CC BY
33
ISSN 222Б-3780
машиноведение и машиностроение
УДК Б2-Э7/-Э8 Б01: 10.15587/2312-8372.2015.44395
Р0ЗР0БКА 1НТЕГРОВАНО1 СНСТЕМН контролю ТОПОЛОГ1ЧННХ
ЕЛЕМЕНТ1В ОПТИЧНИХ ШКАЛ ТА С1ТОК
Розроблено науково-технгчний тдх1д для створення ттегральног вимгрювальног системи для технологгчного аудиту та контролю геометричних розм1р1в топологгчних елементгв оптичних шкал та сток. Проаналгзовано чинники, як1 впливають на величину корисного сигналу та експе-риментально показано переваги ЬЕБ-екрану як освтлювача перед галогенною лампою в розроб-ленш вимгрювальнш системг. Проведет експерименти дозволили визначити оптимальш умови вимгрювань.
Клпчов1 слова: оптична система, геометричний розмгр, мгкроскоп, мгра, шкали та стки, ЬЕБ-екран.
Гордкнко В. I., Качур Н. В., Маркша 0. М., Маслов В. П.
1. Вступ
Останш десятирiччя знаменуються значними уст-хами в розвитку можливостей оптично! мжроскопп. Яскравим прикладом цього е присудження в 2014 рощ Нобелiвськоi премп з хiмii вченим Е. Betzig, W. Moerner, S. Hell за розробку способу флуоресцентно! мжроскопп надвисоко! роздшьно! здатностi.
Збшьшення потреби в телевiзiйних системах вимiрю-вання пов'язано з розвитком нано- та мжротехнологш До властивостей таких систем належать: зручшсть поеднання телевiзiйноi (цифрово!) камери практично з будь-яким комп'ютером; високою швидкодiю, що дозволяе обробляти сигнали вщ нерухомих, малорухомих i об'ектiв, що швидко рухаються, як у реальному, так i змiненомy часi; швидкий розвиток елементно! бази, якою займаються десятки про-вiдних фiрм свiтy (EDMUND OPTICS, SONY, NOVUS, ZEISS, HITACHI, SAMSUNG, GUPPY, STINGRAY, ZYGO, LEICA, GEOL). Таю системи широко використовуються в мжроелектрошщ та оптичному виробництв^ зокрема, для технолопчного аудиту та контролю тополопчних елеменпв оптичних шкал та сиок [1].
В той же час щ системи мають високу варпсть i для вiтчизняних тдприемств в складних економiчних умовах не доступш. Для зменшення собiвартостi ново! вимiрювальноi системи бажано, щоб використовува-лись прилади, деталi, вузли, що вже е на тдприемствах прецизшного приладобудування (оптичнi мiкроскопи, оптичнi фшьтри, об'ективи, окуляри, мiри тощо).
Таким чином робота присвячена виршенню актуально! задачi створення доступних для бшьшосп оптичних пiдприемств i дослщних лабораторiй систем вшшрю-вання та контролю геометричних розмiрiв оптичних деталей в мжронному дiапазонi.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Оптичш мiкроскопи постiйно вдосконалюють ос-таннiм часом за рахунок нових ршень по конструкцп
об'eктивiв та освiтлювачiв. Так, наприклад, в робот [2] запропоновано конфокальний мiкроскоп, що складаеться з двох детекторiв. Така конструкщя виключае як коли-вання джерела свила та виникнення електронного шуму вщ зондiв, а також збшьшуе осьову роздiльну здатнiсть, а також з 1 мм дiаметру зонда з акаальною роздiльною здатшстю 5 нм. Такий мiкроскоп може застосовуватись для вимiрювання невеликих нерiвних поверхонь в об-меженому простора запропонована система датчикiв може бути встановлена на координатнш вимiрювальнiй машиш для безконтактного вимiру розмiрiв i шорсткос-тi поверхнi, i включена в центр обробки з ЧПУ для контролю якост на лшп.
