Лазерная дифрактометрия микрообъектов типовой формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, доктор технических наук Тарлыков, Владимир Алексеевич

• Тарлыков, Владимир Алексеевич
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Тарлыков, Владимир Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. Лазерная дифрактометрия.

1.1. Объекты дифрактометрии, проблема измерения и контроля.

1.2. Дифракция на плоских экранах; основные свойства.„.

1.2.1. Дифракция Френеля и Фраунгофера.

1.2.2. Свойства симметрии дифракционной картины.

1.2.3. Преобразование фурье-спектра в оптическом процессоре.

1.3. Геометрическая теория дифракции.

1.4. Контраст дифракционной картины.

1.5. Анализ дифракционных методов измерения. Структурная схема лазерного дифрактометра.

Выводы.

2. Влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье - процессора на дифрактометрию микрообъектов.

2.1 Влияние параметров лазерного излучения.

2.1.1. Влияние формы волнового фронта на дифракционное распределение.

2.1.2. Влияние распределения амплитуды поля на дифракционную картину.

2.1.3. Влияние когерентности лазерного излучения на дифракционное распределение.

2.1.4. Влияние модового состава излучения на дифракционное распределение.

2.2. Влияние оптического фурье - процессора.

2.2.1.Влияние апертуры фотоприемника.

2.2.2. Фурье - объектив лазерного дифрактометра.

Выводы.

3.Трансляционная симметрия дифракционной картины Фраунгофера.

3.1.1.Понятие трансляционной симметрии.

3.1.2. Особенность излучения прямого и обобщенного углов.

3.1.3. Классификация апертур.

3.2. Трансляционная симметрия дифракционной картины от совокупности прямоугольных элементов.

3.3. Трансляционная симметрия дифракционной картины от апертуры с обобщенными прямыми углами.

3.3.1. Влияние локального дефекта на структуру дифракционной картины

Фраунгофера чечевицеобразной апертуры.

Выводы.

4. Дифрактометрия микроотверстия при наличии дефекта контура.

4.1. Дефекты контура микроотверстая.

4.2. ГТД модель дифракции на отверстии с дефектом.

4.3. Дифрактометрия микроотверстия с малым локальным дефектом.

4.4. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом конечного размера.

4.4.1. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом многогранной формы.

4.4.2. Дифрактометрия микроотверстия с дефектом полукруглой формы.

4.4.3. Измерение характерного размера дефекта.

4.5. Дифрактометрия микроотверстия с огранкой контура.

4.5.1. Структура дифракционной картины.

4.5.2. Измерение степени огранки контура.

Выводы.

5. Дифрактометрия характерного размера изделия.

5.1. Дифрактометрия площади микроотверстия с дефектами кошура.

5.1.1.Измерение характерного размера отверстия при наличии фазовых возмущений в апертуре отверстия.

5.2. Дифрактометрия среднего размера совокупности длинных протяженных изделий.

Выводы. в. Практическая реализация лазерных дифрактометров и их использование в промышленности и науке.

6.1 Лазерные дифрактометры.

6.1.1. Дифракционные измерители диаметра проволоки - ДИД.

6.1.2. Дифракционный измеритель диаметра сопла - ДИД-7.

6.1.3. Лазерный телевизионный дифрактометр качества канала волоки.

6.1.4. Лазерный телевизионный дифрактометр биологических объектов.

6.2 Практическое использование дифрактометров серии ДИД.

6.3 Результаты экспериментальных исследований микроотверстий на лазерном телевизионном дифрактометре.

6.4 Дифрактометрия эритроцитов.

6.4.1. Дифрактометрия мазков крови.

6.4.2. Дифрактометрия эритроцитов в условиях гипотонического гемолиза.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерная дифрактометрия микрообъектов типовой формы»

В науке и технике измерения занимают центральное место. Прогресс в этих областях зачастую связан с повышением их точности. Развитие целого ряда отраслей промышленности: приборостроения, станкостроения, микроэлектроники; проведение прецизионных измерений в науке и технике, биологии и медицине требует создания и развития высокоточных оптических методов измерения. Основными преимуществами оптических методов контроля и средств измерения являются высокая скорость измерения, неконтактность, высокое пространственное разрешение, большая информативность, высокая точность измерения, информация о форме изделия и взаимном расположении отдельных элементов.

Линейные размеры элементов современных миниатюрных изделий составляют от сотен микрометров до десятых долей микрометра, т.е. находятся на пределе разрешающей способности широкого класса оптических телевизионных и электронных микроскопов. Точность измерений таких размеров необходима в пределах 0.1 - 0.01 мкм, а погрешности измерений на практике достигают, в зависимости от метода измерений, типа прибора и вида изделия, величин порядка 20 - 100 % от измеряемого параметра.

