CC BY
1
УДК 535.346.1:681.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2025-1-210-211
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТИЧНО КОГЕРЕНТНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ЗОНДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ОБРАБОТАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
Е.Е. Майоров, В.А. Голубков, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев
Работа посвящена использованию частично когерентного интерференционного зонда для измерения микрорельефа поверхности обработанных керамических пластин. В оптическом приборостроении этот метод позволяет оценить не только гладкость поверхностей, качество полировки материала, но и определить уровень износа рабочих поверхностей устройств для обработки оптических изделий и определить поверхностные микродефекты, поэтому работа актуальна и перспективна. В работе поставлена цель, задача исследования и определены метод и объект исследования. Приведена функциональная схема измерительного зонда. Получены микрорельефы исследуемых поверхностей и результаты измерений расстояния до поверхности при движении в направлении оси OX и OY. Представленные результаты измерений поверхностей при отсутствии и наличии поверхностных микродефектов.
Ключевые слова: измеряемая поверхность, интерферометрия, керамическая пластина, интерференционный щуп, фотоприёмный блок, опорное зеркало, ветви интерферометра.
Развитие методов и технических средств оптического контроля с необходимостью обуславливает совершенствование оптико-физических направлений в научных исследованиях [1, 2]. Одно из таких направлений -интерферометрия, которая занимает ключевое место в методах оптических измерений за счет высокой чувствительности, точности измерений и большого диапазона измеряемых величин [3, 4].
Интерференционные методы и средства используются в разных областях науки и техники: химии, биологии, физики, медицине, а также в разных средствах телекоммуникаций и т.д. [5, 6]. Данные методы пришли на смену в некоторых направлениях традиционным физико-химическим методам, так как позволяют исследовать свойства объектов и процессов без материальных контактов с предметом, получать данные в количественном и качественном виде, не предъявляют строгих требований к качеству изучаемой среды, пригодны для статистических и динамических измерений в реальном времени [7, 8].
Появление новых источников света, обладающих когерентностью в пределах длины когерентности, с определенными мощностями и имеющим узкий спектральный диапазон, дало толчок к созданию новых подходов в интерференционных измерениях применительно к объектам и средам разного агрегатного состояния [9, 10]. Поэтому в интерферометрии можно выделить отдельное направление приборов и комплексов, работа которых основана на изучении отраженного частично когерентного излучения от исследуемого материала - частично когерентные интерференционные
приборы и комплексы (ЧКИП и К) [11, 12]. ЧКИП и К имеют высокотехнологичные материалы, которые используются в оптических системах, что позволяет проводить высокоточные измерения сверхмалых смещений, определять оптические параметры тонких плёнок, оптически мутных сред, диффузно рассеивающих объектов. Изучать оптические, акустические, диффузные и т.д. процессы [13, 14].
Анализ научной литературы показал, что интерферометры использующие источники излучения с малой временной или пространственной когерентностью перспективны и актуальны в оптическом приборостроении. ЧКИП и К имеют ряд преимуществ не только над аналогами геометрической оптики, но и над классическими интерференционными методами и средствами, а именно: измеряют шероховатые поверхности, оптически мутные среды, а также динамику деформации поверхности и т.д. ЧКИП и К имеют высокую точность измерений (от 10 мкм до 0,01 мкм), большой диапазон измеряемых величин (от 0 до 6 мм), малогабаритны и просты в эксплуатации [15-20].
Многие исследователи добились определенных успехов в функционировании ЧКИП и К, применяя компьютерные технологии. Получили хорошие результаты теоретического характера, используя современные цифровые фотоприёмники. Наблюдается прорыв в практическом использовании, в частности, медицине, биологии: исследуются формы эритроцитов, влияние внешних агентов в подповерхностных слоях на кожный покров, а также в офтальмологии.
Наблюдается тенденция применения частично когерентного излучения для исследования сложных форм поверхностей, а также для контроля рабочих поверхностей полировочных материалов для линзовой и зеркальной оптики. В оптическом приборостроении этот подход позволяет оценить не только гладкость поверхностей и качество полировки материала, но и определить уровень износа рабочих поверхностей инструмента. Для эффективного и последовательного применения полировальных машин, приборов на каждом этапе необходимо контролировать шероховатость поверхности рабочей части материала [19, 20]. В настоящее время исследователей интересуют вопросы связанные с чистотой поверхности элементов микроэлектроники, в частности, керамических пластин, используемых в разных радиотехнических приборах.
Поэтому представляет интерес исследование геометрии поверхности керамических образцов экспериментальным частично когерентным интерференционным зондом.