Використання свiтлодiодiв у конфокальних мжроско-пах дозволяе збiльшити повторюванiсть i точнiсть ви-мiрювань [3].
В робот [4] описана експериментальна установка, яка використовуе натвпровщниковий лазерний при-стрiй в якостi джерела свила. Лазерний промiнь, який входить в мжроскоп, ексцентричний з головною вксю оптично! системи. Розфокусований сигнал потрапляе на симетричний кремшевий фотоелемент для змши вiдбитого свiтла, викликаного положенням диферен-цiального посилювача i обробленого за допомогою мiкропроцесора. Потiм електричний сигнал посилюеться i приводить в дш двигун постiйного струму, який перемщуе платформу для автоматичного фокусування мжроскопа. Результат експериментiв показуе ± 0,1 мкм точнiсть автофокусування.
Новi науково-технiчнi рiшення по вдосконаленню мжроскотв викладено у монографп [5] та статтях [6-8].
Але сучасш мжроскопи та системи вимiрювання геометричних розмiрiв з мiкронною точнiстю мають високу варпсть i для вiтчизняних тдприемств в складних економiчних умовах не доступш. Для зменшення собiвартостi ново! вимiрювально! системи бажано, щоб використовувались прилади, детали вузли, що вже е на тдприемствах прецизшного приладобудування (оптичш мжроскопи, оптичш фшьтри, об'ективи, окуляри, мiри тощо).
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 3/1(23], 2015, © Пвденво В. I., Качур Н. В., Маршна О. М., 51
Маслов В. П.
машиноведение и машиностроение
ISSN 2226-3780
3. 06'ект, мета та
задач! дослщження
Об'ектом дослтдження е про-цес вимiрювання геометричних параметрiв топологiчних еле-ментiв оптичних шкал та сиок з використанням iнтегрованоi системи, яка мштить мiкроскоп типу Бiолам, оптичш фiльтри, об'ективи, окуляри, мiри тощо.
Метою даног роботи е ство-рення та пiдвищення точносл телевiзiйно'i вимiрювально'i системи на базi мiкроскопу Бiолам для контролю геометричних розмiрiв топологiчних елемен-тiв оптичних шкал i аток.
Для досягнення поставлено'1 мети необхвдно виконати таю задачi:
1. Розробити науково-тех-нiчний пiдхiд для створення ш-тегрально! вимiрювальноi системи на базi доступних для вичизняних пiдприемств оптичних мiкроскопiв типу Бюлам та камер Novus-130 ВН для технолопчного аудиту та контролю геометричних розмiрiв топологiчних елементiв оптичних шкал та сиок;
2. Проаналiзувати чинники, як впливають на величину корисного сигналу та експериментально показати переваги LED-екрану як освiтлювача перед галогенною лампою в розробленiй вимiрювальнiй систем!
3. Провести експерименти, що дозволять визначити оптимальш умови вимiрювань та зменшити похибку вимiрювання топологiчних елеменпв оптичних шкал та сiток.
4. Методика дослщжень
Авторами було обрано напрямок створення циф-рових вимiрювальних систем шляхом iнтеграцii таких складових, як оптичш мжроскопи, цифровi телевiзiйнi камери на ПЗЗ-матрицях, програмного забезпечення для створення та аналiзу зображення об'екту вшшрю-вання на диспле'i комп'ютера [8-10]. При такому пiдходi потрiбно також вирiшувати задачi по вибору освгглю-вачiв, оптичних фшк^в та мiр. Пiсля створення тако'1 iнтегрованоi системи необхiдно провести и дослщжен-ня щодо оптимiзацii методики вимiрювання з метою зменшення.
Для штегровано! системи на базi оптичного мжро-скопу типу Бiолам було використано цифрову камеру Novus-130 ВН з ПЗЗ-матрицею, що складаеться з 752 х 582 пикселей, горизонтальна роздшьна здатшсть 600 ТВЛ, чутлившть 0,01 люкс/F1,2-0,05 люкс/F1,2, вiдношення сигнал/шум бшьше 48 Дб (рис. 1).
