Системы технического зрения на основе фурье-оптики и оптической триангуляции для контроля размеров изделий и диагностики роста кристаллов

Михляев, Сергей Васильевич

Системы технического зрения на основе фурье-оптики и оптической триангуляции для контроля размеров изделий и диагностики роста кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Михляев, Сергей Васильевич АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Системы технического зрения на основе фурье-оптики и оптической триангуляции для контроля размеров изделий и диагностики роста кристаллов»

Автореферат диссертации на тему "Системы технического зрения на основе фурье-оптики и оптической триангуляции для контроля размеров изделий и диагностики роста кристаллов"

На правах рукописи

МИХЛЯЕВ Сергей Васильевич

СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФУРЬЕ-ОПТИКИ И ОПТИЧЕСКОЙ ТРИАНГУЛЯЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ И ДИАГНОСТИКИ РОСТА КРИСТАЛЛОВ

01.04.05 «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2008

003479503

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант Доктор технических наук, профессор

Потатуркин Олег Иосифович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор

Борыняк Леонид Александрович

Доктор технических наук, профессор Тихомиров Александр Алексеевич

Доктор технических паук Полещук Александр Григорьевич

Ведущая организация ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский

институт оптико-физических измерений»

Зашита диссертации состоится 10 200-? г. в Ш часов на заседании

диссертационного совета Д 003.005.01 при Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Автореферат разослан «"2- » е&Щ^ 2oo.fr.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических паук

Насыров К. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Контроль геометрических параметров объектов является традиционной областью, в которой эффективно используются оптические методы измерений. Крупносерийный и массовый характер современного производства промышленных изделий н необходимость оперативного контроля их геометрических параметров требуют применения для этих целей бесконтактных контрольно-измерительных средств, обладающих высокой производительностью (более 1000 изделий/мин) и точностью измерений (погрешность измерений менее 0.1%) и позволяющих осуществлять контроль размеров изделий сложной формы, причем в процессе движения их по измерительной позиции. Традиционные средства измерений проекционного типа и их современные автоматизированные аналоги не удовлетворяют этим требованиям в силу их низкой производительности. Недостатком систем автоматического контроля, основанным на применении телевизионной техники, является зависимость погрешности измерений от верхнего предела диапазона измерений (величины контролируемого размера), что требует значительного увеличения разрешения используемых фотоприемных устройств при возрастании контролируемых размеров. Кардинальным способом повышения метрологических характеристик измерительных систем является реализация дифференциальных методов измерений. Принципиально новые возможности для этого открылись с появлением лазерных источников света и разработкой методов фурье-оптики, обеспечивающих формирование и аналоговую обработку амплитудных световых распределений, эквивалентную операциям преобразования Фурье, фильтрации и корреляции двумерных функций. Известные на момент постановки работ методы контроля размеров изделий, базирующиеся на фурье-оптике, сводились, в основном, к формированию дифракционной картины контролируемого объекта (М. Koedam, A.C. Митрофанов, В.А. Тарлыков) или получению оптическим способом функции корреляции изображений контролируемого объекта и эталона (Д.И. Мировицкий, G. Indebetouw) и требовали дальнейшего развития для повышения метрологических характеристик систем контроля. Размеры объекта определялись по интенсивности света в корреляционном распределении, а при анализе дифракционной картины - по расстояниям между дифракционными порядками или интенсивности света, дифрагировавшего под определенным углом. Перспективными для применения в корреляционных системах контроля представлялись методы цифровой голографии (Т. Tschudi), а также метод контурных эталонов (Е.С. Нежевенко), предложенный для решения задач распознавания изображений. Поэтому выполненные автором исследования, направленные на развитие методов фурье-оптпки и разработку на их основе новых методов дифференциальных измерений размеров изделий, представляются актуальными и перспективными.

Задача измерения расстояний, как и размеров объектов, также является традиционной для оптических методов измерений. Она имеет самостоятельное значение и актуальна не только при размерном контроле, но и во множестве других приложений. Широко распространенным методом измерения расстояний является лазерная триангуля-

ция. В основном лазерные триангуляционные системы применяются для зондирования объектов с диффузной поверхностью (G. Hausler). Вопросы зондирования объектов с зеркальной поверхностью и возникающие при этом проблемы отражены в литературе крайне слабо. Вместе с тем, потребность в системах дистанционного измерения расстояний до зеркальных поверхностен возникает в различных практических и научных задачах. Одной из таких задач является дистанционное зондирование поверхностей жидкостей или расплавов, в частности - измерение уровня расплава при выращивании кристаллов. Поэтому выполненные автором приоритетные исследования особенностей лазерного триангуляционного зондирования нестационарной зеркальной поверхности, в том числе свободной поверхности вращающейся жидкости, являются актуальными.

Актуальными являются также приоритетные исследования автора, связанные с разработкой систем технического зрения (СТЗ) для контроля геометрических параметров (уровня расплава и геометрии кристалла) при диагностике процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава. Возникающие при этом метрологические проблемы в значительной степени обусловлены недостаточной физической обоснованностью и изученностью используемых оптических методов дистанционной диагностики высокотемпературного процесса кристаллизации; отсутствием необходимых знаний о закономерностях и особенностях формирования оптических сигналов активного и пассивного зондирования сложной динамической системы «кристалл-расплав», о зависимости информационных характеристик обрабатываемых сигналов от вариаций параметров технологического процесса выращивания кристаллов. Решению отмеченных актуальных проблем посвящена значительная часть диссертационной работы.

Целыо работы является разработка теоретических и практических основ создания СТЗ на базе методов фурье-оптики, оптической триангуляции и цифровой обработки изображений, предназначенных для высокопроизводительного контроля и дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы, диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава.

В соответствии с поставленной целыо определены основные задачи работы:

1. Разработка методов фурье-оптики и создание па их основе высокопроизводительных корреляционных и дифракционных (спектральных) СТЗ для контроля размеров изделий сложной формы.

2. Разработка оптических методов преобразования изображений контролируемых объектов сложной формы, обеспечивающих возможность реализации дифференциальных измерений и повышение метрологических характеристик СТЗ.

3. Разработка принципов построения лазерных триангуляционных систем зондирования нестационарной зеркальной поверхности, исследование их особенностей и условий применимости.

4. Разработка принципов построения СТЗ для диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава; разработка п исследование методов контроля уровня расплава и геометрии выращиваемого кристалла, алгоритмов обработки данных дистанционного оптического зондирования.

5. Исследование структуры и информационных характеристик изображения зоны

кристаллообразования в методе Чохральского, формируемого оптической проекционной системой; оценка влияния параллакса изображения мениска кристалла на метрологические характеристики СТЗ.

6. Разработка и апробация СТЗ, созданных на основе проведенных исследований.

Методы исследовании. Результаты исследований, изложенные в диссертации, базируются на системном подходе и получены путем теоретического анализа, численного моделирования и физического эксперимента.

Научна» новизна.

1. Предложены методы дифференциальных измерений для контроля размеров изделий сложной формы, реализуемые средствами фурье-оптикн, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и производительность контрольно-измерительных систем, многоканальность измерений и возможность контроля геометрии движущихся изделий (спектральным метод на основе пространственно-частотной фильтрации дифракционной картины контролируемого изделия, обеспечивающий заданный вид выходной характеристики измерительной системы; корреляционный метод, базирующийся на обработке корреляционной функции изображения контролируемого изделия и его поля допусков, формируемого оптическими средствами; оптический метод преобразования изображений изделий сложной формы, основанный на высокочастотной фильтрации и мультиплицировании изображений).

2. Разработаны оригинальные методы многолучевой триангуляции и адаптивной коммутации зондирующих световых пучков, основанной на анализе их статистических характеристик, обеспечивающие минимизацию погрешности измерений триангуляционного сенсора при зондировании нестационарной зеркальной поверхности с изменяющейся регулярной составляющей кривизны.

3. Предложены оригинальные методы комплексного контроля уровня расплава и геометрии кристалла в процессе выращивания на основе лазерной триангуляции и цифровой обработки многоракурсных изображений зоны кристаллообразования, инвариантные к вариациям угловой скорости вращения расплава.

4. Предложены методы цифровой обработки изображения зоны кристаллообразования для измерения диаметра кристалла на различных стадиях выращивания, основанные на аппроксимации окружности. Получены аналитические выражения для смещений МНК-оценок параметров окружности при пептерацнонном методе аппроксимации; для компенсации таких смешений предложены четырехточечная и комбинированная схемы оценивания по выборкам из различного количества точек.

5. Впервые исследован параллакс изображения мениска кристалла, выявлены его источники (вариации уровня расплава и диаметра кристалла; смещения осп кристалла; изменения геометрии ростовой установки и схемы измерения; вариации технологических параметров процесса выращивания, влияющие на форму мениска кристалла), установлено влияние параллакса па метрологические характеристики видеосистемы контроля геометрии выращиваемого кристалла.

Новизна предложенных методов и физико-технических решений подтверждена 6 авторскими свидетельствами и патентами.

Достоверность теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями, численным моделированием и результатами испытаний разработанных СТЗ.

Практическая значимость работы.

Предложенные методы измерений, схемотехнические решения и алгоритмы цифровой обработки изображений могут быть использованы при создании систем технического зрения для дифференциальных измерений и контроля геометрических параметров изделий крупносерийного и массового производства в различных отраслях промышленности, диагностики роста кристаллов в современных автоматических ростовых установках, триангуляционного лазерного зондирования объектов с нестационарной зеркальной поверхностью в технических и научных целях.

На основе полученных результатов совместно с ЦКБ «Точприбор» и СНИИОС (ведущие разработчики P.M. Бычков, В.А. Федоров, J1.B. Финогенов) созданы промышленные образцы корреляционных оптических измерителей ЛГКУ и JIKA. В 1985 г. на Новосибирском приборостроительном заводе выпущена первая промышленная серия этих приборов. В период с 1996 по 2006 г. в ИАпЭ СО РАН созданы цифровые управляющие комплексы ЦУК и ЦУКМ для установок автоматического выращивания монокристаллов кремния нового поколения 221УА100, 221УМК090 (разработки ФГУП «Красмаш», г. Красноярск), в состав которых входят разработанные автором оптико-цифровые системы контроля уровня расплава и геометрии кристалла. Комплекс ЦУКМ успешно прошел испытания в условиях реального производства и рекомендован межведомственной комиссией к производству.

Защищаемые положения.

1. Разработанные спектральный и корреляционный методы контроля, основанные на пространственно-частотной фильтрации, обеспечивают возможность допускового контроля и измерения размеров движущихся изделий сложной формы и предназначены для создания высокопроизводительных СТЗ с высокими метрологическими характеристиками. Предложенные методы синтеза пространственно-частотных фильтров обеспечивают получение заданной выходной характеристики спектральной системы контроля и позволяют формировать биполярные амплитудные световые распределения в виде изображений полей допусков изделий, необходимые для реализации дифференциальных измерений в корреляционном методе контроля.

2. Метод оптического преобразования изображений, основанный на высокочастотной фильтрации и мультиплицировании, позволяет выполнять дифференциальные измерения размеров объектов сложной формы. Оперативное изменение параметров мультиплицирования достигается путем изменения ориентации и положения мультиплицирующих компонентов фильтров на оси оптической системы.

3. Виньетирование световых пучков при триангуляционном лазерном зондировании является основным фактором, ограничивающим возможности определения геометрических характеристик профиля нестационарной зеркальной поверхности, в т. ч. свободной поверхности вращающейся жидкости. Многолучевые схемы зондирования позволяют проводить измерения при повышенных угловых скоростях вращения жидкости, а адап-

тивиый метод коммутации зондирующих пучков обеспечивает минимизацию погрешности измерений при вариациях регулярной составляющей кривизны поверхности.

4. Разработанные методы совместных измерений уровня расплава и диаметра выращиваемого кристалла, основанные на пассивной и активной оптической триангуляции, обеспечивают инвариантность результатов измерений к вариациям угловой скорости вращения расплава, а предложенные неитерационные методы аппроксимации позволяют получать оценки диаметра кристалла в условиях ограниченных вычислительных ресурсов.

5. Структура изображения зоны кристаллообразования в методе Чохральского, формируемого оптической проекционной системой, определяется многократными отражениями излучения нагревателя от поверхностей мениска и кристалла и зависит от параметров формирующей изображение трехмерной сцены. Вариации геометрии ростовой установки и технологических параметров процесса выращивания, влияющих на форму мениска кристалла, вызывают параллакс изображения мениска, который в значительной степени определяет метрологические характеристики видеосистемы контроля геометрии кристалла.

Связь с государственными научно-техническими программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами НИР ИАиЭ СО РАН в период с 1977 по 2008 год по темам: «Разработка и исследование методов и средств параллельных оптико-электронных вычислений» (гос. per. № 76050043), «Разработка элементов оптических и оптико-электронных вычислительно-информационных систем» (гос. per. № 81083906), «Разработка и исследование оптико-электронных методов и систем дистанционной диагностики технологических процессов» (гос. per. № 01.9.60 013065), «Методы, модели и аппаратно-программные средства дистанционной диагностики динамических реальных сцен и процессов» (гос. per. № 01.2.00 103371), «Прецизионные оптические технологии и приборы для контроля и диагностики физических параметров объектов и процессов» (гос. per. № 0120.0 405435), «Исследование принципов построения и разработка автоматизированных систем моделирования, диагностики и управления процессами выращивания кристаллов» (гос. per. № 01.2.007 04681).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных школах-семинарах по оптической обработке информации (Горький, 1978: Рига, 1980; Киев, 1984), Всесоюзной конференции «Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ» (Новосибирск, 1979), Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании «Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля, точных измерений длин и углов» (Ленинград, 1984), Международных конференциях «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (Новосибирск, 1998; Самара, 2000; Санкт-Петербург, 2004), International Conference on Optical Engineering for Sensing and Nanoteclinology (Yokohama, Japan, 1999, 2001), World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics (Orlando, Florida, USA. 2001). Seventh International Symposium on Laser Metrology Applied to Science. Industry, and Everyday Life (Novosibirsk, 2002), IASTED International Conference «Automation. Control and Information Technology» (Novosibirsk, 2002, 2005), Международной конференции «Ак-

туальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2004), 4th International Symposium on Instrument Science and Technology (Harbin, China, 2006), четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний-2007» (Москва, 2007).

Личный вклад. Диссертация является обобщением работ, выполненных автором в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. Работы, связанные с развитием методов фурье-оптики (1977-1983 гг.), проводились под руководством профессора Ю.В. Чугуя в лаборатории оптической обработки информации. При этом автор внес существенный вклад в постановку и обоснование решаемых задач, принимал ведущее участие в теоретических и экспериментальных исследованиях, проведении численных расчетов, анализе полученных результатов. В работах по триангуляционным методам измерений и диагностике роста кристаллов личный вклад автора является определяющим. Создание экспериментальных образцов СТЗ, программного обеспечения, методик испытаний и эксплуатационной документации осуществлялось при ведущем участии автора. Значительная часть публикаций по теме диссертации написана без соавторов.

Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 54 печатные работы, в том числе получено 6 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объел! работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен па 346 страницах, включая 145 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список содержит 261 наименование.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна, отмечена практическая значимость работы, обоснованы достоверность результатов и личный вклад автора, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, указаны структура, объем, содержание работы и количество публикаций по теме диссертации.

Глава 1 посвящена разработке дифференциальных методов измерения размеров изделий, реализуемых средствами фурье-оптики.

В дифференциальных методах измеряемыми параметрами являются не размеры изделия, а лишь величины отклонений их от известных (эталонных) значений, что позволяет существенно повысить точность и расширить диапазон измерений соответствующей системы контроля. Рассматриваются предложенные автором спектральный метод контроля, являющийся развитием и обобщением известного метода измерения размеров по дифракционным картинам Фраунгофера; корреляционный метод допускового контроля и измерения размеров изделий, реализуемый в оптическом дифракционном корреляторе, основанный на формировании эталонного светового распределения в виде изображения поля допусков изделия и вычислении корреляционной функции контролируемого и эталонного объектов; методы многоканального контроля размеров движущихся изделий с временным мультиплексированием каналов; оптические методы пре-

образования изображений контролируемых изделий, основанные на нрострапственио-частотной фильтрации и мультиплицировании изображений и обеспечивающие возможность выполнения дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы в оптических системах проекционного типа.

В дальнейшем изложении под размерами и формой контролируемого изделия подразумеваются соответствующие параметры его теневой проекции (светового сечения), формируемой при освещении изделия параллельным световым пучком. Амплитудное световое пропускание объекта описывается при этом бинарной функцией]{х,у), принимающей значение 1 в освещенной и 0 - в теневой области.

Спектральный метод контроля размеров изделий основан на формировании спектра пространственных частот контролируемого объекта (его дифракционной картины Фраунгофера), модулировании спектра пространственно-частотным фильтром с передаточной функцией по интенсивности Нй(и,у) и интегрировании прошедшего светового потока фотопрпемником (и, V - пространственные частоты, связанные с координатами ¡; частотной плоскости соотношениями: и = 2кС/М7, V = , где X - длина волны

света, Р - фокусное расстояние фурье-объектива). Эффективность спектральных систем контроля в значительной степени обусловлена инвариантностью спектра мощности к смещениям объекта на измерительной позиции и обратно-пропорциональной зависимостью геометрических параметров дифракционной картины от размеров объекта. Эти особенности позволяют проводить контроль размеров в динамике и обеспечивают высокую точность измерения малых размеров. Расширение диапазона контролируемых размеров достигается при реализации дифференциальных измерений за счет использования специальных пространственно-частотных фильтров.

Уровень сигнала фотоприемника в спектральной методе контроля определяется размерами объекта и параметрами пространственно-частотного фильтра. В одномерном случае выходная характеристика системы контроля (зависимость выходного сигнала фотоприемннка от величины контролируемого размера В) описывается выражением:

g(B) = £ ^(и)|2//0(и)с/и. В работе решена задача синтеза передаточных функций используемых фильтров. Получено аналитическое решение, связывающее передаточную функцию фильтра (по интенсивности) с выходной характеристикой системы контроля:

Я„(м) = -(и1 / 4л)g(В)е">яйШ, где g(B) для В < 0 доопределяется четным образом.

Биполярная, в общем случае, передаточная функция фильтра реализуется в двухканаль-ной оптической системе при вычитании электрических сигналов, соответствующих ее положительной и отрицательной составляющим. При допусковом контроле, например, требуемый вид выходной характеристики g{B) = гес1[(А - В) I 2с], где А - эталонный размер, обеспечивается при использовании фильтра с передаточной функцией Н0(и) = = -(и/ тфтенсозЛ«. В работе показано, что спектральный метод позволяет получать практически любой вид выходной характеристики (линейной в заданном диапазоне, ступенчатой, периодической и т.д.), адекватной различным задачам допускового контроля и измерения размеров, то есть обеспечивает заданную чувствительность в тре-

буемых диапазонах изменения контролируемых размеров. Фильтры могут изготавливаться в виде полутоновых или силуэтных транспарантов, а изменение их параметров (например, величины эталонного размера) может быть выполнено с помощью более простых и доступных фильтров - дифракционных решеток с определенным периодом. Получены оценки световых потерь, чувствительности и погрешности измерений, соответствующие различным выходным характеристикам системы контроля. Показано, что достаточным условием применимости спектрального метода для контроля объектов сложной формы является наличие узких пиков в автокорреляционной функции их контурных изображений. В частности, спектральный метод применим для допускового контроля размеров объектов или их фрагментов, если соответствующее им теневое изображение состоит из последовательности темных и светлых полос с различными размерами и параллельными краями. Существенно, что метод применим и в двумерном случае для контроля размеров объекта в ортогональных направлениях. Для устранения влияния апертуры объектива при контроле «непрозрачных» объектов предложено использовать оптическую систему двойной фильтрации (рис. 1.), в которой преобразования осуществляются как в частотной, так и в пространственной областях. Фильтр Н0(и) = игН(и) при этом задается в виде двух пространственно разнесенных компонентов, а контурное изображение апертуры, формируемое в плоскости Р}, блокируется диафрагмой. Интегрирование светового потока осуществляется в частотной плоскости />4.

Спектральный метод является обобщением и развитием известных дифракционных методов измерений, он обладает более широкими функциональными возможностями, обеспечивает меньшие световые потери и более высокие метрологические характеристики систем контроля. Чувствительность спектральных систем допускового контроля не зависит от величины допуска п определяется дифракционными ограничениями оптической системы. Порог чувствительности при этом может составлять доли микрометра.