Получение данных об микрорельефе поверхности керамических пластин посредством частично когерентного излучения и определило цель настоящей работы.
Постановка задачи. С помощью экспериментальной измерительной установки провести измерения микрорельефа поверхности керамических пластин при линейном перемещении поверхности по оси ОХ и ОУ, с шагом 10 мкм относительно светового луча. Контроль поверхности осуществлять при нормальном падении светового пучка на поверхность.
Материалы и метод исследования. В качестве объектов исследования использовали поверхности керамических пластин размером 5 мм х 5 мм, которые применяются в микроэлектроники. Образцы были предоставлены заводом-производителем микроэлектронных компонент. Одна из пластин имела поверхностные дефекты, плохо различимые для визуального восприятия. Важным вопросом для производителя являлся вопрос чистоты поверхности керамических пластин.
Для измерений поверхностей использовалась экспериментальная интерферометрическая установка, реализованная по схеме интерферометра Майкельсона, где в качестве источника излучения использовался светоди-од белого света. Функциональная схема представлена на рисунке 1.
\ / \/
й
Рис. 1. Функциональная схема частично когерентного интерференционного зонда: S - светодиод; 2, 6, 8 - микрообъективы;
3 - светоделитель; 4 - исследуемая поверхность; 5 - зеркало;
7 - диафрагма; 9 - фотоприёмный блок
В работе приведен частично когерентный интерференционный зонд с источником излучения белого света, имеющим длину когерентности lc = 1 мкм. Плоскости R и R' проецируются в 9. Фотоприёмник сфокусирован на плоскость R' и R, R' находятся на одинаковом расстоянии от источника S.
Микрообъективы используемые в установке (10x, f = 18 мм, А = 0,2) служили для фокусировки светового пучка на поверхность материала и зеркала находящееся в опорной ветви интерферометра.
Информация о поверхности исследуемого образца извлекается с помощью специального программного обеспечения.
Технические характеристики:
- погрешность, мкм - 1;
- пределы перемещения исследуемого объекта по 2-м осям, мм -
± 2;
- фотоприёмный блок - фотокамера «Canon»;
- источник частично когерентного света - светодиод белого света;
- длина когерегтности излучения, мкм - 1;
- расстояние до измеряемой поверхности - 30 мм
Экспериментальные результаты и их обсуждение. При контроле
измеряемой поверхности в опорной ветви интерферометра изменялась оптическая разность хода за счет движения опорного зеркала. Опорное зеркало приводилось в движение посредством электромагнитного механизма. Максимальный сигнал в фотоприёмном блоке регистрировался при максимуме контраста интерференционной картины, что соответствовало равенству оптических длин в ветвях интерферометра. В установке реализовано техническое решение, которое позволило постоянно фокусировать световой пучок на поверхности при движении опорного зеркала. Пространственное положение светодиода изменялось во времени вдоль оси распространяющего излучения с частотой перемещения опорного зеркала. Отношение амплитуд перемещения светодиода и опорного зеркала составляло 1:50. Для графического представления результатов применялась специально написанная программа.
В работе приведено визуально наблюдаемое изображение поверхностей объектов, где представлены контрастные интерференционные картины (рисунок 2). Эти участки поверхностей соответствует равенству расстояний в ветвях интерференционного зонда в пределах длины когерентности lc.
а) б)
Рис. 2. Наблюдаемые интерференционные поля от двух поверхностей: а - керамическая пластина без поверхностных дефектов; б - керамическая пластина с поверхностными дефектами
На рисунке 3 приведены экспериментальные результаты измерений в направлении ОХ и ОУ.
Поверхности ориентировались относительно светового пучка под углом 0 = 0 и для каждой точки поверхности производилось 100 измерений при перемещении поверхности в направлении ОХ и ОУ. Материалы фиксировались на микрометрическом столе и перемещение их осуществлялось относительно светового пучка с шагом 20 мкм. Анализировался участок для обоих образцов 200 мкм х 200 мкм.
а)
/
/ 1 \ 1 | / 20 \ 40 \/ 1 1 1 1\ А 60 80 / 100 1 \ / ^ :о1 к к 1 \ / 1 !\ № \ 160 К 180/1 2(
.г, мкм
5)
Рис. 3. Флуктуации результатов измерений расстояния до поверхности объектов: а - по оси ОХ; 1 - без поверхностных дефектов; 2 - при наличии поверхностных дефектов; б - по оси ОУ; 1 - без поверхностных дефектов; 2 - при наличии поверхностных
дефектов
Номинальное расстояние до поверхности оставалось неизменным, и регистрировались флуктуации результатов измерений этого расстояния, обусловленные измерением интерференционного сигнала.
