CC BY
19
УДК 681.723.26; 681.786.5
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ЛАТЕРАЛЬНО ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ
Евгений Владимирович Сысоев
ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Игнат Александрович Выхристюк
ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, зав. лабораторией, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Родион Владимирович Куликов
ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Василий Владимирович Широков
ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Предложен высокопроизводительной способ измерения рельефа поверхности лате-рально движущихся объектов с использованием методов низкокогерентной интерферометрии. Метод основан на одновременном вертикальном и латеральном сканировании. Показано что при измерении рельефа протяженных движущихся поверхностей можно достичь погрешности менее 1 мкм.
Ключевые слова: движущийся объект, низкокогерентная интерферометрия, дифференциальная интерферограмма, рельеф поверхности.
INTERFERENCE MEASUREMENT OF LATERALLY MOVING SURFACE MICRORELIEF
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Ph. D., Leading Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Laboratory Head, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Vasily V. Shirokov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
High-performance method of laterally moving objects surface measurement using the low-coherence interferometry was proposed. The method is based on the synchronous vertical and lateral scanning. It has been shown that measurement error of extended moving surface can be less than 1 um.
Key words: moving object, low coherence interferometry, differential interferogram, surface
relief.
Одной из актуальных задач контроля состояния промышленных изделий является измерение рельефа поверхности в движении. Такие задачи возникают, например, при производстве твэл (тепловыделяющих элементов для атомных реакторов) и контроле внешнего вида их оболочки.
Применение высокоточных интерференционных систем измерения для решения таких задач затруднительно [1-3]. И связано это с тем, что часто нет возможности зафиксировать объект измерения и выполнить сканирование по глубине. Так, при использовании метода дифференциальных интерферограмм [4, 5] на каждом шаге сканирования используется две интерферограммы, а в методе, описанном в работе [6] - три. При этом для правильного расчета изолинии рельефа поверхности объект измерения должен находится в покое.
При интерференционном контроле движущейся поверхности необходимо решить две задачи. Первая связана с тем, что необходимо выполнять вертикальное сканирование и на каждом шаге сканирования рассчитывать изолинию рельефа поверхности. Решение второй задачи заключается в том, чтобы связать параметры измерительной системы и характеристики движения объекта контроля с целью получения требуемого результата измерения.
В настоящей работе предложен способ измерения рельефа поверхности движущихся объектов на основе метода дифференциальных интерферограмм.
Такой выбор основан на том, что использование двухканального дифференциального интерферометра [7, 8] позволяет получать одновременно две противофазные интерферограммы, по которым рассчитываются дифференциальная интерферограмма и изолиния рельефа поверхности. Одновременность регистрации интерферограмм исключает влияние латерального (перпендикулярно оптической оси) движения измеряемого объекта на результат измерений.
В процессе измерения на каждом шаге сканирования по высоте Дг мы получаем изолинию рельефа поверхности, сдвинутую латерально (в горизонтальном направлении) на величину Дх. Если требуемый диапазон сканирования по высоте равен величине 2, то за время сканирования объект переместится лате-рально на величину:
X = ^. (1)
Изолиния рельефа рассчитывается по площади, размеры которой определяются размерами проекции матрицы ПЗС камеры в зону измерения. При этом размер матрицы dmat, ориентированный вдоль направления движения, рассчитывается как:
dnшt = В |р|:
(2)
где В - физический размер матрицы, в - оптическое увеличение. Очевидно, что при завершении вертикального сканирования рельеф поверхности, рассчитываемый по набору изолиний, можно восстановить только для той площади объекта измерения, для которой были рассчитаны изолинии рельефа, т.е. для области пересечения проекций ПЗС матриц. На следующем этапе измерения производится вертикальное сканирование в обратном направлении. Для того, чтобы область измерения была непрерывной, объект измерения (за время вертикального сканирования) должен перемещаться латерально на величину, не большую чем половина проекции ПЗС матрицы (рис. 1).