Предложен корреляционный метод допускового контроля и измерения размеров изделий сложной формы. Метод реализуется в голографическом корреляторе Ван дер Люгта и основан на аналоговом вычислении и обработке корреляционной функции g(x,y) = /(х,у)® Ь{х,у), где импульсный отклик голографического фильтра Ь(х,у) имеет вид биполярного (по амплитуде) изображения поля допусков контролируемого изделия. Поле допусков (рис. 2) состоит из двух контуров 2, 3 с противофазными световыми распределениями, воспроизводящих предельно допустимые размеры изделия 1. Предложен метод формирования изображений полей допусков средствами пространственно-частотной фильтрации с использованием эталонных объектов и пространственно-частотных расщепляющих фильтров. Определены передаточные функции расщепляющих фильтров, формирующих двойной контур нзобра- Рис. 2.

женпя поля допусков с требуемым амплитудным распределением в сечении контура и бинарной фазовой составляющей (0, л). Показано, что фильтры с передаточными функциями Я1(а)) = ш51псш и Н,(ш) = бш2ш/2 обеспечивают формирование изотропных и симметричных полей допусков, расстояние между внутренним и внешним контурами которых определяется параметром £ фильтра и не зависит от формы и размеров эталонного изделия (ш - круговая пространственная частота, связанная с расстоянием р от центра фильтра соотношением со = (и2+у2)"2 =2лр/?^). Поле допусков, соответствующее фильтру Я, (со), состоит из двух узких контуров, отстоящих от границы эталонного изделия на расстоянии ± с. Ширина контура определяется дифракционными ограничениями оптической системы и составляет обычно единицы микрометров. Поле допусков, формируемое фильтром //, (со), состоит из двух полос шириной с с противофазными световыми распределениями, примыкающих с разных сторон к границе изображения эталонного объекта.

Синтез голографического фильтра, используемого в корреляционном методе контроля, осуществляется путем голографической регистрации пространственного спектра сформированного поля допусков. Корреляционный метод позволяет получать как интегральные оценки степени соответствия геометрических параметров изделия эталонным значениям, так и проводить параллельный многоканальный контроль размеров различных фрагментов изделия в случае изготовления фильтра в виде наложенных голограмм и многоканальной организации измерительной системы. Выходная характеристика корреляционной системы контроля зависит от формы контролируемого объекта, вида расщепляющего фильтра и способа обработки корреляционного светового распределения. Для типичного фрагмента контролируемого объекта в виде щелевой диафрагмы или экрана шириной В корреляционные функции имеют вид четырех световых полос, расстояние между которыми определяется разностью 6=|Л-Д| эталонного А и контролируемого В размеров, а характер распределения амплитуды светового поля в их сечении - параметром с и типом расщепляющего фильтра (рис. 3). Регистрация светового распределения может осуществляться фотоприемниками с малой и большой апертурой. Первому случаю соответствует более высокая чувствительность системы контроля. Максимальное значение чувствительности определяется дифракционными ограничениями оптической системы, погрешность допусково-го контроля при этом не зависит от величины допуска и может составлять доли микрометра. Измерение размеров в этом случае осуществляется путем определения расстояний между корреляционными полосами. Во втором случае обеспечивается меньший уровень световых потерь (примерно на два порядка) и повышается инвариантность системы контроля к смещениям изделия на измерительной позиции. Расщепляющс-

,ттг

А+В ,1

2е

кг.

\ А+В ,1

¿Л

2 А

Рис.

му фильтру Я,((о) = (обшем при этом соответствует линейная выходная характеристика системы. Для униполярного фильтра Я,(га) = 5т28со / 2 выходная характеристика системы нелинейна, но фильтр более прост в изготовлении, что имеет немаловажное значение при практической реализации корреляционного метода контроля. Чувствительность и световые потерн корреляционной системы в рассматриваемом случае определяются параметром с расщепляющего фильтра и возрастают с его уменьшением.

Корреляционный метод применим для контроля изделий и с неизотропными полями допусков. Показано, что для синтеза голографического фильтра в том случае достаточно использовать один расщепляющий фильтр с фиксированным значением с и специальный бинарный транспарант с изображением контура эталонного изделия. Нужная величина допуска при этом задается шириной контура и не зависит от параметра с расщепляющего фильтра.

Корреляционный метод предназначен для допускового контроля и измерения размеров изделий сложной формы, он не требует их жесткого позиционирования и может быть положен в основу высокопроизводительных СТЗ.

Из сравнения корреляционного метода контроля со спектральным следует, что первый из них обладает большей гибкостью, позволяет проводить многоканальные измерения и контролировать размеры изделий сложной формы. В то же время корреляционным системам присущи более значительные световые потери, что связано с невысокой дифракционной эффективностью голографических фильтров. Достоинством спектрального метода является возможность получения требуемой выходной характеристики системы контроля и, как правило, большая чувствительность.

Для спектральных и корреляционных систем контроля автором разработаны методы многоканального контроля размеров движущихся изделий с временным мультиплексированием каналов, обеспечивающие возможность регистрации световых распределений одноканальным фотоприемным устройством, что существенно упрощает техническую реализацию таких систем. Необходимым условием для временного мультиплексирования измерительных каналов, соответствующих различным сечениям изделия, является непрерывное движение контролируемого объекта в направлении измерения н возможность формирования его контурного изображения. Последнее условие для спектрального и корреляционного методов контроля обеспечивается благодаря наличию оконту-ривающей составляющей в передаточных функциях применяемых пространственно-частотных фильтров. Движение объекта при этом используется для последовательного автоматического выбора его контролируемых сечений, расположенных в направлении, ортогональном движению. Коммутация обрабатываемых световых распределений, соответствующих различным измерительным каналам, осуществляется специальными многощелевыми транспарантами с бинарной функцией пропускания, обеспечивающими формирование временных задержек между каналами и блокирование межканальных световых помех. При реализации спектрального метода контроля такие транспаранты устанавливаются в оптической системе двойной фильтрации (рис. 1) в плоскости Р}, где формируется контурное изображение контролируемого объекта. В корреляционной

а II III

Рис. 4.

системе контроля они применяются для синтеза модифицированного импульсного отклика голографического фильтра или формирования в пространственно-временном корреляторе функции корреляции контурного изображения движущегося изделия и эталонного объекта в виде многощелевого транспаранта.

Для измерительных систем проекционного типа автором разработан оптический метод преобразования изображений контролируемых изделий (рис.4, а), позволяющий выполнять дифференциальные измерения размеров объектов сложной формы. Метод основан на высокочастотной фильтрации (рнс.4, б) и мультиплицировании (рис.4, в), осуществляемых средствами фурье-оптики. Операция мультиплицирования обеспечивает совмещение необходимых фрагментов /, II, III изображения с приемным полем видеосистемы контроля (показано пунктиром на рис. 4, в), а высокочастотная фильтрация используется для устранения перекрестных помех, возникающих при наложении мультиплицированных изображений. В приемном поле видеосистемы в результате формируется дифференциальное контурное изображение, расстояния между контурами которого, соответствующими различным фрагментам контролируемого объекта, уменьшены на определенные величины, задаваемые параметрами мультиплицирования. Погрешность измерений при таком преобразовании не зависит от размеров контролируемого объекта, а определяется только размерами дифференциального изображения и разрешением системы фоторегистрации. Предложены методы синтеза передаточных функций пространственно-частотных фильтров, используемых для формирования дифференциальных изображений.

Предложен и теоретически обоснован метод оперативного изменения параметров мультиплицирования изображений, основанный па вариациях ориентации и положения мультиплицирующих компонентов фильтров Н2(хА) на оси системы фильтрации (рис. 5). Показано, что параметр мультиплицирования линейно связан с величиной смещения фильтра Д вдоль оси оптической системы. Разработанный метод применим для формирования дифференциальных изображе- ]\х{) Я|(*з) Н2{х4) g(xi) £(х6) ннй и изменения их параметров, а также для преобразования диапазона измерений в спектральном методе контроля. В последнем случае следует учитывать выявленный автором эффект снижения инвариантности системы контроля к возможным поперечным

смещениям контролируемого изделия и Рис. 5

мультиплицирующего компонента фильтра, обусловленный изменением положения фильтра на оси оптической системы.

В главе 2 рассматриваются оптические триангуляционные методы активного и пассивного дистанционного зондирования, используемые для измерения расстояний до зондируемых поверхностей. Основное внимание уделяется разработке принципов построения систем активной лазерной триангуляции и исследованию особенностей применения таких систем для зондирования зеркальной, в том числе нестационарной поверхности. Анализируются предложенные автором методы многолучевого зондирования свободной поверхности вращающейся жидкости. Наряду с методами активной лазерной триангуляции рассматривается метод пассивной оптической триангуляции, применяемый в многоракурсных СТЗ для измерения расстояний до поверхности и оценки ее рельефа.

В лазерной триангуляции в основном используются два типа триангуляционных сенсоров: с ортогональной Р\ (сенсор ОП) или наклонной Рр (сенсор НП) к оптической осп плоскостью фоторегистрации (рис. 6). Наклон выходной плоскости под определенным углом Р, соответствующим условию Шеймпфлюга, позволяет исключить дефокусировку оптической системы и увеличить диапазон измерений. Наиболее заметно эти преимущества проявляются при зондировании диффузной поверхности. Для зеркальной поверхности дефокусировка не приводит к кардинальному изменению размеров анализируемого светового распределения, поэтому погрешность измерений триангуляционного сенсора, как показано в диссертации, главным образом определяется расходимостью зондирующего светового пучка и наклоном зондируемой поверхности.

В работе проведен анализ двух основных схем лазерных триангуляционных измерителей (ОП и НП), применяемых для зондирования зеркальной поверхности. Даны оценки их метрологических характеристик. Определены условия применимости принципа Шеймпфлюга. Показано, что при определенных соотношениях между параметрами оптической схемы и расходимостью светового пучка, схема с ортогонапьной плоскостью фоторегистрации, несмотря на наличие дефокусировки, обеспечивает меньший уровень погрешности измерений, чем схема с наклонной плоскостью. Это преимущество может иметь место лишь при малых углах наклона зондируемой поверхности.

В триангуляционных НП системах наклон зондируемой поверхности не приводит к общему смещению анализируемого светового распределения, поэтому допустимый диапазон углов наклона поверхности в таких системах может быть существенно больше. чем в схемах с ОП. В то же время, как показано в работе, большим может быть и уровень искажений регистрируемого светового распределения, вызванных наклоном

Рис. 6.

поверхности. Автором исследована триангуляционная схема с анизотропным зондирующим световым пучком, использование которого дает существенные преимущества при проведении измерений в промышленных условиях и зондировании нестационарной поверхности, поскольку снижает требования к точности юстировки системы контроля и уровню вибраций оборудования. В работе показано, что наклон зондируемой поверхности вызывает поворот и асимметрию регистрируемого светового распределения, степень которой зависит от угла наклона поверхности, геометрии схемы измерения и параметров лазерного пучка (его расходимости и расположения плоскости перетяжки относительно зондируемой поверхности). Искажения светового распределения приводят к вариациям измеряемого положения зондирующего светового пучка и к появлению погрешностей измерений сенсора, которые могут быть существенными при прецизионных измерениях.

Вариации наклона поверхности в точке зондирования неизменно возникают при зондировании нестационарной поверхности, в частности - поверхности жидкости. В диссертационной работе исследованию особенностей триангуляционного зондирования нестационарной поверхности уделено значительное внимание. Автором разработаны принципы построения лазерных триангуляционных систем зондирования нестационарной зеркальной поверхности, определены условия, обеспечивающие получение заданных метрологических характеристик системы измерения, линейность реконструкции формы поверхности и корректное вычисление статистических параметров ее профиля.

Нестационарность поверхности приводит к вариациям утла отклонения отраженного зондирующего пучка, вызывает его виньетирование апертурой объектива и может служить причиной дополнительных погрешностей измерений. Геометрические параметры профиля поверхности в этом случае могут быть определены лишь после статистической обработки результатов измерений. Уровень погрешностей при этом существенно зависит от алгоритма, используемого при обработке регистрируемого светового распределения. Эффективным способом снижения погрешностей измерений, предложенным автором, является предварительная фильтрация анализируемых сигналов с целью отбора сигналов, удовлетворяющих определенным критериям качества, т. е. сигналов с малым уровнем искажений. В качестве таких критериев могут использоваться допуски на вариации амплитуды, ширины или формы анализируемого светового распределения. Дополнительной мерой снижения погрешностей измерений при зондировании нестационарной поверхности и проведении измерений в промышленных условиях является использование анизотропного зондирующего пучка.

Установлено, что апертура объектива при зондировании нестационарной зеркальной поверхности играет роль режекторного углового фильтра, ограничивающего возможные предельные углы отклонения qr отраженного зондирующего пучка, а значит и углы наклона поверхности:

T/I, D l + 4/)sinct/ D

tg фт(/г) = +--1---,

2 dt 1 - /icos2a/í/l cosa

где h - уровень поверхности в точке зондирования.

Действие режекторного фильтра приводит к тому, что профиль поверхности в

результате может быть определен лишь в локальных областях или зонах видимости сенсора, соответствующих полосе пропускания фильтра. Для ОП и НП сенсоров зоны видимости совпадают, поскольку ограничения на допустимые углы наклона поверхности в этих схемах одинаковы и определяются лишь координатой 2 точки зондирования и апертурой объектива. Погрешности измерений при этом существенно различаются, т.к. в схеме с НП отсутствует составляющая погрешности, связанная с общим смещением анализируемого светового пятна из-за наклона поверхности. Расположение зон видимости на поверхности зависит от ее уровня Л, причем нелинейно, поэтому смещения поверхности по координате Z могут приводить к искажениям зон видимости, заметным изменениям в их расположении и смещении их относительно фиксированного профиля поверхности. Это необходимо учитывать при статистических оценках геометрических параметров поверхности, вычисляемых лишь по фрагментам ее профиля в этих зонах.

Заметим, что при зондировании нестационарной поверхности эффективный диапазон измерений, определяемый предельно допустимыми углами отклонения зондирующего пучка, может существенно превышать соответствующий показатель для стационарной плоской поверхности, задаваемый соотношением | к |< /ги=£> / 4зта . В

этом случае, однако, из зоны видимости сенсора исключаются фрагменты поверхности с небольшими наклонами, например области вблизи гребней или впадин поверхностных волн.

Автором проведен анализ погрешностей измерений ОП и НП сенсоров при зондировании нестационарной поверхности, профиль которой описывается гармонической функцией Л = /„(х) = /га зш(Ьг) + /г,,, где к = 2п/Ла, Ха - длина поверхностной волны. Показано, что при ¡¡о/с!, « I и « 1 условие |/?аДа| <(О-Д^/Влс/, , где Д, = 4[/г,,|51псх, определяет линейный диапазон измерений, характеризующийся отсутствием виньетирования отраженных от поверхности зондирующих пучков апертурой объектива. В этом диапазоне схема с наклонной плоскостью фоторегистрации обеспечивает возможность точной реконструкции профиля поверхности и корректного вычисления любых статистических характеристик поверхностных волн. Схема с ортогональной к оптической оси плоскостью фоторегистрацип в этих условиях может быть использована лишь для получения оценок среднего уровня поверхности, причем для получения несмещенных оценок может потребоваться существенно большее количество измерений по сравненшо со схемой, удовлетворяющей принципу Шеймпфлюга, из-за нелинейных искажений и возрастания дисперсии измерений. Вне линейного диапазона значения профильных функций поверхности могут быть получены лишь в зонах видимости и возможности определения по полученным данным каких-либо статистических параметров поверхности существенным образом зависят от расположения зон видимости в области определения этих функций и от выбранной схемы сенсора. На рис. 7 представлены графики профиля зондируемой поверхности 1, а также примеры профилей 2 и 3, определяемых по результатам измерений ОП и НП сен-

соров для различных значении /;0 при а = 20°, О = 50 мм, й\ = 425 мм, 100 мм, Ла = 0.45 мм.

В ряде практических задач зондируемая поверхность

характеризуется наличием не только стохастической

составляющей ее профиля, но и вариациями регулярной

составляющей кривизны

поверхности. Примером может служить свободная поверхность жидкости, вращающейся с переменной угловой скоростью триангуляционного лазерного зондирования свободной поверхности вращающейся жидкости Р для произвольной пространственной ориентации зондирующего пучка Ь (рис. 8). Рассмотренная схема позволяет описывать различные варианты триангуляционных измерений, отличающиеся количеством точек зондирования М\(Х\,У\.2\), наклонами световых пучков в этих точках, а также различным расположением точек зондирования относительно оптической системы сенсора. При со = 0 диапазон измерений определяется выражением: |а^|< й(\-4(д/£))2)"2/4зта, где Д - смещение объектива

относительно плоскости У= У0. При со * 0 диапазон измерений существенно зависит от скорости вращения расплава. В этом случае отраженный зондирующий луч ¿| отклоняется от своего первоначального направления в соответствии с изменением направления нормали п к поверхности и при определенном значении со может выйти за пределы апертуры объектива, при этом измерения становятся невозможными. Автором показано, что зависимость диапазона измерений от скорости вращения жидкости в общем случае носит нелинейный характер и определяется траекторией, описываемой в плоскости апертуры отраженным от поверхности зондирующим пучком. Разработаны алгоритмы х точных расчетов траектории отраженного луча и диапазона измерений триангуляционного сенсора. Предложены многолучевые схемы зондирования, позволяющие проводить измерения при существенно расширенном диапазоне угловых скоростей вращения жидкости. Направляющие вектора зондирующих пучков выбираются при этом таким образом, что каждому из них соответствует свой поддиапазон изменения угловой скорости вращения жидкости, при котором отраженный пучок не выходит за пределы апертуры оптической системы сенсора. Показано, что при использовании системы стабилизации уровня жидкости, обеспечивающей выполнение условия 1=

со. Автором исследована общая схема

const, общий диапазон изменения угловой скорости вращения жидкости, при котором возможно применение триангуляционного сенсора для контроля ее уровня в точке зондирования Л/)(0,Го,0), оценивается выражением wt < -JkgD 12Z0Y„ , где к - количество

зондирующих пучков, g - ускорение свободного падения, Z0 - расстояние от поверхности жидкости до центра объектива при со = 0.

Разработанные алгоритмы точных расчетов координат точек зондирования и траектории отраженного от поверхности жидкости зондирующего пучка позволяют оптимизировать метрологические характеристики триангуляционного сенсора и применимы как для однолучевых, так и многолучевых схем зондирования, включая зонднрованне расходящимися световыми пучками.

При многолучевом зондировании нестационарной поверхности возможно появление погрешностей измерений, обусловленных взаимным влиянием зондирующих пучков, одновременно попадающих в апертуру оптической системы. Такая ситуация возникает при определенных скоростях вращения жидкости, соответствующих стыковке отдельных поддиапазонов скоростей вращения, соответствующих каждому из зондирующих пучков, или при наличии волн на поверхности жидкости, отклоняющих световые пучки в различных направлениях вне зависимости от текущей угловой скорости вращения жидкости. Для устранения отмеченных перекрестных помех автором предложен оригинальный метод адаптивной многолучевой триангуляции, обеспечивающий оптимальное управление зондирующими световыми пучками и минимизацию погрешности измерений триангуляционного сенсора. Метод реализуется путем коммутации зондирующих пучков, осуществляемой с учетом статистических характеристик получаемых при зондировании оптических сигналов. Предложенный метод может использоваться для зондирования как свободной поверхности вращающейся жидкости, так и любой динамической поверхности с медленными вариациями регулярной составляющей кривизны в точке зондирования. При этом интервал стационарности регулярной составляющей кривизны поверхности должен превышать время статистической обработки данных, необходимое для выбора измерительного зондирующего пучка.

Наряду с активной лазерной триангуляцией для дистанционного измерения расстояний применяются также методы пассивной оптической триангуляции, при этом расстояние до объекта определяется по результатам цифровой обработки его разнора-курсных изображений. В результате обработки на изображениях находятся сопряженные точки (СТ). являющиеся проекциями на разные изображения одной и той же точки трехмерной сцены. По координатам СТ, с учетом геометрии системы формирования изображений, вычисляются трехмерные координаты соответствующих точек анализируемой сцены. Проблема поиска СТ на многоракурсных изображениях является одной из основных проблем пассивной оптической триангуляции.

В диссертации предложен подход к решению этой проблемы, основанный на модификации известного метода (Z. Zhang), и заключающийся в поиске и субпиксельной локализации особых точек (ОТ) изображений с последующим применением модифицированной релаксационной процедуры поиска СТ.

