Выделение пространственных неоднородностей в оптических полях, рассеянных на технологически обработанных поверхностях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Проскурин, Дмитрий Константинович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Воронеж
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
гго оа
18 д:к »
ПРОСКУРИН ДМИТРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ
ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ОПТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ, РАССЕЯННЫХ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
01.04.03- РАДИОФИЗИКА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Воронеж 2000
Работа выполнена в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии на кафедре "Автоматизации технологически? процессов"
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор В.Г. Хромых
Официальные оппоненты
-доктор физико-математических наук, профессор Э.К. Алгазинов
-кандидат физико-математических наук, доцент Г.А. Захаренко
Ведущая организация
Московский государственный техни ческий университет им. Н.Э. Баумана
Защита состоится "7" декабря 2000 г. в " /6 " час." СЮ " мин. на за седании диссертационного совета Д 063.48.06 в Воронежском госу дарственном университете по адресу:
394693, г.Воронеж, Университетская пл. 1, ВГУ Физический факуль тет, ауд. Юоч^) £ п.О
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского го сударственного университета.
Автореферат разослан " Л. Ио&Ь^Я_2000 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета ///
Маршаков В.К.
I Общая характеристика работы
| Актуальность работы.
Теоретические аспекты оптических принципов контроля поверхно--ей связаны с решением дифракционной задачи на случайном ампли-гдно —фазовом транспаранте. В то время как для статистически однород-,тх рассеивающих поверхностей существуют хорошо разработанные ана- ' ггаческие методы анализа структуры рассеянных полей (метод возмуще-:ш Релея, метод Кирхгоффа) в зависимости от характера шероховатостей 1ссеивателя, влияние поверхностных дефектов на результирующие спек-ш рассеяния (СР) изучены слабо. Прежде всего, это связано с невоз-ожностью описания процессов рассеяния на поверхностях с дефектами включительно в рамках корреляционно—спектральной теории ввиду их невидной нестационарности. Аддитивное представление результирующей эверхности с дефектом по аналогии с представлением смеси сигнал-шум в юрии обработки информации не позволяет адекватно моделировать про-гсс модуляции подсвечивающей волны таким результирующим рассеива-;лем из-за нарушения геометрии дефекта при его сложении с подсти-нощей поверхностью. В свою очередь, только аппликатнвное представле-ие процессов рассеяния на подстилающей поверхности и на дефекте не эзволяет учитывать эффекты когерентности, возникающие при взаимо-2ЙСТВИИ волн, рассеянных от соответствующих частей рассеяивателя. •актор когерентности может оказывать существенное влияние на резуль-лрующие спектры рассеяния в случае трендовых и "коротких" дефектов.
Присутствие дополнительно амплитудной модуляции волны на грубом ассеивателе, обусловленное непостоянством коэффициента отражения фенеля для больших углов наклона граней рассеивателя также усложняет зализ результирующих спектров рассеяния.
Отдельный интерес представляют исследования изменения структуры ассеянных полей, например, их корреляционных свойств и распределения нтенсивности, с изменением расстояния от контролируемой поверхности, настоящее время методы контроля в основном ориентированы на обра-этку спектров рассеяния в дальней волновой зоне. Вместе с тем анализ груктуры рассеянных полей в ближней волновой зоне и дальше, показы-1ет ряд преимуществ при их использовании в качестве входного сигнала в »дачах обнаружения и оценки дефектов.
Экспериментальные методы исследования процессов рассеяния на оверхности с дефектами затруднены ввиду технических сложностей по одготовке образцов с точно выполненной геометрической структурой де-1екта и статистиками подстилающей поверхности.
Наряду, с изучением влияний свойств ТОП и дефектов на структуру ассеянных полей, построение систем дистанционного контроля требует ешения вопросов, связанных с выбором методов обработки пространст-гнных сигналов рассеяния и оценки эффективности таких методов.
Практическая актуальность темы обусловлена необходимостью кон-эоля качества поверхностей изделий .получаемых после различных техно-эгических операций в ряде современных производств. Жесткие ограни-ения, по времени накладываемые на операцию получения информации о эстоянии поверхностей, являются определяющими в выборе физических ринципов дистанционного контроля качества. При этом существует необ-
ходимость в оценке как статистических характеристик контролируем1 поверхности в делом, так и обнаружения и оценки параметров присутс вующих дефектов. Информация такого рода может быть использована д. принятия решения о дальнейшей обработке изделия, его отбраковке или каналах обратной связи систем управления режимами процессов получ ния контролируемых поверхностей.
Материал изложенный выше, обуславливает актуальность темы ди сертационной работы.
Целью работы является разработка оптоэлектронных методов выд ления пространственных неоднородностей оптических полей рассеяннь на технологически обработанных поверхностях в реальном времени. Для достижения поставленной цели решались следующие. задачи. 1.Проводился анализ влияния состояния ТОП, а так же их поверхностнь дефектов на структуру рассеянных волн оптического диапазона в ра личных дифракционных приближениях; 2.Определялись формы представления пространственных сигналов рассе ния от поверхности с дефектами для обнаружения и оценки на их оси! ве параметров локальных неоднородностей;
3.Разрабатывались методы пространственной обработки сигналов рассе: ния от контролируемых поверхностей с дефектами в ближней, промеж точной и дальней волновых зонах формирования рассеянных полей;
4.Синтезировались квазиоптимальные пространственные фильтры на х. рактерный параметр сигналов рассеяния, соответствующие различны типам дефектов.
5.0ценивалась эффективность предлагаемых методов обработки простра]
ственных сигналов рассеяния. Методы проведения исследования. При решении задач, поставленных диссертации, использовались:
• аналитические и вычислительные методы современного математическо! аппарата статистической радиофизики и оптики;
• теория систем обработки информации;
• скалярный аппарат теории процессов рассеяния оптических электрома нитных волн в различных дифракционных приближениях;
• компьютерное моделирование процессов рассеяния на случайных одно двумерных поверхностях;
• экспериментальные исследования рассеяния когерентных оптически волн на ТОП с дефектами различной грубости;
Научная новизна. На защиту выносятся новые результаты, впервь. достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоягце работе:
1.Формы распределения полей, рассеянных на ТОП с различными типам локальных неоднородностей методами корреляционно-спектрально! анализа процессов рассеяния;
2. Аналитическая модель трансформации рассеянных полей с расстояние
от поверхностей различной грубости с дефектами; З.Численный синтез моделей нормальных профилей и изотропных ил анизотропных случайных поверхностей с заданными корреляционным и дисперсными свойствами;
Синтез пространственные (фильтров квазиоптамизированных па характерный параметр сигналов рассеяния, анизотропных в том числе, соответствующих различным типам поверхностных дефектов, и оценка их эффективности; рактическая ценность работы.
Полученные аналитические зависимости между скоростью трансформации рассеянных полей с расстоянием и степенью грубости ТОП могут быть положены в основу принципиально новых методов дистанционного контроля качества поверхностей, не требующих дорогостоящих устройств в отличие от существующих оптоэлектронных систем реального времени;
На основе найденных соотношений между спектрами рассеяния подстилающих поверхностей и различных типов дефектов, а также предлагаемых методов квазиоптимизации соответствующих пространственно-частотных фильтров, число обрабатывающих каналов систем дистанционной контроля может быть сокращено без заметного проигрыша в отношении сигнал-шум на выходе таких устройств;
Результаты анализа эффективности применения динамически программируемых модуляторов оптических волн в различных плоскостях формирования сигналов рассеяния могут быть использованы при разработке оптоэлектронных систем дистанционного контроля реального времени, ориентированных как па пространственно-спектралыгую обработку рассеянных полей, так и на конволюционную обработку в ближней волновой зоне относительно подстилающей поверхности.
еалпзацпя научных результатов. Результаты диссертационной работы ыли использованы: при проведении исследований по оценке возможностей дистапционного контролякачества кремниевых пластин с эпитаксиальным напылением в рассеянном свете~на заводе по производству полупроводниковой техники "Электроника" (Воронеж);
при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы (договор № 5С-98/СК) по теме "Разработка автоматической системы управления для лазерной резки", где для анализ качества реза была разработана система дистанционного контроля поверхности, основанная на предлагаемых в работе методах; Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IX International Conference Laser—Assisted Microtechnology (LAM-2000, St.Petersburg, Russia, 2000);
Международная научно-техническая конференция "Авиация XXI века" (Воронеж, 1999);
Всероссийская научно —техн. конф. "Совершенствование наземного обеспечения авиации" (Воронеж, 1999);
III научно —техн. конференция "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии." (Н. Новгород, 1997); Всероссийская научно—техн. конф. "Компьютерные технологии в соединении материалов" (Тула, 19Э8);
• Международная научно —техн. конф. секция: Научно —технически проблемы в области стекла и стеклокристаллических материало (Белгород, 1997);
• Научно —техн. конф."Современные проблемы сварочной науки и те: ники" (Воронеж, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, сш сок которых приведен в конце автореферата, и одна рукописная работ (заключительный отчет по НИР).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит \ введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Р. бота содержит 180 страниц основного текста, включая 66 рисунков, 1 Tat лицу, список литературы из 97 наименований и 5 страниц приложений.
