Повышение точности трехкоординатных измерений геометрических параметров изделий в компьютерной микроскопии методами продольной фокусировки и триангуляции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Латонов, Игорь Владимирович

• Латонов, Игорь Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Латонов, Игорь Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ проблемы бесконтактных терхкоординатных измерений в оптической микроскопии

1.1. Задача бесконтактных трехкоординатных исследований

в микроскопии

1.2. Современные методы бесконтактных трехкоординатных исследований

микро- и наноструктур в компьютерной оптической микроскопии

1.3. Методы «классической» оптической микроскопии

1.4. Задача автоматической фокусировки в оптических системах

1.5. Выводы по главе и постановка задач 37 Глава 2. Разработка методов бесконтактных трехкоординатных измерений

на компьютеризированном оптическом микроскопе

2.1. Оптическая система универсального измерительного микроскопа

2.2. Глубина резкости в компьютеризированном оптическом микроскопе

2.3. Разработка принципов измерения положения поверхностей детали

по координате Ъ на основе продольной фокусировки

2.4. Разработка критериев фокусировки оптической системы

на измеряемую поверхность

2.5. Разработка принципов измерения положения поверхностей детали

по координате Ъ на основе триангуляционного метода

2.6. Выводы по главе 69 Глава 3. Экспериментальное исследование принципов бесконтактных трехкоординатных измерений на компьютеризированном оптическом микроскопе

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Методики проведения экспериментов и результаты исследования трехкоординатной ИИС на основе принципа продольной фокусировки

3.3. Методики проведения экспериментов и результаты исследования трехкоординатной ИИС на основе принципа триангуляции

3.4. Методики проведения экспериментов и результаты исследования точности измерений в плоскости Х-У на трехкоординатной ИИС

3.5. Исследование способа бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению

3.6. Выводы по главе 95 Глава 4. Описание информационно-измерительной системы для проведения бесконтактных трехкоординатных измерений и определение перспективных направлений ее развития

4.1. Состав и структура трехкоординатной информационно-измерительной системы на основе методов продольной фокусировки и триангуляции

4.2. Анализ погрешностей, возникающих при проведении измерений на разработанной трехкоординатной ИИС

4.3. Перспективные направления развития разработанной системы

4.4. Выводы по главе 108 Заключение 109 Библиографический список используемой литературы 111 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности трехкоординатных измерений геометрических параметров изделий в компьютерной микроскопии методами продольной фокусировки и триангуляции»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из актуальных задач современной измерительной техники в области станкостроения и инструментального производства является повышение точности измерения линейных и угловых размеров деталей и инструмента. Для решения поставленной задачи широкое применение получили оптические приборы, отличающиеся широким диапазоном измеряемых размеров, возможностью проведения бесконтактных дистанционных измерений размеров и углов, отклонений формы, расположения и шероховатости поверхностей. Особый класс оптических средств измерения (СИ) составляют измерительные микроскопы. Они широко применяются для проведения высокоточных измерений деталей сложной формы и конструкции, элементов технологических и контрольных приспособлений, режущего инструмента.

Однако наряду с повышением точностных характеристик таких СИ часто требуется решать ещё одну актуальную задачу - повышение их универсальности и функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что в ходе выполнения сложных измерительных работ, как правило, при измерении деталей сложной формы и точных, малогабаритных деталей, возникает необходимость использования нескольких различных датчиков на измерительный цикл. Таким образом, требуется создание нового типа измерительных машин, сочетающих в себе функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и координатно-измерительных машин (КИМ). Подобные системы, построенные на базе измерительных микроскопов, оснащенные средствами проведения оптических и контактных трехкоординатных измерений на основе использования щуповых головок, определили целый новый класс средств измерений - мультисенсорные координатно-измерительные машины (МКИМ). С применением таких СИ возможно проводить контактные и оптические измерения, выполнять высокоточное сканирование измеряемой поверхности, определять ее шероховатость. Такая многофункциональность обеспечивается применением комбинацией различных датчиков, в том числе на основе бесконтактных лазерных систем.

Современные зарубежные машины этого типа позволяют проводить измерения в плоскости Х-У с погрешностью до 2 мкм в диапазоне измерения

300x300 мм и по координате Z (вдоль оптической оси) с погрешностью до 5 мкм в диапазоне измерения 200 мм, однако стоимость таких систем достигает нескольких сотен тысяч долларов.