Интенсивность развития современного производства, разработка новых видов материалов и в частности, композиционных, создание новых прецизионных устройств управления, увеличение надежности и качества изделий требуют развития средств контроля и такой массовой продукции, как протяженные металлические изделия малых поперечных сечений (проволока, волокна, ленты, растяжки и т.п.). Значительное число производимых изделий содержит микроотверстия, имеющие различное функциональное назначение. Такие виды изделий в большом количестве производятся электротехнической, металлургической, кабельной, радиоэлектронной, приборостроительной, оптической промышленностью.

Поперечный размер: диаметр, ширина, толщина, профиль поперечного сечения, средний диаметр совокупности волокон, нитей, микроотверстий, микрочастиц и т.п. является одним из важнейших параметров указанных изделий. Определяя допустимые механические и электрические нагрузки, стабильность параметров по длине образцов, он влияет на качество, надежность, точность, механические характеристики других, более сложных изделий (электрических двигателей, электроизмерительных приборов, тензорезисторов, устройств на основе композиционных материалов, оптических приборов и др.) и поэтому, как правило, имеет довольно жесткий технологический допуск. Например, в соответствии с ГОСТ 18003 - 73 технологический допуск на вольфрамовую проволоку с номинальным диаметром 10 мкм не превышает ± 1.5 % от номинала.

Наиболее сложные проблемы измерения и контроля возникают для двумерных объектов - отверстий круглой формы - где незначительные изменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при изготовлении и эксплуатации оказывают очень сильное влияние на их эксплуатационные характеристики. Многообразие видов изделий вызывает необходимость разработки специализированных устройств измерения и контроля. Особенно остро проблема измерения и контроля стоит в диапазоне размеров менее десятка микрон. И здесь наиболее перспективными являются когерентно-оптические методы измерения и контроля и среди них -дифракционный.

Дифракционный метод измерения размеров изделий обладает высокой чувствительностью к изменению размера и формы объекта. Но в силу специфики образования дифракционной картины (ДК) на результат измерения оказьюают влияние как параметры поля излучения в пределах объекта измерения так и передаточная характеристика измерительного преобразователя. Использование дифракционного метода затрудняется отсутствием разработанных инженерных методик решения обратной задачи нахождение размера и формы объекта по ДК. Дифракционный метод используется для измерения элементов рисунка фотошаблона; диаметра проволоки, волокна, отверстия, среднего диаметра совокупности частиц и т.п. Все эти объекты, как правило, имеют теневое сечение либо в виде прямоугольного или круглого отверстия (экрана) и их протяженностью в направлении облучения можно пренебречь. Наиболее сложные проблемы появляются при измерении и контроле двумерных объектов - где незначительные изменения формы контура объекта, неизбежно возникающие при изготовлении и эксплуатации изделия, оказывают очень сильное влияние на ДК. Одним из перспективных дифракционных методов решения обратной задачи является метод геометрической теории дифракции (ГТД).

Таким образом, исследование специфических вопросов влияния параметров лазерного излучения, передаточной характеристики измерительного преобразователя на результат измерения, влияние формы микроотверстия на ДК и разработка методов контроля и измерения геометрических параметров тонких длинномерных изделий и микроотверстий, которым посвящена данная диссертационная работа, представляется весьма актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка лазерных дифракционных методов и способов измерения характерных размеров и контроля качества типовых объектов - прямоугольной и круглой формы.

При выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ влияния основных возмущающих факторов: лазерного излучения; объекта измерения; измерительного преобразователя на ДК;

• разработать модели отверстий при наличии дефекта контура;

• исследовать особенности формирования характерных признаков структуры ДК при наличии дефектов контура с целью решения обратной задачи;

• разработать метод контроля дефектности контура отверстия;

• экспериментально исследовать применимость дифрактометрии характерных размеров типовых объектов: тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц;

• создать лазерные дифрактометры тонких длинномерных изделий; отверстий; экранов; биологических частиц.

Структурно диссертационная работа состоит из шести разделов, приложения, вводного и заключительного раздела, а также списка использованной литературы.

В первом разделе работы анализируются основные проблемы лазерной дифрактометрии одномерных и двумерных объектов; приводятся основные соотношения для дифракции Фраунгофера; рассматривается применение аппарата ГТД для построения структуры ДК; приводятся основные свойства симметрии ДК; вводится понятие контраста ДК, позволяющее количественно оценить качество ДК; отмечается, что наиболее предпочтительным методом лазерной дифрактометрии является метод, основанный на измерении расстояния между экстремальными точками.

Во втором разделе рассматривается влияние параметров лазерного излучения и оптического фурье-процессора на дифрактометрию микрообъектов; показано, что распределение амплитуды поля наиболее сильно сказывается при измерении изделий типа экран при соизмеримых размерах пучка и объекта, рассматривается влияние на ДК локальных фазовых возмущений поля излучения в пределах объекта измерения; приводятся соотношения позволяющие оценить влияние пространственной когерентности, неравномерности распределения амплитуды поля, конечного размера апертуры фотоприемника на результат измерения. Анализ влияния аберраций Фурье-объектива показал, что наибольшее влияние на свойство инвариантности оказывает кома.