Консультирование по проведению анализа состояния технологическ обработанных поверхностей, в частности кромок стекла после лазерно1 термораскалывания проводилось профессором Воронежского государс венного архитектурно — строительного университета A.C. Орловым.
Содержание работы
Во введении к диссертации обосновывается актуальность рабоп кратко формулируются цель и задачи исследования и приводятся основнь положения, выносимые на защит}'.
В первой главе проводится сравнительный анализ дифракционнь теорий Кирхгоффа и Релея-Райса процессов рассеяния (ПР) примен: тельно к случайным поверхностям разной степени грубости. Показано с ществование простой зависимости между распределением интенсивност рассеянного поля в дальней волновой зоне и пространственным спектре гладких поверхностей. Одновременно указаны проблемы, связанные с он санием соотношений между структурой спектров рассеяния и статистич скими характеристиками грубых ТОП по критерию Релея. Проведен обзс существующих физико-математических моделей ПР на поверхностях с д фектами, а также технических реализаций методов дистанционного ко троля качества поверхностей в рассеянном свете. На основании данно материала в общем виде ставится задача обработки рассеянных полей i предмет обнаружения дефектов поверхности в контексте подходов стат стической радиофизики и оптики к обработке информации. Критичеа сравниваются аналоговые, цифровые и гибридные методы обработки пр странственных сигналов рассеяния.
Во второй главе работы основное внимание уделяется переводу аи лиза рассеяния оптических волн из теории процессов рассеяния в пре метную область обработки пространственных сигналов современными ъ тодами статистической радиофизики и оптики. При этом ПР на поверх!: ста рассматриваются как источник полезной информации в задаче диета ционного контроля качества ТОП и как шумовая компонента при разр ботке методов обнаружения поверхностных дефектов в рассеянном свете
Связь между распределением рассеянного ноля F? в плоскости расстоянии Z и рассеивателем £,(х,у), принимается в параксиальном фракционном приближении Кирхгоффа и имеет вид:
(1)
-со-ос
2 2
е (х, у)-множитель Френеля; к = -волновое число; юрдинатные системы рассеивателя и плоскости наблюдения рассеянного >ля; Ьх,Ьу -размеры подсвечивающего участка; 6,-угол падения подсве-шающей волны ;0г-угол рассеяния волны
х = со.5-0ф -¿¡пО,-).ау = -к(со$- сох6,)
пространственные частоты;
анное выражение отображает амплитудно-фазовую модуляцию подсве-шагощей волны контролируемой поверхностью. Численный анализ ам-штудной компоненты выражения (1) для рассматриваемых в работе по-;рхностей (кромки стекла после лазерного термораскалывания — грубая эверхность, кремневые пластины с эшггаксиальным напылением—глад-ш поверхность) позволяет пренебречь абсорбцией световой волны на та-ях объектах н считать ПР чисто фазовыми.
Ввиду отсутствия в настоящее время фазовых приемников оптиче-их сигналов промышленного применения, интерес представляет иссле-вание распределения спектра интенсивности рассеянных полей, ориен-рованного на использование квадратичных детекторов. Для фазовой час: выражения (1) после ряда упрощении, не влияющих на адекватность •ображения физики ПР, можно записать:
ч2
Г Г А л. \_____(» л \\
^. (2)
и.
1,е ( )— обозначает усреднение по ансамблю, что для эргодического про-гсса позволяет проводить пространственное усреднение, Лх — раз-остныс координаты для стационарного в широком смысле случайного роцссса по соответствующим направлениям; ^¿- — корреляционная функ-ия рассеивателя; О^ —дисперсия рассеивателя С,.
Анализ выражения (2) для предельных случаев состояния технологией обработанных поверхностей когда выполняются следующие условия:
Га-п-гг \2 ^ 4тгс г соя в:
сох О
«1(3),
/
«1(4).
\е выражение (3) характеризует гладкий рассеиватель, а выражение (4) — эубый рассепватель, позволил представить распределение соответствую-щх спектров интенсивности в виде:
(2п ^
1г
иодсветки;
Ы) =
10г
1- г ' 4с-
где /0 — мощность дексы бз и гэ обозначают гладкую и грубую поверхности. Переход к одной пространственной координате в выражениях (5),(6) подразумевает изотропный случай рассеи-вателя. Данные выражения подтверждают теорему Ван-Циттерта-Цернике, отображающую связь между распределением интенсивности на некотором расстоянии и корреляционными свойствами фазы волны в начальной координате ее распространения (в непосредственной близости от модулирующей поверхности). Для гладких поверхностей эффективная ширина спектра рассеяния Дм обратно пропорциональна корреляционной длине , а для грубых—пропорциональна в
личине его среднего наклона граней = Таким образом, можл
считать СР от грубых ТОП широкополосными, а от гладких узкополосными. Формы представления спектров интенсивности в (5),(6) < контролируемых поверхностей позволяют в дальнейшем использовать их качестве описания шумовой компоненты при синтезе квазиоптимальнь пространственных фильтров.
Исследования структуры большинства ТОП показывают их аниз тропный и локально анизотропный характер, обусловленный наличием н правленных периодических структур или различием составляющих корр ляционного вектора 1Х & Iу. В связи с этим необходима сепарабельная х направлениям модель спектров рассеяния:
Рис. 1 Схема амплитудно фазовой мо дуляции волны элементарным участ ком случайного рассеивателя.
кЩ
:10е
I
4Пг
(
Исследована возможность использования вероятностной модели Г на грубых ТОП. Переходя в этом случае к частотной форме записи фаз. вой модуляции в выражении (1):
где (х) — производная рельефа поверхности и рассматривая п-ю грань утлом наклона как источник частотной составляющей
тектра рассеяния, последний можно рассматривать как подобие функции ^роятности распределения наклонов граней с учетом достаточной для тектрального усреднения длины исследуемого профиля Ь. Принимая ормальную форму распределения наклонов граней р(С,') приходим к вы-ажению (6).
Переход к вероятностной модели ПР на грубых ТОП позволил полу-ггъ простое аналитическое выражение эффекта асимметрии оптических ¡ектров рассеяния при не нулевых углах наклона подсветки 0,. Проводя 1збиение всего рассеивателя на два класса участков (рисунок 1) в соот-ггствии со знаком их производной, можно заключить, что энергия поля, »ссеянного на классах граней 1, больше, чем энергия рассеянная на гра-тх класса 2.
N¡2 №
2>1>
(10)
1олагая, что элементарные плоские волны от отр и ц ат ельн о го и оложительного классов граней распространяются в разные олуалоскости относительно зеркальной оси, приходим к асимметрии птического спектра рассеяния. При этом происходит в основном силение высокочастотной пространственной составляющей оптического олуспектра соответствующего положительному классу, и ослабление птического полуспектра, соответствующего отрицательному классу, с юстом угла подсветки 9,. Из приведенных рассуждений, формально пектр рассеяния был представлен в виде
(/(<»)) =/о¿[«мв,- - (со, -о(П)
4С
де к - волновое число. Присутствие СО,- = лг,ч 9;/л, в отражает пространственное смещение спектра рассеяния на величину угла наклона подсветки. 1айденное пространственное смещение максимума спектра рассеяния из 11) имеет внд:
ш--—--(12)
Я1П{03,]
1з выражения (12) следует, что основное влияние на значение простран-:твенного смещения максимума энергетического спектра рассеяния окапывает величина среднего наклонов граней для грубого случая.
Подобным образом может учитываться влияние амплитудной моду-яции обусловленной зависимостью коэффициента Френеля от величины глов падения-рассеяния 9, - 95 на грубых ТОП:
(/(га)} = /Ок[соя 0, - (со, - со)(5ш0, -аяг)] ехр( ), (13)
4ц
где Я - комплексный коэффициент отражения, а-маснггабный коэффициент,
В третьей главе работы исследуется влияние поверхностных дефектов на структуру рассеянных полей. Рассматриваемые в работе дефекты разделены на две основные группы, случайные и с трендовой составляющей.
Для обоснования аппликативного представления рассеивателя с дефектом необходимо проанализировать влияние взаимной когерентности элементарных участков (подстилающей поверхности и дефекта). Показано, что для абсолютно гладкого рассеивателя, разбитого на N равных участхох длины Д, сложение соответствующих элементарных спектров рассеяни; необходимо проводить с учетом фазовых множителей, обусловленные сдвигом участков относительно начала координат.
/ 1 , , \2 Г 1 , , Л2 N
2л[АЗк Е.
л2
2
+ 4
е 2"' Л У^сол(соАД)Л/Я. (1'
V
/(с>)=ЛГ.
к
где Мк — N — к ~ количество элементарных участков, расстояние межд;
которыми Лк, Е, -амплитуда подсветки. Следует отметить, что выбор раз
мера Л элементарного А-го участка при такой модели результирующей спектра рассеяния практически не влияет на его точность.
