CC BY
142
УДК 535.24
Ю.Ц. Батомункуев, А.С. Дульянинов, Н.А. Мещеряков СГГ А, Новосибирск
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Задача контроля чистоты поверхностей, относится к тем задачам, которые остаются актуальными во многих областях, начиная от санитарногигиенической уборки помещений и заканчивая наноэлектроникой. В частности, в полупроводниковой промышленности и медицине используются точные методы проверки высокой степени чистоты поверхностей [1]. В тоже время для контроля чистоты поверхностей бытовых приборов и устройств, определения степени загрязненности широко используемых материалов разработано гораздо меньше методов и устройств экспресс контроля. На это указывают и предварительные результаты проведённого нами патентного поиска устройств и методов контроля чистоты поверхностей различных материалов. Целью настоящего сообщения является анализ этих результатов. Поиск производился по следующим классам патентов: G 01N 21/17 (системы, в которых на падающий свет влияют свойства исследуемого материала), G 01N 21/21 (системы, в которых свойства материала, влияют на отраженный свет), G 01N 21/88 (системы предназначенные для выявления дефектов и загрязнений). Выбор указанных классов был продиктован нашим интересом к оптическим и оптоэлектронным методам решения задачи контроля чистоты поверхностей. Глубина патентного поиска составляла 50 лет. В результате поиска были вы-явлены оптические способы и устройства для узко специализированных задач связанных с проверкой чистоты поверхностей различных материалов [2-4].
Эти способы, приборы и устройства могут быть разделены на два типа. Первый тип характеризуется применением контролирующей рабочей жидкости, которая наносится на проверяемую поверхность. В качестве этой жидкости используется дистиллированная вода. В процессе растекания и высыхания пленки жидкости меняется интенсивность, фаза и поляризация отраженной волны из-за изменения коэффициента отражения. Это изменение зависит от степени и типа загрязнения различных поверхностей.
В качестве примера способа первого типа может быть рассмотрен, способ, описанный в патенте [2]. Это изобретение относится к производству изделий, имеющих высокий класс шероховатости поверхности, например магнитных дисков. Сущность способа заключается в следующем: выдерживая магнитный диск над нагретой водой в течение примерно 10 секунд параллельно поверхности воды, конденсацией пара наносят пленку воды на поверхность диска. Помещают диск в камеру с источником света, и с помощью фотоэлемента измеряют коэффициент отражения света от контролируемой поверхности. Чистоту поверхности магнитного диска определяют исходя из значения коэффициента отражения света. Авторы изобретения [2] отмечают, что предлагаемый способ дает возможность проследить динамику быстрого загрязнения частицами окружающей среды поверхности тщательно отмытых магнитных дисков. Ими также делается
вывод, что предлагаемый способ позволяет дать точную оценку степени чистоты поверхности магнитных дисков во всем диапазоне возможных загрязнений: от сильно загрязненных магнитных дисков до только что отмытых.
К приборам первого типа можно отнести устройство контроля чистоты поверхностей подложек, описанное в патенте [3]. Это устройство работает следующим образом. Поверхность исследуемой подложки освещается равномерным световым потоком от источника света через конденсор. Часть светового потока отражается от исследуемого участка поверхности подложки и попадает на фотодиод. С помощью дозатора на исследуемый участок поверхности подложки наносится капля жидкости фиксированного объема. Интенсивность отраженного светового потока по мере растекания капли жидкости по исследуемому участку поверхности подложки изменяется. Изменение светового потока регистрируется фотодиодом, на выходе которого формируется импульс тока. Параметры импульса тока определяются динамикой процесса взаимодействия жидкости с поверхностью. Амплитудное значение импульса тока позволяет судить о чистоте поверхности подложки: чем больше значение амплитуды импульса, что соответствует более высокой скорости изменения светового потока и скорости растекания жидкости по поверхности подложки, чем чище поверхность подложки. К недостаткам рассмотренных выше патентов [2,3] следует отнести низкую точность и невысокую скорость измерений.