В якост освiтлювача використовували галогенну лампу та дисплейний LED-екран. Виходячи з того, що чутливкть ПЗЗ-матрищ найвища в червоному оптичному дiапазонi, були використанi свiтловi фiльтри з галогенною лампою, а в LED-екранi одночасно випромшюють голубий, зелений та червоний свилодюди i тому для цього джерела свилофшьтри не використовували.
Рис. 1. Узагальнена структурна схема штегровант телевiзшн□i' вимiрювальн□i' системи
Методика дослщжень базувалась на вивченш вели-чини корисного сигналу та контрастност цифрового зображення. Використовували метод свилового ножа, тобто вивчали корисний сигнал при перемщенш об'екта дослщження (штриха мiри на просвiт за ГОСТ 15114-78), коли при скануванш штриха колiр зображення змшю-еться ввд чорного до бiлого.
Крiм того, авторами статтi також була вперше за-стосована розроблена методика дослщження контрасту з використанням двох поляризацшних фiльтрiв при змiнi вщ положення 1х схрещування до паралельност осей.
Результати експериментiв з встановлення свило-сигнально! характеристики iнтегральноi вимiрювальноi системи наведено на рис. 2.
Рис. 2. Свилосигнальна характеристика ¡нтеграванш вимiрювальн□i' системи
З експериментальних результапв (рис. 2) були об-раш оптимальнi режими для вимiрювань:
1. Робочий дiапазон сигналiв мае бути наступним: А = 20...105 у. о.
2. Робочий дiапазон просторово-частотно! характеристики: /твс = 15.60 мм-1.
С
52
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/1(23], 2015
ISSN 222Б-3780
машиноведение и машиностроение
J
5. Результаты дослщження чиннимв, ям впливають на величину корисного сигналу штегровано! системи контролю тополопчних елемент1в оптичних шкал та сгаок
Порiвняння експериментальних даних показало, що при використанш LED-дисплею (в станi включення) мобiльного телефону в порiвняннi з галогенною лампою зростае чутливкть на 40 % та вщношення сигнал/шум на 50 % при однаковому куп нахилу експерименталь-них кривих, який обумовлений квантовою ефектив-шстю матерiалу ПЗЗ-матрицi (рис. 3). LED-дисплей розташовували безпосередньо на предметному столику мжроскопа, а дослiджуваний зразок (мiри, шкали або сiтки) клали на нього.
Рис. 3. Залежшсть сигналу в ТВС вiд свiтл□в□г□ потоку джерела освилення: а — галогенна лампа JC; б — рщк□кристалiчний дисплей HTC
Експерименти показали ефектившсть цього рь шення також при боковому положенш екрану для
отримання зображення об'екту дослщження на вiдбиття.
LED-екрани можуть також бути гнучкими на ор-ганiчнiй пiдкладцi, що дозволяе створювати об'ем-нi (цилiндричнi або шшо! конфiгурацi!) освiтлювачiв, в середиш яких буде розташовано об'ект дослщження. Для перевiрки цього в експериментах плоский екран розташовувався по сторонам паралелепшеда, що дозволяло освилювати об'ект в бiльшому тiлесному куту.
Таким чином, LED-екран мае конструкцшш та експ-луатацiйнi переваги в порiвняннi з галогенними дже-релами освилення, а також забезпечуе ушверсальшсть використання в мiкроскопii.
Були проведет дослщження впливу технологi! ви-готовлення мiр на результати вимiрювань. Мiри до-слiджували на мiкроскопi атомних сил (рис. 4, а, б).
При виготовленш мiри ЛОМО методом мехашчного прорiзання матерiал покриття створював навали по грани-цям штрихiв, а використання променевих технологш (фiр-ма ВЯиКЕЯ) дозволяло уник-нути цього недолiку.
