Лазерная система для измерения статистических характеристик пространственных квазипериодических структур

Лазерная система для измерения статистических характеристик пространственных квазипериодических структур

Введение

В последние годы наблюдается интенсивное развитие аэрокосмической и

ракетной техники, что в свою очередь ставит перед промышленностью задачу

создания точных и надежных систем связи, ориентации и обнаружения подвижных

объектов в пространстве. В большинстве случаев данные задачи решаются с

применением радиолокационных СВЧ систем. Одним из важных звеньев этих

систем является генератор СВЧ электромагнитных волн, качество которого

обеспечивает надежность и тактико-технические характеристики СВЧ систем в

целом.

Производство СВЧ приборов является экономически дорогостоящим и

технологически трудоемким из-за использования дорогостоящих и

труднообрабатываемых материалов. Наиболее трудоемким процесом является

изготовление и контроль качества линий замедления (ЛЗ) к магнетронным и

клистронным генераторам.

ЛЗ представляют собой пространственные периодические структуры типа

оптических дифракционных решеток, точностью которых определяются

радиотехнические параметры СВЧ генератора. При этом задача метрологического

контроля геометрических размеров ЛЗ по своей трудоемкости и затратам

соизмерима со временем и трудоемкостью ее изготовления.

Традиционные методы контроля геометрических параметров ЛЗ с помощью

визуальных оптических приборов являются не произво-дительными и

трудоемкими, автоматизация которых сложна и непе-респективна. Поэтому очень

важной для метрологического обеспечения производства СВЧ систем становится

создание высокопроизводительных методов и средств контроля геометрических

размеров ЛЗ, и в первую очередь - статистических размеров элементов ее

пространственной переодической структуры. Эта задача является актуальной и

диктуется реальными потребностями производства.

Благодаря увеличившемуся прогресу в области вычислительной техники и

информатики становится возможным и даже необходимым применение

возможностей, открывающихся перед разработчиком. Я имею в виду создание

автоматизированных измерительных систем контроля качества. Эти системы

используя вычислительную мощь современной техники позволят продуктивно

перераспределить трудовые ресурсы и существенно повысить продуктивность

труда с одновременным снижением себестои-мости выполняемых работ. Для такой

системы не требуется высокая квалификация и не важен опыт работы.

Измерительная система берет на себя все рутинные операции измерения и

вычисления, а оператор только руководит процесом измерения. В результате

такая система оказывается экономически оправданной, так как персонал может

быть обучен в течении двух дней - одной недели, в зависимости от

способностей.

В данной работе производится проектирование и разработка

автоматизированной измерительной системы контроля качества изготовления ЛЗ

на базе ПЗС-приемника и с применением ЭВМ. С помощью современной ЭВМ

возможно не только обработать информацию и получить статистические

характеристики, но и отобразить их на экране монитора в удобной для

понимания форме. Будут преставлены: математи-ческая модель измерительной

системы, произведены габаритный и энергетический расчеты, функциональная

схема системы.

1. Существующие методы и средства геометрического

контроля периодических пространственных структур

Из существующих средств для контроля геометрических размеров

пространственных структур наиболее широко в промышленности используются

микроскопы, проекторы и фотоэлектрические измерительные оптические приборы

(фотоэлектрические микроскопыи лазерные дифрактометры ). Но для

геометрического контроля пространственной структуры ЛЗ в настоящее время

прромышленно используют лишь микроскопы и проекторы. Существенным

недостатком применения этих приборов является значительная трудоемкость

всего метрологического процесса, а также необходимость статистической

обработки результатов измерения размеров a и b ЛЗ.

Более переспективным для автоматизации геометрического контроля ЛЗ

является применение фотоэлектрических измерительных приборов, выполненных

на основе лазерных дифрактометров. Однако для автомати-зации

геометрического контроля ЛЗ в настоящее время лазерные дифрактометры пока

еще мало используются из-за отсутствия их промыш-ленного производства.