Третий раздел работы посвящен трансляционной симметрии ДК. Здесь рассматривается условие ее наблюдения для апертур прямоугольной формы и апертур с обобщенными прямыми углами; приводится пример ее применения как тестовой структуры для измерения размеров объектов.

В четвертом разделе рассмотрено моделирование структуры ДК методом ГТД для круглых отверстий при наличии дефектов контура; выделено два основных типа отклонения формы от круглой: локальные и распределенные; приведены геометрические аппроксимации характерных видов дефектов. Формирование структуры ДК при наличии дефекта рассматривается как процесс наложения поля дефекта на тестовую структуру, создаваемую излучением дифрагированным круглой апертурой. Механизм формирования поля рассмотрен на примере точечного дефекта и характерных дефектов конечной величины; показано, что в структуре поля присутствуют линии, описываемые кривыми второго порядка; рассматривается вопрос измерения характерного размера дефекта.

В пятом разделе рассмотрен дифракционный метод измерения характерного размера изделия - среднего размера или площади. При наличии дефектов контура отверстия об его диаметре говорить затруднительно и поэтому для оценки характерного размера предложено использовать вращение ДК. Показано, что в этом случае погрешность измерения площади отверстия минимальна. Рассмотрен также вопрос измерения среднего размера совокупности тонких протяженных изделий, хаотически расположенных на плоскости.

Шестой раздел работы посвящен практической реализации метода лазерной дифрактометрии. В нем приведено описание разработанных конструкций дифрактометров проволок, отверстий и алмазных волок; представлены результаты экспериментального исследования качества канала алмазных волок. Приведено описание лазерного телевизионного дифрактометра эритроцитов и результаты его практического использования.

В приложении приведены акты испытаний, методика контроля, акты внедрения.

На защиту выносятся следующие оригинальные научные результаты:

- новый метод анализа ДК отверстия (экрана), основанный на использовании "квазиголографического" принципа - в качестве опорного излучения, в силу принципа суперпозиции оптических полей, рассматривается виртуальное дифракционное поле круглого отверстия. Дифрагированное поле рассматривается как совокупность поля правильного отверстия (экрана) и поля дефекта;

- методика расчета структуры ДК отверстия с локальным и распределенным дефектом формы контура методом ГТД; показано, что в структуре ДК с локальным дефектом возможно существование только линий второго порядка (линии, вдоль которых группируются минимумы распределения интенсивности - линии структуры ДК), причем данные линии являются локальными - соответствуют структуре ДК в пределах "собственной" зоны; - для всей ДК одновременно возможно присутствие не более двух типов структурных линий. Первый тип - эллипсы для дефекта внутреннего или гиперболы для внешнего, второй - параболы, возникают только в случае краевого (углового) дефекта; - общее количество семейств кривых с одинаковыми эксцентриситетом и наклоном равно удвоенной сумме числа угловых точек и ребер дефекта;

- метод оценки контраста ДК, определяемого как удвоенная величина отношения амплитуды основной гармоники фурье-спектра выровненной ДК к амплитуде нулевой гармоники;

- трансляционная симметрия ДК, наблюдаемая в ДК прямоугольной апертуры и ДК апертуры с обобщенными прямыми углами при выравнивании распределения интенсивности, осуществляемого путем умножения на функцию обратно-пропорциональную квадрату пространственной частоты;

- метод измерения характерного размера объекта (среднего размера совокупности длинномерных объектов и площади отверстия), основанный на интегрировании ДК по углу.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем: Разработанные методы позволили

- неконтактным способом выполнить контроль дефектности алмазных волок; микроотверстий, полученных лазерным сверлением и проколом;

- исследовать трансформацию формы эритроцитов в гипоосмотическом растворе и впервые наблюдать скачкообразное изменение их размера.

Практическая значимость работы подтверждается:

- созданием образцов лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий, работающих на разных этапах технологического процесса;

- разработкой лазерного телевизионного дифрактометра контроля дефектности микроотверстий и измерение характерных параметров совокупности биологических частиц;

- получением 6 - авторских свидетельств СССР на способы и устройства измерения и контроля;

- практическим использованием и внедрением лазерных дифрактометров тонких длинномерных изделий и микроотверстий;

- универсальностью разработанных измерительных методик измерения и контроля, апробированных на широком спектре объектов от проволок,

12 волокон, растяжек, алмазных волок, микроотверстий, полученных лазерным сверлением и проколом до эритроцитов различной формы;

- разработкой способов выравнивания интенсивности ДК;

- введением понятия интегрального контраста ДК, что позволило количественно оценивать качество ДК.

Все расчеты и моделирование в диссертационной работе выполнены в пренебрежении толщиной объекта, т.е. для тонких плоских экранов.

С целью улучшения иллюстративных возможностей рисунков в большинстве графиков, демонстрирующих распределение амплитуды поля или интенсивности в зависимости от каких-либо возмущений, учитывая высокую скорость спада, по оси ординат откладывается отношение

1о§[1 + К • 1(и)] 1оё[1 + КМ(0)]' где К = 10 -г-10 ,1(и) - интенсивность, и - пространственная частота.