Анализ структуры применяемых МКИМ позволяет сделать вывод о том, что подобные системы могут быть созданы путем модернизации существующих оптических измерительных и инструментальных микроскопов, парк которых насчитывает до 50 единиц на отдельных предприятиях отечественного промышленного комплекса. Эти СИ имеют совершенную и надежную механическую и оптическую системы, оснащены узлами, приспособлениями и устройствами, позволяющими проводить измерения объектов широкой номенклатуры, и хорошо поддаются компьютеризации.

Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной бесконтактной трехкоординатной информационно-измерительной системы (ИИС) на основе модернизации и компьютеризации стандартизованных СИ, в которой бы сочетались функциональные возможности как универсальных измерительных микроскопов, так и КИМ. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ИИС на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющая проводить измерения по координате Z (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

Цель работы заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности компьютеризированных измерительных микроскопов путем построения на их основе трехкоординатных информационно-измерительных систем.

Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. Исследование возможности измерения по координате Ъ на компьютеризированном измерительном микроскопе с использованием методов продольной фокусировки и триангуляции.

2. Разработка принципов цифровой обработки изображений при измерении по координате Ъ с использованием указанных методов.

3. Разработка и создание экспериментального образца трехкоординатной информационно-измерительной системы на основе указанных методов.

4. Экспериментальное исследование разработанных методов и средств измерения по координате Z.

5. Повышение точности двухкоординатных измерений в плоскости X-Y на компьютеризированном измерительном микроскопе.

6. Разработка способа оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения.

Методологической базой исследований послужили работы М.Я. Шульмана в области автоматической фокусировки; работы В.И. Телешевского, А.В. Шулепова в области компьютеризации измерительных микроскопов; работы В.В. Mandelbrot (Польша), J. Feder (Норвегия), А.Д. Морозова в области фрактальной теории; работы А.И. Тудоровского, В.Н. Чуриловского, В.А. Панова в области теории оптических приборов; работы R.C. Gonzalez (Испания), R.E. Woods (США), И.С. Грузмана в области цифровой обработки изображений.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории дифракции и теории оптических систем, методы фрактальной теории и цифровой обработки изображений. Расчеты и разработка программно-математического обеспечения выполнялись в среде MATLAB.

Научная новизна работы заключается в:

1. установлении критериев фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность на основе цифровой обработки изображения указанной поверхности.

2. установлении взаимосвязи погрешности измерений в плоскости X-Y и точности фокусировки оптической системы на край объекта измерения.

3. выявлении зависимости, связывающей значения критерия фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность измеряемого объекта с видом обработки указанной поверхности и ее шероховатостью.

Практическая значимость работы состоит в:

1. структуре и конструкции трехкоординатной информационно-измерительной системы на базе компьютеризированного измерительного микроскопа, позволяющей проводить измерения по координате Z (вдоль оптической оси) методами продольной фокусировки и триангуляции.

2. повышении точности проведения двухкоординатных измерений в плоскости Х-У на компьютеризированном измерительном микроскопе в результате повышения точности фокусировки оптической системы на измеряемый объект.

3. способе оценивания шероховатости поверхности на основе обработки ее цифрового изображения, причем оценивание выполняется одновременно с проведением фокусировки оптической системы на измеряемую поверхность методом продольной фокусировки.

4. критерии фокусировки оптической системы на шероховатую поверхность, обладающем большей чувствительностью и точностью по сравнению с существующими критериями.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре (ГИЦ) ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 «Приборостроение», 221700 «Стандартизация и метрология».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. на Научно-практических конференциях «Автоматизация и информационные технологии (АИТ)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2010, 2013);

2. на Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2012)» (Москва, МГТУ «Станкин», 2012);

3. на 12-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепризнанных экспериментальных методик, нормированными метрологическими характеристиками поверенных средств измерений, а также обоснована данными,

полученными в ходе исследований в лабораториях ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», и последующей корректной оценкой погрешности их измерений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 95 наименований, и приложения. Работа содержит 147 страниц, в том числе 118 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц, одно приложение.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук, доценту A.B. Шулепову за ценные руководящие указания при подготовке диссертационной работы, а также доктору технических наук, профессору В.И. Телешевскому и другим членам кафедры «Измерительные информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ БЕСКОНТАКТНЫХ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

1.1. Задача бесконтактных трехкоординатных исследований в микроскопии

Микроскопия - это совокупность технологий и методов по изучению объектов с использованием микроскопа. С момента изобретения первого микроскопа прошло практически 400 лет и за это время человечеству удалось разработать несколько десятков видов микроскопов, в том числе работающих уже не на оптических принципах [55]. На сегодняшний день можно выделить следующие виды микроскопии:

- оптическая микроскопия;

- рентгеновская микроскопия;

- электронная микроскопия;

- сканирующая зондовая микроскопия.