Особые точки изображения характеризуются значительными, по сравнению с соседними точками, двумерными вариациями интенсивности в своих окрестностях. Такие точки наиболее устойчивы к возможным искажениям изображений в процессе фоторегистрации, поэтому часто используются при разработке робастных алгоритмов распознавания и анализа изображений. Автором разработаны методы поиска ОТ, основанные на применении градиентных операторов, гауссовых производных и квадратичной аппроксимации локальных экстремумов, которые обеспечивают субпиксельную локализацию ОТ, а также возможность поиска и анализа групповых ОТ. Предложена модифицированная релаксационная процедура поиска СТ изображений, обеспечивающая повышенную эффективность поиска благодаря учету углового распределения ОТ в анализируемых окрестностях.

Принципы триангуляционных измерений с использованием СТ многоракурсных изображений применяются в главе 3 при разработке оптических методов диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава.

Глава 3 посвящена оптико-цифровым методам диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава. Анализируются особенности применения для этих целей методов активной и пассивной оптической триангуляции. Рассматриваются оригинальные оптико-цифровые методы контроля уровня расплава и диаметра кристатла, выращиваемого методом Чохральского. Анализируются предложенные автором алгоритмы обработки данных при измерении диаметра кристалла и методы МНК-оцеипвания контролируемых параметров. Исследуются информационные характеристики изображения мениска выращиваемого кристалла, формируемого оптической проекционной системой, используемые при контроле геометрии кристалла. Приводятся результаты приоритетных исследовании, выполненных автором при изучении явления параллакса изображения зоны кристаллообразования, вызываемого вариациями параметров формирующей изображение трехмерной сцены, и результаты исследования влияния параллакса на метрологические характеристики систем контроля геометрии кристалла.

В методе Чохральского кристалл формируется из высокотемпературного расплава путем вытягивания. Ростовая установка (рис. 9) состоит из вакуумной камеры 1, в которой расположены нагреватель 2 и тигель 3 с расплавом 4. Кристалл 5 и тигель могут вращаться с различными угловыми скоростями и независимо перемещаться по вертикальной координате. Оперативный контроль уровня расплава и диаметра кристалла, осуществляемый оптическими датчиками 6 и 7. установленными над иллюминаторами 8. является важнейшей составляющей технологического процесса выращивания кристаллов. Точность измерения этих параметров имеет определяющее значение для обеспечения оптимальных условий роста кристалла и работы автоматизированной системы управления ростовой

Рис. 9.

установкой.

При выращивании кристаллов большого диаметра для измерения уровня расплава применяются, в основном, системы активной лазерной триангуляции, а для контроля геометрии выращиваемого кристалла - пассивные системы, основанные на формировании и цифровой обработке изображения зоны кристаллообразования.

При контроле уровня расплава в полной мере присутствуют все проблемы, рассмотренные в главе 2 и связанные с триангуляционным зондированием нестационарной зеркальной поверхности, а также свободной поверхности вращающейся жидкости с переменной регулярной составляющей кривизны. Нестационарность поверхности расплава обусловлена явлениями тепломассопереноса в расплаве, вибрациями оборудования, нестабильностью скорости вращения тигля, газодинамическими эффектами, связанными с подачей в ростовую камеру инертного газа и т. д. Указанные обстоятельства требуют применения схем измерений, удовлетворяющих принципу Шеймпфлюга, а также специальных алгоритмов фильтрации и статистической обработки данных зондирования, учитывающих значительные изменения амплитуды и формы сигналов, вызываемые возможными отклонениями лазерного луча за пределы апертуры оптической системы. Такие алгоритмы необходимо применять как при измерении уровня расплава, так и при адаптивной коммутации зондирующих световых пучков в случае использования многолучевой схемы зондирования.

При фиксированной угловой скорости вращения расплава стабилизация положения зоны кристаллообразования относительно нагревателя на стадии выращивания цилиндрической части кристалла постоянного радиуса R^ обеспечивается путем стабилизации уровня расплава в точке зондирования (Zt = const). При этом соотношение скоростей вытягивания кристалла и перемещения тигля V, определяется отношением квадратов их радиусов: \\j\\ = Л,2//?к2 ■

На стадии выращивания конусной части кристалла для стабилизации положения зоны кристаллообразования Z=Zk требуется обеспечить более сложные законы движения тигля и кристалла по Z-координате. Это связано с изменением диаметра кристалла на этой стадии и наличием кривизны поверхности расплава, обусловленной его вращением. Автором установлено, что необходимое смещение тигля в этом случае зависит от радиуса кристалла и определяется соотношением Z, = Rl / 3/?,7g(0 / 2) - со2 Л2 х

x(\-Rl/2R;)/2g , а требуемый закон движения тигля обеспечивается, если Z- координата поверхности расплава в точке зондирования изменяется в соответствии с выражением:

Z,=g

-+ шV«((/?; + 2/?:)/2 -};- - 2g/;, /О)2)/g2

/ <o:lg2a,

где 0 - угол при вершине конуса, }'0 - У-координата точки зондирования, а Л, задает положение поверхности расплава при ш = 0. Установленные зависимости существенно нелинейны и при определенных параметрах изменяют знак, что на практике может привести к необходимости изменения направления перемещения тигля при выращивании конусной части кристалла.

Для измерения диаметра кристалла оптическим методом необходимо, чтобы был известен уровень расплава в зоне кристаллообразования, который задаст расстояние до измерительной системы и, соответственно, масштаб анализируемого изображения кристалла. В свою очередь, для определения уровня расплава непосредственно в зоне кристаллообразования необходимо знать расстояние этой зоны от центра кристалла, то есть его радиус. Таким образом, неизвестные параметры - уровень расплава и диаметр кристалла, могут быть определены лишь в результате совместных измерений.

Автором разработаны два оригинальных метода определения указанных параметров, позволяющие исключить систематическую составляющую погрешности измерений, обусловленную вращением расплава: расчетный метод и метод прямых измерений в зоне кристаллообразования.

В расчетном методе уровень расплава Л = !ц измеряется триангуляционным лазерным сенсором, при этом точка зондирования г = должна располагаться на значительном расстоянии от центра тигля, поскольку диаметр кристалла в процессе выращпвання может изменяться от единиц до сотен миллиметров. Учитывая, что пространственное положение поверхности расплава задается уравнением 2 = ш'(г2 -rf)/2g + lll, а измеряемый диаметр зависит от уровня расплава: Дк(/?) = А'(1 -Л/ Я), для определения уровня расплава в зоне кристаллообразования и диметра кристалла можно получить выражения:

где А'= 0,/(1-Л, / Я) - константа, определяемая при калибровке системы контроля, а Я - расстояние от оптической системы до горизонтальной плоскости, соответствующей началу отсчета уровня расплава. При неизвестной угловой скорости вращения расплава она может быть определена по результатам измерения уровней расплава к\ и /ь по крайней мере в двух точках, расположенных на различных расстояниях г\ и г2 от центра вращения: = 2g(lu -/г,)/(л2 -г,') • В этом случае расчетный метод становится инвариантным к вариациям угловой скорости вращения расплава. Корректируемая составляющая систематической погрешности измерений при использовании предложенного метода зависит от различных параметров и может составлять единицы миллиметров.

Метод прямых измерений в зоне кристаллообразования основан на пассивной оптической триангуляции и рассмотренных в главе 2 методах измерения расстояний, использующих СТ многоракурсных изображений. Предлагаемый метод реализуется с использованием бинокулярного сенсора, оптическая система которого состоит из двух оптических проекционных подсистем, аналогичных показанной на рис. 9, формирующих изображения мениска 9 кристалла и расположенных под различными углами а и (5 к оси ростовой установки, причем оптические оси подсистем и ось ростовой установки располагаются в одной плоскости. Уровень расплава определяется по координатам СТ, процедура поиска которых существенно упрощается по сравнению с изложенной в главе 2, поскольку известная геометрия используемой бинокулярной системы позволяет

осуществлять поиск CT лишь вдоль эпиполярных линии. Диаметр кристалла определяется в результате цифровой обработки сформированных изображений, обеспечивающей выделение точек контура (границы) кристалла и аппроксимацию их окружностью. Полученное значение уровня расплава используется при этом для компенсации перспективных искажений изображений и вычисления трехмерных координат точек границы.

Метод пассивного оптического зондирования имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной триангуляцией, поскольку позволяет измерять одновременно уровень расплава и диаметр кристалла, причем уровень расплава определяется непосредственно в зоне мениска. Этот метод обеспечивает больший диапазон измерений и свободен от ограничений на допустимую скорость вращения расплава, однако возможности его практического применения ограничиваются конструктивными особенностями ростовых установок.

Погрешность измерения диаметра кристалла в значительной степени определяется алгоритмом, используемым при цифровой обработке изображения зоны кристаллообразования. Изображение этой зоны, расположенной вокруг кристалла, характеризуется повышенной яркостью вследствие отражения мениском излучения нагревателя. Характеристики изображения зависят от стадии роста кристалла. При определении диаметра кристалла используются косвенные измерения геометрии зоны мениска, истинный диаметр вычисляется затем путем введения поправок, зависящих от параметров технологического процесса, размеров выращиваемого кристалла и параметров установки.

В общем случае алгоритм обработки изображения и измерения диаметра включает выделение точек внешней границы изображения мениска кристалла (контура кристалла), компенсацию перспективных искажений изображения и аппроксимацию точек границы окружностью. В работе исследованы особенности применения итерационного (МНК) и неитерациопного (МНК2) методов МНК-оценивания и аппроксимации окружности для измерения диаметра кристалла, соответствующие геометрическому: min < [(Ц -хи)2 +(_Vj -у,,)2)"1 - Я]2 > и алгебраическому: min <l(xi - x:of +

+(>', - Ут;.\)" ~ Л,2]2 > критериям оптимизации, где угловые скобки означают усреднение

по выборке из N точек границы (.tj, v,),/ = 1,..., N, R и R2- радиусы аппроксимирующих окружностей, (.т0. >'о) и foo, Ло) - координаты их центров. Определены зависимости оцениваемых параметров окружности от различных факторов: количества используемых для аппроксимации точек изображения и длины обрабатываемой кадровой последовательности, уровня шума, угла аппроксимирующей дуги и т.д. Показано, что метод МНК2, обеспечивающий, в отличие от МНК, аналитическое решение для оценок радиуса и координат центра аппроксимирующей окружности и не требующий значительных вычислительных затрат, может быть эффективен при измерениях параметров кристалла на стадиях затравливания, выращивании шейки кристалла и начальной стадии выращивания конуса, когда центральный угол аппроксимирующей дуги Q0 превышает 150 - 180 градусов. При меньших значениях 00 он дает существенно смещенные оценки, поэтому в этом случае предпочтение следует отдать итерационному методу МНК, или его аналогам, основанным на геометрической аппроксимации. Установлено, что исключением из общего правила является четырехточечная схема аппроксимации, при которой метод

М11К2 обеспечивает получение оценок с малыми смещениями и может использоваться для измерений, в том числе и при небольших значениях угла Оо- Получены аналитические выражения для смещений оценок параметров аппроксимирующей окружности при использовании неитерацнонного метода МНК-оценивания, справедливость которых подтверждена результатами численного моделирования для различных практически важных координатных зависимостей дисперсии шума координат аппроксимируемых точек. Типичные зависимости смещения Дй оценки радиуса окружности от количества аппроксимируемых точек N при различных значениях центрального угла дуги Оо представлены на рис. 10. Сплошная линия соответствует аналитическим оценкам, символы -результатам моделирования. Предложена комбинированная схема оценивания по выборкам из различного количества точек, дающая несмещенные МНК2-оцеики среднего квадрата радиуса окружности, которая может применяться в различных прикладных задачах для оценки как радиуса, так и площади круга, ограниченного аппроксимирующей окружностью. Применение такой схемы в СТЗ, используемых при автоматическом выращивании кристаллов, позволяет оперативно контролировать площадь сечения кристалла, что необходимо для реализации алгоритмов автоматического регулирования и получения кристаллов с заданной геометрией.

Эффективность применения оптико-цифровых методов для контроля геометрии выращиваемого кристалла зависит не только от алгоритмов цифровой обработки, но и от степени изученности изображения зоны кристаллообразования, понимания его особенностей и закономерностей формирования. Автором выполнены приоритетные исследования в этой области.

Для изучения процесса формирования изображения мениска, исследования его структуры и информационных характеристик разработано специализированное программно-алгоритмическое обеспечение, которое позволяет синтезировать монохроматические изображения зоны кристаллообразования, соответствующие на практике применению в системе формирования изображений узкополосных спектральных фильтров, с заданным разрешением при различных значениях геометрических, технологических и физических параметров, а также анализировать полученные изображения, используя различные алгоритмы для выделения контура кристалла и аппроксимации точек границы окружностью.

Изображение зоны кристаллообразования, формируемое видеосистемой измерения диаметра кристалла, образуется в результате отражения мениском и телом кристалла излучения нагревателя, а также за счет собственного излучения мениска и кристалла Форма мениска описывается известным выражением, являющимся приближенным ре-

ДЛ, мм

- 0 ,;град : : 160-240

—-——ШР;

Ч N80 : \?о: \ :

2 4 6 8 ЮЛ' Рис. 10.

шепнем уравнения Лапласа:

/- = /? + фк-г20 - + 4кНг0{24к + - г2 + ^4к-г20)),

где /? - радиус кристалла, г0 - высота мениска, к = 7&0/(р^йг0 + у Б1П р), а ¡5 - угол роста кристалла. В процессе выращивания кристалла угол роста не остается постоянным: он увеличивается при подрезке кристалла, сопровождающейся уменьшением его диаметра, и уменьшается при разращнвании кристалла, приводящем к увеличению диаметра. Высота мениска задается соотношением:

2о = (2у(1 - созр)/р^+(г31 пР/2Лр^)2)1/3-Т8шр/2Дрг .

Для расчета световых распределений и синтеза анализируемых изображений применяется метод обратной трассировки лучей, при этом интенсивность светового распределения в некоторой точке изображения тг или точке пространства объектов определяется совокупностью лучей, проходящих через эту точку и попадающих в апертуру оптической системы (рис. II). Траектории лучей при многократных отражениях прослеживаются до попадания отраженного луча в стенку тигля, тепловой экран или до выхода его за пределы моделируемой сцены. Собственное излучение степок ростовой камеры, как и отраженное от них излучение, в расчет не принимается. Интенсивность луча, попавшего в стенку тигля, определяется собственным излучением тигля, которое зависит от распределения температуры по его поверхности. Существенными факторами, влияющими па интенсивность луча, являются его длина, количество отражений от кристалла и расплава, коэффициенты отражения, углы падения, координаты точки пересечения с тиглем. Аддитивная фоновая составляющая луча формируется при каждом отражении от поверхности расплава и кристалла, зависит от их температуры, углов падения, коэффициентов отражения, координат точек отражения. Особенностью программного обеспечения является возможность ограничивать предельное количество отражений анализируемых лучей от поверхности расплава и кристалла, а также исключать фоновую составляющую изображения, обусловленную собственным излучением расплава и кристалла. Указанные возможности позволяют провести детальный анализ особенностей формируемого изображения.

Исследован процесс формирования изображения мениска кристалла, установлено, что причиной появления тонкой структуры в изображении мениска являются многократные отражения излучения нагревателя от поверхностей расплава и кристалла. Показано, что изображение внешней части мениска, формируемое в результате однократ-

Рнс. 11.

ного отражения излучения от расплава, наиболее устойчиво к вариациям геометрии выращенной части кристалла, поэтому использование его в алгоритмах цифровой обработки более предпочтительно.

Впервые исследовано явление параллакса изображения мениска кристалла, возникающее при вариациях геометрических параметров трехмерном сцены, формирующей изображение зоны кристаллообразования. Параллакс проявляется в специфических искажениях анализируемого изображения и приводит к погрешностям измерений системы контроля геометрии кристалла, возникающим при любых изменениях формы мениска кристалла, которая существенно зависит от геометрии выращиваемого кристалла и параметров технологического процесса. Причинами параллакса и источниками погрешностей измерений являются также вариации положения осп кристалла и уровня расплава в тигле, изменения геометрии ростовой установки. Примеры синтезированных изображений, соответствующих различным ракурсам съемки, различной высоте выступающей над расплавом стенки тигля и различным значениям угла роста кристалла кремния при /?= 5 мм приведены на рис. 12. На рис. 13 показаны реальное (а) и синтезированное (б) изображения конусной части кристалла при И - 20 мм.

а = 15°. р = 79° а = 40°,р = 79° а=15°,Р = 79° а=15°,р=140° йс=100мм Лс= 100 мм /гс=150мм /?с=100мм

Рис. 12.

В работе показано, что для типичных параметров ростовой установки погрешности измерения диаметра кристалла, обусловленные смещениями его оси в диапазоне ± 20 мм, могут составлять доли миллиметра, а погрешности, вызванные вариациями уровня расплава в том же диапазоне, могут достигать единиц миллиметров при радиусе кристалла 100 мм. Еще более существенными могут быть вариации систематической составляющей погрешности измерения диаметра кристалла при изменении его радиуса.

Установлено, что из-за параллакса форма границы мениска, определяемая точками перегиба радиального распределения интенсивности во внешней части изображения мениска, отличается от окружности даже при коррекции перспективных иска-

жений изображения, что приводит к зависимости вычисляемого радиуса кристалла от величины центрального угла аппроксимирующей границу дуги.

Выявлена неоднозначная зависимость систематической составляющей погрешности измерений диаметра кристалла от угла роста. Показано, что учет этой зависимости позволяет исключить ошибки системы регулирования диаметра кристалла при его подрезке или разращивании.

Для динамической компенсации погрешностей измерений, связанных с параллаксом изображения мениска и зависящих от стадии роста кристалла, его размеров и параметров технологического процесса, необходимо использовать поправки, которые могут быть определены путем численного моделирования с учетом геометрии схемы измерения. Снижение зависимостей погрешностей измерений от вариаций радиуса кристалла обеспечивается также при надлежащем выборе положения плоскости измерения, что в значительной степени определяется метрологическими характеристиками используемой системы контроля уровня расплава.

В главе 4 приведено описание и результаты испытаний СТЗ, предназначенных для контроля размеров изделий и измерения расстояний, разработанных па основе полученных автором результатов: лазерного голографического контрольного устройства (ЛГКУ), лазерного контрольного автомата (ЛКА), оптико-цифровой системы контроля размеров изделий сложной формы (ОЦСК), систем технического зрения для диагностики процесса автоматического выращивания монокристаллов кремния в составе цифровых управляющих комплексов (ЦУК и ЦУКМ).

Разработка ЛГКУ проведена совместно с Новосибирским приборостроительным заводом. ЛГКУ выполнено на основе пятиканального дифракционного коррелятора (рис. 14, а) и реализует рассмотренный в главе 1 корреляционный метод контроля размеров изделий сложной формы. Синтез голографических фильтров с импульсным откликом в виде биполярного поля допусков осуществляется в системе записи (рис. 14, б) с использованием расщепляющих фильтров.

Рис. 14.

ЛКА (рис. 15) создан совместно с СибНИИ оптических систем при ведущем участии Л.В. Финогенова и В.А. Федорова. В основу работы ЛКА положен корреляционный метод многоканального контроля размеров движущихся изделии с временным мультиплексированием каналов, рассмотренный в главе 2. Оптическая система ЛКА представ-

ляет собой пространственно-временной коррелятор, формирующий корреляционную функцию движущегося контурного изображения контролируемого объекта и образцового контурного изображения, представленного на транспаранте с бинарной функцией пропускания. Измерение размеров изделия в трех различных сечениях осуществляется путем сопоставления временных интервалов между корреляционными импульсами, формируемыми при движении контролируемого объекта.

ЛГКУ и ЛКА являются представителями нового класса бесконтактных оптических средств контроля размеров изделий, основанных на принципах фурье-оптики и голографии, и на момент разработки не имели аналогов в практике отечественного приборостроения. Они позволяют проводить многоканальный контроль размеров движущихся изделий с производительностью более 1000 изделий/мин при погрешности измерений не более 0.01 мм. Диапазон контролируемых размеров составляет от долей до десятков миллиметров и ограничивается сверху размером апертуры оптической системы.

ОЦСК представляет собой СТЗ, в которой средства фурье-оптики. телевизионной и цифровой техники используются для выполнения дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы. Важной особенностью ОЦСК является использование в ней разработанных автором оптических методов преобразования изображений контролируемых изделий, основанных на мультиплицировании и пространственно-частотной фильтрации, которые позволяют существенно расширить диапазон и повысить точность измерений. Оптический блок ОЦСК выполнен на базе системы пространственно-частотной фильтрации. Регистрация световых распределений, соответствующих дифференциальным изображениям контролируемых изделий, осуществляется телевизионной камерой, а для выполнения алгоритмов цифровой обработки данных используется микро-ЭВМ. ОЦСК позволяет контролировать широкий класс изделий, имеющих четкую теневую проекцию, в диапазоне до 50 мм с погрешностью 2-МО мкм. При этом за время одного ТВ-кадра в систему вводится информация о размерах изделия в 500 сечениях.

