Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оптические методы измерения геометрических размеров объектов в проходящем свете 13
1.1 Теневые проецирующие методы
1.2 Лазерные сканирующие методы 15
1.3 Дифракционные методы 17
Выводы 24
ГЛАВА 2. Моделирование и расчёт дифракционных полей френеля для одномерных щелях и экранах 26
2.1 Френелевское изображение стандартных объектов в когерентном свете и анализ их структуры 26
2.2 Моделирование и расчёт интерференционных явлений в окрестности геометрических краёв френелевского поля щели 34
2.3 Исследование особенностей формирования френелевского дифракционного поля объекта в частично-когерентном свете 38
2.4 Расчет картины дифракции на полуплоскости при пространственно-неравномерном освещении гармонического типа 44
Выводы 51
ГЛАВА 3. Исследование диапазона и погрешностей френелевского метода измерений геометрических размеров объектов 52
3.1 Оценка погрешности определения положения края полуплоскости при низкочастотном неравномерном освещении 52
3.2 Определение геометрических размеров объектов с высокой точностью в условиях их неравномерного освещения 62
3.3 Изучение интегрирующих свойств ПЗС линейки при регистрации дифракционного изображения 68
3.4 Исследование диапазона измерений и разработка способов его расширения 71
3.5 Оценка общей погрешности метода измерения 76
Выводы 79
ГЛАВА 4. Исследование и расчёт дифракции фраунгофера на одномерных экранах малого размера в расходящемся пучке света. фраунгоферовскии метод измерения 80
4.1 Моделирование и расчёт дифракционного поля Фраунгофера 80
4.2 Определение размеров одномерных экранов по их фраунгоферовским изображениям 84
4.3 Исследование и оценка диапазона измерений фраунгоферовского метода 89
4.4 Экспериментальные результаты 91
Выводы 94
ГЛАВА 5. Разработка, создание и исследование френелевского измерителя диаметров цилиндрических изделий 96
5.1 Принципы построения и расчёт оптической схемы измерителя 96
5.2 Френелевский измеритель размеров: технические характеристики 100
5.3 Результаты экспериментальных исследований измерителя 103
Выводы 106
Заключение 107
Список использованных источников 110
- Моделирование и расчёт интерференционных явлений в окрестности геометрических краёв френелевского поля щели
- Определение геометрических размеров объектов с высокой точностью в условиях их неравномерного освещения
- Определение размеров одномерных экранов по их фраунгоферовским изображениям
- Френелевский измеритель размеров: технические характеристики
Введение к работе
Улучшение качества машиностроительной, металлургической и атомной продукции в условиях современного поточного производства, освоение новых технологий в значительной степени зависят от оснащения промышленности высокоэффективными средствами размерного контроля. Такие системы должны обеспечивать бесконтактность и надежность измерений, высокое разрешение (от долей микрон до нескольких микрон) и быстродействие (не менее 500 изм./сек), широкий измерительный диапазон (от нескольких микрон до десятков миллиметров), допускать контроль в большом измерительном объеме. Эти средства измерения должны быть относительно недорогими и достаточно компактными настолько, чтобы их можно было встраивать в различные технологические линии производства изделий. Среди бесконтактных методов контроля всё большее распространение получают оптические, которые в сравнении с известными методами (индуктивными, ёмкостными, пневматическими и др.) обеспечивают более высокие технические характеристики [1-6].
Для контроля изделий с чёткой теневой проекцией в России [7-9] и за рубежом [10-14] производятся оптические измерители на основе сканирующих теневых, проекционных теневых и дифракционных методов. Класс таких изделий достаточно широк и включает в себя, прежде всего, объекты цилиндрического типа: трубы, таблетки, нити, проволоки и др.
Принцип действия теневых сканирующих методов основан на сканировании объекта узким лучом лазера с помощью качающегося зеркала [3,12-15]. Реализация этой идеи требует применения дорогостоящих сканеров и специальной 9-оптики. Такие измерители критичны к вибрациям, требуют частой калибровки, что затрудняет их применение в промышленных условиях.