На ТОП поверхностей выбор размера элементарного участка опреде ляется корреляционной длиной (гладкий случай) или величиной средней наклона граней (грубый случай). Для рассматриваемых в работе ТОП с де фектами принимаются следующие соотношения между размерами подсти лающей поверхности, обусловленными площадью подсветки и ее углом на клона, опорными размерами дефекта и их статистическими характеристи ками:
Ь»Ьа, /<-»/„, ^¡«^ (1
Таким образом, в результирующих спектрах рассеяния /г при апплике тивном представлении рассеивателя с дефектом, влиянием взаимной коге рентности можно пренебречь и записать их в виде:
-2
Н
где Цг — характерный параметр подстилающей поверхности пропорцис нальный 1г или , соответственно для гладкого и грубого случая подсп лающей поверхности, Хд — спектр рассеяния дефекта.
Из соотношений (15),(16) следует как возможность углового раздел! ния частей результирующего спектра рассеяния соответствующих подсп лающей поверхности и дефекту, так и усиление высокочастотной пр< странственной составляющей спектра рассеяния от дефекта.
Вместе с анализом структуры рассеянных полей в дальней волновс зоне их формирования в диссертационной работе проведены исследован? по изучению влияния состояния ТОП на структуру рассеянных полей
жней зоне и в зоне Френеля. Это обосновано двумя причинами Вонер-с, экспериментальные результата показывают связь между скоростью нсформацни интенсивности рассеянных полей с расстоянием от рас-вателя и его характерным параметром, что позволяет разработать щципиально новый метод реального времени определения характери-к ТОП. Вовторых, в контексте задачи обнаружения дефектов по их сигам рассеяния представляется целесообразным проводить обработку сеянных полей в ближней волновой зоне и зоне Френеля, в случаях, ко-необходима информация о координатах обнаруженных дефектов.
На основе корреляционно-спектрального анализа процессов рассея-1 на ТОП был разработан метод обобщенной корреляционной функции, лючающийся в нахождении для каждого члена, входящего в выражение корреляционной функции. Интенсивность рассеянного поля в общем с учетом множителя Френеля и сложной структурой подсветки, по
1ЛОП1И с (2), может быть представлена (изотропный случай): 2
(4 \кА (17)
л
з Кл — корреляционная функция амшштуды подсветки, К1 — рреляционная функция фазовой составляющей подсветки, а,-дисперсия
дсветки. — корреляционная функция множителя Френеля,
ображающая изменение кривизны фронта рассеянной волны с расстоя-:ем от поверхности, 1ф = 2:¡к. Принимая подсветку однородной и коге-
■нтиой в фазовом отношении, из (17) показано, что полное подавление южителя Френеля для случайных ТОП различной грубости наступает 1И выполнении следующего условия по удалению от поверхности:
(18)
л,
о соответствует приближению Фраунгофера дифракции на ограничен->м отверстии плоской волны при замене характерного параметра по-рхности на линейный размер дифракционной апертуры /, в (18). Из вы-[Жения (18) следует, что скорость формирования оптических спектров с ¡сстоянием от более грубых поверхностей больше, чем от более гладких, >дтверждая тем самым результаты экспериментов.
Вместе с тем, распределение рассеянной интенсивности от подсти-ющей поверхности в ближней и около ближней волновых зонах имеет вномерный характер, в то время как спектр рассеяния от более грубого фекта качественно формируется на таких дистанциях.
Численное моделирование процессов рассеяния на ТОП с дефектами условлено следующими причинами. Вопервых, переход к подсветке уз-ми пучками, соизмеримыми с опорными размерами дефектов, усиливает эфекты когерентности при аппликативном представлении рассеянных лей от рассеивателя с дефектом, что проблематично учесть в рамках рреляционно-спектрального анализа. Вовторых, оценка амплитудной со-
С,
а)
со
тАл*
ставляющей модуляции подсвечивающей ф
волны грубыми ТОП так же крайне затруднительна в рамках корреляционно-спектрального анализа процессов рассеяния. В третьих, численное получение функций рассеянных полей от ТОП с дефектами в различных дифракционных приближениях позволяет отработать методы обнаружения и оценки параметров дефектов и оценить их эффективность без дополнительных затрат на проведение экспериментов.
Алгоритм численного синтеза гау-совых одномерных и двумерных случайных процессов с заданными дисперсными и корреляционными свойствами основан на применении быстрого преобразования Фурье к массиву амплитудно-фазового спектра, построенного следующим образом. Амплитудная огибающая спектра принимается релеевской, но ввиду разложения спектра на косшгусои-далыгую и синусоидальную компоненты, закон распределения данных компонент принимается нормальным. Фаза спектра распределяется равномерно на интервале 0..2я. Изменением эффективной ширины амплитудной огибающей спектра достигаются нужные корреляционные свойства синтезируемого процесса. Примеры спектров и синтезируемых на их основе случайных профилей приведены на рисунке 2. В двумерном случае построение двумерной гаусоиды с различной эффективной шириной по ортогональным направлениям приводит к синтезу анизотропной поверхности с необходимыми корреляционными свойствами по направлениям. Подобным образом синтезировались случайные дефекты, но с худшими корреляционными свойствам В качестве трендовых компонент использовались линии и поверхнос-первого и второго порядка (плоскости, эллипсы, конус, пирамиды).
Моделирование рассеянных полей в различных дифракционных пр ближениях на синтезированных поверхностях с дефектами проводилось соответствии с формулой (1). Предлагаемые численные модели структур рассеянных полей показывают хорошее совпадение с теорией процесс! рассеяния, а также с результатами экспериментов. Для гладких ТОП в; числяемые спектры рассеяния имеют малые угловые размеры с явно в: раженной зеркальной составляющей. От грубых ТОП спектры рассеян:
в)
^Л/
г)
Рис.2 а),в) амплитудно-фазо спектры одномерного проце б),г) случайные процессы, строенные по комплекс; спектрам;
г-
Рис. 3 Спектр от статистического гаусова дефекта (контур элипс). Зона Фраунгофера. ad = 5,4elO~*r cr( = 2.403е! О"41 IJ =Imk\i, = 1 l,irti<
Рис. 4 Спектр от статистического гаусова дефекта (контур элипс) на анизотропной ТОП. Зона Френеля. ad = 2.503с10"8, <г, = 2,403el0~*> ld =4мкм, /, - 11,ик.и-
аспределены в широком диапазоне углов рассеяния (до 30°). Спектры рас-зяния смещаются на величину пространственной несущей, обусловленной енулевым углом наклона подсветки 0,, и имеют асимметричное распреде-энне относительно зеркального направления в общем амплитудно->азовом случае модуляции подсветки поверхностью.
Численные исследования влияния поверхностных дефектов на струк-/ру рассеянных полей подтверждают усиление высокочастотной нро-гранственной составляющей сишалов рассеяния, а так же угловое разде-знне в оптических спектрах рассеяния частей соответствующих подсти-ающей поверхности и дефекту в случае их анизотропной структуры. Вме-ге с тем численно подтверждена различная скорость трансформации рас-гянных нолей с расстоянием от ТОП разной степени грубости. Примеры олученных численно распределений интенсивности рассеянных полей от ОП с дефектами приведены на рисунках 3, 4.
В четвертой главе работы разрабатываются методы квазиоптималь-ой обработки рассеянных полей от ТОП с дефектами на предмет обнаружения последних, обосновываются фазовые методы обнаружения коротких" и трендовых дефектов и предлагаются принципиальные схемы кстем дистанционного контроля качества на основе динамически про-эаммируемых модуляторов света (spatial light modulator SLM). Проводится овмещение теории процессов рассеяния на ТОП с теорией систем управ-ения.
Результаты, полученные в предыдущих главах работы, позволили ценить отношение сигнал-шум (SNR) сигналов рассеяния в различных «фракционных приближениях ПР, где в качестве сигнальной компоненты ыступает поле, рассеянное дефектом, а шумовой компонентой является оле, рассеянное от подстилающей поверхности. В качестве отношения кгнал-шум сигнала рассеяния принималось отношение средних интенсив-остей поля, рассеянного от дефекта Id и подстилающей поверхности / :
ЯМ =4:. (1?
