5-Ю-2 l.l-lO"' 1.4-10-' 1.9-10"' 2.5-10"'
2 3.8-10"3 МО"3 4-Ю2 1.2-10"' 1.6-10"' 2-Ю"1
3 1.9-10"' 5-I0"3 I.7-10"2 3.7-10"* 8.7-10"2 1.7-10"'
4 9.4-10"* 2.5 Ю-3 8.3 -10"J 1.9-I0"1 3.4-10"' 6.3-10"2
5 5.6-10"4 1.3-10"' 4.6 10-' 1-Ю"1 1.9-10"2 510J
10 8.5-10"5 2.5-Ю-4 8.4-Ю-" 1.8-10"1 3.5-10-" 3.1-10"1
Как показано в работе, при соответствующем выборе порога 1тр в виде поправки и = Х.ор/1,.ор =1 + 2асо5фсоз(л/Н2)-2>/2аЫ"|5тфсоз(я/Ь1г) + агсозгф к стандартному порогу /Пор~0.25/0 смещение Ах„ер может быть заметно снижено. В таблице приведены результаты расчёта остаточной погрешности определения положения границы полуплоскости при использовании скорректированного порога Т1<¥=ц1оор (случай синусоидального освещения объекта: (р=Ю1). Видно,
что при увеличении N остаточная погрешность <5? резко падает и, например, при «=0.1 и N=5 она не превышает 1,3-10 3 л/Дг, что при 2=10мм и Я=0.63мкм составляет 0.1 мкм. Из сравнения остаточной погрешности & с погрешностью Лх^, (7) следует, что введение корректирующего порога позволяет в десятки и более раз снизить погрешность определения положения края (при а=0.1 и N=10 она уменьшается в 40 раз) (табл. 1).
Часто на практике освещающий объект пучок имеет слабую неравномер-
н-d)
КО)
1(d)
-3d 2 -d -d'2 0 <12 с
V
I
0.25Io
ность, когда AI/I^ «1 (AI - изменение интенсивности в пределах рабочего поля). В этом случае пороговый алгоритм высокоточного определения положения истинных i-раниц объекта предусматривает выбор порога следующего вида:
Lor, =0.25/ (0)[1 ■+• —i— ] f
„„„ «v ^ /M(0)J' W
где Ai - степень неравномерности освещающего пучка в пределах зоны Френеля: Д/ = /'(0)лДг . Видно, что влияние неравномерности освещения на структуру френелевского изображения полуплоскости носит локальный характер. Более того, это влияние определяется степенью неравномерности пучка в пределах зоны Френеля.
Изучен характер искажения френелевского изображения объекта при регистрации его многоэлементным линейным фотоприёмником — ПЗС линейкой в окрестности геометрического края объекта. Показано, что вследствие фильтрации оптического сигнала I(x2) = 0,25+x/-yXz+xJ/Xz (|х2|«л/1г), имеющего, наряду с линейной составляющей, квадратичную компоненту, происходит искажение исходного профиля регистрируемого распределения. Это ведёт к появлению систематической погрешности 8СМ определения положения истинных границ контролируемого объекта (рис.6). Найдено, что при симметричном положении пиксела фотоприемника (с размером d) относительно геометрического края
х d
погрешность °см = , где
п = . Например, при и=5 и d=l4 мкм она равна О.Змкм. Данная состав-
ляющая погрешности измерения в значительной степени может быть снижена адекватным выбором параметров измерительной системы или путём использования освещения в виде расходящихся сферических волн.
Исследован измерительный диапазон метода и предложены способы снижения его нижней границы. Показано, что верхняя граница определяется размерами регистрируемой частью ПЗС линейки и может составлять десятки миллиметров, а нижняя граница диапазона — размером зоны Френеля: Онижя ~ \fkz (при z=l мм значение От1ЖЫ=25 мкм). Однако, при измерении размеров в окре-
3(1/2
Х2
7Т~
]CCD
Рис.6. К определению погрешности <5СМ: — оптический сигнал на входе ПЗС линейки, сигнал после регистрации ПЗС линейкой (приведённый ко входу)
стности И ~ ОииЖ11 имеет место значительное увеличение погрешности измерения (до 10-20%), обусловленной интерференцией дифракционных изображений краёв объекта. Уровень этой погрешности заметно снижается при использовании предложенного нами корректирующего порогового алгоритма:
1
Тюр — 'с
Т D
0.25--cos(sr-— + 7r/4)
2яг V Z5 Т
(9)
IbzWUo
0.5
LJIo Р 0
Д.
/ ® \ т,
0.15
Х2. ММ
где Т = = - средний период модуляции, 15 — размер объекта, оп-
ределяемый согласно стандартному пороговому алгоритму (рис.7). Данный алгоритм учитывает как особенности дифракционной картины Френеля, так и дифракционные эффекты Фраунгофера, возникающие при ■ Его применение позволяет снизить уровень погрешности до 1-2%.
При дальнейшем снижении нижней границы измерения (например, уменьшением параметра г) возникают трудности согласования параметров ПЗС-линейки с размерами дифракционного изображения. Их можно преодолеть при освещении объекта расходящимися сферическими волнами (рис.8), формирующими увеличенное в ц раз френелевское изображение объекта (£>» ^цХг), где коэффициент геометрического увеличения ц = {г + г)!г=Ыг (г - расстояние от источника света до объекта, а Ь — расстояние от источника до плоскости регистрации). Однако, в этом слу-
Рис.7 Определение порога для нижней границы диапазона измерения размеров френелевским методом: />0.15мм, ЛГфР=0.43, (Viz =0.114мм, г=20мм)
Рис.8 Оптическая блок-схема двух канального измерителя
чае необходимо иметь информацию о параметре р., значение которого изменяется при смещении объекта вдоль оптической оси.