У випадку мiри ЛОМО iснувала невизначенiсть того, як фокусувати зображення штриха в мжроскот. Неви-значешсть дорiвнювала ви-сотi навалу i склала майже 40 нм (рис. 5).
Експериментально було визначено, що розфокусу-вання на рiвнi 0,1 мкм для мiри ЛОМО давало похибку вимiрювання на рiвнi 0,1-0,06 мкм (табл. 1).
У[|1(П] 8.1
14.0'1
30.0 25.0 200
15.0 Ю.О
*[|im]
игп
Рис. 4. Тривимiрне зображення на атомно-силовому мшроскот фрагменту поверхнi мiри i оптичне цифрове зображення мiри ЛОМО (а); та мiри для калiбрування сканера зондового мiкроскопу фiрми BRUKER (б)
а
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 3/1(23], 2015
машиноведение и машиностроение
ISSN 222Б-3780
Рис. 5. BiKHü праграми да атамна-силавага мшраскапу: пр□фiлi рельефу штpихiв мipи ЛОМО на вщбиття (крива 1) та мipи BRUKER (крива 2)
таблиця 1
Вплив розфокусування на тачшсть вимipювання
Мipа Першд при ^'E^rni 25х, мкм
у факуа розфокусування на piвнi 0,1 мкм
ЛОМО (на вiдбивання) 10,002 ± 0,008 9,942 ± 0,053
Bruker (на вiдбивання) 5,045 ± 0,009 5,051 ± 0,010
ЛОМО (на прапускання) 10,007 ± 0,006 10,011 ± 0,012
ефективностi, що характеризуе властивiсть створення електронного сигналу при освггленш фоточутливого шару матерiалу ПЗЗ — матрицi, N — величина корисного сигналу, K — максимальне значення корисного сигналу.
Подальшi перетворення:
= rd Ф,
K ■ dN N (K - N)
1 1 1
N (K - N) = KN + K (K - N) '
1
1
N K - N
dN = rd Ф,
пiсля iнтегрування:
1 1
N K - N
dN = J rd Ф + A,
ln N - ln(K - N) = rt + lna, lna = A, N
= aerO, Ф = Ф0, N = N0, a =
N0
K - N
K - Nо
(2)
(3)
(4)
(5)
(6) (7)
I
Проведет дослщження дозволили зменшити похиб-ку вимiрювання геометричних розмiрiв тополопчних елеменпв шкал та сiток розробленою iнтегрованою системою:
— 2 % за рахунок застосування LED-дисплею;;
— 0,5 % за рахунок використання свилових фшк^в, що вiдповiдають максимуму спектрально! характеристики ПЗЗ-матрищ;
— 2 % за рахунок визначення оптимальних умов калiбрування та використання нових об'ект-мшро-метрiв ^р).
Це дозволило вимiрювати елементи розмiром 6-10 мкм з похибкою ± 0,5 мкм.
6. Обговорення результат1в
експериментальних дослщжень
Для аналiзу експериментальних графМв (рис. 3), що мають загальний вигляд «5-криво1» з вщповщним нахилом, авторами статтi було використано лопстич-ний пiдхiд залежностi результату вщ ресурсу, який мае такий же вигляд [9]. В даному випадку величина корисного сигналу залежить вщ величини свилового потоку вщ джерела освилення i може бути аналиично представлена у виглядi:
де No — рiвень шумiв (темновий струм на ПЗЗ-матрищ):
dN K - N -т-т = rN—, K-d Ф K
>Nm
де
dN
N (Ф) =
N (Ф) =
aKer Ф 1+aer
;, N о =-
aK
a + e
rOo
K 1 K - N 0
-T--b = ln— = ln———,
1+exp(b - гФ) a No
(8) (9)
(1)
похщна величини корисного сигналу в залеж-
ностi вщ свiтлового потоку; r — коефщент квантово!
де b — коефщент, який характеризуе контрастнiсть.