1г
Для ближней зоны относительно подстилающей, где, как показано в третьей главе, спектр рассеяния дефекта сформирован, а шумовая компоненте имеет равномерный характер $N11 имеет вид:
(2(
Для дальней волновой зоны можно записать:
ЗЖ =-^- . (21
На основании рассуждений, приведенных выше по, зоне размещенш приемника можно выделить два основных метода обработки рассеянные полей на предмет обнаружения дефектов:
1. обработка в зоне качественного формирования оптических спектро] дефектов;
2. обработка в зоне формирования оптических спектров подстилающе! поверхности;
Для обработки сигналов рассеяния в дальней зоне предложены про странственно-частотные фильтры, квазиоитимизированные на широк« распространенные классы дефектов. Считая появление поверхностных де фектов из одного класса равновероятным, усредненный спектр рассеяни: для г -го класса можно представить как:
(2
и
где (о,Цт) — спектр рассеяния дефекта класса /, с вектором свойст
,ит, N — количество учитываемых при усреднении дефектов. В качеств оценки эффективности квазиоптимальной обработки исследовался прош рыш отношения сигнал—шум на выходе такого устройства в сравнении оптимальным так как эта величина определяет вероятностные характер» стики обнаружения. Запишем ее как:
у(и (2
ЗМШор ' 1
где ЗЛТ^ц,.- — отношение сигнал—шум на выходе квазиоптимального уст ройства, ЯУ/?^ — отношение сигнал—шум на выходе оптимальног фильтра. Выражения (23) отражает зависимость проигрыша от вектор свойств дефекта г -го класса.
В общем виде трендовый дефект с покрывающей компонентой пр! нимался в виде:
С, /„(*)• (2
\есь fd (х) —трендосая компонента дефекта, возможно, поддающаяся ункциопальной аппроксимации, 2,(.х") —случайная покрывающая жпонента со статистическими свойствами подстилающей поверхности, оответствующий спектр рассеяния принимался как
(25)"
V^J
i,e Fd (<в) — рассеянние соответствующее трендовой компоненте. Величина взмывания спектра рассеяния по (25) определяется характером шумовой омпоненты (гладкая, грубая) и функцией тренда.
Синтезированы квазиоптимальные пространственные фильтры на taie распространенные дефекты ТОП, как наклонная грань, параболиче-:ий дефект, хребтовый случайный дефект. Например, для дефекта-грани :
?,(*)=£(*)+«*- (26) пектр рассеяния дефекта можно представить как
= -cù)*Fd{f^, (27)
а,е 0)м -параметр m-ro дефекта, обусловленный наклоном грани аи. После екоторых упрощений (27) можно записать в виде:
(28)
I
i условиях грубой подстилающей поверхности оптимальный фильтр на ,ефект с а,„ наклоном грани может быть представлен
2 2 H0F (со) = ехр(-1-. (29)
Тогда квазиоптимальный фильтр (рисунок 6), усредненный на пространст-¡енную частоту наклона граней са :
2 — —2 тг / \ s® +2©К>-0) .
¡hoF (а) = ехР(-5-) ■ (30)
Троигрыш квазионтимальной обработки вычислялся численно по формуле:
S . (31)
q( = ----
*
I-
ехр( )dcù
0
Ввиду трудностей решения в общем виде (31) был проведен численный анализ данного выражения. Соответствующий график приведен на рисунке 5. Принимая десяти процентный диапазон отклонения утла наклона, что
со
о.е о; аа . о.з I 11 и
1 1 и
Рис. 6 Спектры рассеяния подстилающей поверхности и дефекта — грани: Б},21 . оптимальные фильтры
Рис. 5 Зависимость проигрышг фильтра квазиоптимизирован-ного на дефект —грань по среднему углу наклона последнего.
„ и нем у уж/уу
на разный наклон граниеи: и№ ( 4 и квазиоптимальный фильтр Н.а(.
определяет изменение параметра а>т в интервале 0.64..0.76 из графш видно, что казиоптамизация дает проигрыш 20% от оптимальной обрабо ки.
Наблюдается подобие кривых проигрыша рассмотренных варианте казиоптималышх фильтров. Это связано с тем, что во всех приведеннь случаях сигнал рассеяния от дефекта широкополосный в сравнении ( спектром рассеяния подстилающей поверхности. Потери отношения си нал— шум на выходе таких устройств происходят, когда ширина спект] сигнала начинает превышать верхнюю границу квазитоптимально фильтра. В идеале, при таком соотношении спектров шума и сигнала до таточно проводить высокочастотную фильтрацию с границей отсечки, ра ной эффективной ширине спектра рассеяния подстилающей поверхност Однако это приводит к необходимости использования пшрокоапертурнь обрабатывающих устройств, практически трудно реализуемых, с одновр менно высоким уровнем собственных шумов пропорциональным нлоща, устройства обработки. По этим соображениям использование предлагаем* полосовой обработки представляется обоснованным.
Другим обстоятельством приводящим к задаче квазиоптимальной о работки сигналов рассеяния является анизотропия спектров рассеяния к дефектов так и подстилающих поверхностей, что, в свою очередь, обуслс лено анизотропией геометрических свойств соответствующих участк рассеивателя. При этом от реализации к реализации подстилающей г верхностк и дефекта может меняться как направление "вытянутости" с ответствующих спектров рассеяния, так и величина их анизотропии.
Проведена оценка уменьшения SNR на выходе пространственнс фильтра, согласованного на определенный угол анизотропии сигнала ре сеяния от дефекта. Показано, что скорость увеличения проигрыша завис также от отношения среднего радиуса спектра дефекта к эффективн
ирике спектра рассеяния подстилающей поверхности ц^/ц^ , и выше в
>м случае, когда это отношение меньше.
Исследована возможность усредненной радиально —симметричной шпоненты фильтра при анизотропных свойствах подстилающей поверх-зсти и определены потери в отношении сигнал—шум, возникающих за 1ет неполного использования изотропной компонентой фильтра простран- ' гвенной структуры спектра рассеяния анизотропной подстилающей по-зрхности. Представим ее спектр рассеяния в полярной системе эординат:
2 f ( )
^ (wr ,ср) - /0r? 4 v , (32)
а,е (0г>ф —соответственно модуль и аргумент вектора пространственных астот, Гг — средний радиус спектра подстилающей поверхности
^ = ■ Or ~ показатель асимметрии дефекта 9г = atanfp^ Д^ ),
fr (о) = 2[со.?2 ф cos2 6С + sin2 фsin1 Oj. (33)
1Дя нахождения усредненной радиально-симметричной компоненты зильтра, вносящей некоторую квазиоптнма\ьность в фильтр, усредним по тлу ф выражение (33)
—, v г sinilQr)11? „2
= Jexpf-^rfaiÚJdy. (34)
о -
'огда отношение SNR на выходе фильтра с шумоподавляющей компонен-ой вида (34) имеет вид:
2 г 2f
SNRsof (0j= ^ ч U Г - ^ -&rd(or. (35)
itsinperf J J 5 )
0 0
[исленный анализ выражения (35) показывает, что с увеличением апизо-ропии подстилающей поверхности Эг возрастают потери в отношении игнал— шум при использовании радиальпо — симметричной шумоподав-яющего компоненты фильтра. При 0. = 45°, что соответствует изотроп-
ой подст!5лающей поверхности, квазиопгимальный фильтр обеспечивает птимальное подавление спектра рассеяния подстилающей поверхности. С остом анизотропии подстилающей поверхности предельные значения )ункции проигрыша стремятся к постоянной величине, зависящей от от-ошения среднего радиуса спектра рассеяния подстилающей поверхности
г и эффективной ширины спектра рассеяния дефекта
В ряде случаев спектры рассеяния дефектов сопровождаются боко-ыми флюктуациями на высоких пространственных частотах, что отражает изическую суть интерференции рассеянных воли на частично случайном
рассеивателе, в качестве которого выступает трендовый дефект. Для дан ного случая предлагаются фазовые фильтры и, в частности, бинарные фа зовые фильтры (ВРОР) с жесткой отсечкой спектра шумовой компоненты.
= (3
Показано, что структура всплеска на выходе ВРОР имеет боле концентрированный характер чем сигнал на выходе согласованног фильтра и превосходит его по энергии в нулевой координате выходно плоскости.
Из приведенных выше рассуждений и результатов сравнительно!4 анализа фазовых и классических оптимальных фильтров очевидна пер спективность использования фазовой, и в частности, бинарной фазово обработки широкополосных спектров рассеяния дефектов с волнообразно структурой на высоких пространственных частотах. Одновременно обно! ление экрана—транспаранта 51Л1 в реальном времени и возможность прс граммной реализации таких операций над функцией пропускания БЬМ ка поворот и масштабирование позволят реализовывать на их основе обрг ботку анизотропных спектров рассеяния.
В пятой главе работы представлены экспериментальные исследов; ния, подтверждающие теоретические и численные результаты по струк'п ре рассеянных полей от ТОП с дефектами, полученные ранее в работе.
На основании полученных в диссертационной работе результато: можно сделать следующие основные теоретические и практические выв< ды:
1. Структура спектров рассеяния определяется статистическими характ< ристиками рассеивающих поверхностей и может быть использована в к. честве информационного источника в системах дистанционного ко игр о/ качества ТОП, функционирующих в реальном масштабе времени. В час ности, для грубых ТОП (кромки стекла после термического разрушени: эффективная ширина спектров рассеяния определяется величиной сре, него наклона граней. Для гладких ТОП (кремниевых пластин с эпитаки альным напылением), спектры рассеяния зависят от своей корреляцио] ной длины. Спектры рассеяния позволяют определять наличие анизотр( пии исследуемой поверхности. Их асимметрия, обусловленная ненулевы углом подсветки и функционально связана с величиной среднего наклог граней для грубых ТОП.