Исследованы и предложены два метода определения параметра р. Первый из них предполагает использование дополнительного ортогонального канала на базе стандартного френелевского звена (рис.8), которое позволяет по положению центра дифракционной картины объекта определить искомый параметр. Второй подход основан на анализе расстояния между максимумами дифракционного изображения. Показано, что искомый размер О может быть определён согласно следующей формуле:
о^в/а+ф-хУ/ълц, (ю)
где - увеличенное изображение объекта, х ~ расстояние между главными максимумами дифракционной картины. В этом случае значение нижней границы, например, при г=0.1мм может составлять Лкиж„ ~ 9 мкм.
В четвёртой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного нами дифракционного фраунгоферов-ского метода измерения малых непрозрачных объектов (3-100 мкм) с использованием для освещения сферических волн.
Рис.9 Фраунгоферовский дифракционный метод измерения малых непрозрачных объектов
Идея данного метода заключается в использовании для измерения непрозрачных объектов малого размера их дифракционных картин Фраунгофера, формируемых на расстоянии г » О2/X. Типичная структура регистрируемого дифракционного изображения приведена на рис.10. Его можно представить в виде суперпозиций двух полей, одно из которых соответствует проходящей сферической волне света, а второе — волне, дифрагированной на объекте, дополнительному к исходному (щелевого типа).
Распределение интенсивности света /(х^) в дифракционной картине Фра-
унгофера для одномерного экрана с f(x,) = 1 - rect(x, / D) имеет следующий вид:
sin2(kDx2/2z)
амплитудным пропусканием
Кх2) = 1 + -
2D^x ,кх22 . ,,sin(kDx,/2z)
—pii-cos(—2—7t/4)—--=-(11)
VXz 2гц kDx2 /2z v '
X?. (ШК; / 2г)
Впервые предложен и разработан высокоточный алгоритм определения размеров объектов на основе анализа контраста их дифракционных изображений в центре поля. Согласно ему искомый размер объекта вычисляется по формуле:
D = А1
X
г
2л/5Ъ
1 +
X
2 \
5 XL
где
I™, +1;
контраст картины,
Х/2.
(12)
параметр
Ь-1-257с Р2[ 1+—-1 (рис.10). Данный алгоритм снимает ограничения на про-24 X I 5ХЬ I
странствеиные перемещения контролируемого объекта в измерительном объеме.
Imax
Х=2Х
Рис.10 Дифракционное изображение непрозрачного объекта в дальней зоне при освещении его расходящейся волной света
Д
Исследован диапазон измерений метода. Показано, что для обеспечения высокой точности измерения (погрешность не более 0.5%) верхняя граница не должна превышать величины /}„„. ~ что
может составлять 100 мкм (£=200мм, ц=2, Л=0.525мкм). Нижняя граница метода определяется точностью определения контраста регистрируемого дифракционного изображения и составляет А,»». «6-10'Зу/ХЕ. Например, при ¿=200мм, г=Ы1 и Л=0.525мкм значение
«и.ж-*=2мкм. .
В результате экспериментальных исследований установлено, что погрешность измерения диаметров калиброванных цилиндрических объектов в диапазоне 5-100 мкм не превышает 0.05-0.1 мкм.
В пятой главе приведены результаты расчета и проектирования основных оптических модулей френелевского измерителя размеров на основе светодиодного источника света. Произведён расчёт трёх узлов осветительного блока, включая узел фокусировки излучения светодиода, узел формирования про-
Рис.11 Внешний вид двухканального френелевского измерителя диаметров топливных таблеток ТВЭЛ
тяженного источника света с заданными угловыми размерами и коллиматор для формирования освещающего объект' пучка с минимальными сферическими аберрациями. Габаритные- размеры разработанного измерителя составили 150мм х 50мм х 44мм. На основе полученных результатов в Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения Сибирского отделения Российской Академии наук (КТИ НП СО РАН) выполнен комплекс работ по созданию специализированного опытного образца измерителя френелевского типа (рис.11) для решения задачи размерного контроля диаметров топливных таблеток ТВЭЛ ядерных реакторов ВВЭР—1000. Исследована эффективность предложенных в работе алгоритмов обработки измерительной информации и проведены расширенные испытания измерителя. Достигнуты следующие технические характеристики измерителя: диапазон измерений 0.2 — 25 мм, погрешность измерения не превышает 2 мкм, быстродействие 250 изм./с.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
1. Исследованы физические основы построения измерителей френелевского типа при различных типах освещения. Показано, что системы измерения, основанные на френелевском методе, имеют потенциально более высокие технические характеристики в сравнении с существующими измерителями.
2. Выявлены основные источники погрешностей измерения френелевского метода. Установлено, что вследствие эффекта интерференции дифракционных краёв контролируемого объекта происходит смещение края объекта на величину,' обратно пропорциональную числу зон Френеля в пределах контролируемого объекта, значение которой снижается соответствующим выбором параметров измерителя на этапе проектирования или путём использования частично-когерентного освещения. Показано также, что применение частично-когерентного освещения позволяет значительно улучшить структуру регистрируемого сигнала за счет подавления когерентных шумов и дополнительной микроструктуры дифракционного изображения. Предложен и экспериментально исследован высокоточный алгоритм определения геометрических параметров объектов в зависимости от угловых размеров источника света.
3. Исследованы особенности формирования френелевских изображений при пространственно-неравномерном освещении гармонического типа. Аналитически показано, что влияние неравномерности освещения на структуру фре-
нелевского изображения края объекта носит локальный характер и определяется степенью неравномерности в пределах зоны Френеля. Предложен и экспериментально исследован алгоритм определения положения границ объекта в случае слабой неравномерности освещения.