1.1. Контроль с помощью микроскопов

Контроль статистических характеристик геометрических размеров a и b

квазипериодической структуры ЛЗ в промышленных условиях осуществляют с

помощью микроскопов УИМ-21, МИМ-3, МБС-1, МИС-1, МБИ-14.

Применение микроскопов позволяет визуально контролировать не только

все размеры элементов квазипериодической структуры ЛЗ, но и качество

поверхности, ее шероховатость и структуру, наличие мелких заусенцев и

другие дефекты поверхности.

Дефекты обработки материалов контролируют при помощи стерео-

скопического микроскопа МБС-1. Этот микроскоп позволяет наблюдать прямое и

объемное изображение объекта, как в проходящем, так и в отраженном

свете, обеспечивая 3.5х - 88х увеличение.

Универсальные микроскопы УИМ-21 и МИМ-3 позволяют с точностью до 1 мкм

выполнять контроль геометрических размеров элементов квази-периодической

структуры ЛЗ различных типов. Во всех случаях измерения размеров a и b

элементов структуры ЛЗ выполняется визуально оператором-метрологом ОТК, а

результаты оформляют в виде таблиц. На основе статистической обработки этих

таблиц определяют математические ожидания и дисперсии размеров a и b ЛЗ, по

которым выдается заключение о качестве изготовленной ЛЗ.

Однако, методы визуального геометрического контроля размеров структуры

ЛЗ с помощью микроскопов обладают рядом существенных недостатков:

. результаты измерений сильно зависят от уровня подготовки опера-торов,

т.е. сказывается влияние субъективного фактора;

. физиологическая утомляемость операторов значительно снижает точность

и достоверность измерений;

. весь процесс контроля трудоемок, низкая производительность труда,

необходимо выполнить большое количество вычислений при статис-

тической обработке результатов измерений;

. длительная и ежедневная работа с микроскопом сильно ухудшает зрение

контролеров ОТК;

. практическая сложность эффективной автоматизации процесса контроля.

Указанные выше недостатки частично устранены в методах контроля ЛЗ с

помощью проекторов и эпидиаскопов.

1.2. Контроль с помощью проекторов

С помощью проекторов удобно контролировать граничные линии элементов

квазипериодической структуры ЛЗ. Изменяя кратность увели-чения прибора

можно просматривсть отдельные участки, либо в целом всю структуру ЛЗ.

Максимальное увеличение, серийно выпускаемых отечест-венной промышленностью

проекторов, достигает 200 х, что позволяет определить погрешности

изготовления элементов квазипериодической структуры ЛЗ порядка 4 мкм.

Для повышения производительности процесса и осуществления комплексного

контроля сравнивают спроецированный контур ЛЗ с так называемым “белком” -

чертежом ЛЗ в увеличенном масштабе на экране с координатной сеткой для

измерения величины размеров a и b. В условиях серийного производства ЛЗ для

улучшения сохраняемости и исключения деформации чертежа взамен “белков”

применяют их фотошаблоны, выполняемые на стекле.

Для изготовления фотошаблона засвечивают и проявляют фото-пластинку,

на которой затем тонким резцом почерчивают профиль ЛЗ в требуемом масштабе.

С целью обеспечения высокой точности, эту операцию выполняют на координатно-

расточном станке. Из полученного негатива изготавливают печатным способом

диапозитивные изображения ЛЗ на стекле.

Контроль ЛЗ с помощью проекторов является более высоко-

производительным, чем с помощью микроскопов, а также меньше влияет на

зрение контролеров-операторов ОТК. Но ему присущи существенные недостатки,

среди которых главным является практическая сложность автоматизации

процесса контроля. В процессе контроля возникает также необходимость

статистической обработки результатов измерений для определения СКО [pic] и

[pic] размеров a и b.