2. Спектрально-корреляционный анализ скорости формирования спекгрс рассеяния с расстоянием от поверхности показывает определяющее за чение в этом процессе степени грубости рассеивателя (характерного и раметра), на основании чего может быть построен принципиально нови метод измерения качества ТОП.
3. Предлагаемая численная модель получения рассеянных полей от ТО различной структуры с локальными дефектами дает хорошее совпадет с известными теоретическими и практическими результатами теории П оптических волн. Одновременно на ее основе могут проводится числе] ные эксперименты по исследованию влияния дефектов различной стру туры на характеристики рассеянных полей, а также анализировать эс фективность методов обработки рассеянных полей на предмет обнаруж ния дефектов в различных дифракционных приближения ПР.
4. Сравнительная оценка по критерию сигнал—шум оптимальной и кваз: оптимальной обработки класса пространственных сигналов рассеяния, качестве которого выступают дефекты одной структуры с одновремеш различными значениями характерных параметров, показывает перспе тивность использования полосовых пространственных фильтров. Оцене! возможность использования усредненных пространственных фильтре при анизотропных спектрах рассеяния как подстилающей поверхност
к1К и дефекта. Показана эффективность фазовой обработки широкополосных спектров рассеяния дефектов с волнообразной структурой на высоких пространственных частотах.
Предложены принципиальные схемы обработки рассеянных полей в различных зонах формирования спектров рассеяния как дефектов, так и подстилающих поверхностей на основе современных динамически программируемых модуляторов света. Использование последних позволяют реализовать конволюционную систему обнаружения дефектов в зоне их • качественного формирования спектров рассеяния, где отношение сигнал-шум результирующего сигнала рассеяния невелико.
Зсновные результаты опубликованы в работах:
. Khromykh V.G., Orlov A.S., Proskurin D.K. Use of coherent illumination in letermination of surface macrogeometry. //Pattern récognition and image malysis. Vol. 8, № 3, 1998, p. 458-459.
!. Proskurin D.K., Khromykh V.G., Orlov A.S. Optoelectronic methods for de-ecting deiect oi a surface and estimation of their parameters by the use ol co-îerent illumination. /Proc of IX International Conférence Laser —Assisted Mi-:rotechnology (LAM-2000, St.Petersburg, Russia, 2000), p70-71. I. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Использование когерентной годсветки в определении макрогеометрии поверхности. //Всероссийская 1аучно —техн. конф: Распознавание образов и анализ изображений: новые шформационные технологии: Сборник статей. — Н. Новгород, 1997, с 315 — ¡18. .
L Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Обоснование использования фостранственного коррелятора при измерении макрогеометрии поверх-юсти стекла после лазерной резки. / Всероссийская научно —техн. конф: "овременные проблемы сварочной науки и техники. Тез. докл. —Воронеж 997, с 132-134.
¡. Хромых В.Г., Орлов Л..С., Проскурин Д.К. Обнаружение дефектов на рубой поверхности в отраженной электромагнитной волне оптического диапазона./ Всероссийская научно —техн. конф: Компьютерные технологи в соединении материалов. Тез. докл. —Тула 1998, с 92 — 93. i Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Измерение статистических ха-)актеристик рассеивающих поверхностей и обнаружение поверхностных дефектов в оптическом диапазоне волн./Всероссийская научно —техн. :онф.: Совершенствование наземного обеспечения авиации. Тез. докл.— 5оронеж 1999, с 265-267.
'. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Оценка качества поверхности )еза стекла с помощью когерентной подсветки./ Международная научно — ехн. конф.: Промышленность стройматериалов и стройиндустрия. Секция !. Научно —технические проблемы в области стекла и стеклокристалличе-:ких материалов. Тез. докл.—Белгород 1997, с
!. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К., Маковий В.А. Моделирование гроцессов рассеяния в решении задач контроля качества поверхностей./ Международная научно—техн. конф.: Авиация XXI века. Сборник старей.- Воронеж 1999, 137— 148.
(.Проскурин Д.К. Разработка методики определения геометрии юверхности стеклянных трубчатых изделий, подвергшихся ■ермораскалывашпо. /Аспирантский сборник, В РАСА, 1997, с 111-114. .0. Proskurin D.K., Khromykh V.G., Orlov A.S. Optoelectronic methods of sur-ace control. //Optical Engineering Bulletin, SPIE/Ukraine, N3, 2000.
fâ^/cr^/ ,'Û 2000 г. ТирЛМ^зхз. Лаборатория опер.тгкзчой пепкгрзфии ВГУ.
Введение
1. АНАЛИЗ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СТАТИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ
1.1. Анализ особенностей применения дифракционных теорий рассеяния оптических волн на технологически обработанных поверхностях
1.1.1. Общая модель Кирхгофа.
1.1.2. Дифракционная модель рассеяния Релея-Райса.
1.1.3. Сравнительный анализ дифракционных теорий для технологически обработанных поверхностей
1.2. Спектральный подход к анализу качества технологически обработанных поверхностей
1.3. Исследование формирования "разделяемого" спектра рассеяния на примере синусоидальной фазовой решетки
1.4. Особенности оптических спектров рассеяния на грубо обработанных поверхностях
1.5. Математические модели описания структуры рассеянных полей на поверхностях с дефектами
1.6. Анализ методов оценки статистических характеристик рассеивающей поверхности и выделения дефектов
1.7. ВЫВОДЫ
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ РАССЕЯНИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ РАССЕЯННЫХ ПОЛЕЙ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРНОСТЕЙ
2.1. Представление контролируемых технологически обработанных поверхностей в качестве случайного модулирующего звена когерентной подсветки
2.1.1. Общие замечания по совмещению теории процессов рассеяния и теории модулирующих процессов систем обработки информации.
2.1.2. Аналитическое представление рассеянной волны в виде шумовой компоненты в сигнальном источнике о состоянии гладкой поверхности
2.1.3. Аналитическое представление рассеянной волны в виде шумовой компоненты в сигнальном источнике о состоянии грубой поверхности
2.2. Исследования особенностей структуры рассеянных полей на технологически обработанных поверхностях
2.3. Влияние анизотропии корреляционных свойств обработанных поверхностей на форму оптических спектров рассеяния
2.4. Использование вероятностной модели процессов рассеяния в анализе оптического спектра рассеяния при наличии периодической компоненты в рельефе
2.5. Исследование эффекта асимметрии спектров рассеяния в амплитудно — фазовом приближении
2.6. ВЫВОДЫ
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА СТРУКТУРУ РАССЕЯННЫХ ВОЛН ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
3.1. Общие вопросы влияния дефектов на характеристики рассеянного поля
3.2. Обоснование использования корреляционно — спектрального анализ рассеянного излучения на поверхности с дефектами
3.3. Соотношение оптических спектров рассеяния от грубой подстилающей поверхности и дефекта
3.4. Исследование процессов рассеяния на поверхности с дефектами в ближней и промежуточной волновых зонах
3.5. Компьютерное моделирование процессов рассеяния на поверхности с дефектами
3.5.1. Численный синтез одно и двумерных случайных процессов с заданными характеристиками. Теоретическое обоснование
3.5.2. Численный синтез одно- и двумерных случайных процессов с заданными характеристиками. Программная реализация
3.5.3. Синтез моделей случайных поверхностей с дефектами
3.5.4. Численное моделирование процессов рассеяния на случайных поверхностях с дефектами
3.5.5. Численное моделирование рассеяния оптической волны на поверхности с дефектами в дальней зоне
3.5.6. Численное моделирование рассеяния оптической волны на поверхности с дефектами в ближней и промежуточной волновых зонах
3.6. ВЫВОДЫ
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТО-ЦИФРОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С
ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
4.1 Системные представления процессов рассеяния на поверхности
4.2 Системные представления процессов рассеяния на поверхности с дефектами
4.3 Исследования отношения сигнал-пгум рассеянных полей от ТОП с дефектами в ближней и дальней волновых зонах
4.4 Методы обработки сигнала рассеяния в пространственной спектральной плоскости подстилающей поверхности
4.4.1 Методы обработки сигналов рассеяния в спектральной плоскости соответствующей подстилающей поверхности
4.4.2 Методы обработки анизотропных спектров рассеяния
4.5 Обоснование методов обработки широкополосных спектров рассеяния от поверхности с дефектами.