Аналiз (9) дозволяе зробити загальний висновок, що корисний сигнал ПЗЗ-матрищ визначаеться власти-востями фоточутливого матерiалу (квантова ефектив-шсть), з якого вона зроблена, а проведет авторами дано! роботи експерименти дозволяють також виявити залежшсть вiд типу джерела освiтлення. Зокрема, що використання LED-екрану мае суттевi переваги для однiеï i rie'i ж ПЗЗ-матрицi.
При цьому експерименти дозволили виявити переваги та недолжи вiдомих мiр для калiбрування, а також вплив розфокусування мжроскопу у розробленш си-стемi вимiрювання та контролю геометричних розмiрiв топологiчних елеменпв оптичних шкал та сiток.
Таким чином, проведет експерименти пщтвердили запропонований авторами пщхщ до створення штегро-вано! системи з доступних складових, що е вже на ба-гатьох пщприемствах оптико-електронно! промисловостi для вимiрювання з достатньо! точнiстю та контролю для виршення задач техшчного аудиту виробництва прецизiйних деталей.
Автори планують вдосконалити розроблену систему шляхом використання досконалших за параметром
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/1(23], 2015
ISSN 222Б-3780
машиноведение и машиностроение
роздшьно! здатностi оптичного MiKpocKony та телевь зiйних камер з високою квантовою ефективнicтю та кoнтpаcтнicтю.
7. Висновки
1. Розроблено науково-техшчний пiдхiд для створення штегрально! вимipювальнoi системи для техно-лoгiчнoгo аудиту та контролю геометричних poзмipiв тoпoлoгiчних елеменпв оптичних шкал та ciтoк.
2. Пpoаналiзoванo чинники, якi впливають на величину корисного сигналу та експериментально показано переваги LED-екрану як освилювача перед галогенною лампою в розробленш вимipювальнiй cиcтемi.
3. Пpoведенi експерименти на штегральнш вимь pювальнiй cиcтемi з використанням мiкpocкoпy типу Бюлам та телевiзiйнoi камери Novus-130 BH дозволили визначити оптимальш умови та зменшити похибку ви-мipювання тополопчних елементiв оптичних шкал та сггок на 4,5 % i вимipювати елементи poзмipoм 6-10 мкм з похибкою ±0,5 мкм.
Лггература
1. Маслов, В. П. Шдвищення точносп вим1рювання лшшних роз-м1р1в мжродефеклв в деталях з оптично прозорих матер1ал1в за допомогою телев1зшних засоб1в [Текст] / В. П. Маслов // Методи та прилади контролю якость — 2012. — № 29. — С. 96-101.
2. Tan, J. Differential confocal optical system using gradient-index lenses [Text] / J. Tan // Optical Engineering. — 2003. — Vol. 42, № 10. — P. 2868-2871. doi:10.1117/1.1602459
3. Youk, Y. A Confocal Scanning Optical Microscope System for Measuring Refractive Index Profiles of Specialty Optical Waveguides [Text] / Y. Youk, D. Y. Kim // Microscopy and Microanalysis. — 2005. — Vol. 11, № S02. — P. 726-727. doi:10.1017/s1431927605505269
4. Li, Q. Autofocus system for microscope [Text] / Q. Li, B. Lifen, X. Shifu, Ch. Luyun // Optical Engineering. — 2002. — Vol. 41, № 6. — P. 1289-1294. doi:10.1117/1.1473639
5. Török, P. Optical Imaging and Microscopy [Text] / P. Török, F.-J. Kao // Optical Sciences. — Berlin, Heidelberg: Springer, 2007. — 497 p. doi:10.1007/978-3-540-69565-3
6. Huang, B. Super-resolution optical microscopy: multiple choices [Text] / B. Huang // Current Opinion in Chemical Biology. — 2010. — Vol. 14, № 1. — P. 10-14. doi:10.1016/ j.cbpa.2009.10.013
7. Yazdanfar, S. Simple and robust image-based autofocusing for digital microscopy [Text] / S. Yazdanfar, K. B. Kenny, K. Tasimi, A. D. Corwin, E. L. Dixon, R. J. Filkins // Optics Express. — 2008. — Vol. 16, № 12. — P. 8670-8677. doi:10.1364/oe.16.008670
8. Shimobaba, T. Real-time digital holographic microscopy using the graphic processing unit [Text] / T. Shimobaba, Y. Sato, J. Miura, M. Takenouchi, T. Ito // Optics Express. — 2008. — Vol. 16, № 16. — P. 11776-11781. doi:10.1364/oe.16.011776
9. Споаб визначення геометричних розм1р1в мжромасштабних прозорих об'еклв [Текст]: пат. 95615 Украша: МПК G01N 15/10 (2006.01) / Маркша О. М. Качур Н. В., Маслов В. П.; заявники та патентовласники Маркша О. М., Качур Н. В., Маслов В. П. — № u 2014 08497, заявл. 25.07.2014; опубл. 25.12.2014, Бюл. № 24. — 3 с.