Поэтому в условиях серийного производства ЛЗ на первый план

метрологического обеспечения их контроля выходит проблема создания

измерительных систем для контроля статистических характеристик размеров a и

b структуры ЛЗ. Они по своему принципу действия являются фотоэлектрическими

измерительными приборами и могут быть построены на базе сканирующих

фотометрических микроскопов, либо лазерных дифрактометров. Практическое

применение этих систем должно обес-печивать:

. сокращение времени измерения размеров a и b, а также времени на их

статистическую обработку;

. устранение влияния уровня подготовки метрологов на надежность

процесса крнтроля:

. повышение достоверности измерения размеров a и b путем их измерения в

нескольких сечениях на высоте h зубьев ЛЗ;

. снижение уставаемости зрения оператора-метролога ОТК.

1.3. Измерительный автомат “Bugs” для контроля

периодичности спиралей ламп бегущей волны

В 70-х годах фирмой “Bugs” (США) был разработан измерительный автомат

для контроля периода навивки спиралей ламп бегущей волны (ЛБВ).

Использование этого автомата позволило сократить время контроля

периодичности навивки спиралей ЛБВ с двух человеко-дней до десяти минут.

В основу работы автомата положен теневой оптический метод

последовательного сканирования всех элементов изделия и сравнения их с

эталоном. Для достижения высокой точности измерений перемещение

контролируемого изделия в поле зрения оптической системы осуществ-ляется

гидравлическими приводами.

Точность измерений прибора не зависит от скорости перемещения спирали.

Однако вибрации контролируемого изделия, а также деталей всего прибора

недопустимо и устраняется применением системы сложных гидравлических

приборов. Кроме того, необходима также высокая точность фокусировки

оптической системы, нарушение которой приводит к размытию изображения. Так

как существует ряд деталей которые перемещаются друг относительно друга, то

необходима механическая прецизионная система, что усложняет конструкцию

прибора и повышает соответсвенно его стоимость.

В последующие годы конструкция аппарата была модернизирована и

улучшены его метрологические характеристики. Но следует отметить, что

производительность этого аппарата не может быть существенно увеличена из-за

использования в нем теневых оптических методов измерений, возможности

которых в данном случае уже исчерпаны, поскольку необходим последовательный

просмотр всех элементов пространственной структуры. К недостаткам прибора

следует отнести необходимость использоваия системы сложных гидравлических

приводов для виброзащиты спирали.

Указанные недостатки частично устранены в фотоэлектрических

измерительных микроскопах, которые также могут быть использованы для

контроля геометрических размеров элементов ЛЗ.

1.4. Фотоэлектрические сканирующие микроскопы

В работе [24] описана опытно-конструкторская разработка фотоэлект-

рического микроскопа ФЭМ-2, предназначенного для геометрического контроля

размеров малых объектов. В основу работы микроскопа положено формирование

оптической системой увеличенного солинейного изображения измеряемого

объекта. В плоскости изображения расположен фотоприемник, выходной сигнал

которого поступает на электро-измерительную аппаратуру. К недостаткам этого

прибора следует отнести отсутствие коррекции дрейфа “нуля”, малый предел

фото-электрических измерений ( до 10 мкм ), ручное управление процессом

измерений и окулярный отсчет показаний прибора, что не позволило

использовать его в промышленных условиях для геометрического контроля ЛЗ.

Указанные недостатки частично устранены в фотоэлектрическом микроскопе

ФЭМ-1Ц [25], который предназначен для измерений линейных размеров малых

объектов величиной ( 100 мкм. При этом дискретность отсчетов составляет 0.5

мкм, а максимальная погрешность измерений не более ( 0.3 мкм. Этот

микроскоп в бывшем СССР серийно выпускался с 1980 года. В качестве

выходного индикатора в нем используется цифровая отсчетная система. Одним

из основных недостатков микроскопа ФЭМ-1Ц является малое быстродействие -

время автомати-ческого наведения на штрих до 20 с, зависимость погрешности

измерений от качества фокусировки оптической системы, что требует

практически непрерывного визуального контроля качества изображения в окуляр

при измерении длиномерных объектов. Электронная система микроскопа не

позволяет выполнять статистическую обработку резудьтатов измерений. В силу

указанных недостатков они не нашли применеия для геометрического контроля

структуры ЛЗ.