4.6 Принципиальные схемы систем обработки рассеянных полей в дальней зоне
4.7 Применение методов оптоэлектронной обработки рассеянных полей в зоне формирования спектров рассеяния дефектов
4.8 ВЫВОДЫ
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАССЕЯНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ С ДЕФЕКТАМИ
5.1 Описание контактных измерений статистик случайных рассеивателей и дефектов
5.2 Экспериментальные исследования процессов рассеяния
5.2.1 Описание лабораторного стенда
5.2.2 Анализ спектров рассеяния от кромок стекла, подвергшегося термическому и механическому разрушению
5.2.3 Анализ спектров рассеяния кремниевых пластин с эпитаксиальным напылением
5.3 ВЫВОДЫ
В последнее время в связи с широким распространением оптоциф-ровых устройств обработки информации, ряд задач автоматического контроля и управления получили свое развитие на основе построения гибридных АСУ, где решающая часть представлена цифровыми устройствами, а приемная и обрабатывающая- оптоэлектронными элементами. Достаточно широко такие системы используются при обработке пространственных сигналов оптических длин волн.
Синтез таких АСУ имеет следующие особенности: •первичное представление информации в виде пространственного сигнала;
•необходимость предварительной обработки первичной информации для выделения полезных сигналов на фоне шумов;
•использование телевизионных методов преобразования и отображения полученной информации и автоматизация функционирования системы в целом с помощью вычислительных устройств высокой степени интеграции;
Такие системы оптоцифровой обработки информации включают в себя два основных звена:
•звено предварительной оптоцифровой обработки информации; • звено цифровой обработки сигнала, полученного после первичной обработки на предмет присутствия полезной информации с последующей выдачей управляющей или визуальной информации;
Одним из основных преимуществ использования микропроцессорных систем в данном случае является их адаптивность к искажающим факторам, присутствующим на различных участках каналов передачи информации, а также их гибкость в условиях изменения свойств измеряемых параметров объекта, вызванных технологическими факторами.
В свою очередь преимуществами первичной пространственной обработки сигналов являются :
•высокоскоростная двумерная обработка информационных массивов пространственных сигналов;
•возможность реализации комплексной симметричной передаточной функции;
Практическая ценность обозначенных выше оптоэлектронных систем контроля и управления в промышленности определяется крутом инженерных задач, решаемых с их помощью. В настоящее время существует необходимость контроля качества поверхностей изделий, получаемых после различных технологических операций в ряде современных производств. Жесткие ограничения, по времени накладываемые на операцию получения информации о состоянии поверхностей, являются определяющими в выборе физических принципов дистанционного контроля качества. При этом существует необходимость в оценке как статистических характеристик контролируемой поверхности в целом, так и обнаружения и оценки параметров присутствующих дефектов. Информация такого рода может быть использована для принятия решения о дальнейшей обработке изделия, его отбраковке или в каналах обратной связи систем управления режимами процессов получения контролируемых поверхностей.
Одной из таких задач является технологический контроль качества поверхности стеклоизделий, подвергшихся термическому разрушению посредством воздействия мощного С02 лазера. Сходные проблемы контроля качества продукции существуют в полупроводниковой промышленности, где предъявляются высокие требования к качеству кремниевой подложки, а также эпитаксиального слоя на ней.
С развитием элементной базы оптоэлектронных устройств обработки информации, в частности, динамически программируемых пространственных модуляторов света, а также с появлением источников электромагнитных волн с высокой пространственной когерентностью оптического и инфракрасного диапазонов перспективными представляются методы пространственной обработки оптических волн, рассеянных на контролируемых технологически обработанных поверхностях. Следует отметить, что существующие системы, основанные на данном принципе, носят в основном экспериментальный характер или направлены на работу в производствах с малой интенсивностью выпуска изделий контроль кремниевых пластин с эпитаксиальным напылением в электронной промышленности).
Теоретические аспекты оптических принципов контроля поверхностей связаны с решением дифракционной задачи на случайном амплитудно-фазовом транспаранте. В то время как для статистически однородных рассеивающих поверхностей существуют хорошо разработанные аналитические методы анализа структуры рассеянных полей (метод возмущений Релея, метод Кирхгоффа) в зависимости от характера шероховатостей рассеивателя, влияние поверхностных дефектов на результирующие спектры рассеяния изучены слабо. Прежде всего, это связано с невозможностью описания процессов рассеяния на поверхностях с дефектами исключительно в рамках корреляционно — спектральной теории ввиду их очевидной нестационарности. Аддитивное представление результирующей поверхности с дефектом по аналогии с представлением смеси сигнал-шум в теории обработки информации не позволяет адекватно моделировать процесс модуляции подсвечивающей волны таким результирующим рассеивателем из-за нарушения геометрии дефекта при его сложении с подстилающей поверхностью. В свою очередь, только аппликативное представление процессов рассеяния на подстилающей поверхности и на дефекте не позволяет учитывать эффекты когерентности, возникающие при взаимодействии волн, рассеянных от соответствующих частей рассеяивателя. Фактор когерентности может оказывать существенное влияние на результирующие спектры рассеяния в случае трендовых и "коротких" дефектов.
Присутствие дополнительно амплитудной модуляции волны на грубом рассеивателе, обусловленное непостоянством коэффициента отражения Френеля для больших углов наклона граней рассеивателя также усложняет анализ результирующих спектров рассеяния.
Отдельный интерес представляют исследования изменения структуры рассеянных полей, например, их корреляционных свойств и распределения интенсивности, с изменением расстояния от контролируемой поверхности. В настоящее время методы контроля в основном ориентированы на обработку спектров рассеяния в дальней волновой зоне. Вместе с тем анализ структуры рассеянных полей в ближней волновой зоне и дальше, показывает ряд преимуществ при их использовании в качестве входного сигнала в задачах обнаружения и оценки дефектов.
Экспериментальные методы исследования процессов рассеяния на поверхности с дефектами затруднены ввиду технических сложностей по подготовке образцов с точно выполненной геометрической структурой дефекта и статистиками подстилающей поверхности.
Наряду с изучением влияний свойств технологически обработанных поверхностей и дефектов на структуру рассеянных полей, построение систем дистанционного контроля требует решения вопросов, связанных с выбором методов обработки пространственных сигналов рассеяния и оценки эффективности таких методов.
Рассматривая задачу обнаружения дефектов и оценки их параметров как процесс выделения некоторых пространственных неоднородно-стей в результирующих рассеянных полях, отметим следующее. Учитывая некоторую неопределенность значений параметров дефектов (глубина, высота, и т.д.) ввиду случайной природы их образования, о полезном сигнале целесообразно говорить как о классе сигналов с изменяющимися в некотором диапазоне характерными параметрами. Таким образом, возникает необходимость в построении пространственных фильтров квазиоптимизированных некоторым образом на класс полезных сигналов, что одновременно позволяет избавиться от многоканальной схемы обработки. Как следствие, при этом требуется оценивать эффективность синтезируемого фильтра в сравнении с оптимальным, так как некоторый проигрыш, например, в выходном отношении сигнал-шум, возникающий при квазиоптимизации, может влиять на точность полученной информации о наличии дефекта и его параметрах. Задача синтеза пространственных фильтров усложняется также тем обстоятельством, что структура как технологически обработанных подстилающих поверхностей, так и некоторых типов случайных дефектов анизотропная, вследствие чего пространственная структура соответствующих частей результирующих спектров рассеяния не радиально симметричная.
Таким образом, целью работы является разработка оптоэлектрон-ных методов реального времени дистанционного контроля качества технологически обработанных поверхностей различной степени грубости. При этом необходимо решение следующих задач:
•Анализ влияния состояния технологически обработанных поверхностей, а так же их поверхностных дефектов на структуру рассеянных волн оптического диапазона в различных дифракционных приближениях; •Выбор форм пространственных сигналов рассеяния от поверхности для обнаружения и оценки на их основе параметров локальных неоднород-ностей;
•Разработка методов пространственной обработки сигналов рассеяния в ближней, около ближней и дальней волновых зонах формирования рассеянных полей от контролируемых поверхностей с дефектами; •Квазиоптимизация пространственных фильтров на классы сигналов рассеяния, соответствующие различным типам дефектов. При этом квазиоптимизация должна учитывать возможно анизотропный характер как подстилающей поверхности, так и локального дефекта; •Оценка эффективности предлагаемых методов обработки пространственных сигналов рассеяния.
Научная новизна диссертации заключается в полученных теоретических и экспериментальных результатах влияния состояния технологически обработанных поверхностей и дефектов на структуру спектров рассеяния в различных приближениях дифракционной задачи и обоснование эффективности оптоцифровых методов обработки результирующих спектров рассеяния на основе квазиоптимальной пространственной фильтрации.
Практическая ценность работы.
1.Полученные аналитические зависимости между скоростью трансформации рассеянных полей с расстоянием и степенью грубости технологически обработанных поверхностей могут быть положены в основу принципиально новых методов дистанционного контроля качества поверхностей, не требующих дорогостоящих устройств в отличие от существующих оптоэлектронных систем реального времени;
2.На основе найденных соотношений между спектрами рассеяния подстилающих поверхностей и различных типов дефектов, а также предлагаемых методов квазиоптимизации соответствующих пространственно-частотных фильтров, число обрабатывающих каналов систем дистанционной контроля может быть сокращено без заметного проигрыша в отношении сигнал-шум на выходе таких устройств;
3.Результаты анализа эффективности применения динамически программируемых модуляторов оптических волн в различных плоскостях формирования сигналов рассеяния могут быть использованы при разработке оптоэлектронных систем дистанционного контроля реального времени, ориентированных как на пространственно-спектральную обработку рассеянных полей, так и на конволюционную обработку в ближней волновой зоне относительно подстилающей поверхности.
