CC BY
38
ВЛИЯНИЕ СЛУЧАЙНОГО СДВИГА ФАЗЫ ИНТЕРФЕРОГРАММ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ ПРОФИЛОМЕТРОМ
Евгений Владимирович Сысоев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383) 306-62-12,
e-mail: evsml@mail.ru
Игнат Александрович Выхристюк
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383) 306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Родион Владимирович Куликов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Василий Владимирович Широков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», 630073, Россия, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)306-62-12, e-mail: stewie89@mail.ru
Рассмотрено влияние случайного фазового сдвига на погрешность измерений микрорельефа поверхности методом дифференциальных интерферограмм в интерференционном микропрофилометре. Получена зависимость погрешности измерения от случайного фазового сдвига. Экспериментально показано, что вибрации интерферометра не увеличивают погрешность измерений если их амплитуда менее X/10 . Погрешность увеличивается до 40% с увеличением амплитуды вибрации с X/10 до X/4 . При дальнейшем росте амплитуды вибрации вплоть до X / 2 погрешность измерения не возрастает.
Ключевые слова: низкокогерентная интерференционная профилометрия, погрешность измерения, фазовый сдвиг.
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Ph. D., senior scientist, tel. (383) 306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior scientist, tel. (383) 306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior scientist, tel. (383) 306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru Vasily V. Shirokov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20, Karl Marks Prospekt, Undergraduate. tel. (383) 306-62-12, e-mail: stewie89@mail.ru
EFFECT OF INTERFEROGRAMMS RANDOM PHASE SHIFT TO ERROR OF SURFACE MEASUREMENT IN THE WHITE LIGHT INTERFEROMETR
The effect of the random phase shift to the surface measurement error using the method of differential interferograms in the interference microprofilometer is considered. The dependence of the measurement error on the random phase shift is obtained. Results of experiments show that the vibrations influence to interferometer measurement error is absent under the amplitude less than X/10 . Error increases up to 40% if the vibration amplitude is within the limits from X/10 to X/4. With a further increase of the amplitude of vibration up to X/2 the measurement error is without changes.
Key words: low-coherence interferometric profilometry, measurement error, phase shift.
Методы низкокогерентной интерферометрии широко применяются для контроля качества технических поверхностей [1]. Системы измерения, основанные на этих методах, имеют высокую разрешающую способность и быстродействие. Актуальной задачей при их проектировании является поиск путей снижения погрешности измерения [2].
Измерение рельефа технических поверхностей основано на регистрации нескольких интерферограмм сдвинутых по фазе между собой на определенный фиксированный угол [2, 3], при котором контраст интерференционной картины будет максимальным. Изменение этого угла (например, регистрация интерферограмм в условиях наличия вибраций) приводит к ухудшению отношения сигнал/шум.
В докладе представлены результаты исследования зависимости погрешности измерения микрорельефа поверхности методом дифференциальных интер-ферограмм (ДИ) [3] от случайного фазового сдвига. Максимальный контраст дифференциальной интерферограммы при использовании метода ДИ достигается при разности двух исходных интерферограмм сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°. Случайный фазовый сдвиг приводит к изменению этого угла и к уменьшению контраста дифференциальной интерферограммы.
Для определения влияния фазового сдвига на погрешность измерения рельефа поверхности были проведены исследования методом математического моделирования и в натурных экспериментах. Программная модель позволяла изменять: длину волны, длину когерентности, уровень шума в интерференционном сигнале, порог обнаружения и диапазон случайного фазового сдвига.
Натурные эксперименты проводились на интерференционном профило-метре МНП-1 [4] оптическая схема которого представляет собой интерферометр Линника в сходящихся пучках. Случайный фазовый сдвиг в профилометре осуществлялся посредством случайного изменения управляющего напряжения подающегося на пьезокерамику.
В качестве объекта измерения использовалась плоская отражающая поверхность, а источник частично когерентного света - красный светодиод (EP2012-150R1). Погрешность измерения ej рассчитывалась как среднеквадра-
тическое отклонение измеренного рельефа поверхности от базовой плоскости. Она рассчитывалась для каждого диапазона величины случайного фазового сдвига. В численных экспериментах, как и в натурных, моделировалась и измерялась плоская наклонная поверхность и рассчитывалась погрешность е2. В обоих случаях сканирование производилось с шагом интерферометра 0,5 мкм. Уровень нормального шума в интерферограммах составлял 12%. Длина волны и длина когерентности источника составляла Я = 629,4 нм и 1С = 20 мкм соответственно. На рисунке представлены графики погрешности измерений и е2. Показано (в натурных и численных экспериментах), что вибрации интерферометра не увеличивают погрешность измерений если их амплитуда менее Я/10. Погрешность увеличивается до 40% с увеличением амплитуды вибрации с Я/10 до Я/4. При дальнейшем росте амплитуды вибрации вплоть до Я/2 погрешность измерения не возрастает.
0.4
0.3
0 2 ------- --- . . .-----. —*
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Az ,[нм]
Зависимость погрешности е от случайного фазового сдвига Az: sj - рассчитанная по результатам измерений рельефа поверхности, е2 - по результатам моделирования процесса измерения
Из графиков видно, что погрешность измерения увеличивается при увеличении амплитуды вибраций вплоть до 160 нм. Так же видно, что характер изменения экспериментальной и модельной зависимости одинаков, что подтверждает корректность программной модели.
Результаты исследований могут быть использованы при разработке новых высокоточных измерительных систем для контроля продукции промышленного производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. David J. Aziz Interferometric measurement of surface roughness in engine cylinder walls // Optical Engineering. - 1998. - Vol. 37. - Issue 5. - P. 1429-1434.
2. Richter Claus, Wiesner Bernhard, GroB Reinhard and Hausler Gerd. White-light interfer-ometry with higher accuracy and more speed // Fringe 2005: The 5th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns. - P. 605-612.
3. Сысоев Е.В., Голубев И.В. Способ измерения профиля поверхности. Патент РФ № 2245515, 2005.
4. Сысоев Е.В., Выхристюк И.А., Куликов Р.В., Поташников А.К., Разум В.А., Степнов Л.М. Интерференционный микроскоп-профилометр // Автометрия. - 2010. - Т. 46. - №2. -С. 119-128.
© Е.В. Сысоев, И.А. Выхристюк, Р.В. Куликов, В.В. Широков, 2013