4. Изучены особенности формирования френелевских изображений измеряемых объектов ПЗС линейкой. Установлено, что вследствие нелинейного характера поля в окрестности геометрического края объекта при регистрации его многоэлементным фотоприёмником возникает систематическая погрешность определения истинных границ объекта, которая обратно пропорциональна числу элементов ПЗС линейки в пределах зоны Френеля. Данная составляющая погрешности заметно снижается путём оптимального выбора параметров оптической системы.
5. Исследован диапазон измерения размеров объектов френелевским методом. Показано, что при освещении объекта плоскими волнами света верхняя граница диапазона определяется рабочей апертурой многоэлементного фотоприёмника и может составлять десятки миллиметров, а нижняя граница — размером зоны Френеля (до 25 мкм). С целью радикального повышения точности измерений (на порядок и более) объектов с размерами порядка зоны Френеля предложен новый алгоритм обработки измерительной информации, учитывающий особенности дифракционных картин в переходной области (между дифракцией Френеля и Фраунгофера). Показано, что освещение объекта расходящимися сферическими волнами позволяет снизить нижнюю границу диапазона измерений до 10 мкм.
6. Проведён расчёт и анализ дифракционных явлений Фраунгофера на одномерных объектах экранного типа при освещении их расходящейся сферической волной света. Предложен высокоточный метод определения геометрических параметров контролируемых объектов на основе анализа контраста их дифракционных изображений. Показано, что верхняя граница измерения определяется условием дифракции Фраунгофера и может составлять 100 мкм, а нижняя граница — 3 мкм. Экспериментальная погрешность измерения в диапазоне 5-90 мкм не превысила 0.05 — 0.1 мкм.
7. Выполнен расчет и проектирование модулей оптической схемы френе-левского измерителя. На его основе разработан и создан специализированный опытный образец системы измерения диаметров топливных таблеток ТВЭЛ ядерных реакторов ВВЭР—1000. В результате испытаний измерителя установлены следующие технические характеристики: диапазон измерений 0.2 — 25 мм, погрешность измерения ±2 мкм, измерительный объём 10 х 10 мм2, быстродействие 250 изм/с.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
1. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. A Fresnel method for measurement of object dimensions in coherent light / ISPMM. - Frankfurt, 2004. - 23-24 June, P. 445-459. '
2. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. A Fresnel method of meas-
unrig the dimensions of object in partially coherent light / 3rd 1SIST. - Xi'an(China), 2004. - Aug. 18-22. -V. 2. - P. 1034-1039.
3. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Fresnel method accuracy increase for measurement of object dimensions / The 2nd ISPMM. - Beijing (China), 2004, - August 24-28. - 5 p.
4. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Improving the precision characteristics of a Fresnel method by using coherent and partially coherent illumination / 8-th ISMQCP. - Erlangen, 2004. - Oct. 12-15. - P. 43-52.
5. Чугуй Ю.В., Яковенко H.A., Ялуплин М.Д. Исследование точностных характеристик френелевского метода измерений размеров объектов // VI Международная конф. Прикладная оптика. - СПб (Россия), 2004. - 18-21 окт. - Т. 1(2). - С. 400-406.
6. Чугуй Ю.В., Яковенко Н.А., Ялуплин М.Д. Метод измерения размеров объектов в когерентном свете на основе преобразования Френеля // Автометрия. - 2004. - №5. - Т. 40. - С. 38-55.
7. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Metrology for Fresnel measuring method // 7-th ISSMT&II. - Huddersfield (UK), 2005. - P. 386-390.
8. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Limiting characterization of Fresnel measuring method / Proc. of sec. IASTED. - Novosibirsk, 2005. - P. 63-66.
9. Чугуй Ю.В., Яковенко H.A., Ялуплин М.Д.. Повышение точности френелевского метода измерений при использовании частично-когерентного освещения //Автометрия. -2005. - № 6. - Т.41. - С. 13-23.
10. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Measurement Characterization of Fresnel Method in Dimensional Metrology // Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers. - 2005. -V. 26. - № 3. - P. 271-278.
11. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Metrology of Fresnel measurement method // Journal Measurement Science and Technology. — 2005. - № 16. -P. 1-4.
12. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Aresnel measuring method for dimensional inspection / XVIIIIMEKO World Congress Metrology for a Sustainable Development. - Rio de Janeiro (Brazil), 2006.
Отпеч ООО «Фирма Тамзи» Зак. № 745 от 30.06.06 г. тираж 100 экз. ф А5, г.Краснодар, ул. Пзшковская, 79 Тел 255-73-16
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ В ПРОХОДЯЩЕМ
СВЕТЕ.
1. 1 Теневые проецирующие методы.
1. 2 Лазерные сканирующие методы.
1. 3 Дифракционные методы.
Выводы.
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ДИФРАКЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ОДНОМЕРНЫХ ЩЕЛЯХ И ЭКРАНАХ.
2.1 Френелевское изображение стандартных объектов в когерентном свете и анализ их структуры.
2.2 Моделирование и расчёт интерференционных явлений в окрестности геометрических краёв френелевского поля щели.
2.3 Исследование особенностей формирования френелевского дифракционного поля объекта в частично-когерентном свете.
2.4 Расчет картины дифракции на полуплоскости при пространственно-неравномерном освещении гармонического типа.
Выводы.
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОНА И ПОГРЕШНОСТЕЙ ФРЕНЕЛЕВСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ.
3.1 Оценка погрешности определения положения края полуплоскости при низкочастотном неравномерном освещении.
3.2 Определение геометрических размеров объектов с высокой точностью в условиях их неравномерного освещения.