Достоверность полученных в работе аналитических и численных моделей процессов рассеяния на технологически обработанных поверхностях с дефектами подтверждена результатами экспериментов, проведенных как в рамках диссертационной работы, так и найденных в современной литературе. На защиту выносятся:
1.Корреляционно-спектральный анализ структуры полей, рассеянных на технологически обработанных поверхностей с различными типами локальных неоднородностей;
2.Аналитическая модель трансформации рассеянных полей с расстоянием от поверхностей различной грубости с дефектами;
З.Численный синтез нормальных профилей и изотропных или анизотропных случайных поверхностей с заданными корреляционными и дисперсными свойствами и процессов рассеяния на них в различных приближениях задачи дифракции;
4.Разработка пространственных фильтров, квазиоптимизированных на характерный параметр класса сигналов рассеяния, анизотропных в том числе, соответствующих различным типам поверхностных дефектов, и оценка их эффективности;
5.Обоснование фазовой обработки широкополосных спектров рассеяния поверхностных дефектов;
1. Анализ физико — математических моделей и методов оптических измерений статистических свойств технологически обработанных поверхностей
В основе современных оптоэлектронных методов контроля качества технологически обработанных поверхностей (ТОП) лежат различные физические принципы и математические модели их описания. В связи с этим анализ основных научных и прикладных вопросов, касающихся современных оптических измерений состояния ТОП, необходим для уточнения цели данного исследования.
Общие выводы по работе
На основании полученных в диссертационной работе результатов, можно сделать следующие основные теоретические и практические выводы:
1. Структура спектров рассеяния определяется статистическими характеристиками рассеивающих поверхностей и может быть использована в качестве информационного источника в системах дистанционного контроля качества ТОП. В частности, для грубых ТОП (кромки стекла после термического разрушения) эффективная ширина спектров рассеяния определяется величиной среднего наклона граней. Для гладких ТОП (кремниевых пластин с эпитаксиальным напылением), спектры рассеяния зависят от своей корреляционной длины. Спектры рассеяния позволяют определять наличие анизотропии исследуемой поверхности.
2. Асимметрия спектров рассеяния на грубых ТОП, обусловленна как ненулевым углом подсветки так и присутствием амплитудной модулирующей компоненты. При этом отклонение максимума спектра рассеяния от зеркального направления функционально связано с величиной среднего наклона граней для грубых ТОП.
3. Спектрально-корреляционный анализ скорости формирования спектров рассеяния с расстоянием от поверхности показывает определяющее значение в этом процессе степени грубости рассеивателя (характерного параметра), на основании чего может быть построен принципиально новый метод измерения качества ТОП.
4. Предлагаемая численная модель структуры рассеянных полей от ТОП различной структуры с локальными дефектами дает хорошее совпадение с известными теоретическими и практическими результатами теории ПР оптических волн. Одновременно на ее основе могут проводится численные эксперименты по исследованию влияния дефектов различной структуры на характеристики рассеянных полей, а также анализировать эффективность методов обработки рассеянных полей на предмет обнаружения дефектов в различных дифракционных приближения ПР.
5. Сравнительная оценка по критерию сигнал—шум оптимальной и квазиоптимальной обработки класса пространственных сигналов рассеяния, в качестве которого выступают дефекты одной структуры с одновременно различными значениями характерных параметров, показывает перспективность применения полосовых квазиоптимальных пространственных фильтров. Предложены радиально усредненные фильтры при анизотропных спектрах рассеяния как подстилающей поверхности, так и дефекта. Оценен проигрыш по критерию сигнал шум на выходе таких устройств в сравнении с оптимальными.
6. Показана эффективность фазовой обработки широкополосных спектров рассеяния дефектов с волнообразной структурой на высоких пространственных частотах. Использование фазовых фильтров позволят получать высокие значения корреляционных выбросов на выходе при неизменной мощности подсвечивающего излучения.
7. Предложены принципиальные схемы обработки рассеянных полей в различных зонах формирования спектров рассеяния как дефектов, так и подстилающих поверхностей на основе современных динамически программируемых модуляторов света. Использование последних позволяют реализовать конволюционную систему обнаружения дефектов в зоне их качественного формирования спектров рассеяния, где отношение сигнал-шум результирующего сигнала рассеяния невелико и становится возможным определить координаты дефекта.
1. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически не ровной поверхности. -М.: Наука, 1972, 424с., ил.
2. Beckmann P. Spizzichino A. The scattering of electromagnetic waves from rough surfaces. Pergamon, New York, 1963.
3. Ахманов C.A., Дъяков Ю.Е., Чиркин A.C. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М: Наука, 1981, 640с.
4. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М: "Мир", 1970, 364с.
5. Кондратенков Г.С. Обработка информации когерентными оптическими системами. М: "Советское радио", 1972, 208с.
6. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М: "Мир", 1988, 528с.
7. Peters J., Lehmann P. Measuring rougness with dichromatic speckle correlation.// Proc. SPIE 1996, vol. 2782, p 58.
8. Kotlyar V., Pankov I. The scattering of laser light from a relief surface with finite conductivity.// Proc. SPIE 1995, vol 2648, p. 509.
9. Рытов C.M., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Москва: Наука, 1976.
10. Stover John С. Optical Scattering Measurement and Analysis. Second Edition. - Washington, USA: SPIE Optical Engineering Press, 1995, 322c.
11. Takakura Y., Schon U., Meyrueis P. Very high angular selectivity system for measuring backscatter from rough surfaces.// Proc. SPIE 1993, vol. 1995, p. 213.
12. Schiff T.F., Stover J.C., Surface statistics determined from IR scatter.// Proc. SPIE, vol. 1165, p. 52.
13. Kotlyar V.V., Pankov I.A., Zalylov O.K. The scattering of laser light from a relief surface with finite conductivity. //Proc. SPIE 1996, vol. 2648, p 509.
14. Котельников B.A. Теория потенциальной помехоустойчивости. Госэнергоиздат, 1956 г.
15. Davies Н. The reflection of electromagnetic waves form rough surfaces. //Proc. IEEE 1954, vol. 101, p. 209.
16. Топорец A.C. Оптика шероховатой поверхности. A.: "Машиностроение", 1988, 191с.
17. Harvey J.E. Surface scatter phenomena: a linear, shift — invariant process. Ph.D. dissertation, Univ. Arizona 1976.
18. DeSanto J.A., Wombell R.J. Some computational result for rough surface scattering.// Proc. SPIE 1991, vol. 1558, p. 202.
19. Mainguy S. Plane —wave expansions methods applied to the calculation of the optical scattering by one — dimensinal randomly rough dielectric surfaces. //Proc SPIE 1993, vol. 1995, p. 45.
20. Altshuler G.B., Beleshenkov N.R. Back —scattered light diagnostics of enamel and dentin surfaces. //Proc. SPIE 1996. Vol. 2732, p. 199.
21. Nebeker В., Starr G. Light scattering from patterned surfaces and particles on surfaces. //Proc SPIE 1995, vol. 2638, p. 274.
22. Rothe H., Duparre A., Truckenbrodt H. Real time detection of surface damage by direct assessment of the В RDF. //Proc. SPIE 1993, vol. 1995, p 168.
23. Truckenbrodt H., Duparre A. Roughness and defect characterization of optical surfaces by light scattering measurements. //Proc. SPIE 1992, vol. 1781, p. 139.
24. Gebhart M., Truckenbrodt H., Harnisch B. Surface defect detection and classification with light scattering. //Proc. SPIE 1991, vol. 1500, p. 135.
25. Bischoff J., Hehl K. Single feature metrology by means of light scatter analysis. //Proc. SPIE 1997, vol. 3050, p.574.
26. Lewis I., Ledebuhr A. Stray light implication of scratch/dig specification. //Proc. SPIE 1991, vol. 1530, p. 22.
27. Coulot C., Kohler —Hemmerlin S., Dumont C. Lighting study for an optimal defect detection by artificial vision. //Proc SPIE 1997, vol. 3029, p. 69.
28. Kylner C., Ingers J. Mattsson L. Scattering signature of isolated surface features. //Proc. SPIE 1993, vol. 1995, p. 66.
29. Josse M. Sensitivity of far —field speckle pattern to the small local changes of the rough surface geometry. //Proc. SPIE 1997, vol 3141, p. 32.
30. Leskova T.A., Maradudin A.A., Shchegrov A.V., Mendez E.R. Spectral changes of light scattered from bound medium with random surface. /Physical Rev. Letters 79, 1997, plOlO.
31. Shchegrov A.V., Maradudin A.A. Scattering of electromagnetic waves from a one — dimensional random metal surface with a localized defect. /Physical Rev. Letters 78, 1997, p. 4269.