10. Maslov, V. Logistic Approach to the Dependence of Efficiency of Scientific-and-Technical Projects on Resources [Text] / V. Maslov // Journal of Business and Management Sciences. — 2013. — Vol. 1, № 2. — P. 14-17. doi:10.12691/jbms-1-2-1
РАЗРАбОТКА ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТИЧЕСКИХ ШКАЛ И СЕТОК
Разработан научно-технический подход для создания интегральной измерительной системы для технологического аудита и контроля геометрических размеров топологических элементов оптических шкал и сеток. Проанализированы факторы, влияющие на величину полезного сигнала и экспериментально показано преимущества LED-экрана как осветителя перед галогенной лампой в разработанной измерительной системе. Проведенные эксперименты позволили определить оптимальные условия измерений.
Ключевые слова: оптическая система, геометрический размер, микроскоп, мера, шкалы и сетки, LED-экран.
ГорЫенко Валентин 1ванович, доктор техшчних наук, головний конструктор, заступник генерального директора, НВК «Фото-прилад», Черкаси, Украгна, e-mail: [email protected]. Качур Наталiя Володимирiвна, молодший науковий ствробт-ник, вiддiл ф1зико-технологлчних основ сенсорного матерiалознав-ства, 1нститут фiзики напiвпровiдникiв ж. В. 6. Лашкарьова НАН Украгни, Кигв, Украта, e-mail: [email protected]. Маркша Ольга Миколагвна, старший викладач, кафедра нау-кових, аналтичних та екологлчних приладiв i систем, Нащональ-ний техтчний утверситет Украти «Кигвський полтехшчний iнститут», Украта, e-mail: [email protected]. Маслов Володимир Петрович, доктор техтчних наук, доцент, старший науковий ствробтник, завгдувач вгддшу фiзико-тех-нологлчних основ сенсорного матерiалознавства, 1нститут фi-зики напiвпровiдникiв ж. В. 6. Лашкарьова НАН Украти, Кигв, Украта, e-mail: [email protected].
Гордиенко Валентин Иванович, доктор технических наук, главный конструктор, заместитель генерального директора, НПК «Фотоприбор», Черкассы, Украина.
Качур Наталия Владимировна, младший научный сотрудник, отдел физико-технологических основ сенсорного материаловедения, Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарёва НАН Украины, Киев, Украина.
Маркина Ольга Николаевна, старший преподаватель, кафедра научных, аналитических и экологических приборов и систем, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, Украина. Маслов Владимир Петрович, доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник, заведующий отделом физико-технологических основ сенсорного материаловедения, Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарёва НАН Украины, Киев, Украина.
Gordienko Valentin, RPC «Photoprylad», Cherkasy, Ukraine, e-mail: [email protected].
Kachur Nataliya, V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine, e-mail: [email protected].
Markina Olga, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: [email protected]. Maslov Volodymyr, V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine, e-mail: [email protected]
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 3/1(23), 2015
55