ОЦСК - это гибкая перенастраиваемая система, перспективы развития которой связаны с применением современных высокоразрешающих средств регистрации изображений и высокопроизводительных цифровых процессоров, позволяющих выполнять широкий набор алгоритмов цифровой обработки изображений и измерения требуемых геометрических параметров изделий сложной формы.

Системы технического зрения, предназначенные для диагностики процесса автоматического выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава, представлены датчиками диаметра кристалла и уровня расплава, которые входят в состав цифровых комплексов, управляющих работой ростовых установок. Датчики являются программи-

Рис. 15

руемыми интеллектуальными оптико-электронными приборами, выполненными на базе современных многоэлементных фотоприемных устройств и микропроцессорной техники, в которых реализованы разработанные автором алгоритмы цифровой обработки изображений и статистического анализа результатов измерений. Датчик диаметра является примером пассивной триангуляционной измерительной системы. Его диапазон измерений 0 - 260 мм, погрешность измерений ± 0.2 мм. Датчик уровня (рис. 16) выполнен в двух модификациях, каждая из которых состоит из приемника (рис. 16, а) и излучателя (рис. 16, б). В датчике реализован метод активной многолучевой лазерной триангуляции с адаптивной коммутацией зондирующих световых пучков, обеспечивающий возможность измерения уровня расплава при повышенных угловых скоростях вращения тигля.

а б

Рис. 16

Метрологические характеристики датчика уровня: диапазон измерений ± 20 мм, чувствительность 0.01 мм. погрешность измерений ± 0.1 мм. допустимая угловая скорость вращения расплава - 18 об/мин.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы: 1. Предложен спектральный метод контроля размеров изделий, являющийся развитием и обобщением известного дифракционного метода и обеспечивающий заданный вид выходной характеристики измерительной системы за счет применения пространственно-частотных фильтров с биполярной передаточной функцией по интенсивности. Чувствительность спектральных систем допускового контроля не зависит от величины

допуска и определяется дифракционными ограничениями оптической системы, при этом погрешность измерений может составлять доли микрометра.

2. Разработан корреляционный метод допускового контроля и измерения размеров изделий сложной формы, основанный на обработке функции корреляции изображений контролируемого изделия и эталонного поля допусков, формируемого оптическими средствами. Показано, что корреляционный метод позволяет получать интегральные оценки геометрических параметров изделия и проводить параллельный многоканальный контроль размеров в пределах его различных фрагментов. Погрешность измерений в корреляционных системах может составлять единицы микрометров.

3. Предложен оптический метод преобразования изображений, основанный па высокочастотной фильтрации и мультиплицировании, позволяющий выполнять дифференциальные измерения размеров объектов сложной формы. Выигрыш по точности и диапазону измерений систем технического зрения при этом может быть многократным и определяется соотношениями между размерами исходного и преобразованного изображений контролируемого объекта. Предложен метод оперативного изменения параметров мультиплицирования средствами фурье-оптикн, дано его теоретическое и экспериментальное обоснование.

4. Разработаны принципы построения лазерных триангуляционных систем зондирования нестационарной зеркальной поверхности; определены условия, обеспечивающие линейность реконструкции формы поверхности и корректное вычисление статистических параметров ее профиля.

5. Предложены многолучевые схемы триангуляционного зондирования свободной поверхности вращающейся жидкости, позволяющие проводить измерения при расширенном диапазоне угловых скоростей вращения, а также оригинальный метод адаптивного управления световыми пучками, минимизирующий погрешности измерении в условиях вариаций регулярной составляющей кривизны поверхности.

6. Разработаны оригинальные методы определения диаметра кристалла, выращиваемого из высокотемпературного расплава, инвариантные к вариациям угловой скорости вращения расплава н его уровня, основанные на пассивной и активной оптической триангуляции, цифровой обработке изображений, предложенных нептерашюнных методах оценивания параметров аппроксимирующей окружности.

7. Впервые исследовано явление параллакса изображения выращиваемого кристалла в методе Чохральекого, формируемого оптической проекционной системой. Путем компьютерного моделирования исследована структура изображения, выявлены зависимости параллакса от вариаций технологических параметров процесса выращивания и геометрии ростовой установки, определено его влияние на метрологические характеристики оптико-цифровой системы контроля геометрии кристалла.

8. Предложенные методы контроля, основанные на принципах фурье-оптики, использованы при создании промышленных образцов высокопроизводительных СТЗ: лазерного голографнческого контрольного устройства и лазерного контрольного автомата. обеспечивающих возможность многоканального (до 5 каналов) контроля размеров движущихся изделий с производительностью более 1000 изделий/мин при погрешности

измерений до 0.01 мм.

9. Разработана СТЗ для контроля процесса выращивания монокристаллов кремния, входящая в состав цифрового управляющего комплекса ЦУК, включающая оптические системы измерения уровня расплава (диапазон измерений 0-40 мм, погрешность - 0.1 мм, допустимая угловая скорость вращения расплава - 10 об/ми»), диаметра кристалла (диапазон измерений 0 - 260 мм, погрешность - 0.2 мм) и температуры расплава. Разработаны методики и алгоритмы измерений, калибровки и статистической обработки данных, программное обеспечение и эксплуатационная документация.

Ю.Для интеллектуальной автоматической ростовой установки нового поколения 221УМК090 и управляющего ей цифрового комплекса ЦУКМ разработаны многолучевые лазерные триангуляционные датчики уровня, алгоритмы и методики их калибровки и проведения измерений, программное обеспечение, эксплуатационная документация. Технические характеристики датчиков: диапазон измерений ±20 мм, погрешность - 0.1 мм, допустимая угловая скорость вращения расплава - 18 об/мин.

Совокупность представленных теоретических и экспериментальных результатов является крупным научным достижением и вносит существенный вклад в развитие фурье-оптики, оптических измерительных систем, методов цифровой обработки изображений, дает новые знания для развития оптических методов диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работа^:

1. Михляев С.В., Чугуй 10.В. Оперативное формирование полей допусков при контроле формы изделий / С.В. Михляев, 10.В. Чугуй II Автометрия. - 1979. - № 1. - С. 24-33.

2. Михляев С.В. Спектральный метод контроля размеров изделий на основе биполярных фильтров по интенсивности / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. -1980. -№2. -С. 43-59.

3. Коронкевич В.П. Оптико-геометрнческии метод расчета дифракции Фраунгофера на объемных телах / В.П. Коронкевич, Б.Е. Кривенков, С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. - 1980. - № 2. - С. 25-35.

4. Михляев С.В. Корреляционный метод допускового контроля размеров изделий с использованием расщепляющих фильтров / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. - 1981.-№ 1. - С. 70-74.

5. Chugui Y.V. Quasi-geometrical method for Fraunhofer diffraction calculations for three-dimensional bodies / Y.V. Chugui, V.P. Koronkevitch, B.E. Krivenkov, S.V. Miklilyaev //J. Opt. Soc. Am. - 1981. - Vol. 71, N. 4. - P. 483-489.

6. Producing of tolerance gaps by spatial filtering / S.V. Miklilyaev, Yu.V. Chugui, I.S. Soldatenkov, T.V. Gurtova // Optica Applicata. - 1981. - Vol. 11, N. l.-P. 169-182.

7. Вертопрахов В.В. Оптико-цифровая система промышленного контроля / В.В. Вертопрахов, С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй, В.П. Юношев // Автометрия. - 1983. -№ 4. - с. 53-59.

8. Вертопрахов В.В. Оптическое преобразование изображений в оптико-цифровой

системе промышленного контроля / В.В. Вертопрахов, С.В. Михлясв, 10.В. Чугуй // Автометрия. - 1983. - № 4. - С. 59-64.

9. Михляев С.В. Оперативное изменение параметров мультиплицирования изображений средствами Фурье-оптики / С.В. Михляев // Автометрия. - 1985. - № 5. - с. 50-56.

10. Лазерный контрольно-измерительный автомат / 10.В. Анциферов, В.В. Вертопрахов, С.В. Михляев, И.С. Солдатенков, Н.Г. Соловьев, В.А. Федоров, Л.В. Финоге-нов, Ю.В. Чугуй // ОМП. - 1989. - № 4. - С. 32-36.

11. Mikhlyaev S.V. A computer vision system to control the process of crystal growth / S.V. Mikhlyaev, E.S. Nejevenko // Pattern Recognition and Image Analysis. - 1999. - Vol. 9, N. 1.-P.156-158.

12. Михляев С.В. Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности / С.В. Михляев // Автометрия. - 2001. -№ 1. - С. 67-74.

13. Mikhlyaev S.V. Subpixel localization of the singular points in images on the basis of the gradient operators / S.V. Mikhlyaev // Pattern Recognition and Image Analysis. - 2001. -Vol. 11, N. I. - P. 222-225.

14. Vaskov S.T. Relaxation method of searching for conjugate points in stereoimages / S.T. Vaskov, S.V. Mikhlyaev II Pattern Recognition and Image Analysis. - 2001. - Vol. 11, N. l.-P. 260-262.

15. Михляев С.В. Применение методов оптической триангуляции для измерения уровня расплава при выращивании кристаллов / С. В. Михляев // Автометрия. - 2003. -Т. 39, № 5. - С.30-41.

16. Михляев С.В. Анализ оптических триангуляционных систем измерения профиля зеркальной поверхности / С.В. Михляев // Автометрия. - 2005. - Т. 41, № 4. - С.78-91.

17. Mikhlyaev S.V. Method for measuring the diameter of a growing crystal / S.V. Mikhlyaev // Pattern Recognition and Image Analysis. - 2005. - Vol. 15, N. 4. - pp. 690-693.

18. Михляев С.В. Аппроксимация окружности при измерении диаметра кристалла / С.В. Михляев//ЖВТ.-2007.-Т. 12,№ 1. - С .61-71.

19. Михляев С.В. Погрешности измерения лазерного триангуляционного дальномера при зондировании наклонной зеркальной поверхности / С.В. Михляев // Датчики и системы. - 2007. - № 4. - С. 11-14.

20. Михляев С.В. Оценка параллакса изображения мениска выращиваемого кристалла / С.В. Михляев // Оптический журнал. - 2008. - Т. 75, № 1. - С. 66-70.

21. Михляев С.В. Исследование неитерационного метода наименьших квадратов для оценивания параметров аппроксимирующей окружности / С.В. Михляев // ЖВТ. -2008.-Т. 13,№ 5. - С. 41 - 50.

22. Михляев С.В. Информационные характеристики изображения зоны кристаллообразования в методе Чохральского / С.В. Михляев, О.И. Потатуркин // Автометрия. - 2008. - Т. 44, № 6. - С. 35-48.

23. А.с. 842402 СССР, МКИ G 01 В 11/02. Устройство для допуекового контроля размеров изделий / С.В. Михлясв, Ю.В. Чугуй. - № 2804196/25-28; заявл. 01.08.79;

опубл. 30.06.81, Бюл. № 24, 1981.

24. A.c. 1125468 СССР, МКИ G 01 В 9/00. Устройство для размерного контроля изделий / C.B. Михляев, Ю.В. Чугун. - № 2799248/25-28; заявл. 18.07.79; опубл. 23.11.84, Бюл. №43,1984.

25. A.c. 1185080 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Устройство для измерения размеров изделий / E.H. Богомолов, В.В. Вертопрахов, C.B. Михляев, JI.B. Финогенов, Ю.В. Чу-гуй. - № 3648660/24-28; заявл. 30.09.83; опубл. 15.10.85, Бюл. № 38, 1985.

26. Патент 2261298 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке / C.B. Михляев. - № 2003131547/15; заявл. 27.10.2003; опубл. 10.04.2005, Бюл. №27.

27. Патент 22633165 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке / C.B. Михляев. - № 2004108511/15; заявл. 22.03.2004; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30.

28. Патент 2281349 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения уровня расплава при выращивании кристаллов / C.B. Михляев. - № 2004119121/15; заявл. 23.06.2004; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22.

29. Оптико-электронная система для контроля размеров деталей сложной формы / P.M. Бычков, В.Г. Марченко, C.B. Михляев, Е.С. Нежевенко, О.И. Потатуркин, Н.Г. Соловьев. - Новосибирск : Ин-т автоматики и электрометрии СО РАН СССР, 1980. - Препринт № 109. - 20 с.

30. Михляев C.B. Спектральный метод допускового контроля размеров объектов / C.B. Михляев, Ю.В. Чугуй // Применение методов оптической обработки информации и голографии / под ред. С.Б. Гуревича, В.К. Соколова. - JI. ; ЛИЯФ. 1980. - С. 141145.

31. Михляев C.B. Система машинного зрения для контроля процесса выращивания кристаллов / C.B. Михляев, Е.С. Нежевенко // Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии (РОАИ-4-1998) : труды межд. кон.

- Ч. II. - Новосибирск : ИАиЭ СО РАН, 1998. - С. 47-50.

32. Miklilyaev S.V. 3D sensing of a nonstationary surface / S.V. Mikhlyaev // Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN '99) / Ed. by Ichirou Yamaguchi. -Proc. SPIE. - 1999. - Vol. 3740. - P. 582-585.

33. Михляев C.B. Релаксационный метод поиска сопряженных точек в стереоизображениях / C.B. Михляев, С.Т. Васьков // Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии (РОАИ-5-2000) : труды межд. кон. - Т. 2.

- Самара : СГАУ, 2000. - С. 232-236.

34. Михляев C.B. Субпиксельная локализация особых точек изображений на основе градиентных операторов / C.B. Михляев // Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии (РОАИ-5-2000) : труды межд. кон.

- Т. 2. - Самара : СГАУ, 2000. - С. 337-341.

35. Mikhlyaev S.V. High-precision triangulation sensing of mirror surface / S.V. Mikhlyaev // Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001) / Ed. by Koichi lwata. - Proc. SPIE. - 2001. -Vol. 4416. - P. 400-403.

36. Mikhlyaev S.V. Image matching through the special points extraction and relaxation / S.V. Mikhlyaev, S.T. Vaskov // Proc. Fifth World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI 2001). July 22-25. Orlando, Florida, USA, 2001. - Vol. XIII, Part II.-P. 45-48.

37. Mikhlyaev S.V. Laser triangulation systems for sensing mirror surface / S.V. Mikhlyaev // Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life. - Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4900. - P. 519-524.

38. Mikhlyaev S.V. Metrological problems of melting level and crystal geometry measurement during crystal growing / S.V. Mikhlyaev, E.S. Nejevenko // Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life. - Proc. SPIE.

- 2002. - Vol. 4900. - P. 572-578.

39. Mikhlyaev S.V. Optical systems for melt level measurement in the process of crystal growth / S.V. Mikhlyaev // Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life. - Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4900. - P. 586-591.

40. Mikhlyaev S.V. Relaxation technique for stereo images matching / S.V. Mikhlyaev // Automation, Control and Information Technology (AC1T 2002) : Proc. of the IASTED Int. Conf., June 10-13, Novosibirsk, Russia / Ed. By M.H. Hamza, O.l. Potaturkin, Yu.I. Shokin. - Anaheim [etc.]: ACTA Press. 2002. - P. 376-381.

41. Михляев C.B. Метрологические особенности лазерных триангуляционных систем контроля уровня расплава при выращивании кристаллов / С.В. Михляев // Актуальные проблемы электронного приборостроения : материалы VII международной конференции АПЭП-2004 в 7 томах. - Новосибирск : НГТУ, 2004. - Т.З. - С. 317323.

42. Mikhlyaev S.V. Method for measuring the diameter of a growing crystal I S.V. Mikhlyaev // Proc. of 7th Int. Conf. on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-7-2004), 18-23 October, St.Petersburg. Russian Federation (Vol. I-III). - St.Petersburg : SPbETU, 2004. - Vol. III. - P. 799-802.

43. Mikhlyaev S.V. Measuring the diameter of a growing crystal / S.V. Mikhlyaev // Automation. control, and applications : Proc. of the Second IASTED Int. Multi-Conf. Automation, Control and Information Technology (ACIT 2005), June 20-24, Novosibirsk. Russia / Ed.: Yu.I. Shokin, O.I. Potaturkin. - Anaheim [etc.]: ACTA Press, 2005. - P.53-58.

44. Mikhlyaev S.V. Influence of a tilt of mirror surface on the measurement accuracy of laser triangulation rangelinder / S.V. Mikhlyaev // Journal of Physics: Conference Series.

- 2006. - Vol. 48. - P. 739-744.

Mikhlyaev S.V. Influence of a tilt of mirror surface on the measurement accuracy of laser triangulation rangefinder / S.V. Mikhlyaev // Proc. of the 4th International Symposium on Instrument Science and Technology (ISIST'2006), Harbin, China, August 8-12. 2006) in 2 vol. / Ed. By Tan Jiu-bin, Wen Xian-fang. - 2006. - Vol. 2. - P. 835-840.

45. Михляев C.B. Системы технического зрения для контроля геометрии выращиваемого кристалла / С.В. Михляев // Труды Оптического общества им. Д.С. Рождест-

венского : материалы VIII Межд. конф. «Прикладная оптика-2008». - Т. 1. - СПб : ООО «ЦТТ», 2008. - С. 62-66.

46. Михляев C.B. Оперативное формирование полей допусков средствами когерентной оптики для контроля формы бинарных изображений / C.B. Михляев, Ю.В. Чу-гуй // Вторая Всесоюзная школа по оптической обработке информации : тез.докл. -Горький : НИРФИ, 1978. - С. 21.

47. Астафьева Т.Б. Применение методов когерентной оптики для контроля геометрических параметров изделий. / Т.Б. Астафьева, P.M. Бычков, В.П. Коронкевич, Б.Е. Кривенков, C.B. Михляев, Ю.Е. Нестерихин, Е.С. Нежевенко, Ю.В. Чугуй // Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ : тез. докл. Всес. конф. - Новосибирск : ИАиЭ СО АН СССР, 1979. - С. 157-158.

48. Михляев C.B. Спектральный метод контроля размеров объектов на основе биполярных фильтров по интенсивности / C.B. Михляев, Ю.В. Чугуй // III Всесоюзная школа по оптической обработке информации : тез.докл. - Ч. I. - Рига : Ин-т физики АНЛатв. ССР, 1980.-С. 191.

49. Бычков P.M. Голографическое устройство контроля размеров / P.M. Бычков, В.Г. Марченко, C.B. Михляев, Н.Г. Соловьев // III Всесоюзная школа по оптической обработке информации : тез.докл. - Ч. П. - Рига : Ин-т физики АН Латв. ССР, 1980. - С. 203-204.

50. Коронкевич В.П. Оптико-геометрический метод расчета дифракции Фраунгофера на объемных телах / В.П. Коронкевич, Б.Е. Кривенков, C.B. Михляев, Ю.В. Чугун // III Всесоюзная школа по оптической обработке информации : тез.докл. - Ч. II. -Рига : Ин-т физики АН Латв. ССР, 1980. - С. 296.

51. Богомолов E.H. Оптико-цифровой контроль промышленных изделий / E.H. Богомолов, В.В. Вертопрахов, C.B. Михляев, Ю.В. Чугуй, В.П. Юношев // Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля, точных измерений длин и углов : тез. докл. Всес. научно-техн. семинара-совещания. - Ленинград : ВНИИМ, 1984.-С. 150-151.

52. Богомолов E.H. Контроль геометрии изделий оптико-цифровыми средствами / E.H. Богомолов, В.В. Вертопрахов, C.B. Михляев, Ю.В. Чугуй, В.П. Юношев // V Всес. школа по оптической обработке информации : тез. докл. - Киев : ККТНК, 1984. - С. 111.

53. Богомолов E.H. Оптико-цифровой метод контроля параметров наружных резьб / E.H. Богомолов, C.B. Михляев // V Всес. школа по оптической обработке информации : тез. докл. - Киев : ККТНК, 1984. - С. 112-113.

54. Михляев C.B. Параллакс изображения мениска выращиваемого кристалла / C.B. Михляев // Четвертая Росс. конф. с межд. участием по физике, материаловедению и физ.-химич.основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремннй-2007) : тез. докл. - М.: МИСиС, 2007. -С. 321-322.

Подписано в печать 24.12.2008. Формат 60*84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме. Офсетная печать.