3.3 Изучение интегрирующих свойств ПЗС линейки при регистрации дифракционного изображения.
3.4 Исследование диапазона измерений и разработка способов его расширения.
3.5 Оценка общей погрешности метода измерения.
Выводы.
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЁТ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ОДНОМЕРНЫХ ЭКРАНАХ МАЛОГО РАЗМЕРА В РАСХОДЯЩЕМСЯ ПУЧКЕ СВЕТА. ФРАУНГОФЕРОВСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ.
4.1 Моделирование и расчёт дифракционного поля Фраунгофера.
4.2 Определение размеров одномерных экранов по их фраунгоферовским изображениям.
4.3 Исследование и оценка диапазона измерений фраунгоферовского метода.
4.4 Экспериментальные результаты.
Выводы.
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФРЕНЕЛЕВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ДИАМЕТРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ.
5.1 Принципы построения и расчёт оптической схемы измерителя.
5.2 Френелевский измеритель размеров: технические характеристики.
5.3 Результаты экспериментальных исследований измерителя.
Выводы.
Улучшение качества машиностроительной, металлургической и атомной продукции в условиях современного поточного производства, освоение новых технологий в значительной степени зависят от оснащения промышленности высокоэффективными средствами размерного контроля. Такие системы должны обеспечивать бесконтактность и надежность измерений, высокое разрешение (от долей микрон до нескольких микрон) и быстродействие (не менее 500 изм./сек), широкий измерительный диапазон (от нескольких микрон до десятков миллиметров), допускать контроль в большом измерительном объеме. Эти средства измерения должны быть относительно недорогими и достаточно компактными настолько, чтобы их можно было встраивать в различные технологические линии производства изделий. Среди бесконтактных методов контроля всё большее распространение получают оптические, которые в сравнении с известными методами (индуктивными, ёмкостными, пневматическими и др.) обеспечивают более высокие технические характеристики [1-6].
Для контроля изделий с чёткой теневой проекцией в России [7-9] и за рубежом [10-14] производятся оптические измерители на основе сканирующих теневых, проекционных теневых и дифракционных методов. Класс таких изделий достаточно широк и включает в себя, прежде всего, объекты цилиндрического типа: трубы, таблетки, нити, проволоки и др.
Принцип действия теневых сканирующих методов основан на сканировании объекта узким лучом лазера с помощью качающегося зеркала [3,12-15]. Реализация этой идеи требует применения дорогостоящих сканеров и специальной 0-оптики. Такие измерители критичны к вибрациям, требуют частой калибровки, что затрудняет их применение в промышленных условиях.
Принцип действия теневых проекционных измерителей основан на формировании с помощью проецирующей оптики теневого изображения объекта с его последующим фотосчитыванием и обработкой [7,11,16,17]. Основными недостатками таких систем являются невысокая точность измерения и необходимость применения высококачественной проекционной оптики для формирования изображения в плоскости регистрации.
Суть дифракционных систем основана на использовании для целей измерения дифракционных картин Фраунгофера (пространственно-частотных спектров объектов) [3,18-29]. Такие измерители обладают высокими точностными характеристиками (разрешение 0,1 мкм), которые, однако, заметно ухудшаются при контроле непрозрачных объектов малых размеров (от 50 мкм и ниже) вследствие влияния нулевого порядка дифракции (проходящей недифрагированной волны). Кроме того, такие системы имеют ограниченный верхний предел измерения (до 100 мкм) и требуют для реализации применения высококачественных Фурье-объективов.
Существенно, что приведённые измерительные системы не в полной мере удовлетворяют современным техническим и массогабаритным требованиям. Всё острее ощущается потребность в компактных, широкодиапазонных и высокоточных измерителях, пригодных к применению в промышленных условиях (вибрация, пыль и др.) для контроля различных технологических процессов.
Поэтому актуальным является поиск альтернативных подходов решения задачи размерного контроля средствами оптики на основе интегральных преобразований волновых фронтов изображений объектов, исследование их возможностей в реальных условиях, выбор и разработка перспективных измерительных методов, открывающих возможность создания принципиально новых систем бесконтактного размерного контроля геометрических параметров объектов с улучшенными техническими характеристиками и массогабаритными показателями.
Одним из таких перспективных оптических методов является метод, основанный на использовании для целей измерения дифракционных картин Френеля контролируемого объекта [30]. При формировании такой картины в качестве "оптического элемента" выступает свободное пространство, которое, в сравнении с проекционными оптическими системами, преобразует входное распределение во френелевское изображение с более высокой точностью. Характеристики такого «элемента» близки к идеальным: он не вносит дополнительных искажений при формировании френелевского изображения объекта и, таким образом, лишён всякого рода аберраций [31,32], присущих даже совершенным линзовым системам. При этом расстояние между контролируемым объектом и считывающим фотоприёмником, определяющее структуру дифракционной картины Френеля и задающее габаритные размеры измерителя, не превышает нескольких десятков миллиметров.
Экспериментальные системы на основе такого френелевского метода размерного контроля и достигнутые при этом результаты представлены в работах [35-37].
Однако, судя по публикациям [33, 34] глубоких теоретических исследований в этом направлении, нацеленных, прежде всего, на достижение предельных характеристик френелевского метода, до сих пор не приводилось. Одна из возможных причин - сложность математического аппарата, описывающего дифракционные явления Френеля, что препятствует также широкому применению его в инженерной практике.
Вместе с тем использование явления дифракции Френеля и Фраунгофера на объекте для измерительных целей открывает новые возможности как в части радикального улучшения технических характеристик, так и в части создания принципиально новых - малогабаритных, дешёвых и конкурентоспособных -датчиков для решения различных задач.