1.5. Лазерные дифракционные измерители

линейных размеров малых объектов

Предположения о возможности использования явления дифракции световых

волн для контроля размеров малых объектов были впервые высказаны Роулэндом

в 1888 году [13, 14, 15]. Позже он использовал это для качественного

контроля изготовления периодической структуры дифракционных решеток.

Сущность метода заключалась в том, что, если дифракционную решетку осветить

монохроматической световой волной, то на некотором растоянии от нее

формируются эквидистантно располо-женные дифракционные максимумы светового

потока. При наличии дефек-тов решетки, вокруг этих основных максимумов

возникают и добавочные максимумы, которые получили название “духов”. Однако

теоретическое обоснование этого явления в то время так и не было

сформулировано, что и не позволило определить аналитические зависимости,

описывающие функциональную взаимосвязь распределения светового потока в

“духах” с дефектами решетки.

Большой вклад в развитие теории дифракционных решеток внес В. Рон-ки,

который занимался развитием и совершенствованием их производства более

пятидесяти лет, начиная с 1921 года [13, 26]. Он дал простейшую теорию

дифракционных решеток, описал их основные свойства и возмож-ность

применения для контроля характеристик фотографических объек-тивов.

Г.Харисон [27] в 1949 году предложил способ контроля дифракционных

решеток с помощью интерферометра Майкельсона и положил, таким образом,

начало разработке схемы интерферометра с дифракционной решеткой для

контроля качества самих решеток.

Дифракционные методы контроля качества изготовления периодических

структур являются наиболее переспективными. Они положены в основу

многочисленных лазерных дифракционных измерителей линейных размеров малых

объектов.

Для контроля диаметра тонких отверстий в [28] предложено освещать

контролируемые отверстия монохроматической световой волной и измерять

амплитуду четных и нечетных максимумов дифракционной картины отверс-тия.

Для расширения диапазона диаметра измеряемых отверстий, необхо-димо

изменять длину волны [pic] излучения до тех пор, пока амплитуда

интерференционного сигнала нечетных гармоник достигнет удвоенного значения

амплитуды световой волны в свободном пространстве. Диаметр измеряемого

отверстия определяют по формуле : [pic], где [pic]- растояние между

измеряемым отверстием и точкой измерения светового поля в дифракционной

картине. Недостатком метода является необхо-димость применения лазера с

перестраиваемой длиной волны генерации.

Известны также устройства [29, 30] для допускового контроля

геометрических размеров изделий путем соответствующей обработки их

дифракционного изображения сложной фотоэлектрической измерительной

системой, либо оптической системой пространственной фильтрации. Однако эти

устройства являются узко специализированными и требуют предварительного

синтеза сложных голографических пространственных фильтров, что позволяет их

использовать лишь для качественного допус-кового контроля изделий.

Таким образом лазерные дифрактометры являются наиболее переспек-тивным

научным направлением развития автоматизированного метро-логического

оборудования. Оно может быть также успешно использовано и для разработки

средств автоматизации контроля статистических характе-ристик

квазипериодической структуры ЛЗ. Это, в свою очередь, может быть выполнено

лишь с созданием специализированных оптических систем обработки изображений

(ОСОИ) на базе когерентных оптических спектро-анализаторов (КОС)

пространственных сигналов, положенных в основу практически всех известных

лазерных дифрактометров.

2. Обзор схем построения лазерных

дифрактометров

Интенсивное развитие этих систем началось в начале 80-х годов.

Построение голографических и дифракционных оптических систем для метрологии

основано на получении изображений Френеля, либо Фурье исследуемого объекта

с последующим анализом их параметров фото-электической измерительной

системой.

Основным преимуществом таких метрологических систем, перед ви-

зуальными оптическими измерительными приборами, является высокая

производительность, что позволяет автоматизировать ряд метрологических

Страницы: 1, 2