Все они нашли свое применение для получения изображений поверхности и ее локальных характеристик в различных сферах науки, включая медицину, биологию, минералогию, металловедение и т.д.

Рентгеновский микроскоп [72] основан на использовании электромагнитного излучения с длинной волны от 0,01 до 1 нм, обладающего высокой проникающей способностью. В нем изучаемый объект помещается перед источником излучения и просвечивается рентгеновскими лучами. Благодаря тому, что коэффициент поглощения рентгеновских лучей зависит от размеров атомов, через которые они проходят, такой метод позволяет получать информацию не только о структуре, но и о химическом составе изучаемого объекта [14]. При помощи рентгеновского проекционного микроскопа можно оценить качество тонких покрытий, получить микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм, применить для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов [59], при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нм, что на порядок больше разрешающей способности оптического

микроскопа (до 200 им). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 15 нм [91].

Электронный микроскоп позволяет получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 эВ - 400 кэВ и более [64, 93]. Разрешающая способность электронного микроскопа в 500 раз превосходит разрешение лучших световых микроскопов и может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля. Такие микроскопы применяются в биологических и научных исследованиях, для анализа дефектов и неисправностей полупроводников, исследования образцов в промышленности [60].

В сканирующем зондовом микроскопе процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом [4]. При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и У (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). В общем случае это позволяет получить истинно трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки [7, 49]. В физике, химии, биологии, междисциплинарных науках, таких как материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, микроэлектромеханические системы), фотохимия и многие другие.

Хотя с помощью вышеперечисленных микроскопов возможно получить истинно трехмерные (сканирующий зондовый микроскоп) или псевдо трехмерные (растровый электронный микроскоп [21]) изображения поверхности образцов, данная работа направлена на исследование оптических способов получения

информации об объекте, в частности при помощи микроскопа. Таким образом, в дальнейшем рассмотрению будут подлежать только методы и средства оптической микроскопии.

Следует отметить, что определение микроскопии, данное в начале параграфа, никоим образом не ограничивает область ее применения и не определяет конструкцию используемого для данных целей микроскопа. Таким образом, переходя к рассмотрению исключительно оптического вида микроскопии, под микроскопом будет пониматься прибор, предназначенный для получения информации об исследуемом объекте на основе излучения в оптическом диапазоне.

Конструкции таких микроскопов разнообразны и будут рассмотрены в дальнейшем, а сферы их использования простираются от изучения локальных свойств поверхности с высокой разрешающей способностью (ближнепольные оптические микроскопы) и исследований тонких структур (конфокальные микроскопы) до широкого круга измерительных задач, возникающих в современной промышленности (инструментальные микроскопы).

Первые измерительные микроскопы обеспечивали возможность проведения исследований и измерений лишь в одной плоскости, то есть по двум координатам (горизонтальные координаты X и У). Вдоль третьей координаты (вертикальной координаты Ц) осуществлялось перемещение оптической системы или предметного столика с целью достижения наилучшей резкости получаемого изображения объекта.

Однако развитие научной мысли и возможностей производства деталей и поверхностей сложной структуры поставили задачу оптического получения трехмерной пространственной информации об исследуемых и измеряемых объектах. Пир этом диапазоны интересующих расстояний по оси Z находились в широких пределах: от единиц микрометров до единиц миллиметров. Для больших расстояний было возможно применение различных контактных методов, именно поэтому первая возможность бесконтактно, оптически получать информацию об объекте вдоль координаты Ъ появляется в области изучения свойств поверхности или тонких структур.

1.2. Современные методы бесконтактных трехкоординатных исследований микро- и наноструктур в компьютерной оптической микроскопии

Подобные методы были разработаны для исследования сверхчистых и сверхгладких поверхностей, в частности их микро и макро топографии, оптических и фотоэлектрических свойств и т.д.

Первым рассматриваемым инструментом для подобных задач стал изобретенный Дитером Полем в 1982 году ближнепольный оптический микроскоп (БОМ). В основе работы данного прибора [38, 29, 73, 24] используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы - отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения (рис. 1.1 а, 1.1 б).