Второй тип способов и устройств проверки чистоты не требует применения контролирующей рабочей жидкости. К второму типу относятся широко распространенные способы визуальной оценки чистоты поверхностей, в том числе с применением оптических приборов, микроскопов и луп. В качестве примера может быть рассмотрен способ контроля чистоты поверхности оптических деталей зрительной трубы [4], заключающийся в освещении зрительной трубы точечным источником света и анализе изображения источника света через окуляр зрительной трубы. При этом оптическую систему зрительной трубы фокусируют на точечный источник света и совмещают его изображение с центром поля зрения зрительной трубы. Световая волна, освещающая частицы загрязнения поверхностей объектива и окуляра, частично затеняется ими. При расфокусировке зрительной трубы относительно точечного источника света на сетчатке глаза наблюдателя, как на проекционном экране, появляются действительные теневые изображения частиц загрязнения. При увеличении расфокусировки возрастает и масштаб теневого изображения. В поле зрения визирной трубы наблюдатель видит освещенный точечным источником света входной зрачок объектива, затененный частицами загрязнения. Изображение частицы объектива будет иметь большую нерезкость, чем изображение частицы окуляра, по причине большей удаленности частицы от глаза наблюдателя. Перемещением точечного источника в плоскости, перпендикулярной оптической оси зрительной трубы, определяют параллактические смещения теневых изображений частиц загрязнения.
Величина же параллактического смещения изображения частиц объектива будет значительно больше параллактического смещения теневого изображения частиц окуляра, что связано с более близким расположением объектива к осветителю. Это позволяет визуально проконтролировать степень загрязненности объектива и окуляра. По своей сути способ [4] является разновидностью визуальных методов контроля чистоты поверхности с присущей им субъективной оценкой и ограниченностью применения.
В результате проделанного патентного поиска было выявлено, что существующие способы и устройства предназначены для решения только узкоспециализированных задач, связанных с проверкой чистоты поверхностей конкретных материалов или определенных деталей приборов и устройств. Способы же быстрого определения чистоты поверхности различных материалов, кроме субъективного визуального контроля, отсутствуют, да и сами критерии оценки степени чистоты противоречивы. Это является основанием для разработки новых способов и устройств, так как потребность в объективной оценке загрязнения различных поверхностей стала актуальной и для повседневной проверки качества уборки бытовых и производственных помещений. На наш взгляд наиболее практичным с точки зрения приборной реализации является метод, основанный на зависимости степени поляризации рассеянного от исследуемой поверхности линейно поляризованного излучения, с использованием когерентных и некогерентных источников излучения, а также новых оптических голограммных элементов [5]. Но для разработки нового способа контроля чистоты поверхностей следует провести целый ряд экспериментальных исследований по более детальному изучению степени влияния загрязненных поверхностей различных материалов на характеристики отраженного света.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чистые помещения [Текст]/ Под ред. Хаякавы И.// М.: Мир, 1990. - 454с.
2. Пат. 1771532 Советская редакция, Способ контроля чистоты поверхности изделий [Текст]/ Синенко Б.В. и Махров В.Ф., Научно-производственное объединение «Персей», №4635454/25, заявл. 11.01.89; опубл. 23.10.92, Бюл. №39. - 4с.
3. Пат. 1741032 Советская редакция, Устройство контроля чистоты поверхности подложек [Текст]/ Рафельсон Л.Л., Волков А.В., Бородин С.А. и Иванова В.А., Научноисследовательский институт «Экран», №4865025/25, заявл. 10.09.90; опубл. 15.06.92, Бюл. №22. - 3с.
4. Пат. 1770860 Советская редакция, Способ контроля чистоты поверхности оптических элементов зрительной трубы [Текст]/ Черний А.Н., Московский научноисследовательский институт туберкулёза, №4863226/25, заявл. 30.08.90; опубл. 23.10.92, Бюл. №39. - 3с.
5. Оптическая голография [Текст]/ Под ред. Колфилда Г. //М.: Мир,1982.-733с.
© Ю.Ц. Батомункуев, А.С. Дульянинов, Н.А. Meщеряков, 2005