_Печ. л. 2,1. Тираж 100 экз. Заказ № __

Новосибирск, 90. пр. Ак. Лаврентьева, I, Институт теплофизики СО РАН

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора технических наук, Михляев, Сергей Васильевич

Введение.

Глава 1. Методы фурье-оптики для дифференциальных измерений размеров изделий.

1.1. Спектральный метод контроля размеров изделий с пространственным интегрированием светового потока.

1.2. Корреляционный метод допускового контроля и измерения размеров изделий.

1.2.1. Синтез передаточных функций пространственно-частотных расщепляющих фильтров.

1.2.2. Информационные характеристики и методы обработки корреляционных функций.

1.3. Методы многоканального контроля размеров движущихся изделий с временным мультиплексированием каналов.

1.4. Оптические методы преобразования изображений контролируемых изделий сложной формы.

1.4.1. Мультиплицирование и пространственно-частотная фильтрация изображений.

1.4.2. Оперативное изменение параметров мультиплицирования изображений средствами фурье-оптики.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Оптические триангуляционные методы и системы технического зрения для измерения расстояний.

2.1. Принципы построения и особенности применения лазерных триангуляционных систем зондирования зеркальной поверхности.

2.1.1. Оптические системы триангуляционных лазерных сенсоров.

2.1.2. Влияние наклона зондируемой поверхности на метрологические характеристики триангуляционного сенсора с анизотропным зондирующим пучком.

2.2. Триангуляционные методы лазерного зондирования динамической зеркальной поверхности.

2.2.1. Особенности зондирования нестационарной поверхности.

2.2.2. Методы многолучевой триангуляции для зондирования свободной поверхности вращающейся жидкости.

2.3. Методы измерения расстояний в многоракурсных системах технического зрения.

2.3.1. Субпиксельная локализация особых точек изображений.

2.3.2. Релаксационная процедура поиска сопряженных точек изображений.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Оптико-цифровые методы контроля уровня расплава и геометрии кристалла в процессе выращивания.

3.1. Особенности контроля уровня расплава и диаметра кристалла.

3.2. Методы и системы комплексного контроля уровня расплава и геометрии кристалла.

3.2.1. Расчетный метод определения контролируемых параметров.

3.2.2. Метод прямых измерений в зоне кристаллообразования.

3.3. Методы цифровой обработки изображений при контроле геометрии кристалла.

3.3.1. Алгоритмы обработки данных при измерении диаметра кристалла.

3.3.2. Методы МНК-оценивания контролируемых параметров.

3.4. Исследование изображения зоны кристаллообразования в методе

Чохральского.

3.4.1. Оценка параллакса изображения мениска кристалла.

3.4.2. Исследование информационных характеристик изображения зоны кристаллообразования.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Системы технического зрения для измерения линейных размеров и расстояний.

4.1. Лазерное топографическое контрольное устройство ЛГКУ.

4.2. Лазерный контрольный автомат ЛЕСА.

4.3. Оптико-цифровая система контроля ОЦСК.

4.4. Системы технического зрения для контроля процесса автоматического выращивания монокристаллов кремния.

Выводы к главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Системы технического зрения на основе фурье-оптики и оптической триангуляции для контроля размеров изделий и диагностики роста кристаллов"

Контроль геометрических параметров объектов и измерение расстояний являются традиционными областями, в которых эффективно используются оптические методы измерений [43, 56, 99, 116]. Крупносерийный и массовый характер современного производства промышленных изделий и необходимость оперативного контроля их геометрических параметров требуют применения для этих целей бесконтактных контрольно-измерительных средств, обладающих высокой производительностью (более 1000 изделий/мин) и точностью измерений (погрешность измерений менее 0.1%) и позволяющих осуществлять контроль размеров изделий сложной формы, причем в процессе движения их по измерительной позиции. Традиционные средства измерений проекционного типа (проекторы, микроскопы, компараторы) и их современные автоматизированные аналоги не удовлетворяют этим требованиям в силу их низкой производительности [47, 114, 117, 129, 156, 247]. Недостатком систем автоматического контроля, основанным на применении устройств сканирования светового пучка [247], телевизионной техники [33, 104, 105, 122], многоэлементных фотоприемников и цифровых видеосистем [9, 176] является зависимость диапазона контролируемых размеров от точности измерений, что обусловлено конечной размерностью используемых фотоприемных устройств и разрешением телевизионной системы. Кроме того, в таких системах затруднена техническая реализация многоразмерного (многоканального) контроля изделий сложной формы, а последовательный принцип обработки оптических сигналов, заложенный в эти системы, накладывает ограничения на величину допустимых смещений изделия в процессе измерения и снижает производительность систем контроля. Аналогичные недостатки присущи и современным цифровым системам технического зрения (СТЗ).

Принципиально новые возможности для развития оптических средств измерения расстояний и геометрических параметров объектов открылись с появлением лазерных источников света [109, 112] и разработкой методов фурье-оптшш, обеспечивающих формирование и аналоговую обработку амплитудных световых распределений, эквивалентную операциям преобразования Фурье, фильтрации и корреляции двумерных функций [40, 65, 97, 110, 121, 148]. Большой вклад в развитие методов фурье-оптики и их популяризацию внесли такие известные зарубежные и советские ученые, как Дж. Гудмен [36], А. Папулис [100], Р. Кольер [51], Дж. Строук [120], Л.М. Сороко [119] и Др.

К настоящему времени на пути создания когерентно-оптических средств контроля размеров изделий достигнуты определенные успехи [52,

131, 137, 179, 201, 242, 243], связанные, в первую очередь, с разработкой дифракционного и корреляционного методов контроля и свидетельствующие о перспективности применения для этих целей методов фурье-оптики. Приоритетные работы в России в этом направлении выполнены в коллективах под руководством К.И. Крылова (ЛИТМО), Д.И. Мировицкого (МИРЭА), Ю.В. Чугуя (ИАиЭ, КТИ НП СО РАН).

Дифракционный метод контроля [1, 57, 93, 124, 210] основан на измерении размеров изделия по дифракционным картинам Фраунгофера, формируемым при освещении контролируемого объекта пространственно-когерентным световым пучком. Поскольку положение дифракционной картины не зависит от координат контролируемого изделия во входной плоскости оптической системы [69], то рассматриваемый метод позволяет проводить контроль объектов в динамике и не требует их жесткого позиционирования. Этот метод успешно применяется для контроля фотошаблонов и топологии интегральных схем [98], диаметров тонких проволок и волокон [63, 64, 72, 182, 207, 257], отверстий [12, 123, 216], мелких частиц, профиля наружной резьбы [20], профиля и качества поверхности изделий [20, 68-73, 98,

132, 186-189], диагностики процессов сгорания топлива [41, 90] и т.д. Значительное количество работ посвящено измерению параметров биологических объектов [28, 42, 59, 158-160, 162, 172, 215], контролю качества текстильных материалов [46, 140-146, 217, 245]. Погрешность измерений в дифракционном методе может составлять доли микрометра, а диапазон контролируемых размеров может быть увеличен за счет использования опорных объектов в виде плоскостей и диафрагм специальной формы и измерения зазоров между опорным и контролируемым объектом [62, 242, 243].

Для контроля размеров изделий дифракционным методом обычно применяют два основных способа измерения параметров дифракционной картины, хотя схемотехнические решения и методики измерений могут быть довольно разнообразными: способ измерения расстояний между дифракционными порядками и способ измерения интенсивности света, дифрагировавшего под определенным углом [71]. Первый способ более сложен в реализации, поскольку требует применения прецизионных устройств сканирования дифракционной картины и измерителей перемещений, которые, к тому же, ограничивают быстродействие системы контроля. Недостатками второго способа являются нелинейная зависимость регистрируемой интенсивности света от величины контролируемого размера (нелинейная выходная характеристика системы контроля) и ограниченный диапазон измерений. Кроме того, этим способам присущи большие световые потери, обусловленные необходимостью применения фотоприемников с малой апертурой. Поэтому одна из задач диссертационной работы заключалась в разработке спектрального метода контроля, являющегося обобщением известных дифракционных методов, свободного от указанных недостатков.

Спектральный метод контроля основан на модулировании пространственного спектра (дифракционной картины Фраунгофера) объекта оптическим пространственно-частотным фильтром и интегрировании результирующего светового потока. Метрологические характеристики реализующих этот метод спектральных систем во многом определяются параметрами используемых фильтров. В связи с этим в работе решена задача синтеза передаточных функций фильтров, обеспечивающих получение заданной чувствительности и диапазона измерений системы контроля [86, 87]. Показано, что в общем случае требуемая передаточная функция реализуется в двухканальной оптической системе, что эквивалентно применению фильтров с биполярной функцией пропускания по интенсивности.

Другим перспективным методом контроля размеров изделий является корреляционный [7, 21, 30, 138, 181, 198-200, 202]. Он реализуется с использованием дифракционного коррелятора и основан на формировании и обработке функции корреляции двух амплитудно-фазовых световых распределений: теневого изображения контролируемого изделия и импульсного отклика голографического фильтра, несущего информацию об эталонных размерах [22, 50, 66, 67, 249]. Основное достоинство корреляционного метода заключается в возможности параллельной и многоканальной обработки всего изображения контролируемого изделия, что обеспечивает получение интегральной оценки степени соответствия контролируемых размеров эталонным значениям и позволяет осуществлять контроль изделий сложной формы. Много-канальность в корреляционном методе реализуется за счет использования фильтра в виде наложенных голограмм, регистрируемых с различными углами наклона опорного светового пучка и соответствующих различным фрагментам (сечениям) эталонного объекта. Пространственное разделение корреляционных функций позволяет при этом проводить контроль размеров независимо по каждому из каналов. В корреляционных системах, в отличие от проекционных, устраняется необходимость механического совмещения изображения контролируемого объекта с эталонным или вычисления корреляционной функции программными средствами, что заметно повышает производительность системы контроля и позволяет простыми средствами автоматизировать процесс измерений. Существенно, что контроль размеров в этом случае может проводиться в процессе движения объекта по измерительной позиции.

Важнейшей проблемой, возникающей при реализации корреляционного метода контроля, является проблема синтеза голографического фильтра с заданными параметрами, поскольку именно фильтром определяются метрологические характеристики корреляционной системы контроля. Такие фильтры выполняются обычно в виде голограмм Фурье эталонного изделия или в виде синтезированных голограмм [66, 200, 254]. В первом случае, однако, не удается достичь высокой точности контроля, а во втором случае процесс синтеза фильтра оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому задача разработки корреляционного метода контроля, свободного от указанных недостатков, является одной из основных задач диссертации.

Результаты, полученные авторами работ [21, 52] при решении задач распознавания изображений оптическими корреляционными методами с применением контурных эталонов, а также проведенные нами исследования [2, 4, 77, 87], показали, что существенное улучшение метрологических характеристик корреляционной системы контроля достигается в случае применения голографического фильтра с импульсным откликом в виде биполярного поля допусков изделия. Позже вопросы чувствительности такой системы рассматривались Н.Г. Соловьевым [118].

Биполярное поле допусков представляет собой световое распределение, состоящее из двух контуров (с амплитудами света разного знака), воспроизводящих максимальные и минимальные допустимые размеры изделия. Применение фильтров с указанным импульсным откликом позволяет реализовать дифференциальный метод контроля, при котором измеряемым параметром является лишь разность контролируемого и эталонного размеров, в результате чего и достигается улучшение метрологических характеристик системы контроля.

Требуемые голографические фильтры могут быть получены двумя способами. В первом случае для этого используется амплитудно-фазовый транспарант с изображением поля допусков. Такой транспарант выполняется в виде плоскопараллельной пластины с поверхностным рельефом, обеспечивающим относительный сдвиг фазы световой волны во внешнем и внутреннем контурах поля допусков на я; [45, 48]. Область транспаранта вне поля допусков покрывается материалом с нулевым коэффициентом пропускания. Синтез фильтра осуществляется путем голографической регистрации пространственного спектра (дифракционной картины Фраунгофера) транспаранта. Во втором случае для получения фильтра могут быть использованы сложные трехградационные транспаранты. Фильтр формируется путем топографической регистрации пространственного спектра транспаранта с предварительной фильтрацией его постоянной составляющей. Такой способ применялся для получения контурных эталонов при решении задач распознавания изображений на фотоснимках [50].

Сложность изготовления амплитудно-фазовых и трехградационных транспарантов существенно затрудняет возможность реализации корреляционного метода контроля. Поэтому часть диссертации посвящена разработке более простого способа формирования световых распределений в виде биполярных полей допусков, основанного на применении предложенных нами так называемых расщепляющих пространственно-частотных фильтров [91, 241]. Требуемые изображения полей допусков формируются при этом в выходной плоскости когерентно-оптической системы фильтрации [5, 97], на входе которой устанавливается эталонный объект, а в частотной плоскости - расщепляющий фильтр. Синтез топографического фильтра при этом осуществляется обычным образом - путем голографической регистрации пространственного спектра сформированного поля допусков.

Спектральный и корреляционный методы позволяют проводить контроль размеров движущихся изделий. Для распространенного случая, когда контролируемые сечения изделия параллельны направлению его движения по измерительной позиции, нами разработаны методы многоканального контроля размеров с временным мультиплексированием каналов, применимые как в спектральных, так и в корреляционных системах контроля. Существенно, что в корреляционном методе при этом существенно упрощается процедура синтеза голографического фильтра, поскольку для его регистрации требуется лишь одна экспозиция с фиксированным углом наклона опорного светового пучка. Более того, если в корреляционном методе измерение размеров объекта в каждом из контролируемых сечений осуществляется путем измерения расстояний между корреляционными импульсами, то этот метод оказывается эквивалентным формированию и обработке пространственно-временной функции корреляции контурного изображения объекта и бинарного эталонного изображения, которая может быть получена без использования голографического фильтра [3, 61].

Известным способом повышения метрологических характеристик измерительных систем является реализация дифференциальных измерений. Большинство СТЗ, применяемых для контроля геометрии изделий, относятся к системам проекционного типа, в которых анализируется теневое изображение контролируемого объекта. Дифференциальные измерения в таких системах выполняются, как правило, за счет использования нескольких фотосчи-тывающих устройств (видеокамер, групп отдельных фотоприемников и т.п.), регистрирующих различные фрагменты изображения контролируемого изделия, или за счет применения оптических систем, формирующих его двойное изображение [47]. Многокамерные системы применяются, в основном, для контроля крупногабаритных объектов, характерные размеры которых составляют десятки сантиметров. Системы с формированием двойного изображения позволяют контролировать объекты с меньшими размерами, но одномерный и фиксированный характер осуществляемого в них преобразования ограничивает класс контролируемых изделий объектами простой формы. Поэтому автором была поставлена и решена задача разработки оптических методов формирования и преобразования изображений контролируемых объектов, обеспечивающих возможность реализации дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы. Разработанные методы основаны на пространственно-частотной фильтрации и мультиплицировании изображений [24, 25]. Они позволяют формировать контурное изображение изделия и совмещать его контролируемые фрагменты в приемном поле видеосистемы практически без каких-либо перекрестных помех, обусловленных наложением нескольких изображений, что дает возможность существенно расширить диапазон и увеличить точность измерений. Важной особенностью разработанных методов является возможность оперативного изменения параметров преобразования изображения при изменении типа контролируемого изделия [80].

При решении поставленных задач используется аппарат теории линейных оптических систем [36, 100, 119]. При этом рассматриваются безаберрационные дифракционно-ограниченные оптические системы и не учитывается влияние объемности изделия на характеристики его изображения или дифракционной картины [18, 94]. Считается, что контролируемые объекты плоские и для них справедлива теория дифракции Кирхгофа, а функция, описывающая их амплитудное пропускание, является бинарной и принимает два значения: О-в области геометрической тени и 1 - в остальной области [10, 94]. В общем случае дифракционные картины объемного и плоского объектов могут существенно отличаться [1, 19]. Условия применимости сделанных выше допущений можно оценить, используя предложенный Ю.В. Чугуем и разработанный при участии автора оптико-геометрический метод расчета дифракции Фраунгофера [54, 173], развитый в дальнейшем Ю.В. Чугуем, Б.Е. Кривенковым и др. [174, 175], который качественно верно описывает особенности дифракции света на объемных телах. Согласно [54], дифракционные картины объемного и плоского изделия при малых углах дифракции 0 отличаются, в первом приближении, расположением дифракционных порядков. Например, для объекта в виде щелевой диафрагмы шириной А, выполненной из поглощающего материала толщиной d, положения дифракционных порядков описываются квадратичной зависимостью от угла 0 : 0 + 92d /4А (в отличие от линейной зависимости для плоской щелевой диафрагмы). Однако, если 0<втахи а = Qmaxd/4A 1, то квадратичной поправкой можно пренебречь. В этом случае, например, при а = 10~3 и 0max ~ 3 -10~2, получаем следующее условие применимости разработанных методов: d/A <0.1. При нарушении этого соотношения может потребоваться дополнительная калибровка системы контроля.

Для цилиндрических изделий влияние их объемности также проявляется в искажениях дифракционной картины, которые вызывают систематические погрешности измерений в дифракционном методе контроля и изменяют характеристики изображений, формируемых в системах пространственно-частотной фильтрации [209]. Эти эффекты обусловлены, в основном, отражением освещающего светового пучка от передней поверхности контролируемого объекта. Поскольку вклад отраженной световой волны в результирующее световое распределение становится существенным лишь при больших углах дифракции [62], то влияние указанных эффектов на метрологические характеристики оптических измерительных систем может быть ограничено путем выбора полосы анализируемых пространственных частот контролируемого объекта или параметров используемых пространственно-частотных фильтров. Такой прием может быть использован при практической реализации всех разработанных автором когерентно-оптических методов контроля размеров изделий.

Теоретические результаты, полученные при разработке методов фурье-оптики для дифференциальных измерений размеров изделий, положены в основу высокопроизводительных систем технического зрения - лазерного голо-графического контрольного устройства [95], лазерного контрольного автомата [61], оптико-цифровой системы контроля изделий сложной формы [24].

Для измерения геометрических параметров объектов по изображениям, формируемым проекционными оптическими системами, необходимо, чтобы было известно расстояние до контролируемого объекта, задающее масштаб анализируемого изображения. В случаях, когда этот параметр неизвестен, приходится использовать дополнительные измерительные средства для его определения. Задача измерения расстояний, как и размеров объектов, также является традиционной для оптических методов измерений. Она имеет самостоятельное значение и актуальна не только при размерном контроле, но и во множестве других приложений. Оптические бесконтактные методы дистанционного измерения расстояний фактически сводятся к трем основным группам: времяимпульсные, интерферометрические и триангуляционные [126]. Времяимпульсные методы основаны на измерении времени распространения светового импульса и предназначены для измерения больших расстояний с относительно невысокой точностью [213]. Погрешность измерений в интер-ферометрических системах, наоборот, может быть очень малой - существенно меньше длины волны используемого излучения. Основной недостаток классических интерферометрических методов абсолютного измерения расстояний, включая и методы спекл-интерферометрии, связан с малым диапазоном измерений [126, 133].

Наиболее распространенными среди рассматриваемых методов измерений являются триангуляционные. Оптические триангуляционные методы измерений и реализующие их измерительные системы можно разделить на пассивные, использующие излучение с поверхности анализируемого объекта (или отраженное от его поверхности внешнее естественное излучение), и активные, в которых применяется специальным образом сформированное зондирующее излучение. К пассивным оптическим триангуляционным средствам измерения расстояний относятся системы формирования стерео и многоракурсных изображений [83, 152, 259]. Активные триангуляционные системы основаны, как правило, на лазерной триангуляции или использовании структурного освещения [26, 32, 58, 130, 237, 244, 251], в том числе некогерентного [169, 170]. Известно большое количество фирм, занимающихся разработкой подобных систем различного назначения: Кеуепсе (международная корпорация), MICRO-EPSILON (международная группа), MTI Instruments (США), MEL Mikroelektronik (Германия), РИФТЭК (Беларусь), MicroStep-MIS (Словакия), ПРИЗМА (Екатеринбург), КТИ НП СО РАН (Новосибирск) и др. Физические ограничения и различные аспекты практического использования лазерных триангуляционных систем детально рассмотрены в многочисленных публикациях [8, 29, 60, 111, 128, 194, 260]. В основном такие системы применяются для зондирования объектов с диффузной поверхностью. Вопросы зондирования объектов с зеркальной поверхностью и возникающие при этом проблемы отражены в литературе крайне слабо [238]. Вместе с тем, потребность в системах дистанционного измерения расстояний до зеркальных поверхностей или поверхностей с узкой диаграммой рассеяния зондирующего излучения возникает в различных практических и научных задачах. Одной из таких задач является дистанционное зондирование поверхностей жидкостей или расплавов [13, 14], в частности — измерение уровня расплава при выращивании кристаллов [ИЗ]. Автором впервые исследованы особенности лазерного триангуляционного зондирования нестационарной зеркальной поверхности, в том числе свободной поверхности вращающейся жидкости, получены оценки метрологических характеристик триангуляционных СТЗ, разработаны новые методы многолучевой триангуляции, предназначенные для зондирования нестационарной зеркальной поверхности в условиях значительных вариаций регулярной составляющей ее кривизны [74, 82, 89, 223, 225, 227, 228].