Ро

2а«Хо (б) | Е12=сопз1

(а)

Рис. 1.1. (а) - прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой; (б) - линии постоянной интенсивности оптического излучения в области субволнового

отверстия

При прохождении света через субволновое отверстие наблюдается ряд особенностей [87, 74]. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях 1<100а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний 1>100а располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с

субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы.

На сегодняшний день существует несколько схем реализации ближнепольного оптического микроскопа [73]. Наиболее широкое применение нашли БОМ с зондами на основе оптического волокна [22], представляющего собой аксиально-симметричный оптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления, и с так называемым «shear force» методом контроля расстояния между зондом и образцом [92, 95], которое составляет порядка Юнм и менее. При этом диапазон измерения вдоль вертикальной оси Z составляет единицы микрометров.

Основные области применения ближнепольных оптических микроскопов - это исследование локальных оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых фоточувствительных структур, исследование биологических объектов, нанотехнология.

Помимо БОМ существуют и другие конструкции оптических микроскопов, устраняющие основной недостаток «классического» оптического микроскопа -наличие внефокусных лучей, регистрация которых снижает контраст наблюдаемого изображения (рис. 1.2) [78, 52].

Для этого был разработан конфокальный микроскоп (Марвин Мински, 1957 г.), который отличается от «классического» тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования - движения объекта исследования или перестройки оптической системы [88].

(а)

(б) - ход лучей в конфокальном оптическом микроскопе

Для того чтобы регистрировать свет только от одной точки, после объективной линзы располагается диафрагма малого размера [35] таким образом, что свет, испускаемый анализируемой точкой (сплошные лучи на рис. 1.2 а), проходит через диафрагму и будет зарегистрирован, а свет от остальных точек (например, пунктирные лучи на рис. 1.2 б) в основном задерживается диафрагмой, то есть диафрагма будет играть роль пространственного фильтра.

В течение длительного времени конфокальные микроскопы существовали в виде лабораторных установок и экспериментальных образцов. И только с появлением необходимой элементной базы в середине 80-х годов начался серийный выпуск этих приборов такими фирмами как BioRad, Zeiss, Leica, Nicon, Olympus [65]. В современных приборах в качестве источников света широко используются лазеры, обладающие высокой интенсивностью и монохроматичностью излучения, а для управления всей системой, формирования и хранения изображений, обработки результатов применяются компьютеры. Поэтому сейчас такие приборы называют конфокальными лазерными сканирующими микроскопами (КЛСМ) [35, 36].

Поскольку конфокальная микроскопия - это один из методов оптической микроскопии, а конфокальный микроскоп - оптический прибор, поэтому на него распространяется ряд ограничений, присущий таким приборам, например, дифракционные эффекты, зависящие от длины волны излучения. Однако за счет того, что свет в конфокальном микроскопе дважды проходит через объектив, то функция рассеяния точки (ФРТ) сужается [94]. И если для латерального разрешения в плоскости объекта использовать критерий Релея (26% провал от максимума распределения), то благодаря сужению ФРТ, разрешающая способность конфокального микроскопа оказывается в 1,5 выше разрешающей способности классического микроскопа с широким полем зрения. Другим достоинством конфокального микроскопа является существенное увеличение контрастности. В частности, для обычной ФРТ в фокальной плоскости отношение амплитуды в первом боковом максимуме к амплитуде в центре составляет 2%, для случая конфокального микроскопа это отношение равно 0,04%. Это становится важным, когда невозможно различить тусклый объект на фоне более яркого, хотя расстояние между ними существенно больше того, которое предписано критерием Релея. В

таких случаях конфокальный микроскоп позволяет разрешить объекты, имеющие разницу в интенсивности до 200:1.

При сканировании в плоскости Х-У детектором регистрируется сигнал, уровень которого определяется расстоянием от плоскости сканирования вдоль координаты 2. Таким образом пошаговое перемещение плоскости сканирования вдоль оси 2 позволяет получить серию контрастных послойных изображений и реконструировать внутреннюю трехмерную структуру (ЗО) исследуемого объекта (рис. 1.3). Качество изображения, разрешение в плоскости ХУ и вдоль оси 2 зависит от качества оптики, качества сканирующих систем, размеров и точности изготовления точечной диафрагмы, жесткости конструкции, эффективности используемых алгоритмов обработки сигналов.