Принцип действия теневых проекционных измерителей основан на формировании с помощью проецирующей оптики теневого изображения
объекта с его последующим фотосчитыванием и обработкой [7,11,16,17]. Основными недостатками таких систем являются невысокая точность измерения и необходимость применения высококачественной проекционной оптики для формирования изображения в плоскости регистрации.
Суть дифракционных систем основана на использовании для целей измерения дифракционных картин Фраунгофера (пространственно-частотных спектров объектов) [3,18-29]. Такие измерители обладают высокими точностными характеристиками (разрешение 0,1 мкм), которые, однако, заметно ухудшаются при контроле непрозрачных объектов малых размеров (от 50 мкм и ниже) вследствие влияния нулевого порядка дифракции (проходящей недифрагированной волны). Кроме того, такие системы имеют ограниченный верхний предел измерения (до 100 мкм) и требуют для реализации применения высококачественных Фурье-объективов.
Существенно, что приведённые измерительные системы не в полной мере удовлетворяют современным техническим и массогабаритным требованиям. Всё острее ощущается потребность в компактных, широкодиапазонных и высокоточных измерителях, пригодных к применению в промышленных условиях (вибрация, пыль и др.) для контроля различных технологических процессов.
Поэтому актуальным является поиск альтернативных подходов решения задачи размерного контроля средствами оптики на основе интегральных преобразований волновых фронтов изображений объектов, исследование их возможностей в реальных условиях, выбор и разработка перспективных измерительных методов, открывающих возможность создания принципиально новых систем бесконтактного размерного контроля геометрических параметров объектов с улучшенными техническими характеристиками и массогабаритными показателями.
Одним из таких перспективных оптических методов является метод, основанный на использовании для целей измерения дифракционных картин Френеля контролируемого объекта [30]. При формировании такой картины в
7 качестве "оптического элемента" выступает свободное пространство, которое, в сравнении с проекционными оптическими системами, преобразует входное распределение во френелевское изображение с более высокой точностью. Характеристики такого «элемента» близки к идеальным: он не вносит дополнительных искажений при формировании френелевского изображения объекта и, таким образом, лишён всякого рода аберраций [31,32], присущих даже совершенным линзовым системам. При этом расстояние между контролируемым объектом и считывающим фотоприёмником, определяющее структуру дифракционной картины Френеля и задающее габаритные размеры измерителя, не превышает нескольких десятков миллиметров.
Экспериментальные системы на основе такого френелевского метода размерного контроля и достигнутые при этом результаты представлены в работах [35-37].
Однако, судя по публикациям [33, 34] глубоких теоретических исследований в этом направлении, нацеленных, прежде всего, на достижение предельных характеристик френелевского метода, до сих пор не приводилось. Одна из возможных причин - сложность математического аппарата, описывающего дифракционные явления Френеля, что препятствует также широкому применению его в инженерной практике.
Вместе с тем использование явления дифракции Френеля и Фраунгофера на объекте для измерительных целей открывает новые возможности как в части радикального улучшения технических характеристик, так и в части создания принципиально новых - малогабаритных, дешёвых и конкурентоспособных -датчиков для решения различных задач.
Существенно, что при рассмотрении и анализе дифракционных изображений Френеля на этапе разработки измерительных систем не учитывается ряд факторов [38], влияние которых может значительно ухудшить точностные характеристики метода. Среди них отметим следующие: неравномерность освещающей объект волны, влияние конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференция дифракционных
8 изображений краёв, искажение профиля френелевского изображения объекта при регистрации его многоэлементным фотоприёмником вследствие конечных размеров его элементов.
Целью диссертации является исследование дифракционных явлений Френеля и Фраунгофера на объектах щелевого и экранного типов применительно к их размерному контролю и разработка на основе полученных результатов высокоточных и широкодиапазонных оптических методов измерения геометрических размеров изделий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать и провести расчёт дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом пространственной неравномерности освещающей волны и степени когерентности света. Разработать алгоритмы определения геометрических параметров исследуемых объектов на основе анализа структуры регистрируемых полей (изображений).