Оптические методы активного и пассивного зондирования широко используются в мировой практике для проведения измерений в различных отраслях промышленности, медицине, военных приложениях, научных исследованиях и т.д. Метрологические характеристики и функциональные возможности оптических систем зондирования в значительной степени определяются информационными характеристиками получаемых при зондировании оптических сигналов. В системах диагностики и технического зрения в настоящее время используются методы обработки данных и алгоритмы, ориентированные, в основном, на зондирование и измерение геометрических параметров детерминированных объектов. В то же время, для зондирования 3D объектов с динамически изменяющейся формой излучающей или отражающей поверхности или 3D объектов, меняющих свое пространственное положение в условиях пространственно-неоднородного освещения, требуются дополнительные исследования для изучения закономерностей и особенностей формирования оптических сигналов дистанционной диагностики, необходимых для создания робастных алгоритмов обработки данных. Примером процесса, требующего постоянного мониторинга параметров, связанных с динамически изменяющейся геометрией зондируемых 3D поверхностей, является выращивание кристаллов из высокотемпературного расплава методом Чохральского [106, 113, 125, 139, 190, 214].

Задача СТЗ, используемых для диагностики процесса выращивания кристаллов - обеспечить систему управления ростовой установкой необходимой информацией, достаточной для выращивания кристаллов с заданной геометрией [6]. При этом СТЗ измеряют и контролируют множество различных параметров технологического процесса: уровень расплава в тигле, диаметр кристалла, температуру расплава и кристалла и т.д. Для измерения уровня расплава используются, как правило, лазерные триангуляционные сенсоры, а для контроля диаметра выращиваемого кристалла — телевизионные или цифровые видеокамеры с оптическими проекционными системами [11, 151, 152, 154, 190, 203, 211, 239]. Широко распространен также весовой метод контроля диаметра кристалла, основанный на взвешивании кристалла или тигля с расплавом [155, 205, 206]. Однако из-за наличия погрешностей измерений, наиболее сильно проявляющихся в переходных режимах выращивания, этот метод применяется, в основном, при выращивании кристаллов небольшого диаметра и массы. Признанным мировым лидером в разработке и производстве установок для выращивания кристаллов является корпорация Кауех. Аналогичные установки разрабатываются в Украине (ЗАО Донец-СТО), России (ГНЦ РФ "Гиредмет", ФГУП "Красмаш", ОАО НИИ "Изотерм") и ряде других стран.

Метрологические проблемы при создании прецизионных измерительных устройств и СТЗ, предназначенных для контроля процесса выращивания кристаллов, в значительной степени обусловлены недостаточной физической обоснованностью и изученностью используемых оптических методов дистанционной диагностики высокотемпературного процесса кристаллизации; отсутствием необходимых знаний о закономерностях и особенностях формирования оптических сигналов активного и пассивного зондирования сложной динамической системы «кристалл-расплав», о зависимости информационных характеристик обрабатываемых сигналов от вариаций параметров технологического процесса выращивания кристаллов. Решению отмеченных проблем посвящена значительная часть диссертационной работы.

В многочисленных публикациях, ориентированных на решение широкого круга физико-технических и технологических проблем выращивания кристаллов методом вытягивания из высокотемпературных расплавов, рассматриваются, в основном, различные аспекты явлений тепломассопереноса [164, 165, 184, 185, 240, 256]. При этом вопросы изучения характеристик процесса выращивания, используемых в оптических методах контроля геометрии кристалла, практически не затрагиваются. Несмотря на то, что характеристики изображения мениска кристалла непосредственно и существенно влияют на метрологические параметры систем контроля и автоматического регулирования, в литературе, посвященной системам контроля, практически отсутствуют данные об исследованиях особенностей изображения мениска кристалла и зависимостей его характеристик от стадий роста кристалла и параметров технологического процесса [11, 113, 151, 154, 203, 211]. Отдельные сведения, представленные, в основном, в патентной литературе, носят описательный характер и не могут быть использованы в практических приложениях.

Автором исследованы особенности изображения зоны кристаллообразования, формируемого оптической проекционной системой, проведен детальный анализ его информационных характеристик, используемых в оптической системе контроля геометрии кристалла. Впервые исследован параллакс изображения мениска, обусловленный трехмерной природой формирующей изображение сцены, получены оценки его влияния на метрологические характеристики системы контроля геометрии кристалла, исследованы зависимости параллакса изображения от вариаций технологических параметров процесса выращивания кристалла [81, 92, 229]. Разработаны оригинальные методы и системы комплексного контроля уровня расплава и геометрии кристалла [101-103]. Предложены алгоритмы обработки данных при измерении диаметра кристалла и методы МНК-оценивания контролируемых параметров [75, 76, 78, 83, 89, 231, 233]. Теоретические результаты, полученные при разработке методов триангуляционного лазерного зондирования нестационарной зеркальной поверхности и свободной поверхности вращающейся жидкости, а также результаты исследования параллакса изображения зоны кристаллообразования, использованы при создании СТЗ для установок автоматического выращивания монокристаллов кремния [85, 224].

Целью исследований является разработка теоретических и практических основ создания СТЗ на базе методов фурье-оптики, оптической триангуляции и цифровой обработки изображений, предназначенных для высокопроизводительного контроля и дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы, диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава.

Задачи исследований:

1. Разработка методов фурье-оптики и создание на их основе высокопроизводительных корреляционных и дифракционных (спектральных) СТЗ для контроля размеров изделий сложной формы.

4. Разработка принципов построения СТЗ для диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава; разработка и исследование методов контроля уровня расплава и геометрии выращиваемого кристалла, алгоритмов обработки данных дистанционного оптического зондирования.

5. Исследование структуры и информационных характеристик изображения зоны кристаллообразования в методе Чохральского, формируемого оптической проекционной системой; оценка влияния параллакса изображения мениска кристалла на метрологические характеристики СТЗ.

6. Разработка и апробация СТЗ, созданных на основе проведенных исследований.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, базируются на системном подходе и получены путем теоретического анализа, численного моделирования и физического эксперимента. При решении поставленных задач используются методы геометрической и волновой оптики, спектрального и корреляционного анализа, аналитической и дифференциальной геометрии, математической статистики и других разделов высшей математики, методы цифровой обработки изображений, а также современные методы измерений и численного моделирования.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Разработанные спектральный и корреляционный методы контроля, основанные на пространственно-частотной фильтрации, обеспечивают возможность допускового контроля и измерения размеров движущихся изделий сложной формы и предназначены для создания высокопроизводительных СТЗ с высокими метрологическими характеристиками. Предложенные методы синтеза пространственно-частотных фильтров обеспечивают получение заданной выходной характеристики спектральной системы контроля и позволяют формировать биполярные амплитудные световые распределения в виде изображений полей допусков изделий, необходимые для реализации дифференциальных измерений в корреляционном методе контроля.

5. Структура изображения зоны кристаллообразования в методе Чохральско-го, формируемого оптической проекционной системой, определяется многократными отражениями излучения нагревателя от поверхностей мениска и кристалла и зависит от параметров формирующей изображение трехмерной сцены. Вариации геометрии ростовой установки и технологических параметров процесса выращивания, влияющих на форму мениска кристалла, вызывают параллакс изображения мениска, который в значительной степени определяет метрологические характеристики видеосистемы контроля геометрии кристалла.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен на 346 страницах, включая 145 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список содержит 261 наименование. Список публикаций автора по теме диссертации включает 22 статьи, опубликованные в научных журналах, входящих в Перечень ВАК, 6 авторских свидетельств СССР и патентов РФ, 15 публикаций в сборниках трудов конференций, 9 - в сборниках тезисов конференций.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты диссертации, посвященной разработке теоретических и практических основ создания СТЗ на базе методов фурье-оптики, оптической триангуляции и цифровой обработки изображений, предназначенных для высокопроизводительного контроля и дифференциальных измерений размеров изделий сложной формы, диагностики процесса выращивания кристаллов из высокотемпературного расплава, заключаются в следующем:

1.Предложен спектральный метод контроля размеров изделий, являющийся развитием и обобщением известного дифракционного метода и обеспечивающий заданный вид выходной характеристики измерительной системы за счет применения пространственно-частотных фильтров с биполярной передаточной функцией по интенсивности. Чувствительность спектральных систем допускового контроля не зависит от величины допуска и определяется дифракционными ограничениями оптической системы, при этом погрешность измерений может составлять доли микрометра.

2.Разработан корреляционный метод допускового контроля и измерения размеров изделий сложной формы, основанный на обработке функции корреляции изображений контролируемого изделия и эталонного поля допусков, формируемого оптическими средствами. Показано, что корреляционный метод позволяет получать интегральные оценки геометрических параметров изделия и проводить параллельный многоканальный контроль размеров в пределах его различных фрагментов. Погрешность измерений в корреляционных системах может составлять единицы микрометров.

3.Предложен оптический метод преобразования изображений, основанный на высокочастотной фильтрации и мультиплицировании, позволяющий выполнять дифференциальные измерения размеров объектов сложной формы. Выигрыш по точности и диапазону измерений систем технического зрения при этом может быть многократным и определяется соотношениями между размерами исходного и преобразованного изображений контролируемого объекта. Предложен метод оперативного изменения параметров мультиплицирования средствами фурье-оптики, дано его теоретическое и экспериментальное обоснование.

4.Разработаны принципы построения лазерных триангуляционных систем зондирования нестационарной зеркальной поверхности; определены условия, обеспечивающие линейность реконструкции формы поверхности и корректное вычисление статистических параметров ее профиля.

5. Предложены многолучевые схемы триангуляционного зондирования свободной поверхности вращающейся жидкости, позволяющие проводить измерения при расширенном диапазоне угловых скоростей вращения, а также оригинальный метод адаптивного управления световыми пучками, минимизирующий погрешности измерений в условиях вариаций регулярной составляющей кривизны поверхности.

6.Разработаны оригинальные методы определения диаметра кристалла, выращиваемого из высокотемпературного расплава, инвариантные к вариациям угловой скорости вращения расплава и его уровня, основанные на пассивной и активной оптической триангуляции, цифровой обработке изображений, предложенных неитерационных методах оценивания параметров аппроксимирующей окружности.

7.Впервые исследовано явление параллакса изображения выращиваемого кристалла в методе Чохральского, формируемого оптической проекционной системой. Путем компьютерного моделирования исследована структура изображения, выявлены зависимости параллакса от вариаций технологических параметров процесса выращивания и геометрии ростовой установки, определено его влияние на метрологические характеристики оптико-цифровой системы контроля геометрии кристалла.

8.Предложенные методы контроля, основанные на принципах фурье-оптики, использованы при создании промышленных образцов высокопроизводительных СТЗ: лазерного голографического контрольного устройства и лазерного контрольного автомата, обеспечивающих возможность многоканального (до 5 каналов) контроля размеров движущихся изделий с производительностью более 1000 изделий/мин при погрешности измерений до 0.01 мм.

9.Разработана СТЗ для контроля процесса выращивания монокристаллов кремния, входящая в состав цифрового управляющего комплекса ЦУК, включающая оптические системы измерения уровня расплава (диапазон измерений 0-40 мм, погрешность - 0.1 мм, допустимая угловая скорость вращения расплава - 10 об/мин), диаметра кристалла (диапазон измерений 0 - 260 мм, погрешность - 0.2 мм) и температуры расплава. Разработаны методики и алгоритмы измерений, калибровки и статистической обработки данных, программное обеспечение и эксплуатационная документация.

10. Для интеллектуальной автоматической ростовой установки нового поколения 221УМК090 и управляющего ей цифрового комплекса ЦУКМ разработаны многолучевые лазерные триангуляционные датчики уровня, алгоритмы и методики их калибровки и проведения измерений, программное обеспечение, эксплуатационная документация. Технические характеристики датчиков: диапазон измерений ±20 мм, погрешность - 0.1 мм, допустимая угловая скорость вращения расплава - 18 об/мин.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Михляев, Сергей Васильевич, Новосибирск

1. 3D лазерные информационные технологии / отв. ред. П.Е. Твердохлеб. -Новосибирск : ЗАО ИПП "Офсет", 2003. 550 с.

2. А.с. 1125468 СССР, МКИ G 01 В 9/00. Устройство для размерного контроля изделий / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй. № 2799248/25-28; заявл. 18.07.79; опубл. 23.11.84, Бюл. №43, 1984.

3. А.с. 1185080 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Устройство для измерения размеров изделий / Е.Н. Богомолов, В.В. Вертопрахов, С.В. Михляев, JI.B. Фино-генов, Ю.В. Чугуй. № 3648660/24-28; заявл. 30.09.83; опубл. 15.10.85, Бюл. №38, 1985.

4. А.с. 842402 СССР, МКИ G 01 В 11/02. Устройство для допускового контроля размеров изделий / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй. № 2804196/25-28; заявл. 01.08.79; опубл. 30.06.81, Бюл. № 24, 1981.

5. Аблеков В.К. Оптическая и оптоэлектронная обработка информации / В.К. Аблеков, П.И. Зубков, А.В. Фролов. М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

6. Автоматизированная система управления установкой для выращивания монокристаллов кремния / Д.В. Булавский, В.Е. Зюбин, Н.Н. Карлсон, В.О. Криворучко, В.В. Миронов // Автометрия. 1996. - № 2. - С. 26-33.

7. Автоматический контроль геометрических параметров колесных пар во время движения поезда / А.Н. Байбаков, В.М. Гуренко, В.И. Патерикин, С.П. Юношев, С.В. Плотников, В.В. Сотников, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 2004. -Т. 40, №5.-С. 94-103.

8. Антошин В.Д. Система автоматического контроля геометрических размеров объектов с использованием датчиков изображений на ПЗС / В.Д. Антошин, И.П. Кагановский, Е.В. Костюков // Электрон, пром-сть. 1981. - № 2.1. С. 18-20.

9. Ахманов С.А. Физическая оптика: учебник для вузов / С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. 2-е изд. - М. : Изд-во МГУ, Наука, 2004. - 654 с.

10. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава / Х.С. Багдасаров. М. : Физматлит, 2004. -160 с.

11. Барт М.А. Измерение диаметра калибрующего отверстия алмазных волок методом лазерной дифрактометрии / М.А. Барт, А.В. Тараненко, А.А. Ханонкин // Измерит, техника. 1980. - № 12. - С. 21-22.

12. Белоусов П.П. Оптическая диагностика поверхностных волновых структур вращающихся сред / П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов, Ю.Н. Дубнищев // Автометрия. 2000. - № 5. - С.84-92.

13. Белоусов П.П. Регистрация динамической волновой структуры на поверхности вращающейся жидкости / П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов, Ю.Н. Дубнищев // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25, вып. 14. - С.85-89.

14. Богомолов Е.Н. Быстродействующее оптическое контрольно-измерительное устройство / Е.Н. Богомолов, В.В. Вертопрахов, Ю.В. Чугуй, В.П. Юношев //Измерительная техника. -1985. № 11. - С. 22-23.

15. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. М.: Наука, 1970. - 856 с.

16. Боровиков В.К. Геометрическая теория дифракции / В.К. Боровиков, Б.Е. Кинбер. М.: Связь, 1978. - 248 с.

17. Бычков P.M. Измерение параметров резьбы методами когерентной оптики / P.M. Бычков, В.П. Коронкевич, Ю.В. Чугуй // ОМП. 1977. - № 11. - С. 50-55.

18. Василенко Г.И. Топографические распознающие устройства / Т.П. Василенко, JI.M. Цибулькин. М. : Радио и связь, 1985. - 312 с.

19. Вертопрахов В.В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений / В.В. Вертопрахов // Автометрия. 1995. - № 6. - С. 64 - 68.

20. Вертопрахов В.В. Оптико-цифровая система промышленного контроля / В. В. Вертопрахов, С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй, В.П. Юношев // Автометрия. 1983. -№ 4. - с. 53-59.

21. Вертопрахов В.В. Оптическое преобразование изображений в оптико-цифровой системе промышленного контроля / В.В. Вертопрахов, С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 1983. - № 4. - С. 59-64.

22. Вертопрахов В.В. Метод многоточечного структурного освещения для трехмерных измерений / В.В. Вертопрахов, В.В. Крикливый // Распознавание образов и анализ изображений (РОАИ-4-98) : труды межд. кон. Ч. II. - Новосибирск : ИАиЭ СО РАН, 1998. - С. 9-13.

23. Вертопрахов В.В. Оконтуривание бинарных объектов в частично когерентном полихроматическом свете / В.В. Вертопрахов // Автометрия. 1989. - № 5. - С. 60-73.

24. Волков Е.В. Исследование влияния ширины зондирующего пучка на по-грешноть измерения триангуляционных систем / Е.В. Волков, С.В. Плотников //Автометрия. 1997. - № 2. - С. 19-25.

25. Воробьева Е.Ф. Об информативности корреляционного анализа в проблеме голографического распознавания образов / Е.Ф. Воробьева, Д.И. Ми-ровицкий, Г.В. Переверзев // Проблемы голографии : межвуз. сб. научн. тр. -М. : МИРЭА, 1974. Вып. 4. - С. 102-132.

26. Гибин И.С. Влияние нелинейности фотоматериала на качество гологра-фической записи массива двоичной информации / И.С. Гибин. Е.Ф. Пен // Оптические устройства для хранения и обработки информации: сб. науч. тр. -Новосибирск, ИАиЭ СО РАН, 1974. С. 88-101.

27. Голубев И.В. Повышение точности триангуляционных измерений с использованием структурированного освещения / И.В. Голубев, С.В. Плотников // Автометрия. 1999. - № 1. - С. 38-47.

28. Горелик C.JL Телевизионные измерительные системы / C.JI. Горелик, Б.М. Кац, В.И. Киврин. М. : Связь, 1980. - 169 с.

29. Грибов М.Г. Определение геометрических параметров объектов по растровым изображениям / М.Г. Грибов, В.М. Хачумов // Автометрия. 2001. -№ 1. - С. 40-49.

30. Громилин Г.И. Итерактивный графический терминал "Планшет" / Г.И. Громилин, Н.Н. Карлсон // Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ : матер, всес. конф. Новосибирск : ИАиЭ СО АН СССР, 1977. - С. 147-149.

31. Гудмен Д. Введение в Фурье-оптику / Д. Гудмен. М. : Мир, 1970.-364 с.

32. Дифракционные решетки с порядками одинаковой интенсивности / С.Т. Бобров , Б.Н. Котлецов, В.И. Минаков, Ю.Г. Туркевич // Голографические измерительные системы : сб. научн. тр. / под ред. А.Г. Козачка. Новосибирск : НЭТИ, 1973. - Вып. 2. - С. 123-129.

33. Журавлев А.Н. Допуски и технические измерения / А.Н. Журавлев. 7-е изд., испр. - М.: Высш. школа, 1981. - 255 с.

34. Зверев В.А. К вопросу об использовании источников некогерентного белого света в схемах пространственной фильтрации изображений / В.А. Зверев, А.И. Хилько, А.В. Шишарин // Автометрия. 1978. - № 2. - С. 108-117.

35. Зверев В.А. Радиооптика (преобразования сигналов в радио и оптике) -М.: Сов. Радио, 1975. 304 с.

36. Зензин А.С. Методы лазерного зондирования для диагностики процесса сгорания топлива в промышленных энергоустановках / А.С. Зензин, С.В. Михляев, Е.С. Нежевенко // Автометрия. 1995. - № 4. - С. 11-18.

37. Иваницкий Г.Р. Исследование микроструктуры объектов методами когерентной оптики / Г.Р. Иваницкий, А.С. Куниский. М. : Энергия, 1981.-168с.

38. Иванов А.Г. Измерительные приборы в машиностроении / А.Г. Иванов. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 495 с.

39. Иванова Г.К. Обработка двумерных сигналов и изображений оптическими некогерентными системами / Г.К. Иванова, В.Н. Ильина, Е.Ф. Орлов // Голография и обработка информации / под ред. С.Б. Гуревича. JI. : Наука, 1976.-С. 165-183.