Рис. 1.3. Получение серии оптических срезов на Рис. 1.4. Пример 3D реконструкции конфокальном микроскопе (Z-серия) поверхности инструмента с использова-

нием датчика NanoFocus фирмы Werth

В состав каждого конфокального микроскопа входит специальное программное обеспечение, которое позволяет производить объемную реконструкцию исследуемого объекта после проведения серии оптических срезов вдоль оси 2 (рис. 1.4). Общая толщина серии срезов ограничена как возможностями перемещения г-сканера (порядка 100 мкм) так и рабочим расстоянием объектива (например 70 мкм).

Вышеприведенное описание ближнепольной и конфокальной оптической микроскопии дает общее представление о физических принципах получения информации об исследуемом объекте вдоль оптической оси микроскопа, то есть по координате 2, позволяет понять основы построения и функционирования подобных систем. Однако, как упоминалось выше, перечисленные методы обладают

достаточно узким диапазоном исследования по координате 2, от единиц до десятков микрометров. В то же время диапазоны исследований по координатам Х-У определяются перемещением направляющих предметного столика и составляют значительно большие величины. При этом один цикл исследования занимает значительное время.

Предметом же настоящей работы является измерение пространственных величин больших размеров, на больших участках и за более короткие промежутки времени. В частности, предполагаемые решаемые задачи включают в себя трехкоординатные измерение деталей на производстве и в процессе контроля качества в различных областях промышленности, измерение параметров устройств микросистемной техники [50], измерение отклонений формы и расположения деталей и инструмента, оценивание высоты поверхностных неровностей перечисленных объектов.

Таким образом, пределом ближнепольного и большинства конфокальных микроскопов является диапазон измеряемых размеров по координате 2 до десятков микрометров. Дальнейшее увеличение указанного диапазона сопряжено с режимом сканирования и сшивкой данных, полученных на каждом этапе, что приводит к значительному увеличению времени измерения. Контактные же методы применяются для измерения размеров от единиц миллиметров. Это обусловлено тем, что при измерении меньших объектов в результат измерения вносится существенная методическая погрешность.

Из всего вышесказанного можно заключить, что рабочим для разрабатываемой информационной измерительной системы является диапазон от десятков микрометров до десятков миллиметров, что не исключает возможность применения системы для измерения деталей больших размеров: от единиц миллиметров до сотен миллиметров, когда ограничивающим фактором уже выступает дискретность перемещения оптического блока системы, формирующего информацию о пространственном положении элемента детали по координате Z.

Для проведения измерений в подобных диапазонах обычно используются оптические микроскопы с широким полем зрения, которые составляют особый класс оптических средств измерения (СИ) и функционируют на принципах «классической» оптической микроскопии.

1.3. Методы «классической» оптической микроскопии

Развитие оптических методов в микроскопии в настоящее время привело к появлению огромного числа различных методик измерения, поэтому под «классической» микроскопией будут пониматься методы измерения объектов с помощью микроскопов с широким полем зрения (рис. 1.5). В таких микроскопах определенное поле зрения равномерно освещается световым пучком, затем оптическая система проецирует изображение объекта, находящегося в поле зрения на сетчатку глаза или на плоскость фотоприемника, например, плоскость ПЗС матрицы в видеокамере. При этом в фотоприемник попадает свет, испущенный из различных областей объекта измерения (в отличие от конфокальной микроскопии): как находящихся в фокусе объективной линзы, так и вне фокуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Латонов, Игорь Владимирович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Знак, 2006. - 952 е.: ил.

2. Андреев А.Л., Нужин A.B., Панков Э.Д. О повышении точности позиционно-чувствительного датчика на ПЗС // Приборостроение. - 1984. - Т. 27. -№ 11.-С. 70-77.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. Т. 1 - 9-е изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2006. -928 с.

4. Бахтизин Р.З., Галлямов P.P. Физические основы сканирующей зондовой микроскопии. - Уфа: РИО БашГУ, 2003. - 82 с.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. - 856 с.

6. Боровицкий В.Н. Оптимизация цифрового фильтра для оценивания фокусировки изображений в цифровой оптической микроскопии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - № 2. - С. 32-40.

7. Быков В.А., Лазарев М.И., Саунин С.А. Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности. // Электроника: наука, технология, бизнес. - 1997. - № 5. - С. 7-14.

8. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. - М.: Искусство, 1971. - 542 с.

9. Гаганов В.А. Исследование и разработка программных средств распознавания образов для решения задачи трехмерного моделирования в микроскопии: Автореф. дис. ... канд. технич. наук. - Москва, 2011. - 23 с.