Разработать высокоточный и широкодиапазонный оптический метод измерения размеров объектов на основе дифракции Френеля и теоретически исследовать его метрологические характеристики (диапазон и погрешность измерений).
Разработать высокоточный метод измерения размеров объектов экранного типа на основе дифракции Фраунгофера в расходящейся сферической волне света и теоретически исследовать его метрологические характеристики.
Изучить особенности дифракции Фраунгофера на одномерных экранах малого размера (до 100 мкм) при освещении их расходящейся сферической волной света и предложить новый высокоточный алгоритм определения размеров объектов, устойчивый к влиянию проходящей недифрагированной волны.
5. Экспериментально исследовать метрологические характеристики
предложенных оптических методов измерения. Разработать и создать опытный
образец оптико-электронного френелевского измерителя размеров объектов.
9 Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнена в Кубанском госуниверситете на кафедре оптоэлектроники в период с 2003 по 2006 годы по теме «Исследование и разработка новых физико-технологических принципов построения оптоэлектронных, микро- и нанооптических устройств сбора , обработки и передачи информации и перспективных сред для микролазеров», а также в лаборатории технического зрения Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН в соответствии с программой Президиума СО РАН по физико-техническим наукам 10.4 "Новые оптические материалы, технологии и приборы, их применения" в рамках проекта «Научные основы оптико-электронных технологий прецизионного контроля 3D объектов и формирования заданных объемных микроструктур поверхности» (рег.№:0120.0403176). Методы исследований. В работе использовались методы геометрической и волновой оптики, теории преобразования оптических сигналов и теории измерений.
Достоверность результатов подтверждалась сравнением получаемых теоретических данных с физическим экспериментом. Достоверность данных, полученных экспериментальным путем, обеспечена путём использования метрологически аттестованного и поверенного оборудования. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
решена задача расчёта дифракционного поля Френеля для одномерных экранов и щелей с учетом влияния неравномерности освещения гармонического типа, конечных размеров частично-когерентного источника излучения, интерференции дифракционных изображений краёв исследуемого объекта и интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника. Получены аналитические соотношения для оценки погрешностей определения положения геометрических краёв объекта;
предложены методы определения с высокой точностью геометрических размеров объектов по их дифракционным картинам Френеля и способы расширения на порядок нижнего предела измерений таких размеров;
- решена задача расчёта дифракционных явлений Фраунгофера на
одномерных экранах при их освещении расходящейся сферической световой
волной. Впервые предложен новый высокоточный алгоритм определения
геометрических размеров объектов экранного типа на основе анализа контраста
их дифракционных полей и получены аналитические соотношения для оценки
диапазона измерений;
- предложен метод построения френелевских измерителей геометрических
размеров объектов, который, в отличие от известных, обеспечивает более
высокую точность и более широкий диапазон измерений.
Практическая ценность работы
Результаты расчета дифракционных явлений Френеля на одномерных экранах и щелях с учётом их неравномерного освещения и степени когерентности света, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерференционных явлений, предложенные методы измерений и их схемотехнические решения, методы анализа и обработки дифракционных полей составляют новый арсенал средств для инженерных применений в области оптического приборостроения и могут быть рекомендованы разработчикам при создании оптико-электронных измерительных систем нового поколения.
На основе проведенных исследований разработан и создан опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя для размерного контроля топливных таблеток для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов ВВЭР-1000 (по заказу РОС АТОМА). На защиту выносятся следующие положения:
1. Методы и результаты расчёта френелевских полей одномерных экранов и щелей с учетом влияния параметров освещающего пучка, интегрирующих свойств многоэлементного фотоприёмника и интерференционных явлений, возникающих при взаимодействии дифракционных изображений краёв объекта.