Существенно, что при рассмотрении и анализе дифракционных изображений Френеля на этапе разработки измерительных систем не учитывается ряд факторов [38], влияние которых может значительно ухудшить точностные характеристики метода. Среди них отметим следующие: неравномерность освещающей объект волны, влияние конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференция дифракционных изображений краёв, искажение профиля френелевского изображения объекта при регистрации его многоэлементным фотоприёмником вследствие конечных размеров его элементов.
Целью диссертации является исследование дифракционных явлений Френеля и Фраунгофера на объектах щелевого и экранного типов применительно к их размерному контролю и разработка на основе полученных результатов высокоточных и широкодиапазонных оптических методов измерения геометрических размеров изделий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать и провести расчёт дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом пространственной неравномерности освещающей волны и степени когерентности света. Разработать алгоритмы определения геометрических параметров исследуемых объектов на основе анализа структуры регистрируемых полей (изображений).
2. Разработать высокоточный и широкодиапазонный оптический метод измерения размеров объектов на основе дифракции Френеля и теоретически исследовать его метрологические характеристики (диапазон и погрешность измерений).
3. Разработать высокоточный метод измерения размеров объектов экранного типа на основе дифракции Фраунгофера в расходящейся сферической волне света и теоретически исследовать его метрологические характеристики.
4. Изучить особенности дифракции Фраунгофера на одномерных экранах малого размера (до 100 мкм) при освещении их расходящейся сферической волной света и предложить новый высокоточный алгоритм определения размеров объектов, устойчивый к влиянию проходящей недифрагированной волны.
5. Экспериментально исследовать метрологические характеристики предложенных оптических методов измерения. Разработать и создать опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя размеров объектов.
Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнена в Кубанском госуниверситете на кафедре оптоэлектроники в период с 2003 по 2006 годы по теме «Исследование и разработка новых физико-технологических принципов построения оптоэлектронных, микро- и нанооптических устройств сбора , обработки и передачи информации и перспективных сред для микролазеров», а также в лаборатории технического зрения Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в соответствии с программой Президиума СО РАН по физико-техническим наукам 10.4 "Новые оптические материалы, технологии и приборы, их применения" в рамках проекта «Научные основы оптико-электронных технологий прецизионного контроля 3D объектов и формирования заданных объемных микроструктур поверхности» (рег.№:0120.0403176). Методы исследований. В работе использовались методы геометрической и волновой оптики, теории преобразования оптических сигналов и теории измерений.
Достоверность результатов подтверждалась сравнением получаемых теоретических данных с физическим экспериментом. Достоверность данных, полученных экспериментальным путем, обеспечена путём использования метрологически аттестованного и поверенного оборудования. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
- решена задача расчёта дифракционного поля Френеля для одномерных экранов и щелей с учетом влияния неравномерности освещения гармонического типа, конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференции дифракционных изображений краёв исследуемого объекта и интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника. Получены аналитические соотношения для оценки погрешностей определения положения геометрических краёв объекта;
- предложены методы определения с высокой точностью геометрических размеров объектов по их дифракционным картинам Френеля и способы расширения на порядок нижнего предела измерений таких размеров;
- решена задача расчёта дифракционных явлений Фраунгофера на одномерных экранах при их освещении расходящейся сферической световой волной. Впервые предложен новый высокоточный алгоритм определения геометрических размеров объектов экранного типа на основе анализа контраста их дифракционных полей и получены аналитические соотношения для оценки диапазона измерений;
- предложен метод построения френелевских измерителей геометрических размеров объектов, который, в отличие от известных, обеспечивает более высокую точность и более широкий диапазон измерений.
Практическая ценность работы
Результаты расчета дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом их неравномерного освещения и степени когерентности света, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерференционных явлений, предложенные методы измерений и их схемотехнические решения, методы анализа и обработки дифракционных полей составляют новый арсенал средств для инженерных применений в области оптического приборостроения и могут быть рекомендованы разработчикам при создании оптико-электронных измерительных систем нового поколения.
На основе проведенных исследований разработан и создан опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя для размерного контроля топливных таблеток для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов ВВЭР-1000 (по заказу РОС АТОМА). На защиту выносятся следующие положения:
1. Методы и результаты расчёта френелевских полей одномерных экранов и щелей с учетом влияния параметров освещающего пучка, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерференционных явлений, возникающих при взаимодействии дифракционных изображений краёв объекта.
2. Способы повышения точности и расширения нижней границы диапазона измерений геометрических размеров объектов френелевского метода по их дифракционным изображениям.
3. Фраунгоферовский высокоразрешающий (0.01 мкм) метод измерения малых размеров (до 100 мкм) непрозрачных объектов при освещении их расходящейся сферической волной света.
4. Способ определения геометрических размеров объектов по контрасту их дифракционных изображений Фраунгофера.
5. Опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя геометрических размеров объектов.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе в 4 журнальных статьях и в 7 статьях отечественных и международных симпозиумов и конференций.
Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований и приложения. Объём диссертации 118 страниц, 40 иллюстраций и 8 таблиц.
Основные результаты диссертации состоят в следующем:
1. Проведён расчёт и анализ дифракционных полей Френеля на одномерных экранах и щелях в когерентном и частично-когерентном свете применительно к их размерному контролю.
2. Выявлены основные источники погрешностей измерения френелевского метода. Установлено, что вследствие эффекта интерференции дифракционных краёв контролируемого объекта происходит смещение края объекта на величину, обратно пропорциональную числу зон Френеля в пределах контролируемого объекта, значение которой снижается соответствующим выбором параметров измерителя на этапе проектирования или использованием частично-когерентного освещения. Показано также, что применение частично-когерентного освещения позволяет значительно улучшить структуру регистрируемого сигнала за счет подавления когерентных шумов и дополнительной микроструктуры дифракционного изображения. Предложен и экспериментально исследован высокоточный алгоритм определения геометрических параметров объектов в зависимости от угловых размеров источника света.