10. Гельфанд И.М., Львовский С.М., Тоом А.Л. Тригонометрия. - М.: МЦНМО, 2002. - 199 с.

11. Генералова A.A. Особенности мультифрактального анализа профилограмм шероховатости детали // Надежность и качество. Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Том 2 / Под. Ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, - 2008. - С. 83-91.

12. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. - М: Техносфера, 2005. - 1072 с.

13. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. -

380 с.

14. Горелик С.С, Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд. доп. и перераб. -М.: МИСИС, 1994. - 328 с.

15. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. - Введ. 01.01.75. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 9 с.

16. ГОСТ 4046-80. Линейки синусные. Технические условия. - Введ. 01.01.82. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 8 с.

17. ГОСТ 7427-76 Геометрическая оптика. Термины, определения и буквенные обозначения. - Введ. 01.07.1977. -М.: Изд-во стандартов, 1988. - 17 с

18. ГОСТ 8.003-83 Микроскопы инструментальные. Методы и средства поверки. - Введ. 01.07.84. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 24 с.

19. ГОСТ 9378-93 Образцы шероховатости поверхности (сравнения). Общие технические условия. - Введ. 01.01.1997. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 8 с.

20. ГОСТ Р 8.736-2011 Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. - Введ. 13.12.2012. - М.: Стандартинформ, 2013. - 19 с.

21. Гоулдстейн Дж., ЯковицаХ. Практическая растровая электронная микроскопия. - М.: Мир, 1978. - 656 с.

22. Дряхлушин В.Ф., Климов А.Ю, Рогов В.В., Гусев С.А. Зонд сканирующего ближнепольного оптического микроскопа. // Приборы и техника эксперимента. - 1998. - № 2. - С. 138-139.

23. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

24. Жданов Г.С., Либенсон М.Н., Марциновский Г.А. Ближнепольная оптика. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 108 с.

25. Захарченко A.A. Измерение рельефа поверхности с помощью оптического микроскопа // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2005. - № 8. — С. 74-76.

26. Зуйков A.A., Шулепов A.B. Повышение точности измерения малогабаритных отверстий с помощью измерительного микроскопа на основе цифровой обработки изображения // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВННИЭМ. - 2012. - Т. 127. № 2. - С. 45-48.

27. Иванов А.Г. Измерительные приборы в машиностроении. - М: Машиностроение, 1964. - 526 с.

28. Инкрементные линейные фотоэлектрические преобразователи перемещений ЛИР-9М. - URL: http://www.skbis.ru/index.php?p=3&c=l&d=3. Дата обращения: 26.02.2013.

29. Интернет-сайт компании «НТ-МДТ». - URL: http://www.ntmdt.ru/. Дата обращения: 19.02.2013.

30. Кравченко Н.С. Методы обработки результатов измерений и оценки погрешностей в учебном лабораторном практикуме: учебное пособие / Н.С. Кравченко, О.Г. Ревинская; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 88 с.

31. Латонов И.В., ШулеповА.В. Повышение качества продукции при производстве микросистемной техники на основе построения трехкоординатных измерительных систем на базе оптических измерительных микроскопов // Вестник ВНИИНМАШ. - 2013. - № 2. - С. 49-55.

32. Латонов И.В., ШулеповА.В. Применение оптоэлектронной измерительной системы на базе фотокамеры для определения параметров геометрической точности малогабаритных объектов // Вестник ВНИИНМАШ. -

2012. -№ 2.-С. 97-101.

33. Латонов И.В., Шулепов A.B. Применение фрактальной размерности для оценки качества фокусировки оптической системы измерительного микроскопа на шероховатую поверхность // Приборы. - 2013. - № 4. - С. 58-63.

34. Латонов И.В., Шулепов A.B. Способ бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению, формируемому оптической системой измерительного микроскопа // Вестник МГТУ «Станкин». -

2013. -№ 1(24).-С. 141-145.

35. Лежнев Э.И., Попова И.И., Кузьмин C.B., Слащев С.М. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: принципы, устройство, применение (часть 1). // Научное приборостроение. - 2001. - Том 11, № 2. - С. 3-20.

36. Лежнев Э.И., Попова И.И., Кузьмин С.В., Слащев С.М. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: принципы, устройство, применение (часть 2). // Научное приборостроение. - 2001. - Том 11, № 2. - С. 26-42.

37. Мандельброт Б.Б. Фракталы в физике. - М.: Мир, 1988. - 672 с.

38. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: РАН, Институт физики микроструктур, 2004. - 114 с.

39. Миронченко В.И. Автоматизация контроля геометрических параметров изделий. - М.: ФГУП «ГосНИП «Расчет», 2011. - 208 е.: ил.

40. Миронченко В.И. Приборы бесконтактного контроля шероховатости наружных поверхностей деталей машиностроения в цеховых условиях серии «Дозор» // Измерительная техника. - 2004. - № 11. - С. 21-25.

41. Михель К. Основы теории микроскопа. Пер. с нем. - М: Гостехиздат, 1955-276 с.

42. Морозов А.Д. Введение в теорию фракталов. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 160 с.

43. Назаров А.С. Фотограмметрия: учебное пособие для студентов вузов. -Минск: ТетраСистемс, 2006. - 368 с.

44. Новейшие измерительные технологии. - СПб.: ЗАО НПФ «Уран», 2010. -С. 6-15.

45. Ньюбери Д., ЯковицХ. Механизмы формирования контраста изображения // Практическая растровая электронная микроскопия. Под. ред. Д. Голулдстейна, X. Яковица. - М.: Мир, 1978. - 425 с.

46. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. В.А. Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. -Л.: Машиностроение, 1980. - 742 е.: ил., табл.

47. Патент - W0/2003/052347, Германия, МПК G01B 11/30. METHOD FOR THE THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT OF A SURFACE / CHRISTOPH, Ralf; (DE); WERTH MESSTECHNIK GMBH [DE/DE], - PCT/EP2002/014915; Заяв. 19.12.2002; Опубл. 26.06.2003.

48. Русинов M.M. Инженерная фотограмметрия. - М.: Недра, 1966. - 248 с.

49. Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. - СПб: Наука, 2001. - 53 с.

50. Саломатин А.К., Соловьев В.М. Разработка кремниевых акселерометров и датчиков угловой скорости // Раменское приборостроительное конструкторское бюро.-2001.-С. 22-25.

51. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 753 с.

52. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин JI.A. Микроскопы. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1969. - 512 с.

53. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1969. - 672 с.

54. Смоленцев Н.К. Создание Windows-приложений с использованием математических процедур MATLAB. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 456 е.: ил.

55. Суворов А.Л. Микроскопия в науке и технике / Отв. ред. д-р физ.-мат. наук В. Н. Рожанский; Академия наук СССР. - М.: Наука, 1981. - 136 с.

56. Телешевский В.И., Шулепов A.B., Красюк О.Ю. Компьютеризация измерительных микроскопов с цифровым анализом изображений // Измерительная техника. - 2006. - № 8. - С. 39-42; Teleshevsky V.l., Shulepov A.V., Krasyuk O.Yu. Computerization of measuring microscopes with digital analysis of images // Measurement Techniques. - 2006. - V. 49, № 8. - P. 797-802.

57. Торхов H.A., Божков В.Г., Ивонин И.В., Новиков B.A. Определение фрактальной размерности поверхности эпитаксиального n-GaAs в локальном пределе // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Том. 43. Вып. 1. - С. 38-47.

58. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов: [В 2 ч.] / А.И. Тудоровский; АН СССР. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1948-1952. -Ч. 1: Общая часть. - 1948. - 661 с.

59. УманскийЯ.С. Рентгенография металлов и полупроводников. - М.: Металлургия, 1969. - 496 с.

60. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

61. Федер Е. Фракталы. - М.: Мир, 1991. - 254 е.: ил.

62. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие. / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. -352 с.

63. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. Учебное пособие для втузов. - JL: Машиностроение, 1966. - 564 е.: ил., табл.

64. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. - М.: Мир, 1972. -

300 с.

65. Штейн Г.И. Руководство по конфокальной микроскопии. - СПб.: ИНЦ РАН, 2007. - 77 с.

66. ШульманМ.Я. Автоматическая фокусировка оптических систем. - JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990 - 224 е.: ил.

67. ШульманМЛ. Обзор систем для автоматической фокусировки киносъемочных и телевизионных камер и фотоаппаратов // Журн. науч. и прикл. фот. и кинематогр. - 1970. - Т. 15. -№ 3. - С. 219-232.

68. Balster Eric J., Zheng Yuan F., Ewing Robert L. Combined Spatial and Temporal Domain Wavelet Shrinkage Algorithm for Video Denoising // IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol. -2006. Vol. 16, № 2 - P. 220-230.