Способы повышения точности и расширения нижней границы диапазона измерений геометрических размеров объектов френелевского метода по их дифракционным изображениям.
Фраунгоферовский высокоразрешающий (0.01 мкм) метод измерения малых размеров (до 100 мкм) непрозрачных объектов при освещении их расходящейся сферической волной света.
Способ определения геометрических размеров объектов по контрасту их дифракционных изображений Фраунгофера.
5. Опытный образец оптико-электронного френелевского измерителя
геометрических размеров объектов.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе в 4 журнальных статьях и в 7 статьях отечественных и международных симпозиумов и конференций.
Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований и приложения. Объём диссертации 118 страниц, 40 иллюстраций и 8 таблиц.
В главе 1 проведён анализ оптико-электронных систем размерного контроля в проходящем свете, основанных на теневом проецирующем, теневом сканирующем и дифракционном методах. Приводятся их принцип действия, основные технические характеристики, функциональные возможности и сфера применения. Основное внимание уделено дифракционным френелевским и фраунгоферовским методам измерения в свободном пространстве.
Моделирование и расчёт интерференционных явлений в окрестности геометрических краёв френелевского поля щели
Особое место среди лазерных методов измерения линейных размеров занимают дифракционные [3], которые сочетают высокое пространственное разрешение с большим быстродействием. Данный метод базируется на использовании для целей измерения дифракционных картин Фраунгофера и Френеля, причём последние формируются в свободном пространстве.
Рассмотрим сначала дифракционный метод измерения, основанный на анализе дифракционных изображений Фраунгофера.
Дифракционный фраунгоферовский метод измерения основан на использовании для целей измерения дифракционных картин Фраунгофера -пространственно-частотных спектров объектов [19,62,63]. Контролируемый объект с размером D, расположенный на входе Фурье-звена, освещается плоской волной света. Спектр объекта формируется в задней фокальной плоскости Фурье-объектива и далее регистрируется фотоприемником, выходной сигнал с которого поступает в блок обработки измерительной информации, где производится восстановление искомых геометрических параметром (рис. 1.4). Звено Фурье блок-схема дифракционной Фраунгоферовской системы Основным преимуществом Фраунгоферовского дифракционного метода, наряду с высокой чувствительностью при измерении малых размеров, является инвариантность дифракционного распределения к пространственному смещению объектов (щелевого типа), что позволяет снизить требования к позиционированию контролируемого объекта [19]. Аналитическое выражение, описывающее распределение интенсивности в дифракционной картине Фраунгофера, зависит от формы и размеров контролируемого объекта. Например, это распределение для объекта в виде щели имеет следующий вид: где /о - интенсивность падающего излучения, ф - угол дифракции точек света, X - длина волны света, F - фокусное расстояние Фурье-звена. Системы измерения, основанные на дифракционном методе фраунгоферского типа, позволяют производить размерный контроль объектов малых размеров в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм с высокой точностью и быстродействием. Известно [64], что возможности таких дифракционных измерителей, в сильной степени зависят от способа обработки дифракционных изображений, или, иными словами, от выбора регистрируемых параметров дифракционной картины. Выделяют два типа систем: измерители на основе анализа интенсивности дифракционной картины в фиксированных точках (рис. 1.5) [19,20] и системы, основанные на регистрации и обработке характеристических размеров дифракционного распределения.
В первом случае зависимость дифракционного распределения в точке регистрации (#7=const) от размера D контролируемого объекта, согласно (1.1), имеет следующий вид: где U = л sin р IЯ . В этом случае фотоприёмники необходимо устанавливать в точках дифракционной картины, где обеспечивается наибольшая чувствительность к изменению размера. Угловые координаты щ таких точек равны [64]: При таком способе обработки дифракционных картин Фраунгофера затрудняется измерение малых размеров с высокой точностью. Так как чувствительность системы зависит от мощности источника излучения, то это обстоятельство накладывает жесткие ограничения на допустимые пространственные смещения измеряемого объекта в условиях неравномерного распределения интенсивности света в сечении лазерного пучка [28]. Более того, квадратичная синусоидальная зависимость I=f(D) с полупериодом Т = AVsinq) при фиксированном q приводит к ограничению динамического диапазона AD измеряемых размеров: AD Т = AVsincp, причём с увеличением угла ф или номера регистрируемого дифракционного порядка диапазон измерения уменьшается. По указанным причинам дифракционные измерители, основанные на таком подходе, не нашли применения в измерительной практике [27]. Более широкое распространение получили дифракционные измерители, основанные на анализе характеристических параметров дифракционной картины Фраунгофера. В этом случае в сравнении с ранее рассмотренным достигается большой динамический диапазон контролируемых диаметров, обеспечивается высокая чувствительность к изменению размера объекта, а также допускаются значительные пространственные перемещения объекта в процессе измерений [20]. На практике в качестве характеристического параметра дифракционной картины Фраунгофера выбирают угол между её минимумами, который, как известно, равен [24,65]:
Определение геометрических размеров объектов с высокой точностью в условиях их неравномерного освещения
Оптическая схема системы, реализующий указанный метод измерения приведена на рис. 2.5. Система включает в себя протяженный источник света 1 с угловыми размерами 0ИСТ = Дист /F (AHCT - размер источника, F - фокусное расстояние объектива) и с функцией светимости ./(), коллимирующего объектива 2, контролируемого объекта 3, многоэлементного линейного фотоприёмника 4 (например, ПЗС линейки) и блока обработки измерительной информации 5. Для упрощения анализа ограничимся квазимонохроматическим источником света, у которого спектральная ширина излучения ДХ«Х, где X рабочая длина волны излучения. Контролируемый объект с амплитудным пропусканием /(x,) = recf — освещается частично-когерентной волной, создаваемой источником света 1 и коллимирующим объективом 2, отстоящим от него на фокусном расстоянии F. Френелевское изображение объекта, формируемое свободным пространством между плоскостями Р] и Рг, регистрируется далее фотоприёмником 4. Благодаря протяжённому характеру источника излучения имеет место операция усреднения элементарных френелевских картин от каждой точки источника, что позволяет в значительной степени подавить когерентные шумы (рис.2.6). Однако при этом происходит уменьшение контраста дифракционного изображения (рис.2.7).
Найдём распределение интенсивности в результирующем френелевском изображении. С этой целью разобьём протяжённый источник 1 на совокупность элементарных источников с размерами Д. Примем во внимание, что каждый из них излучает несинфазно сферические волны с амплитудой д/J()A, которые затем преобразуются коллиматором в наклонные плоские волны, пропорциональные Щ)е1 A, где 0 = %IF. Если теперь выделить один внеосевой элементарный источник с размером А в окрестности точки ( 0) и им осветить контролируемый объект 3, то, как известно [69], на расстоянии z от объекта, удовлетворяющем условию z DII, формируется элементарная дифракционная картина Френеля в виде амплитудного распределения Ag(x2), равного свёртке входного распределения f{x{) J(i;)e Д с импульсным откликом свободного пространства: где функция J(x2-9z) описывает преобразование Френеля от входной функции
Вследствие того, что элементарные источники излучают волны некогерентно (несинфазно), то в области фотоприёмника имеет место, как известно, сложение элементарных дифракционных картин по интенсивности [73]. Нетрудно показать, что в этом случае поле, соответствующее всей излучающей поверхности, равно свёртке интенсивности дифракционного поля от элементарного источника с функцией светимости протяжённого источника
В случае отсутствия объекта (Д 2) = 0 интенсивность в области фотоприёмника равна /0, где интенсивность І0 в данном (одномерном) случае с точностью до несущественно безразмерного коэффициента, равна I0 »J0Aucm/F.
С учётом этого для распределения интенсивности света в дифракционной картине Френеля при частично-когерентном освещении окончательно имеем: ) Полученное распределение интенсивности света 7(х2) после регистрации фотоприёмником поступает в электронный блок обработки измерительной информации 5, в котором с помощью соответствующих алгоритмов производится вычисление искомых геометрических параметров объекта. Отметим, что частично-когерентное освещение реализуется при выполнении условия, что величина размытия края дифракционной картины є вследствие протяженных свойств источника меньше размера зоны Френеля, т.е. при z = AHCTz/F VXz (рис.2.7). Иными словами, в этом случае угловые размеры источника излучения 0ист = Аист IF должны быть меньше угловых размеров зоны Френеля 0# = VA/z, т.е @ист-@фР- При уменьшении угловых размеров источника света к нулю положения границ объекта, как и следовало ожидать, соответствуют точкам х2, в которых интенсивность распределения составляет 25 % от интенсивности падающего излучения /о Существенно, что при частично-когерентном освещении происходит смещение положения границ на величину Ахчк при определении их с использованием стандартного порогового алгоритма (на уровне 0,25 IQ), что приводит к прямой погрешности измерения размеров объектов. В предельном случае некогерентного освещения пороговый уровень, соответствующий геометрической границе объекта, как известно, равен Inop = 0.510 [69]. Можно ожидать, что величина этого смещения определяется угловыми размерами eucm=Aucm/F источника излучения. Это подтверждается приведёнными на рис.2.7 графиками дифракционных картин Френеля от края объекта при различных соотношениях 0жт и 0фр. Видно, что, действительно, увеличение 0ист ведёт к смещению края объекта. Оценим далее смещение Ахчк френелевского изображения объекта в виде полуплоскости с амплитудным пропусканием f(x{) = Y(xl) в зависимости от степени когерентности освещения, а затем найдем порог обработки изображения, обеспечивающий нахождение истинных границ объекта по его дифракционной картине Френеля. Для нахождения смещения Ахчк разложим поле в окрестности точки х2=0 в ряд Тейлора. Выделим из протяжённого источника элементарный точечный источник, расположенный в точке (8 = ,/F). Таким источником в плоскости Р2 формируется элементарная дифракционная картина Ag(x2) согласно формуле (2.19), в которой f(x2-6z) = Y(x2-0z). В случае равномерной светимости после несложных преобразований для функции Ag(x2) можно получить следующее разложение:
Определение размеров одномерных экранов по их фраунгоферовским изображениям
Определим рабочий диапазон измеряемых объектов. Очевидно, что верхний предел Дсрх измерения определяется апертурным размером D„m фоторегистрирующей части ПЗС линейки и может составлять несколько десятков миллиметров. Например, при использовании линейки Toshiba TCD1304AP (Д,ин= 30 мм) этот параметр может составлять 25мм. Дальнейшее расширение верхней границы диапазона измерения может быть реализовано путём соединения вместе нескольких ПЗС линеек[89].
Исследуем теперь нижний предел измерения А,ижн френелевского метода. Он определяется числом зон Френеля Щр, укладывающихся на размере D. Как известно, при изменении Щр от очень больших значений (ЛГфр»1) до малых (ДАфр«1) структура наблюдаемой дифракционной картины контролируемого объекта претерпевает существенные изменения: от дифракционной картины Френеля, имеющей сходство с теневым изображением объекта, до дифракционной картины Фраунгофера, которая является спектром исходного объекта. Очевидно, что нижняя граница Д1ИЖн определяется предельным значением Ифрщец, при котором наблюдаемая промежуточная картина в большей степени соответствует дифракционной картине Френеля, нежели Фраунгофера. Расчёты показывают, что значение нижней границы диапазона измерения совпадает с размером зоны Френеля: степени проявляются эффекты интерференции дифракционных изображений краёв объекта. Также следует отметить, что дальнейшее снижение нижней границы френелевского метода, например, уменьшением значения параметра z вызывает серьёзные проблемы согласования параметров ПЗС линейки (размер пиксела) с характеристическими параметрами дифракционного изображения.
Нами предложены эффективные алгоритмы по решению указанных выше проблем измерения [81,82]. Установлено, что в случае DHHJKH«VXz происходит значительное смещение порогового уровня определения границ объекта, величина которого Ахит в первом приближении может быть оценена согласно формуле (2.18). Например, при определении параметра М).15мм по уровню 0.257о при -JAZ=0M4MM И iV=0.43 относительная погрешность 8ИНТ может составлять 18%.
Отметим, что снижение нижней границы френелевского метода может быть также реализовано уменьшением значения параметра z и, например, при выборе Z=1MM и Я=0.63мкм величина Д,ижн может быть снижена до 25мкм. Однако в этом случае возникают серьёзные проблемы согласования параметров ПЗС линейки (размер пиксела, длина линейки) с характеристическими параметрами дифракционного изображения. Как показывают расчёты, для восстановления параметра D с достаточной точностью необходимо не менее 50 элементов ПЗС линейки в пределах дифракционной картины Френеля, что накладывает жёсткие требования на разрешающую способность фотоприёмника. Указанное ограничение может быть заметно снижено при использовании
расходящихся освещающих волн [81], рассмотренных ранее (гл.2). В этом случае в области фотоприемника формируется увеличенное в /л раз (n = (z+r)tr = Ur) дифракционное изображение Френеля контролируемого объекта (рис.2.2). Выбором параметра ju можно согласовать размер зоны Френеля с числом пикселей фотоприёмника, укладываемых в её пределах (рис.2.2). Предельная возможность френелевского метода измерения малых размеров в расходящемся пучке света при ju»l определяется параметром г. Действительно, расчёты показывают, что нижний предел измеряемого размера Внижн= Аг- Если выбрать г, равным 0.1мм, а Я = 0.65мкм, то DH(I)KH будет составлять 8 мкм. Однако следует отметить, что при изменении параметра г в процессе измерения (вследствие колебания положения объекта вдоль оси z) имеет место изменение параметра /л, определяющего геометрическое увеличение фрєнелевской картины объекта. Очевидно, что для вычисления размера D необходимо контролировать этот параметр. Нами предложены различные технические решения этой проблемы. Одно из них, например, связано с использованием дополнительного ортогонального канала на базе френелевского звена с параллельным освещением объекта, который позволяет с высокой точностью определять смещение центра формируемой дифракционной картины в продольном направлении (рис.3.13). При этом основной канал в таком двухканальном измерителе регистрирует дифракционную картину Френеля объекта в расходящемся пучке света. Точностные характеристики френелевского измерителя объектов в расходящемся пучке света во многом определяется точностью измерения геометрического увеличения //. Оценки показывают, что такой двухканальный измеритель, позволяет уменьшить погрешность измерения размеров малых объектов 100мкм до уровня 0.5%. Для решения проблемы высокоточного определения параметра ц можно также воспользоваться подходом, основанным на анализе дифракционной картины Френеля объекта. Для нахождения параметра ц воспользуемся основными характеристиками данной картины. Как показано ранее, положение максимумов дифракционной картины Френеля полуплоскости приближённо определяется следующей формулой хтахп =л/2Лг(я-5/8)// (z»r), где п - номер.
Френелевский измеритель размеров: технические характеристики
В диссертации поставлена и решена задача исследования физических основ построения высокоточных оптических методов измерения геометрических размеров объектов с использованием явления дифракции Френеля и Фраунгофера и разработка френелевского и фраунгоферовского методов, обеспечивающих в сравнении с существующими более высокие метрологические характеристики.