Эксперимент показал, что для поверхности, не имеющей дефектов результаты измерений расстояния до поверхности при движении в направлении оси ОХ и ОУ находятся на уровне от 0 мкм до 7 мкм, а для поверхности с наличием дефектов - в диапазоне от 14 мкм до 19 мкм.
Заключение. В данной работе показана возможность контроля микрорельефа поверхности экспериментальным интерференционным зондом. Получены флуктуации результатов измерений расстояния до объекта. Представленные результаты измерений показывают, что не имеющей дефектов материал имел флуктуации измерений расстояния до поверхности при движении в направлении оси ОХ и ОУ на уровне от 0 мкм до 7 мкм, а с наличием дефектов - в диапазоне от 14 мкм до 19 мкм. Полученные данные могут заинтересовать производителей рассмотренного материала.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
2. Голубев И.В., Сысоев Е.В., Чугуй Ю.В. Измерение поверхностных дефектов на основе низкокогерентной интерферометрии // Датчики и системы. 1999. № 6. С. 25-30.
3. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.В. Качество измерений. Метрологическая справочная книга. Л: Лениздат, 1887. 294 с.
4. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Соснова А.Н. М.: Машиностроение. 1985. 340 с.
5. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
6. 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, № 5. С. 4-13.
7. Духопел И.И., Федина Л.Г. Интерференционные методы и приборы для контроля правильности формы сферических поверхностей // ОМП. 1973. №8. С. 50 - 55.
8. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: Оборонгиз. 1952. 296 с.
9. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение. 1976.
296 с.
10. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е. Интерферометрия диффузно отражающих объектов. М.: НИУ ИТМО, 2014. С. 195.
11. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Оптимизация динамических параметров оптического щупа триггерного типа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. №2 (78). С. 13-16.
12. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Расчет параметров сканирования интерферометрической системы контроля формы диффузно отражающих объектов // Приборы. 2012. №7 (145). С.23-25.
215
13. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение.1983. 231 с.
14. Майоров Е.Е., Костин Г.А., Курлов В.В., Баранов Н.Е. Исследование динамической поверхности летательного аппарата интерференционным методом // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 8. С. 722-726. БО1; 10.17586/0021-3454-2024-67-8-722-726.
15. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №2. С. 38-46.
16. Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Пушкина В.П., Дагаев А.В. Исследование низкокогерентного интерферометрического зонда, при работе в сканирующем режиме измерений // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 9. С. 790-797. БО1; 10.17586/0021-3454-2024-67-9-790-797.
17. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хай-даров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. №11 (185). С.26-31.
18. Прокопенко В. Т., Майоров Е. Е., Машек А. Ч., Удахина С. В., Цыганкова Г. А., Хайдаров А. Г., Черняк Т. А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 5. С. 388—394.
19. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Курлов А.В., Хохлова М.В., Кирик Д.И., Капралов Д.Д. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
20. Майоров Е.Е., Бородянский Ю.М., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Таюрская И.С. Микроинтерференционные исследования деформированной поверхности при наклонном падении светового пятна // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2024. Вып. 12. С. 146-151. БО1; 10.24412/2071-6168-2024-12-145-146.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@mail. т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Голубков Владимир Александрович, канд. техн. наук, доцент, viktor-golubkov@yandex. т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, доцент, ramiz63@yandex.т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaev@ list. т, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал)
Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения
USING A PARTIALLY COHERENT INTERFERENCE PROBE TO MEASURE THE MICRORELIEF OF THE SURFACE OF TREATED CERAMIC PLATES
E.E. Maiorov, V.A. Golubkov, R.B. Guliyev, A.V. Dagaev
The work to the use of a partially coherent interference probe to measure the microrelief of the surface of treated ceramic plates is devoted. In optical instrumentation, this method makes it possible to evaluate not only the smoothness of surfaces, the quality of polishing the material, but also to determine the level of wear on the working surfaces of devices for processing optical products and to identify surface microdefects, so the work is relevant andpromising. The paper sets the goal, the task of the study, and defines the method and object of the study. A functional diagram of the measuring probe is provided. Microreliefs of the studied surfaces and the results of measurements of the distance to the surface when moving in the direction of the OX and OY axes were obtained. The presented results of surface measurements in the absence and presence of surface microdefects.
Key words: measured surface, interferometry, ceramic plate, interference probe, photodetector unit, reference mirror, interferometer branches.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Golubkov Viktor Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation
