Введение к работе
з
Актуальность темы. Современная технология точного приборостроения предъявляет весьма жесткие требования к качеству и надежности комплектующих деталей, что может быть обеспечено лишь их 100 процентным контролем Контроль конфигурации и линейных размеров деталей точного приборостроения, осуществляемый с помощью проекторов и микроскопов, разработанных еще в 70-е годы непродуктивен Процедура контроля здесь производится человеком, требует значительных затрат времени и поэтому малопроизводительна Создание автоматических систем на базе этих средств сопряжено, как показал опыт, с серьезными техническими трудностями Кроме того, необходимо учитывать такие требования как бесконтактность и высокая скорость операции контроля, широкий диапазон измеряемых размеров, возможность автоматизации процесса измерения и обеспечения сигнала обратной связи для активного влияния: на технологический процесс
Указанным требованиям в значительной степени соответствуют дифракционные методы контроля Они основаны на измерении распределения интенсивности оптического излучения не в плоскости изображения контролируемого объекта, а в плоскости формирования его Фурье-спектра Поэтому дифракционные методы контроля (ДМК) не связаны с формированием изображения объекта и, следовательно, в значительной степени свободны от ошибок, определяемых качеством оптической системы Причем, в отличие от других методов, с уменьшением размеров объекта точность ДМК увеличивается, так как при этом увеличиваются углы дифракции, и в результате в плоскости измерений имеется некоторое распределение интенсивности, пространственные размеры которого превышают размеры контролируемого объекта сотни и тысячи раз
Основная сложность в реализации ДМК заключается в том, что большинство существующих методов регистрации дифракционных картин обладают большой погрешностью, вызванной трудностью определения характерных точек дифракционной картины, по положению которых судят о геометрических параметрах или пространственном положении объектов Другая проблема ДМК заключается в низкой локальности измерений, так как для увеличения концентрации энергии в дифракционной картине обычно используют двухмерное преобразование Фурье контролируемого объекта В результате регистрируется информация не о конкретном сечении объекта, а некоторый интегральный сигнал в пределах апертуры оптической системы, выполняющей преобразование Фурье
Исследования, направленные на повышение чувствительности,
точности и локальности ДМК, показали, необходимость создания
оптической системы обработки информации (ОСОЙ), формирующей
сигнал измерительной информации, фазовая составляющая которого
связана с геометрическими параметрами или пространственным
положением контролируемого объекта Для этого было предложено
использовать для формирования Фурье-образа объекта два
пространственно смещенных пучка излучения с помощью «зеркальной» апертуры Математическое и физическое моделирование такой ОСОЙ показало, что использование фазовой составляющей измерительного сигнала приводит к возникновению в дифракционной картине дополнительной системы полос, которые можно интерпретировать как муаровые
Создание такой системы позволило использовать высокоточные методы регистрации интерференционных и муаровых картин для увеличения на порядок точности дифракционных измерений
Цель работы. Разработка новых математических моделей преобразования световых полей при дифракционных измерениях для повышения точности, расширения области применения ДМК, их
5 упрощения, показ возможностей практических реализации предложенных методов
Задачи исследования
Проанализировать существующие ДМК геометрических параметров и пространственного положения объектов с целью выяснения их недостатков и выбора способов достижения поставленной цели
Показать, что наличие в оптическом сигнале измерительной информации фазовой составляющей, которая зависит от геометрических параметров и пространственного положения контролируемого объекта, позволяет резко увеличить точность и чувствительность ДМК
Математическое моделирование и исследование ОСОЙ, реализующих освещение контролируемого объекта двумя волновыми фронтами, распространяющимися под углом друг к другу посредством «зеркальной» апертуры
Разработка инженерной методики расчета оптических параметров ОСОЙ для контроля пространственного положения и геометрических параметров объектов
Создание экспериментального макета ОСОЙ для проверки работы
математической модели
Разработка методики цифровой обработки полученных дифракционных картин для выделения из них полезного сигнала и дальнейшей его расшифровки
Показ возможностей практической реализации разработанных дифракционных методов измерений на основе «зеркальной» апертуры Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на
основе математических методов теории систем и интегральных преобразований в оптике (Фурье-оптика) Математическое моделирование работы ОСОЙ выполнялось на ЭВМ Полученные результаты сравнивались с результатами, полученными экспериментальным путем
Обработка дифракционных картин выполнялась на ЭВМ в пакете MATLAB Image Processing Toolbox Научная новизна диссертации.
Разработана математическая модель преобразования световых полей в ОСОЙ для дифракционных измерений, использующая для освещения контролируемого объекта два пространственно смещенных пучка Показано, что в этом случае изменение геометрической формы объекта или его пространственного положения приводит к возникновению фазового сдвига между формирующимися частотными спектрами
Доказано, что взаимодействие указанных частотных спектров приводит к появлению в дифракционной картине дополнительной системы полос, которые могут быть интерпретированы как муаровые полосы, частота которых зависит от геометрической формы объекта
Приведена схема реализации разработанной ОСОЙ на основе «зеркальной» апертуры для контроля геометрических параметров объектов Рассмотрена методика выбора ее параметров, изучены источники искажений частотного спектра и предложена модифицированная схема «зеркальной» апертуры
Для обработки дифракционных картин были применены цифровые методы, использующиеся в интерферометрии, что позволило увеличить точность на порядок
Предложена методика измерения прямолинейности профиля контролируемых объектов дифракционным методом с помощью «зеркальной» апертуры
Основные результаты, выносимые на защиту. 1 Математическая модель формирования измерительного сигнала при дифракционных измерениях, использующих освещение объекта двумя пространственно смещенными пучками
-
Оптическая система обработки информации на базе «зеркальной» апертуры для измерения геометрических параметров объектов дифракционным методом и математическая модель преобразования световых полей в предложенной ОСОЙ
-
Модификация разработанной ОСОЙ с удвоением чувствительности, и уменьшенным влиянием искажающих факторов
-
Методика предварительной обработки муаровой картины от «зеркальной» апертуры с целью выравнивания контраста по полю изображения и устранения шумов
5 Методика получения информации о геометрических параметрах
объекта из муаровой картины
Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут являться основой для создания высокоточных дифракционных методов контроля, использующих фазовую составляющую оптического сигнала о контролируемом объекте Такие ДМК могут быть использованы для контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов, а также для контроля их физических характеристик - например показателя преломления Дан пример подобной реализации ОСОЙ на основе «зеркальной» апертуры для контроля прямолинейности профиля объекта
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на XXXIV, XXXV и XXXVI конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО, на II, III и IV межвузовских конференциях молодых ученых, конференциях «Прикладная оптика - 2004» и «Прикладная оптика -2006», IV международной конференции молодых ученых и специалистов
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 70
8 наименований Содержит ПО страниц основного текста, 44 рисунка и 2 таблицы