40. Изготовление и исследование фазовых масок для устройств хранения и обработки информации / В.Я. Левин, И.С. Солдатенков, В.В. Солдатенкова, С.И. Соскин, Е.Ф. Пен // ОМП. 1978. - № 3. - С. 43-47.

41. Кижаев К.Н. Проекторы для двойного проецирования / К.Н. Кижаев // Измерительная техника. 1976. - № 11. - С. 19-20.

42. Киноформы. Оптическая система для синтеза элементов / В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, В.И. Наливайко, А.Г. Полещук Новосибирск : Ин-т автоматики и электрометрии СО РАН СССР, 1979. - Препринт № 99. - 40 с.

43. Коваленко А.В. Контроль деталей, обработанных на металлорежущихстанках / А.В. Коваленко . М. : Машиностроение, 1980. - 167 с.

44. Козлов О.А. Распознавание изображений в когерентно-оптических системах с применением контурных эталонов / О.А. Козлов, Е.С. Нежевенко, О.И. Потатуркин // Автометрия. 1976. - № 6. - С. 34-44.

45. Кольер Р. Оптическая голография / Р. Кольер, К. Беркхарт, JI. Лин. М. : Мир, 1973.-688 с.

46. Контроль размеров деталей сложной формы / И.С. Болдырева, В.А. Бу-торин, P.M. Бычков, В.И. Волков, Коронкевич В.П., Нежевенко Е.С. // Автометрия. 1976. - № 3. - С. 67-72.

47. Корн Г. Справочник по математике (для научных работников и инже-ненров) / Г. Корн, Т. Корн М. : Наука, 1978. - 832 с.

48. Коронкевич В.П. Оптико-геометрический метод расчета дифракции Фраунгофера на объемных телах / В.П. Коронкевич, Б.Е. Кривенков, С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 1980. - № 2. - С. 25-35.

49. Кривенков Б.Е. Качественное оконтуривание двумерных теневых изображений /Б.Е. Кривенков, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 1979. - № 1.-С.ЗЗ-44.

50. Крупп Н.Я. Оптико-механические измерительные приборы / Н.Я. Крупп. М., Л.: Машгиз, 1962. - 276 с.

51. Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении / К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, А.С. Митрофанов . Л. : Машиностроение, 1978 .-335 с.

52. Кудрявцев В.А. Анализ метрологических возможностей когерентно-оптического метода контроля формы сложных поверхностей / В.А. Кудрявцев, В.И. Шанин, B.C. Шапов // ОМП. 1978. - № 11. - С. 8-10.

53. Лазерная дифрактометрия оптических и механических свойств эритроцитов / С.С. Бессмельцев, А.В. Лендяев, Ю.А. Скворцова, В.А. Тарлыков // Оптический журнал. 2000. - Т. 67. - № 4. - С. 47-51.

54. Лазерные триангуляционные датчики положения в промышленных системах контроля и диагностики / А.Н. Байбаков, В.И. Ладыгин, А.И. Пасту-шенко, С.В. Плотников, Н.Т. Тукубаев, С.П. Юношев // Автометрия. 2004.2.-Т. 40.-С. 105-113.

55. Лазерный контрольно-измерительный автомат / Ю.В. Анциферов, В.В. Вертопрахов, С.В. Михляев, И.С. Солдатенков, Н.Г. Соловьев, В.А. Федоров, Л.В. Финогенов, Ю.В. Чугуй // ОМП. 1989. - № 4. - С. 32-36.

56. Лемешко Ю.А. Дифракционный метод измерения диаметров круговых отражающих цилиндров / Ю.А. Лемешко, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 2005.- № 6. С. 3-12.

57. Лизунов В.Д. Бесконтактный метод измерения малых линейных размеров / В.Д. Лизунов // Измерительная техника. 1976. - № 2. - С. 37-40.

58. Лизунов В.Д. Метрологическое обеспечение средств контроля малых линейных размеров / В.Д. Лизунов // Измерительная техника. 1980. - № 12. -С. 19-21.

59. Мерц Л. Интегральные преобразования в оптике : пер. с англ. / Л. Мерц .- М.: Мир, 1969.- 181 с.

60. Мировицкий Д.И. Автоматическое установление признаков расхождения у нескольких сравниваемых объектов одного класса / Д.И. Мировицкий, А.П. Пичугин, В.И. Шанин // Проблемы голографии: межвуз. сб. научн. тр. М. : МИРЭА, 1973. - Вып. 2. - С. 236-241.

61. Мировицкий Д.И. Голографический способ определения признаков отличия между сравниваемыми образами / Д.И. Мировицкий, А.П. Пичугин, В.И. Шанин // Радиотехника и электроника. 1975. - Т. 20, № 6. - С. 1171-1176.

62. Митрофанов А.С. Анализ возможностей дифракционных способов измерения диаметров проводов и волокон / А.С. Митрофанов // Метрология. -1976.-№2. -С. 19-23.

63. Митрофанов А.С. Влияние положения щели в гауссовом пучке на точность определения ее размера по дифракционной картине Фраунгофера / А.С. Митрофанов, В.А. Тарлыков // Вопросы квантовой электроники : труды ЛИТМО. Л. : ЛИТМО, 1978. - Вып. 5. - С. 50-54.

64. Митрофанов А.С. Исследование дифракционного способа контроля проводов и волокон / А.С. Митрофанов, В.А. Тарлыков // Изв. вузов. Приборостроение. 1976, № 1. - С. 104-108.

65. Митрофанов А.С. Лазерные дифракционные измерители и их применение в промышленности / А.С. Митрофанов, В.А. Тарлыков. Л.: ЛДНТП, 1977.-28 с.

66. Митрофанов А.С. Оптико-электронное устройство контроля геометрических размеров микропроводов и волокон / А.С. Митрофанов // Применение оптико-электронных приборов в измерительной технике. М. : МДНТП, 1973.-С. 130—131.

67. Михляев С.В. Анализ оптических триангуляционных систем измерения профиля зеркальной поверхности / С.В. Михляев // Автометрия. 2005. - Т. 41, №4.-С. 78-91.

68. Михляев С.В. Аппроксимация окружности при измерении диаметра кристалла / С.В. Михляев // ЖВТ. 2007. - Т. 12, № 1. - С. 61-71.

69. Михляев С.В. Исследование неитерационного метода наименьших квадратов для оценивания параметров аппроксимирующей окружности / С.В. Михляев // ЖВТ. 2008. - Т. 13, № 5. - С. 41 - 50.

70. Михляев С.В. Корреляционный метод допускового контроля размеров изделий с использованием расщепляющих фильтров / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй //Автометрия. 1981. - № 1. - С. 70-74.

71. Михляев С.В. Обработка спектральной информации в многоволновой пирометрии / С.В. Михляев, Ю.Д. Мухин, Е.С. Нежевенко // Автометрия.1998.-№1.-С. 39-46.

72. Михляев С.В. Оперативное изменение параметров мультиплицирования изображений средствами Фурье-оптики / С.В. Михляев // Автометрия. 1985. - № 5. - с. 50-56.

73. Михляев С.В. Оценка параллакса изображения мениска выращиваемого кристалла / С.В. Михляев // Оптический журнал. 2008. - Т. 75,№ 1.-С.66-70.

74. Михляев С.В. Погрешности измерения лазерного триангуляционного дальномера при зондировании наклонной зеркальной поверхности / С.В. Михляев // Датчики и системы. 2007. - № 4. - С. 11-14.

75. Михляев С.В. Применение методов оптической триангуляции для измерения уровня расплава при выращивании кристаллов / С. В. Михляев // Автометрия. 2003. - Т. 39, № 5. - С.30-41. .

76. Михляев С.В. Спектральный метод допускового контроля размеров объектов / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Применение методов оптической обработки информации и голографии / под ред. С.Б. Гуревича, В.К. Соколова. JI. : ЛИЯФ, 1980.-С. 141-145.

77. Михляев С.В. Спектральный метод контроля размеров изделий на основе биполярных фильтров по интенсивности / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 1980. - № 2. - С. 43-59.

78. Михляев С.В. Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности / С.В. Михляев // Автометрия. 2001. - № 1. - С. 67-74.

79. Михляев С.В. Экспериментальное исследование методов лазерной диагностики процесса сгорания топлива в энергоустановках / С.В. Михляев, Ю.Д. Мухин, Е.С. Нежевенко // Автометрия. 1996. - № 2. - С. 3-12.

80. Михляев С.В., Чугуй Ю.В. Оперативное формирование полей допусков при контроле формы изделий / С.В. Михляев, Ю.В. Чугуй // Автометрия.1979.-№ 1.-С. 24-33.

81. Михляев С.В.Информационные характеристики изображения зоны кристаллообразования в методе Чохральского / С.В. Михляев, О.И. Потатуркин // Автометрия. 2008. - Т. 44, № 6. - С. 35-48.

82. Назаров В.Н. Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов / В.Н. Назаров, А.Е. Линьков // Оптический журнал. 2002. - Т. 69, № 2. - С. 76-81.

83. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский. -М. : Наука, 1978. 543 с.

84. Оптико-электронная система для контроля размеров деталей сложной формы / P.M. Бычков, В.Г. Марченко, С.В. Михляев, Е.С. Нежевенко, О.И. Потатуркин, Н.Г. Соловьев. Новосибирск : Ин-т автоматики и электрометрии СО РАН СССР, 1980. - Препринт № Ю9. - 20 с.

85. Оптико-электронная система для контроля размеров отверстий в ситах / Д.Н. Бондарь, А.В. Буданцев, Э.Л. Емельянов, Ю.В. Обидин, К.В. Петухов // Автометрия. 2003. - Т. 39, № 5. - С.53-61.

86. Оптическая обработка информации / Под ред. Д. Кейсесента. М. : Мир,1980.-352 с.

87. Оптические методы измерения размеров элементов топологического рисунка БИС и СБИС / В.В. Волков, Л.Л. Герасимов, В.В. Капаев, В.В. Ларионов, А.В. Раков //Микроэлектроника. 1980. - Т. 9, вып. 6. - С. 554-563.

88. Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении / Ю.В. Коломийцев, И.И. Духопел, А.И. Инюшин, И.В. Артемьев. М. : Машиностроение, 1964. - 255 с.

89. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике / А. Папулис. -М. : Мир, 1971.-496 с.

90. Патент 2261298 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке / С.В. Михляев. № 2003131547/15; заявл. 27.10.2003; опубл. 10.04.2005, Бюл. № 27.

91. Патент 22633165 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке / С.В. Михляев. № 2004108511/15; заявл. 22.03.2004; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30.

92. Патент 2281349 РФ, МПК С 30 В 15/26. Способ измерения уровня расплава при выращивании кристаллов / С.В. Михляев. № 2004119121/15; заявл. 23.06.2004; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22.

93. Полоник B.C. Телевизионная автоматика / B.C. Полоник. M.-JI. : Энергия, 1970. -79 с.

94. Полоник B.C. Телевизионные автоматические устройства / B.C. Полоник. М.: Связь, 1974. - 216 с.

95. Получение профилированных монокристаллов и изделий способом Степанова / П.И. Антонов и др.. Л., Наука, 1981. - 280 с.

96. Потатуркин О.И. Обобщенный спектральный анализ изображений с использованием силуэтных фильтров / О.И. Потатуркин, П.Е. Твердохлеб, Ю.В. Чугуй // Автометрия. 1973. - № 5. - С.3640.

97. Потатуркин О.И. Применение совмещенных фотоприемников для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов / О.И. Потатуркин, П.А. Чубаков, А.В. Яковлев // Автометрия. 2000. - № 6. - С. 88-93.

98. Применение лазеров / Под ред. М. Росса. М. : Мир, 1974. - 445 с.

99. Применение методов Фурье-оптики / Под ред. Г.Старка. М. : Радио и связь, 1988. - 535 с.

100. Применение позиционно-чувствительных фотоприемников в триангуляционных системах размерного контроля динамических объектов / А.Н.

101. Байбаков, К.И. Кучинский, С.В. Плотников, Е.А. Титова // Автометрия. -2005.-№6.-С. 53-61.

102. Промышленные применения лазеров / Дж. Реди. М. : Мир, 1981.-640с.

103. Процессы роста и выращивание монокристаллов / Под ред. Н.Н. Шеф-таля. М. : Изд. иностр. лит., 1963. - 530 с.

104. Пшеницин Ю.П. Настольные проекторы / Ю.П. Пшеницин // Машиностроитель. 1976. - № 11. - С. 45-46.

105. Резник A.JI. Быстродействующие алгоритмы оценивания неизвестных параметров камеры и автоматический поиск сопряженных точек в задачах космического стереовидения / A.JI. Резник, К.Ю. Мокин // Автометрия. -2000. -№ 2. С. 3-14.

106. Саркин В.И. Современные оптико-механические измерительные проекторы /В.И. Саркин. М. : Стандартгиз, 1962. - 116 с.

107. Соловьев Н.Г. Дифракционный коррелятор для допускового контроля размеров с инверсной выходной характеристикой // Н.Г. Соловьев // Автометрия. 1981. - № 1. - С. 89-94.

108. Сороко JI.M. Основы голографии и когерентной оптики / JI.M. Сороко. -М.: Наука, 1971.-616 с.

109. Строук Дж. Введение в когерентную оптику и голографию / Дж. Стро-ук. М. : Мир, 1967. - 348 с.

110. Стюард И.Г. Введение в фурье-оптику / И.Г. Стюард. М. : Мир, 1985.- 182 с.

111. Суминов В.М. Телевизионный измерительный автомат «СТАРК» / В.М. Суминов, М.Н. Гольдберг, А.А. Гребнев // Техника кино и телевидения. 1976.-№ 3. - С. 53-56.

112. Тарлыков В.А. Дифрактометрия микроотверстия круглой формы приналичии огранки контура / В.А. Тарлыков // Известия вузов. Приборостроение. 2000. - Т. 43. - № 1-2. С. 103-109.

113. Тарлыков В.А. Контраст дифракционной картины / В.А. Тарлыков // Оптика и спектроскопия. 2003. - Т. 94, № 2. - С. 246-249.

114. Татарченко В.А. Устойчивый рост кристаллов / В.А. Татарченко. М. : Наука, 1988.-240 с.

115. Техническое зрение роботов / В.И. Мошкин, А.А. Петров, B.C. Титов, Ю.Г. Якушенков. -М. : Машиностроение, 1990. -272 с.

116. Технология полупроводникового кремния / Э.С. Фалькевич и др.. М. : Металлургия, 1992. - 408 с.

117. Титова Е.А. Исследование погрешности бинокулярного триангуляционного метода контроля технических поверхностей / Е.А. Титова, А.Н. Байбаков, С.В. Плотников // Автометрия. 2005. - Т. 41, № 6. - С. 40-44.

118. Торочков В.И. Тенденции развития оптических средств измерений / В.И. Торочков //Измерительная техника. 1978. - № 10. - С. 70-71.

119. Уоткинс Л.С. Использование пространственной фильтрации интенсивности для контроля фотомасок интегральных схем / Л.С. Уоткинс // ТИИЭР. 1969. - Т. 57, № 9. - С. 189-195.

120. Установка для непрерывного технологического контроля величины зазора электрических машин / В.А. Мордвинов, Б.С. Волков, В.Б. Ровенский,

121. B.Б. Филейкин // Механизация и автоматизация производства. — 1974. № 8.1. C. 16-17.

122. Франсон М. Оптика спеклов / М. Франсон. М. : МИР, 1980. - 176 с.

123. Цивинский С.В. Применение теории капиллярных явлений к получению изделий заданной формы непосредственно из расплава по методу Степанова / С.В. Цивинский // Инженерно-физический журнал. 1962. - Т. 5, №9. - С. 59-65.

124. Чугуй Ю.В. Оптическая обработка сигналов с помощью силуэтных фильтров / Ю.В. Чугуй // Оптические устройства для хранения и обработки информации: сб. науч.тр. -Новосибирск : ИАиЭ СО АН СССР, 1974.-С.48-52.

125. Шанин В.И. Исследование возможности оптической согласованной фильтрации для контроля геометрии деталей в точном приборостроении / В.И. Шанин // ОМП. 1982. - Т. 7. - С. 15-17.

126. Шанин В.И. Методы оптической согласованной фильтрации в точном приборостроении / В.И. Шанин, О.В. Шанин // Журнал радиоэлектроники Электронный ресурс. 2000. - № 6. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/junOO

127. Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания / Ю.М. Шашков. М.: Металлургия, 1982. - 310 с.

128. Шляхтенко П.Г. Особенности дифракционного контроля геометрических параметров чулочного трикотажа / П.Г. Шляхтенко // Оптический журнал. 2004. - Т. 71, № 11. - С. 89-93.

129. Шляхтенко П.Г. Дифракционный метод контроля геометрических параметров спиральной нити / П.Г. Шляхтенко // Оптика и спектроскопия. -2000.-Т. 88, № 1.-С. 116- 121.

130. Шляхтенко П.Г. Дифракционный метод контроля геометрической структуры ткани по ее изображению / П.Г. Шляхтенко, Н.Н. Труевцев // Известия вузов. ТТП. 2003. - № 4. - С. 19-24.

131. Шляхтенко П.Г. Дифракционный метод контроля изгиба нитей в текстильных полотнах / П.Г. Шляхтенко // Оптический журнал. 2000. - Т. 67, № 12. - С. 21-26.

132. Шляхтенко П.Г. Использование дифракционного метода для контроля геометрических параметров структуры трикотажного полотна / П.Г. Шляхтенко, Н.Н. Труевцев // Оптический журнал. 2002. - Т. 69, № 5. - С. 76-79.

133. Шляхтенко П.Г. Исследование Фраунгоферовой дифракции монохроматического света на крученой нити / П.Г. Шляхтенко // Оптика и спектроскопия. 1999. - Т. 86, № 5. - С. 815-819.

134. Шляхтенко П.Г. Исследование фраунгоферовой дифракции на движущейся крученой нити / П.Г. Шляхтенко // Оптический журнал. 2001. - Т. 68, № 10. - С. 17- 23.

135. Щелкин Ю.Ф. Определение формы жидкого столбика при выращивании монокристаллов методом Чохральского из расплава со свободной поверхностью / Ю.Ф. Щелкин // Физика и химия обработки материалов. 1971. - № 3. - С. 29-33.

136. Юу Ф.Т.С. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию / Ф.Т.С. Юу. М. : Советское радио, 1979. - 303 с.

137. Яковлев А.В. Особенности применения широкополосных приемников излучения в пирометрах спектрального отношения / А.В. Яковлев // Автометрия. 2004. - № 4. - С. 44-49.

138. A robust technique for matching two uncalibrated images through the recovery of the unknown epipolar geometry / Z. Zhang, R. Deriche, O. Faugeras, Q. Lu-ong // Artificial Intelligence. 1995. - Vol. 78, N. 1. - P.87-119.

139. An electronic device including a TV-system for controlling the ciystal diameter during czochralski growth / K.J. Gartner, K.F. Rittinghaus, A. Seeger, W. Uelhoff//Journal of Crystal Growth. 1972, Vol. 13-14. - P. 619-623.

140. Application of stereo imaging for recognition of crystal surface shapes / V. Kasparian, C. Batur, W.M.B. Duval, B.N. Rosenthal, N.B. Singh // Journal of Crystal Growth. 1994. - Vol. 141, N. 3-4. - P. 455-464.

141. Asada H. The curvature primal sketch / H. Asada, M. Brady // IEEE Trans, on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1986. - Vol. 8, N. 1. - P. 2-14.

142. Bachmann K.J. Programmed Czochralski growth of metals / K.J. Bachmann,

143. H.J. Kirsch, K.J. Vetter // Journal of Crystal Growth. 1970, Vol. 7, N. 3. - P. 290-295.

144. Bardsley W. The weighing method of automatic Czochralski crystal growth : I. Basic theory / W. Bardsley, D.T.J. Hurle, G.C. Joyce // Journal of Crystal Growth. 1977. - Vol. 40, N. 1. - P. 13-20.

145. Bareket N. An optical comparator for evaluation of fine sieves / N. Bareket, E.W. Poluianov, F.P. Mancini // J. Test, and Eval. 1979. - Vol. 7, N. 6. - P. 344-347.

146. Baribeau R. Influence of speckle on laser range finders / R. Baribcau, M. Rioux // Appl.Opt. -1991. Vol. 30, N. 20. - P. 2873 - 2878.

147. Bayer R. Analysis of erythrocyte flexibility by means of laser diffraction: effects of mechanical stress, photosensitation and ozone / R. Bayer, S. Caglayan, J. Moser//Proc. SPIE. 1993. - Vol. 1884. - P. 291-302.