7-к
■--"' А ^ \
с ^
ЪН
X
Рис. 1. Процесс измерения рельефа поверхности
При заданной скорости V латерального движения объекта измерения (рис. 1, ось Х ) рассчитывается требуемая производительность ПЗС камеры:
V =--(3)
Ьг - d,
та(
Так, например, при V = 200 мм/с (скорость перемещения твэл в производственной линии), 2 = 0,05 мм, Ае = 0,002 мм, dmat = 6,6 мм производительность ПЗС камеры должна быть не менее чем 758 кадров/сек.
Эксперименты с двухканальным дифференциальным интерферометром были рассмотрены в нашей работе [8]. В настоящей работе двухканальный интерферометр моделировался одноканальным интерферометром в старт-стопном
режиме. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. В основе системы измерения лежит оптическая схема микроинтерферометра Линника.
Рис. 2. Система измерения рельефа динамических объектов:
1 - компьютер; 2 - контроллер управления; 3 - источник частично когерентного света; 4 - объектив; 5 - светоделительный куб; 6, 7 - два идентичных объектива;
8 - опорное зеркало; 9 - пьезокерамика; 10 - объект измерения; 11 - микрометрический столик; 12 - тубусная линза; 13 - ПЗС камера; 14 - микрометрический столик
с датчиком линейных перемещений
В качестве источника частично когерентного света используется красный светодиод с длинной когерентности 1С = 20 мкм. Увеличение оптической системы |Р| = 5. Размер пикселя камеры составляет 7,4 мкм х 7,4 мкм. Размер зоны измерения интерферометра составляет 1,5 мм х 3,0 мм. Измерение рельефа поверхности проведено в двух режимах: статическом и динамическом. Диапазон перемещения и шаг сканирования по вертикали (рис. 2, ось X) составляют 100 мкм и 3 мкм, соответственно. Диапазон латерального перемещения и шаг сканирования (рис. 2, ось X) составляют 4 мм и 5 мкм, соответственно.
На рис. 3 представлены экспериментальные результаты. В качестве объекта измерения была выбрана кремниевая пластина со структурами в виде квадратных и круглых столбиков. Высота столбиков составляет ~ 25 мкм, горизонтальный размер равен ~ 50 мкм х 50 мкм. Результаты измерения статическим и динамическим способами, которые сравнивались для области пресечения отличаются менее чем на 1 мкм.
Рис. 3. Измеренный рельеф поверхности: а) в статике; б) в динамике
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложен высокопроизводительный способ измерения рельефа латераль-но движущейся поверхности с использованием методов низкокогерентной интерферометрии.
Экспериментально показано, что данный способ позволяет измерять рельеф протяженных движущихся поверхностей с погрешностью менее 1 мкм.
Результаты работы могут использоваться при проектировании высокоточных, высокопроизводительных систем для бесконтактного контроля объектов промышленного производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Albertazzi A. and Pont A. Preliminary measurement performance evaluation of a new white light interferometer for cylindrical surfaces // Journal of Physics. - 2005. - V. 13. - P. 28-31.
2. Höink A., Meiners-Hagen K., Jusko O., Abou-zeid A. Application of diode lasers in interferometrical length measurements // Proceedings of ISMTII. - 2009. - P. 006-010.
3. Сысоев Е. В., Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Поташников А. К., Широков В. В. Высокопроизводительный оптический интерференционный микропрофилометр // Датчики и Системы. - 2015. - № 9-10. - С. 52-57.
4. Сысоев Е. В., Голубев И. В., Чугуй Ю. В., Шахматов В. А. Измерение локальных отклонений профиля поверхности на основе интерференции частично когерентного света // Автометрия. - 2004. - Т. 40. - №4. - С. 4-13.
5. Сысоев Е. В., Голубев И. В. Способ измерения профиля поверхности. Патент РФ № 2245515, 2005.
6. Dresel Th., Häusler G., and Venzke H. Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar // Applied. Optics. - 1992. - V. 31. - P. 919-925.
7. Andretzky P., Lindner M. W., Bohn G., Neumann J., Schmidt M., Ammon G., and Häusler G. Modifications of the coherence radar for in vivo profilometry in dermatology // Proc. SPIE. - 1998. - V. 3567. - P. 88-96.
8. Сысоев Е. В., Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Широков В. В. Двухканальный интерферометр белого света для получения дифференциальных интерферограмм // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - Т. 2. - С.34-38.
© Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков, 2016