Основные результаты диссертации состоят в следующем: 1. Проведён расчёт и анализ дифракционных полей Френеля на одномерных экранах и щелях в когерентном и частично-когерентном свете применительно к их размерному контролю. 2. Выявлены основные источники погрешностей измерения френелевского метода. Установлено, что вследствие эффекта интерференции дифракционных краёв контролируемого объекта происходит смещение края объекта на величину, обратно пропорциональную числу зон Френеля в пределах контролируемого объекта, значение которой снижается соответствующим выбором параметров измерителя на этапе проектирования или использованием частично-когерентного освещения. Показано также, что применение частично-когерентного освещения позволяет значительно улучшить структуру регистрируемого сигнала за счет подавления когерентных шумов и дополнительной микроструктуры дифракционного изображения. Предложен и экспериментально исследован высокоточный алгоритм определения геометрических параметров объектов в зависимости от угловых размеров источника света. 3. Исследованы особенности формирования френелевских изображений при пространственно-неравномерном освещении гармонического типа. Установлено, что влияние параметров освещающего пучка на френелевскую картину объекта определяется соотношением между периодом колебаний этого 108 распределения и размером зоны Френеля. Выявлено, что влияние неравномерности высокочастотного типа снижается при использовании частично-когерентного освещения или низкочастотной фильтрации френелевского изображения. 4. Аналитически показано, что в случае неравномерного низкочастотного освещения его влияние на структуру френелевского изображения полуплоскости в окрестности геометрического края объекта носит локальный характер. Предложен и экспериментально исследован высокоточный алгоритм определения положения границ объекта при освещении его волной со слабой неравномерностью, основанный на учёте поведения поля в окрестности его края. Он позволяет в десятки раз повысить точность измерения. 5. Изучены особенности формирования френелевских изображений измеряемых объектов ПЗС линейкой. Установлено, что вследствие нелинейного распределения регистрируемого поля линейным многоэлементным фотоприёмником с конечными размерами пикселей возникает систематическая погрешность определения истинных границ объекта, значение которой обратно пропорционально числу элементов ПЗС линейки, укладываемых на размере зоны Френеля. Данная составляющая погрешности заметно снижается путём оптимального выбора параметров оптической системы. 6. Исследован диапазон измерения размеров объектов френелевским методом. Показано, что при освещении объекта плоскими волнами света верхняя граница диапазона определяется рабочей апертурой многоэлементного фотоприёмника и может составлять десятки миллиметров, а нижняя граница -размером зоны Френеля (до 25 мкм). С целью радикального повышения точности измерений (на порядок и более) объектов с размерами порядка зоны Френеля предложен новый алгоритм обработки измерительной информации, учитывающий особенности дифракционных картин в переходной области (между дифракцией Френеля и Фраунгофера). Показано, что освещение объекта расходящимися сферическими волнами позволяет снизить нижнюю границу диапазона измерений до 10 мкм. 109 7. Проведён расчёт и анализ дифракции Фраунгофера на одномерных объектах экранного типа при их освещении расходящейся сферической волной света. Предложен высокоточный метод определения геометрических параметров контролируемых объектов на основе анализа контраста их дифракционных изображений. Показано, что верхняя граница измерения определяется условием дифракции Фраунгофера и может составлять 100 мкм, а нижняя граница - 3 мкм. Экспериментальная погрешность измерения в диапазоне 5-90 мкм не превысила 0.05 - 0.1 мкм. 8. Разработан и создан опытный образец френелевского измерителя для размерного контроля диаметров топливных таблеток ТВЭЛ ядерных реакторов ВВЭР-1000 со следующими техническими характеристиками: измерительный диапазон 0.2 - 25 мм, погрешность не более 3 мкм, измерительный объём 10 х 10 мм, быстродействие 250изм./сек (определяется используемым фотоприёмником).
Полученные результаты могут быть использованы при разработке широкодиапазонных оптико-электронных измерительных систем нового поколения (в проходящем свете) для решения различных задач высокоточного размерного контроля. Большой диапазон измерений (от нескольких микрон до десятков мм) может быть достигнут путём одновременного использования в системе как фраунгоферовского, так и френелевского методов измерений (в зависимости от размеров объектов) на основе использования дифракционных явлений в свободном пространстве.
Похожие диссертации на Оптические методы высокоточного измерения геометрических размеров объектов на основе дифракции света