69. Bergmann H. Automatische Fokussierung von Objektiven // RadioFernsehen-Elektronik. - 1987. - B. 36. - № 1. - S. 21-22.

70. Christoph R, Neumann H.J. Multisensor Coordinate Metrology: Measurement of Form, Size, and Location in Production and Quality Control. - Munich: Verlag moderne industrie, 2010. - 95 p.

71. Confocal chromatic measurement system. - URL: http://ru.micro-epsilon.com/download/products/cat—confocalDT-en.pdf. Дата обращения: 26.02.2013.

72. Cosslett V.E., Nixon W.C. X-ray microscopy - New York: Cambridge Univ. Press, 1960.-406 p.

73. Courjon D., BainierC. Near field microscopy and near field optics. // Rep. Prog. Phys. - 1994. - № 57. - P. 989-1028.

74. Durig U., Pohl D.W., Rohrer F. Near-field optical-scanning microscopy. // J.Appl. Phys. - 1986. - № 59(10). - P. 3318-3327.

75. Gonzalez Rafael С., Woods Richard E., Eddins Steven L. Matlab: Digital Image Processing Using MATLAB. - Publishing House of Electronics Industry, 2009 -609 p.

76. Haralick Robert M., Linda G. Shapiro. Computer and Robot Vision. -Addison-Wesley Pub. Co., 1993. - 630 p.

77. HasegavaM., Liu J., OkudaK., Nunobiki M. Calculation of the fractal dimensions of machined surface profiles // Wear. - 1996. № 192. - P. 40-45.

78. Inouo S., Oldenbourg R. Optical instruments: Microscopes. // Handbook of Optics. - 1995. - 2nd ed., Vol. 2, - P. 17.1-17.52.

79. Lagarias J.C., Reeds J.A., Wright M.H. Wright P.E. Convergence Properties of the Nelder-Mead Simplex Method in Low Dimensions // SIAM Journal of Optimization. - 1998.-Vol. 9, № 1. - P. 112-147.

80. Mannheim L.A. Canon AF35M // Brit. J. Phot. - 1979. - Vol. - 126. - № 44. -P. 1050-1051.

81. MetchevA. Automatische Scharfeinstellung bei Kameras // Frenseh-und-Kino-Technik.- 1985.-B. 39.-№ ll.-S. 523-528.

82. Nayar S, Nakagawa Y. Shape from focus // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. - 1994. - Vol. 16. - P. 824-831.

83. NiederostM., NiederostJ., ScuckaJ. Automatic 3D reconstruction and visualization of microscopic objects from monoscopic multifocus image sequence // Proc. International Workshop on Visualization and Animation of Reality-based 3D Models. -2003.-P. 10-17.

84. Nikon F3AF // Jap. Camera Trade News. - 1982. - Vol. 33. - № 4. - P. 42.

85. Orfanidis S.J. Optimum Signal Processing. An Introduction. 2nd Edition. -Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996.

86. Pizurica A. Image Denoising Using Wavelets and Spatial Context Modeling, Ph.D. thesis, Ghent University, Belgium, 2002.

87. Pohl D.W., Denk W., Lanz M. Optical spectroscopy: image recording with resolution 1/20. // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 44. - P. 651-653.

88. Scanning Optical Microscopy: Application notes. - URL: www.ntmdt.ru/data/media/files/spm_basics/scanning_optical_microscopy.pdf. Дата обращения: 21.02.2013.

89. Signal Processing Toolbox User's Guide. Natick: The MathWorks, Inc.,

1993.

90. SoilleP. Morphological Image Analysis: Principles and Applications. -Springer-VerlagBerlin, 1999.-P. 173-174.

91. SongC., BergstromR., Ramunno-Johnson D., Jiang H., et. al. Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy. // Phys. Rev. Lett. - 2008. - 100, 025504.

92. Volgunov D.G., Buryukov A.V., Gaponov S.V., Mironov V.L. Probe-surface interaction in the piezo-resonator "shear force" microscope. // Physics of Low-Dimensional Structures .- 2001. - № 3/4. - P. 17-23.

93. Watt I. The Priciples and Practice of Electron Microscopy. - New York: Cambridge Univ. Press, 1985. - 303 p.

94. Webb R.H. Confocal optical microscopy. // Rep. Prog. Phys. -1996 - № 59 -P. 427-471.

95. Wei P.K, Fann W.S. The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy. // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol. 83, № 7. - P. 3461 - 3468.