3. Исследованы особенности формирования френелевских изображений при пространственно-неравномерном освещении гармонического типа. Установлено, что влияние параметров освещающего пучка на френелевскую картину объекта определяется соотношением между периодом колебаний этого распределения и размером зоны Френеля. Выявлено, что влияние неравномерности высокочастотного типа снижается при использовании частично-когерентного освещения или низкочастотной фильтрации френелевского изображения.
4. Аналитически показано, что в случае неравномерного низкочастотного освещения его влияние на структуру френелевского изображения полуплоскости в окрестности геометрического края объекта носит локальный характер. Предложен и экспериментально исследован высокоточный алгоритм определения положения границ объекта при освещении его волной со слабой неравномерностью, основанный на учёте поведения поля в окрестности его края. Он позволяет в десятки раз повысить точность измерения.
5. Изучены особенности формирования френелевских изображений измеряемых объектов ПЗС линейкой. Установлено, что вследствие нелинейного распределения регистрируемого поля линейным многоэлементным фотоприёмником с конечными размерами пикселей возникает систематическая погрешность определения истинных границ объекта, значение которой обратно пропорционально числу элементов ПЗС линейки, укладываемых на размере зоны Френеля. Данная составляющая погрешности заметно снижается путём оптимального выбора параметров оптической системы.
6. Исследован диапазон измерения размеров объектов френелевским методом. Показано, что при освещении объекта плоскими волнами света верхняя граница диапазона определяется рабочей апертурой многоэлементного фотоприёмника и может составлять десятки миллиметров, а нижняя граница -размером зоны Френеля (до 25 мкм). С целью радикального повышения точности измерений (на порядок и более) объектов с размерами порядка зоны Френеля предложен новый алгоритм обработки измерительной информации, учитывающий особенности дифракционных картин в переходной области (между дифракцией Френеля и Фраунгофера). Показано, что освещение объекта расходящимися сферическими волнами позволяет снизить нижнюю границу диапазона измерений до 10 мкм.
7. Проведён расчёт и анализ дифракции Фраунгофера на одномерных объектах экранного типа при их освещении расходящейся сферической волной света. Предложен высокоточный метод определения геометрических параметров контролируемых объектов на основе анализа контраста их дифракционных изображений. Показано, что верхняя граница измерения определяется условием дифракции Фраунгофера и может составлять 100 мкм, а нижняя граница - 3 мкм. Экспериментальная погрешность измерения в диапазоне 5-90 мкм не превысила 0.05 - 0.1 мкм.
8. Разработан и создан опытный образец френелевского измерителя для размерного контроля диаметров топливных таблеток ТВЭЛ ядерных реакторов ВВЭР-1000 со следующими техническими характеристиками: измерительный диапазон 0.2 - 25 мм, погрешность не более 3 мкм, измерительный объём 10 х 10 мм, быстродействие 250изм./сек (определяется используемым фотоприёмником).
Полученные результаты могут быть использованы при разработке широкодиапазонных оптико-электронных измерительных систем нового поколения (в проходящем свете) для решения различных задач высокоточного размерного контроля. Большой диапазон измерений (от нескольких микрон до десятков мм) может быть достигнут путём одновременного использования в системе как фраунгоферовского, так и френелевского методов измерений (в зависимости от размеров объектов) на основе использования дифракционных явлений в свободном пространстве.
Автор выражает искреннюю благодарность проф., д.т.н. Н.А. Яковенко, проф., д.т.н. Ю.В. Чугую за руководство и полезные обсуждения, к.т.н. JI.B. Финогенову за денные советы и полезные замечания, а также всем сотрудникам ОНИЛ ТЗ КТИ НП СО РАН за поддержку и внимание к работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации поставлена и решена задача исследования физических основ построения высокоточных оптических методов измерения геометрических размеров объектов с использованием явления дифракции Френеля и Фраунгофера и разработка френелевского и фраунгоферовского методов, обеспечивающих в сравнении с существующими более высокие метрологические характеристики.
1. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении. -М.: Изд-во стандартов, 1975. С. - 123,252.
2. Мироненко А.В. Фотоэлектрические измерительные системы. М.: Энергия, 1967.-360 с.
3. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Изд-во Машиностроение, 2003.
4. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении: Учеб пособие для вузов.- М.: Изд-во стандартов, 1975.
5. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. М.: Энергоатомиздат, 1983.-С. 20-24.
6. Матис И.Г. Электроёмкостные преобразователи для неразрушающего контроля. Рига: Зинавтне, 1982. 302 с.
7. Ладыгин В. И., Чугуй Ю. В., Юношев В. П. и др. Оптико-электронное устройство для бесконтактного контроля геометрических параметров ТВЭЛ // Автометрия. 2004.- №2. - Т. 40.
8. Лазерный измеритель диаметра «ЛИД-1» / Проспект фирмы «Диаконт». Беларусь, 2002.
9. Лазерный измеритель диаметра «ЛИД-1М» / Проспект фирмы «Диаконт». Беларусь, 2002.
10. Gordon М. Brown, Kevin G. Harding, H. Philip Stahl. Industrial Application of Optical Inspection, Metrology and Sensing//Proc. SPIE. 1821, 1992.