148. Bayer R. Analysis of erythrocyte flexibility by means of laser diffraction: rigidification due to defined shearing / R. Bayer, G. Wolf // Proc. SPIE. 1992. -Vol. 1981.-P. 26-37.

149. Bayer R. Discrimination between orientation and elongation of RBC in laminar flow by means of laser diffraction / R. Bayer, S. Caglayan, B. Gunther // Proc. SPIE. 1994. - Vol. 2136. - P. 105-113.

150. Beaudet P.R. Rotational invariant image operators / P.R. Beaudet // Proc. of the Fourth Int. Conf. on Pattern Recognition, Kyoto, Japan. 1978. - P. 579-583.

151. Bessis M. A diffractometric method for the measurement of cellular deform-ability / M. Bessis, N. Mohandas // Blood cclls. 1975. - V.l, N. 2. - P. 307-313.

152. Birch K.G. A spatial frequency filter to remove zero frequency / K.G. Birch // Opt. Acta. 1968. - Vol. 15, N. 2. - P. 113-127.

153. Bogaert N.V. Dynamic global simulation of the Czochralski process. I. Principles of the method / N.V. Bogaert, F. Dupret // Journal of Crystal Growth. -1997. Vol. 171, N. 1. - P.65-76.

154. Bogdanov M.V. Industrial challenges for numerical simulation of crystal growth / M.V. Bogdanov, D.Kh. Ofengeim, A.I. Zhmakin // Central European Journal of Physics. 2004. - Vol. 2, N. 1. - P. 183-203.

155. Brady M. Corner detection for 3D vision using array processors / M. Brady,

156. H. Wang // Computer vision: specialized processors for real-time image analysis : Workshop proceedings. Barcelona, Spain, 1991. - P. 91-102.

157. Bryngdahl O. Image formation using self-imaging techniques / O. Bryng-dahl // JOSA. 1973. - Vol. 63, N. 4. - P. 416-419.

158. Canny J. A computational approach to edge detection / J. Canny // IEEE Trans, on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1986. - Vol. 8, N. 6. - P. 679-698.

159. Characterization and control of threedimensional objects using fringe projection techniques / P. Benoit, E. Mathieu, J. Hormiere, A.Thomas // Nouv. Rev. Op-tique. 1975. - Vol. 6, N. 2. - P. 67-86.

160. Chen L.-C. Miniaturized 3D surface profilometer using digital fringe projection / L.-C. Chen, C.-C. II. Chen // Meas. Sci. Technol. 2005. - Vol. 16, N. 5. - P. 1061-1068.

161. Chernov N. Least squares fitting of circles / N. Chernov, C. Lesort // Journal of Mathematical Imaging and Vision. 2005. - Vol. 23. - P. 239-251.

162. Chien S. Principles and techniques for assessing erythrocyty deformability / S. Chien // Blood cells. 1977. - Vol. 3. - P. 71-99.

163. Chugui Y.V. Quasi-geometrical method for Fraunhofer diffraction calculations for three-dimensional bodies / Y.V. Chugui, V.P. Koronkevitch, B.E. Krivenkov, S.V. Mikhlyaev // J. Opt. Soc. Am. 1981. - Vol. 71, N. 4. - P. 483-489.

164. Chugui Yu.V. High-frequency filtered images of an optically thick edge / Y.V. Chugui, V.A. Sokolov // J. Opt. Soc. Am. A 1998. - Vol. 15, N. 3. - P.611-621.

165. Chugui Yu.V. Optical dimensional metrology for 3D objects of constant thickness / Yu.V. Chugui // Measurement. 2001. - Vol. 30, N. 1. - P. 19-31.

166. Coleman N.J. High-speed profile measurement with electro-optics / N.J. Coleman, F.R. Reich // Optical Engineering. 1976. - Vol. 15, N. 1. - P. 44-47.

167. Deriche R. Recovering and characterizing image features using an efficient model based approach / R. Deriche, T. Blaszka // Proc. of the International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. New-York, 1993. - P. 530-533.

168. Design of a large depth of view three-dimensional camera for robot vision /

169. M. Rioux, G. Bechthold, D. Taylor, M. Duggan // Optical Engineering. 1987. -Vol. 26, N. 12. - P. 1245-1250.

170. Dew G.D. The application of spatial filtering techniques to profile inspection, and an associated interference phenomenon / G.D. Dew // Optica Acta. -1970. Vol. 17, N. 4. - P. 237-257.

171. Dremel W. Triangulation with large dynamical range / W. Dremel, G. Hausler, M. Maul // Optical Techniques for Industrial Inspection / Ed. by P.G. Cielo. Proc. SPIE. - 1986. - Vol. 665. - P. 182-187.

172. Engel A. Additional filters enhancing the sensitivity of an optical correlator / A. Engel //Appl. Opt. 1973. - Vol. 12, N. 4. - P. 743-748.

173. Fink W. A coherent-optical method for measuring fibra diameters / W. Fink, W. Schneider // Optica Acta. 1974. - Vol. 21, N. 2. - P. 151—155.

174. Freeman H. A corner finding algorithm for chain code curves / H. Freeman, L.S. Davis // IEEE Trans, on Computers. 1977. - Vol. 26, N. 3. - P. 297-303.

175. Gevelber M. Modelling requirements for development of an advanced Czochralski control system / M. Gevelber, D. Wilson, N. Duanmu // Journal of Crystal Growth. 2001. - Vol. 230, N. 1. - P. 217-223.

176. Global simulation of the CZ silicon crystal growth up to 400mm in diameter kg / K. Takano, Y. Shiraishi, J. Matsubara, T. Iida, N. Takase, N. Machida, M. Kuramoto, H. Yamagishi // Journal of Crystal Growth. 2001. - Vol. 229, N. 1. -P. 26-30.

177. Gorecki C. Classification of rough surfaces: comparison between two hybrid optical coherent processors / C. Gorecki // Optics and Laser Technology. 1989. -Vol. 21,N. 2.-P. 117-122.

178. Gorecki C. Optical classification of machined metal surfaces by Fourier spectrum sampling / C. Gorecki // Wear. 1990. - Vol. 137, N. 2. - P. 287-298/

179. Gorecki C. Optical sizing by Fourier transformation / C. Gorecki // J. Opt (Paris). 1989. - Vol. 20, N. 1. - P. 25-29.

180. Gorecki C. Rough surfaces classification through power spectral density sampling / C. Gorecki, P. M. Duffieux // J. Opt. (Paris) 1989. - Vol. 20, N. 5, P.193.200.

181. Growth of silicon crystal with a diameter of 400mm and weight of 400 kg / Y. Shiraishi, K. Takano, J. Matsubara, T. Iida, N. Takase, N. Muchida, M. Kuramoto, H. Yamagishi // Journal of Crystal Growth. 2001. - Vol. 229, N. 1. -P. 17-21.

182. Gupta S.V., Sen D. Dark-field (diffrimoscopic) images of periodic objects (Partially coherent illumination) / S.V. Gupta, D. Sen // Opt. Acta. 1972. - Vol. 19,N. 2.-P. 137-154.

183. Gupta S.V. Dark-field (diffrimoscopic) images of periodic objects (Coherent illumination) / S.V. Gupta, D. Sen // Opt. Acta. 1972. - Vol. 19, N. 2. - P. 125-136.

184. Harris C.G. A combined corner and edge detector / C.G. Harris, M. Stephens //Proc. of the Forth Alvey Vision Conference. Manchester, UK, 1988 - P. 147-151.

185. Hausler G. Physical limits of 3D-sensing / G. Hausler, J. Herrmann // Optics, illumination, and image sensing for machine vision VII / Ed. By D. J. Svet-koff. Proc. SPIE. - 1992. - Vol. 1822. - P. 150 - 158.

186. Hurle D.T.J. Analytical representation of the shape of the meniscus in Czochralski growth / D.T.J. Hurle // Journal of Crystal Growth. 1983. - Vol. 63, N. l.-P. 13-17.

187. Hurle D.T.J. Control of diameter in Czochralski and related crystal growth techniques / D.T.J. Hurle // Journal of Crystal Growth. 1977. - Vol. 42. - P. 473-482.

188. Image improvement in high-resolution electron microscopy using holographic image dcconvolution / G.W. Stroke, M. Halioua, F. Thon, D. Willasch // Optic. 1974. - Vol. 41. - P. 319-343.

189. Indebetouw G. Applications of optical processing techniques to the quality control of micromechanics / G. Indebetouw // Appl. Opt. 1977. - Vol. 16, N. 7. -P. 1944-1950.

190. Indebetouw G. Automatic screw identification using spatial filtering / G. Indebetouw // Rev. Sci. Instrum. 1977. - Vol. 48, N. 5. - P.547-549.

191. Indebetouw G. Optical Processing Techniques in the Quality Control of Micromechanics / G. Indebetouw, T. Tschudi, J. Steffen // Appl. Opt. 1978. - Vol.17,N. 6.-P. 911-916.

192. Indebetouw G. Profile measurement using projection of running fringes / G. Indebetouw // Appl. Opt. 1978. - Vol. 17, N. 18. - P. 2930-2933.

193. Indebetouw G. Quality control of small mechanical pieces using optical correlation techniques / G. Indebetouw, T. Tschudi, G. Herziger // Appl. Opt. 1976. -Vol. 15,N. 2.-P. 516-522.

194. Infrared TV system of computer controlled Czochralski crystal growth / D.F O'Kane, T.W Kwap, L Gulitz and A.L Bednowitz // Journal of Crystal Growth. -1972, Vol. 13-14. P. 624-628.

195. Johansen Т.Н. An improved analytical expression for the meniscus height in Czochralski growth / Т.Н. Johansen // Journal of Crystal Growth. 1994. - Vol. 141,N. 3-4.-P. 484-486.

196. Johansen Т.Н. On the theory of the weighing method for automatic ciystal shape control in czochralski growth / Т.Н. Johansen // Journal of Crystal Growth. -1987. Vol. 80, N. 2. - P. 343-350.

197. Johansen Т.Н. The weight gain signal in Czochralski crystal growth / Т.Н. Johansen // Journal of Crystal Growth. 1992. - Vol. 118, N. 3-4. - P. 353-359.

198. Kao K.C. Coherent light scattering measurements on single and cladded optical glass fibres / K.C. Kao, T.W. Davies, R. Worthington // The Radio and Electronic Engineer. 1970. - Vol. 39, N. 2. - P. 105-111.

199. Kitchen L. Gray-level corner detection / L. Kitchen, A. Rosenfeld // Pattern Recognition Letters. 1982. - Vol. 1, N. 2. - P. 95-102.

200. Kochsiek M. Anwendung beugungsoptischer methoden zur messung der durchmesser von kleinen wellen / M. Kochsiek, H. Kunzmann, J. Tantau // PTB-Mitteilungen. 1977. - Vol. 87, N. 4. - P. 279-282.

201. Koedam M. Determination of small dimensions by diffraction of laser beam / M. Koedam // Philips technical review. 1966. - Vol. 27, N. 7. - P. 208-210.

202. Kozik V.I. Monitoring of monocrystal diameter in growing vessel / V.I. Kozik, E.S. Nejevenko // Automation, control, and applications : Proc. of the Second IASTED Int. Multi-Conf. Automation, Control and Information Technology

203. ACIT 2005), June 20-24, Novosibirsk, Russia / Ed.: Yu.I. Shokin, O.I. Potaturkin. Anaheim etc.: ACTA Press, 2005. - P.59-62.

204. Landau U.M. Estimation of a circular arc center and its radius / U.M. Landau // Computer Vision, Graphics and Image Processing. 1987. - Vol. 38. - P. 317-326.

205. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement / M.-C. Amann, T. Bosch, M. Lescure, R. Myllyla, M. Rioux // Opt. Eng.2001.-Vol. 40, N. l.-P. 10-19.

206. Lawson W.D. Preparation of single crystals / W.D. Lawson, S. Nielsen. -London : Butterworths Scientific Publications, 1958. 255 p.

207. Mallik-Goswami B. Detecting Defects in Fabric with Laser-Based Morphological Image Processing / B. Mallik-Goswami, A.K. Datta // Textile Research Journal. 2000. - Vol. 70, N. 9. - P. 758-762.

208. Marquardt D.W. An Algorithm for Least Squares Estimation of Nonlinear Parameters / D.W. Marquardt // J. Soc. Indust. Appl. Math. 1963. - Vol. 11, N. 2. -P. 431-441.

209. Measurement of cylindrical objects through laser telemetry: application to a new forest caliper / M. Demeyere, E. Dereine, C. Eugene, V. Naydenov // IEEE Trans, on Instrumentation and Measurement. 2002. - Vol. 51, N. 4. - P. 645-649.

210. Medioni G. Corner detection and curve representation using cubic Bsplines /

211. G. Medioni, Y. Yasumoto // Computer Vision, Graphics and Image Processing. -1987. Vol. 39, N. 3. - P. 267-278.

212. Mika K. Shape and stability of Menisci in czochralski growth and comparison with analytical approximations / K. Mika, W. Uelhoff // Journal of Crystal Growth. 1975. - Vol. 30, N. 1. - P. 9-20.

213. Mikhlyaev S.V. 3D sensing of a nonstationary surface / S.V. Mikhlyaev // Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN '99) / Ed. by Ichirou Yamaguchi. Proc. SPIE. - 1999. - Vol. 3740. - P. 582-585.

214. Mikhlyaev S.V. A computer vision system to control the process of crystal growth / S.V. Mikhlyaev, E.S. Nejevenko // Pattern Recognition and Image Analysis. 1999. - Vol. 9, N. 1. - P.156-158 .

215. Mikhlyaev S.V. High-precision triangulation sensing of mirror surface / S.V. Mikhlyaev // Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001) / Ed. by Koichi Iwata. Proc. SPIE. - 2001. -Vol. 4416. - P. 400-403.

216. Mikhlyaev S.V. Influence of a tilt of mirror surface on the measurement accuracy of laser triangulation rangefinder / S.V. Mikhlyaev // Journal of Physics: Conference Series. 2006. - Vol. 48. - P. 739-744.

217. Mikhlyaev S.V. Laser triangulation systems for sensing mirror surface / S.V. Mikhlyaev // Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life. Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4900. - P. 519-524.

218. Mikhlyaev S.V. Method for measuring the diameter of a growing crystal / S.V. Mikhlyaev // Pattern Recognition and Image Analysis. 2005. - Vol. 15, N. 4.- P. 690-693.

219. Mikhlyaev S.V. Multiwave pyrometry based on the signal-discrimination theory / S.V. Mikhlyaev, E.S. Nejevenko // Pattern Recognition and Image Analysis. 1999. - Vol. 9, N. 1. - P. 159-160.

220. Mikhlyaev S.V. Optical systems for melt level measurement in the process of crystal growth / S.V. Mikhlyaev // Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life. Proc. SPIE. - 2002. - Vol. 4900.-P. 586-591.

221. Mikhlyaev S.V. Subpixel localization of the singular points in images on the basis of the gradient operators / S.V. Mikhlyaev // Pattern Recognition and Image

222. Analysis.-2001.-Vol. 11,N. 1. P. 222-225.

223. Moravec H.P. Towards automatic visual obstacle avoidance / H.P. Moravec // Proc. of the Fifth International Joint Conference on Artificial Intelligence, Cambridge, MA, 1977 / Ed. by R. Reddy. William Kaufmann, 1977. - Vol. 2. - P. 584-590.

224. Munoz Rodriguez J.A. Asundi A. Depth object recovery using a light line and a regression neural network / J.A. Munoz Rodriguez, R. Rodriguez-Vera, A. Asundi // Optica Applicata. 2005. - Vol. XXXV, N. 2. - P.295-309.

225. New laser rangefinder for three-dimensional shape measurement of specular objects / M. Baba, K. Ohtani, M. Imai, T. Konishi // Opt. Eng. 2001. - Vol. 40, N.l. - P.53-60.

226. On the hot-zone design of Czochralski silicon growth for photovoltaic applications / L.Y. Huang, P.C. Lee, C.K. Hsieh, W.C. Hsu, C.W. Lan // Journal of Crystal Growth. 2004. - Vol. 261, N. 4. - P. 433-443.

227. Physical modeling of the melt flow during large-diameter silicon single crystal growth / L. Gorbunov, A. Pedchenko, A. Feodorov, E. Tomzig, J. Virbulis, W.V. Ammon // Journal of Ciystal Growth. 2003. - Vol. 257, N.l. - P. 7-18.

228. Producing of tolerance gaps by spatial filtering / S.V. Mikhlyaev, Yu.V. Chugui, I.S. Soldatenkov, T.V. Gurtova // Optica Applicata. 1981. - Vol.11, N. 1. -P. 169-182.

229. Pry or T.R. Diffractographic dimensional measurement. Part 1: displacement measurement / T.R. Pryor, O.L. Hageniers, W.P.T. North // Appl. Opt. 1972. -Vol. 11,N. 2.-P. 308-313.

230. Pryor T.R. Diffractographic dimensional measurement. Part 2: profile measurement / T.R. Pryor, O.L. Hageniers, W.P.T. North // Appl. Opt. 1972. - Vol. 11, N. 2.-P. 314-318.

231. Real-time 3D profile measurement using structured light / L. Xu, Z.J. Zhang, H. Ma, Y.J. Yu // Journal of Physics: Conference Series. 2006. - Vol. 48. - P. 339-343.

232. Real-time fault detection on textiles using opto-electronic processing / S.

233. Ribolzi, J. Merckle, J. Gresser, P.E. Exbrayat // Textile Research Journal. 1993. -Vol. 63, N. 2.-P. 61-71.

234. Rohr K. Recognizing corners by fitting parametric / K. Rohr // Int. Journal of Computer Vision. 1992. - Vol. 9, N. 3. - P. 213-230.

235. Schaffer G. A new look at inspection / G. Schaffer // Amer. Mach. 1979. -Vol. 123,N. 8.-P. 103-126.

236. Schmid C. Comparing and evaluating interest points / C. Schmid, R. Mohr,

237. C. Bauckhage // Proc. of the 6th International Conference on Computer Vision, Bombay, India. 1998. - P. 230-235.

238. Shulman A.R. Optical data processing / A.R. Shulman. New York : Wiley, 1970.-710 p.

239. Smith S.M. SUSAN a new approach to low level image processing / S.M. Smith, J.M. Brady // Int. Journal of Computer Vision. 1997. - Vol. 23, N. 1. - P. 45-78.

240. Spagnolo G.S. Diffractive optical element-based profilometer for surface inspection / G.S. Spagnolo, D. Ambrosini // Opt. Eng. 2001. - Vol. 40, N. 1. - P. 44-52.

241. Spath H. Least-squares fitting by circles / H. Spath // Computing. 1996. -Vol. 57, N. 2. - P. 179-185.

242. The meniscus in Czochralski growth / W. Bardsley, F.C. Frank, G.W. Green,

243. D.T.J. Hurle // Journal of crystal growth. 1974. - Vol. 23, N. 4. - P. 341-344.

244. Tschudi T. Particle size analysis using computer-synthesized holograms / T. Tschudi, G. Herziger, A. Engel // Appl. Opt. 1974. - Vol. 13, N. 2. - P. 245-248.

245. Vaskov S.T. Relaxation method of searching for conjugate points in stereo-images / S.T. Vaskov, S.V. Mikhlyaev // Pattern Recognition and Image Analysis. -2001.-Vol. 11, N. 1. P. 260-262.

246. Visualization and computational steering of fluid motion in Czochralski crucibles during silicon crystal growth / F. Schafer, V. Kumar, M. Breuer, F. Durst // International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2005, Vol. 19, N. 7. - P. 501-515.

247. Watt A.H. 3D computer graphics / Alan H. Watt. Third edition. - Massachusetts : Addison-Wesley, 2000. - 570 p.

248. West P. One line gauge for wire and fibre diameter measurement / P. West // Meas. and Contr. 1974. - Vol. 7, N. 2. - P. 45-46.

249. Yang J.H. Studies on 3-Dimensional Measurement Using Multi-Images / J.H. Yang, Q. Zhao // Journal of Physics: Conference Series. 2006. - Vol. 48. - P. 393-397.

250. Zeng L. Two-directional scanning method for reducing the shadow effects in laser triangulation / L. Zeng, H. Matsumoto, K. Kawachi // Meas. Sci. Technol. -1997. Vol. 8, N. 3. - P. 262-266.

251. Zhang Z. Parameter estimation techniques: a tutorial with application to conic fitting / Z. Zhang // Image and Vision Computing. 1997. - Vol. 15, N. 1. -P. 59-76.