32. Shchegrov A.V. Interaction of classical waves with rough surfaces. Ph.D. dissertation, Univ. California, Irvine 1998.
33. Harvey J.E., Lewotsky K.L. Scattering form multilayer coatings: a linear system model. //Proc. SPIE 1991, vol.1530, p. 35.
34. Castonguay R.J. A new generation high speed, high resolution, hemispherical scatterometer. //Proc. SPIE 1993, vol. 1995, p.152.
35. Church E.L., Jenkinson H.A., Javada J.M. Measurement of the finish of diamond —turned metal surfaces by differential light scattering. //Optical Engine, vol. 16, № 4, p. 360.
36. Kalinushkin V.P., Murin D.I., Yuryev V.A. Application of IR laser light scattering for non — destructive control of near —surface regions in semiconductor substrates. //Proc. SPIE 1993, vol. 2332, p. 146.
37. Очин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений. Энергоатомиздат 1989, 132с.
38. Laude V. Characterization of SLM coding domains for implementation of optimal trade-off filters. //Proc. SPIE 1994, vol. 2297, p. 60.
39. Miller P.C., Royce M., Vigro P. Evaluation of an optical correlator automatic target recognition system for acquisition and tracking in densely clutter natural scenes. //Opt. Eng. 1999, vol. 38 (11), p. 1814.
40. Харалик P.M. Статистический и структурный подход к описанию текстур. //ТИИЭР. № 5 1979, том 67, с 98-121.
41. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Часть I, М: Мир 1982, 312с.
42. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Часть II, М: Мир 1982, 480с.
43. Ямпольский Э.М. Вариационные принципы согласования сигналов с каналом связи.-Москва: Радио и связь 1987, 136с.
44. Baumgart J.W., Truckenbrodt Н. Scatterometry of honed surfaces. //Optical Engineering 1998, vol. 37, № 5, p. 1435.
45. Mendez E.R., Ponce M.A., Ruiz V. Light scattering from one — dimensional surfaces with an even profile. //Proc. SPIE 1990, vol. 1331, p. 18.
46. Kissel A. Surface finish assessment of synthetic quartz glass. //Proc. SPIE 1996, vol. 2775, p. 140.
47. Мачулка Лазерная обработка стекла. -Москва:"Сов.радио",1979, 136с.
48. Разрушение. / Под ред. Г. Либовица. Том 7. Разрушение не металлов и композитных материалов. Ч. I. Неорганические материалы. М: "Мир", 1975, 635с.
49. Хусу А.П. Витенберг Ю.Р. Пальмов В.А. Шероховатость поверхности. -М.: "Наука", 1975, 343с.
50. Мидлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. Часть I -М.: "Советское радио" 1962, 831с.
51. Мидлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. Часть II -М.: "Советское радио" 1962, 831с.
52. Harvey J.E., Vernold C.L. Transfer function characterization of scattering surfaces : Revisited. //Proc. SPIE 1997, vol. 3141, p. 113.
53. Vernold C.L., Harvey J.E. Comparison of Harvey—Shack scatter theory with experimental measurements. //Proc. SPIE 1997, vol. 3141, p. 128.
54. Левин Б.P. Теоретические основы статистической радиотехники. -Часть II -М.: "Советское радио", 1966, 728с.
55. Wang Н., Mi Н. Inspection of diamond turning process by the combination of light scattreing and angular deflection techniques: a proposed method. //Opt. Eng. 1997, vol. 36, № 9, p. 2536.
56. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М: "Мир", 1971, 496с.
57. Вентцель Е.С. Теория вероятности. М: "Физ-мат. лит.", 1962, 565с.
58. Kuzmin S.Y., Ul'yanov S.S. Dynamic speckles formed by focused coherent fields scattering form rough surfaces with non — gausian statisitics. //Proc. SPIE1995, vol. 2544, p. 317.
59. Левин Б.P. Теоретические основы статистической радиотехники. -Часть I -М.: "Советское радио", 1966, 728с.
60. Беннет В.Р. Теория шумов. /Сб. статей Современная радиолокация, анализ, расчет и проектирование систем, под. ред. Кобзарева Ю.Б., Сов. Радио, Москва 1969.
61. Monagan М.В. Geddes К.О. Maple V. Programming Guide.- Springer,1996, 380c.
62. Такер М.Г. Анализ записи флюктуирующего сигнала конечной длительности. Сборник статей под редакцией В.И. Чайковского, Тех. литература УССР, Киев 1962.
63. Proskurin D.K., Khromykh V.G., Orlov A.S. Optoelectronic methods for detecting a surface defect and estimation of their parameters by coherent illumination. /Proc SPIE. In press.
64. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Использование когерентной подсветки в определении макрогеометрии поверхности. /Научно —техн. конф. Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии. Н. Новгород, 1997.
65. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Обоснование использования пространственного коррелятора при измерении макрогеометрии поверхности стекла после лазерной резки. /Научно—техн. конф. Современные проблемы сварочной науки и техники. Воронеж 1997.
66. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Обнаружение дефектов на грубой поверхности в отраженной электромагнитной волне оптическогодиапазона. /Всероссийская научно —техн. конф.
67. Компьютерные технологии в соединении материалов. Тула 1998.
68. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К. Оценка качества поверхности реза стекла с помощью когерентной подсветки. /Международная научно —техн. конф. Научно — технические проблемы в области стекла и стеклокристаллических материалов. Белгород 1997.
69. Хромых В.Г., Орлов А.С., Проскурин Д.К., Маковий В.А. Моделирование процессов рассеяния в решении задач контроля качества поверхностей. /Международная научно —техн. конф. Авиация XXI века. Воронеж 1999.
70. Khromykh V.G., Orlov A.S., Proskurin D.K. Use of coherent illumination in determination of surface macrogeometry. Pattern recognition and image analysis.// Vol. 8, № 3, 1998, p. 458-459.
71. Proskurin D.K., Khromykh V.G., Orlov A.S. Optoelectronic methods of surface control. Optical Engineering Bulletin (SPIE/UA).№ 4, 2000.
72. Лазеры в технологии. Под редакцией М.Ф. Стельмаха. Москва,-Энергия, 1975, 216 с.
73. Ламберт Л. Оптическая корреляция. /Сб. статей Современная радиолокация, анализ, расчет и проектирование систем, под. ред. Кобзарева Ю.Б., Сов. Радио, Москва 1969.
74. Кук Ч. Сжатие импульсов с линейной частотной модуляцией. /Сб. статей Современная радиолокация, анализ, расчет и проектирование систем, под. ред. Кобзарева Ю.Б., Сов. Радио, Москва 1969.
75. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктационных помехах. -М:"Сов. радио", 1972, 448с.
76. Левшин В.А. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М: "Машиностроение", 1978, 168с.
77. Аблеков В.К. Зубков П.И. Фролов А.В. Оптическая и оптоэлектронная обработка информации. М: "Машиностроение", 1976, 256с.
78. Кейсесент Д. Оптическое когерентное распознавание образов. //ТИИЭР. № 5 1979, том 67, с 131-149.
79. Левшин В.Л. Некоторые соотношения оптимальной пространственной фильтрации. В кн. Анализ и синтез систем автоматического управления. М.: Наука 1968, с 173-179.
80. Левшин В.Л. Характеристики подоптимальных пространственных фильтров. /В кн. Анализ и синтез систем автоматического управления. М.: Наука 1968, с 180-188.
81. Ананов Н.И., Кирдяшев К.П. Оптимальная и подоптимальная фильтрация пространственных сигналов при коррелированных шумах. //Радиотехника и электроника 1964, № 3, с 1127.
82. Кирдяшев К.П. О пространственной изотропной фильтрации коррелированного шумового фона. Радиотехника и электроника 1966, № 4, с 1127.
83. Bains S. Programmable image rotator has no moving parts. //OE Reports № 175, 1998.
84. Davis J.A., Cottrell D.M., Tiangco R.P. Analysis of the phase-only filter. //Proc. SPIE 1995, vol. 2490, p.77.
85. Kumar V., Hendrix C.D. Phase-only filters that best approximate the classical matched filters outputs. //Proc. SPIE 1992, vol. 1701, p. 112.
86. Ahouzi E., Compos J. Binary amplitude phase —only filter with high multiobject discrimination capability. //Opt. Eng. 1998, vol. 37 № 8, p. 2351.
87. Hasenplaugh W.C., Neifeld M.A. Image binarization techniques for correlation-based pattern recognition. //Opt. Eng. 1999, vol. 38 № 11, p. 1907.
88. McClain J.L., Don A. Gregory. Phase encoded vs. intensity encoded inputs to optical correlators. //Proc. SPIE 1995, vol. 2490, p. 222.
89. Егорова С.Д. Колесник B.A. Оптико-электронное цифровое преобразование изображений. М: "Радио и связь", 1991, 207с.
90. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Часть I. Основные методы М.: "Мир" 1982, 428с., ил.