11. High-Speed, High-Accuracy CCD Micrometer LS-7000 Series / Проспект фирмы «Кеуепсе». Япония, 2002.
12. Costanzo D. Measuring and Testing // WIRE JOURNAL INTERNATIONAL. 2001. - Dec. - P. 64-77.
13. Spizzamiglio A., Zampieri E. On-line diameter measuring of ferrous wire on dry drawing benches: how laser gauges can do their job in this very harsh environment//Proc. ICWCE. Dusseldorf, 1999.
14. The measurement, instrumentation and sensors. Handbook / Editor-in-chief John G. Webster. USA: CRC press LLC, 1999.
15. Model 102-200 / Проспект фирмы «BetaLaserMike». США, 2005.
16. Чугуй Ю.В., Юношев В.П., Кривенков Б.Е. и др. Фотодиодный оптико-электронный измеритель размеров «Сенсор» // Автометрия. 1989. - С. 83-91.
17. Пат.1458828 Япония. Non-contact type dimension measuring device / Kabushiki Kaisha.
18. Chugui Yu. V., Bytchkov R.M., Koronkevitch V.P. Theaded article parameter measurement by spatial spectra analysis // Applied Optics. -1979. №2. -V.18.-P. 197-200.
19. Чугуй Ю.В. Лазерный дифракционный измеритель / Чугуй Ю.В., Финогенов JI.B., P.M. Бычков и др. // Тез.докл. III Всероссийской шк. по оптич. обраб. информ. Рига: 1980. - 4.2. - 46 с.
20. Pryor T.R., Hageniers О. L., North Diffractographic dimensional measurement//Applied optics. 1972. - №2. -V.l 1. - P. 308-313.
21. Митрофанов A.C., Тарлыков B.A. Исследование дифракционного способа контроля диаметра проводов и проволок // Приборостроение. 1976. -№1. -T.XIX. - С. 104-108.
22. Лизунов В.Д. Бесконтактный метод измерения малых линейных размеров// Измерительная техника. 1976. - №2. - С. 37-40.
23. Бычков P.M., Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Повышение точности дифракционных методов размерного контроля // Автометрия. 1984. - №3. - С. 75-84.
24. Е.П. Осмоловская, М.Н. Лоди Применение лазера для измерения ширины тонких лент // Измерительная техника. 1973. - №6. - С. 30-31.
25. Лизунов В.Д., Весельев В.М. Лазерная фотоэлектрическая установка для измерения малых поперечных размеров // Измерительная техника. 1977. -№3. - С. 36-38.
26. Осмоловская Е.П., Лоди М.Н. Пределы и погрешности измерения тонких лент дифракционным методом // Измерительная техника. 1973. - №9. -С. 25-26.
27. Пат. 4394683 Япония. New photodetector array based optical measurement system / N.L.-Wagner.
28. West P. On-line gauge for wire and fibre diameter measurement // Measuring and control. 1974. - №2. -V.7. - P. 45-46.
29. Митрофанов A.C., Тарлыков В.А.Анализ дифракционных способов измерения диаметра тонких цилиндрических изделий: Материалы науч,-технической конф. Современная прикладная оптика и оптические приборы. -1975.-Ч. IV.-С. 41-44.
30. Митрофанов А.С., Тарлыков В.А. Исследование дифракционного способа контроля диаметра проводов и волокон // Приборостроение. 1976. -№1. - T.XIX.- С. 106-106.
31. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: ГИФМЛ, 1959. - С. 380-387.
32. Русинов М.М. Техническая оптика. М.: ГНТИМЛ, 1961. - С. 94119,153-163.
33. Кругер М.Я., Панов В.А., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов.- М.: ГНТИМЛ, 1963. С. 143-183.
34. Fischer J., Radii Т. / Proc. Workshop 2002. Prague 2002. - P. 474-475.
35. Пат. 0924493 Германия. Measurement of diameter using diffraction borders and electronic soiling correction. Опубл. 1999.
36. Laser measuring system for dimensions and edge positions / Проспект фирмы «Schafter+Krichhoff». Германия.
37. Han-Seok L., Yoke-San W. On-machine Optical Measurement of Micro-EDM Tool Wear / Proc. ISIST 2004. Xi'An (China), 2004. - P. 1027-1033.
38. Dr. Winkler Besonderheiten der Bilderfassung mit CCD-Zeilen. Humboldt-Universitat zu Berlin Institut fur Informatik, Lehrveranstaltung: Schaltkreisentwurf (SKE Seminar), 2001.
39. Чугуй Ю.В., Яковенко H.A., Ялуплин М.Д. Метод измерения размеров объектов в когерентном свете на основе преобразования Френеля // Автометрия. 2004. - №5. - Т. 40. - С. 38-55.
40. Никулин В.И. Оптико-электронные устройства для измерения линейных размеров: реф. обзор / В.И. Никулин, Н.Г. Соловьёв, J1.B. Финогенов. М.: ЦНИИ и ТЭИ. - №1305. - 86 с.
41. Полонник B.C. Телевизионные автоматические устройства. М.: Связь, 1974.-216 с.
42. Секен К. Приборы с переносом заряда / К. Секен, М. Томпсет. М.: Мир, 1978.-327с.
43. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС // Специальная техника. - 1999. - №4.
44. Лемешко 10. А., Чугуй Ю.В. Размерный контроль круговых отражающих цилиндров интерференционным методом // Автометрия. 2003. -№ 5. - Т. 39.
45. Dew C.D. The application of spatial filtering techniques to profile inspection and an associated interference phenomenon // Optica Acta. 1970. - № 4. - V. 17. -P. 237-257.
46. Chugui Yu.V., Pavlov A.A. Peculiarities of cylinder diameter determination by diffraction method / Proc.IMEKO. 2000. - V. 2. - 169 p.
47. Измеритель ЛИД50.02 АЛ2.766.992ТУ / Проспект фирмы «Измерение».-М.
48. Измеритель БИД / Проспект фирмы «Измерение». М.
49. Измеритель Цикада / Проспект фирмы «Эрмис+». Томск.
50. Пат. DE3437412 Германия. Contact-free optical linear measurement device / Juerger R. Опубл. 1986.
51. Пат. JP7198346 Япония. Optical system and device for measurement of wire diameter by bidirectional laser scanning / Ito Norihisa. Опубл. 1995.
52. Пат. JP5018717 Япония. External diameter measuring apparatus /Toshiji K.
53. Катыс Г.П., Кравцов H.B., Чиркин JI.E. и др. Модуляция и отклонение оптического излучения. М.: Наука, 1967.
54. Рябов С.Г., Торопин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Сов.радио, 1967. - 310 с.
55. Тарасов JI.B. Физические основы квантовой электроники. М.: Сов.радио, 1976. - 368 с.
56. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Радио и связь, 1988. - 277 с.
57. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А. и др. Полупроводниковые фотоприёмники: УФ, видимый и ближний ИК диапазоны спектра. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.
58. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. М.: Сов.радио, 1976. - 141 с.
59. Измеритель ORle и OR2e / Проспект фирмы «СиэМэС».- М.
60. Измеритель ALS12XY / Проспект фирмы «Aeroel». Италия.
61. Spizzamiglio A. L'utilizzo di micrometri laserometri controllo del diametro nei processioce ditrafila afilatura del filodiradelfilo di rame. Tecnologie del filoedelcavo, organizzato da Tecniche Nuove Congressi. Erba (CO), 8 novembre 2002.
62. Spizzamiglio A. Laser Technology Improves and Makes Easier Post-Process Measuring On Centreless Grinders. Grindline-eng.doc, 04.09.2001.
63. Пат. 3620900 Россия. Дифракционный способ измерения ширины протяжённого объекта / А.С. Бернштейн, М.Н. Лоди. Опубл. 1986.
64. Пат. 3929414 Россия. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления / К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко и др. Опубл. 1987.
65. Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении / К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко.- М.: Машиностроение, 1978. -334 с.
66. Ахманов С.А. Физическая оптика / С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. М.: МГУ, 1998.-С. 379,391-419.
67. Jian-wen С., Wen-yan Т. Measurement of thin cylinder diameter by optical diffraction / 3-rd ISIST, 2004. P. 1245-1247.
68. Пат. DEI9758214 Германия. Optical precision measuring device for measuring various parameters of workpieces during manufacture. Опубл. 1999.
69. Пат. US4775236 США. Laser Metric System / D. Cohen, D. Papurt. Опубл. 1988.
70. Гудмен Д. Введение в Фурье оптику. М.: Мир, 1970. - С. 63, 176.
71. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Measurement Characterization of Fresnel Method in Dimensional Metrology // Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers. 2005. -V. 26. - № 3. - P. 271-278.
72. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Metrology of Fresnel measurement method // Journal Measurement Science and Technology. 2005. - № 16.-P. 1-4.
73. Чугуй Ю.В., Яковенко H.A., Ялуплин М.Д. Повышение точности френелевского метода измерений при использовании частично-когерентного освещения // Автометрия. -2005. № 6. - Т.41. - С. 13-23.
74. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. - С. 62-69,150-170.
75. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. A Fresnel method for measurement of object dimensions in coherent light / ISPMM. Frankfurt, 2004. -23-24 June, P. 445-459.
76. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980. - 286 с.
77. Chugui, Y., Krivenkov В.: Fraunhofer diffraction by volumetric bodies of constant thickness // Journal of the Optical Society of America. A6 (1989) 5. - P. 618-619.
78. Бронштейн И. H. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М.: Наука, 1964. - С. 145,322.
79. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Metrology for Fresnel measuring method // 7-th ISSMT&II. Huddersfield (UK), 2005. - P. 386-390.
80. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Improving the precision characteristics of a Fresnel method by using coherent and partially coherent illumination / 8-th ISMQCP. Erlangen, 2004. - Oct. 12-15. - P. 43-52.
81. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. A Fresnel method of measuring the dimensions of object in partially coherent light / 3rd ISIST. -Xi'an(China), 2004,-Aug. 18-22.-V. 2.-P. 1034-1039.
82. Chugui Y.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Limiting characterization of Fresnel measuring method / Proc. of sec. IASTED. Novosibirsk, 2005. - P. 63-66.
83. Чугуй Ю.В., Яковенко H.A., Ялуплин М.Д. Исследование точностных характеристик френелевского метода измерений размеров объектов // VI Международная конф. Прикладная оптика. СПб (Россия), 2004. - 18-21 окт. -Т. 1(2). - С. 400-406.
84. Chugui Yu.V., Yakovenko N.A., Yaluplin M.D. Fresnel method accuracy increase for measurement of object dimensions / The 2nd ISPMM. Beijing (China), 2004. - August 24-28. - 5 p.
85. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике.- М.: Мир, 1971. -253 с.
86. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачёв А.В. Дифракционный метод одновременного определения размера и скорости большой цилиндрической частицы // Измерительная техника. 2004. - № 2.- С. 25-29.
87. Raffel М., Willert С., Kompenhance J. Particle image velocimetry. Berlin: Sprinder, 1998.
88. Расковская И.Л., Ринкевинчюс Б.С. // Вестник МЭИ. 1998. - № 12.93 с.
89. Para light electronics со data sheet part no EP20xx-150xx / Проспект фирмы ParaLight.
90. Лабусов B.A., Плеханова И.В., Финогенов Л.В. Исследование апертурных характеристик фотодиодных линеек // Автометрия. 1989. - № 5. -С.112-117.
