Лазерная система для измерения статистических
характеристик пространственных квазипериодических структур
Введение
В последние годы наблюдается интенсивное развитие аэрокосмической и ракетной техники, что в свою очередь ставит перед промышленностью задачу создания точных и надежных систем связи, ориентации и обнаружения подвижных объектов в пространстве. В большинстве случаев данные задачи решаются с применением радиолокационных СВЧ систем. Одним из важных звеньев этих систем является генератор СВЧ электромагнитных волн, качество которого обеспечивает надежность и тактико-технические характеристики СВЧ систем в целом.
Производство СВЧ приборов является экономически дорогостоящим и технологически трудоемким из-за использования дорогостоящих и труднообрабатываемых материалов. Наиболее трудоемким процесом является изготовление и контроль качества линий замедления (ЛЗ) к магнетронным и клистронным генераторам.
ЛЗ представляют собой пространственные периодические структуры типа оптических дифракционных решеток, точностью которых определяются радиотехнические параметры СВЧ генератора. При этом задача метрологического контроля геометрических размеров ЛЗ по своей трудоемкости и затратам соизмерима со временем и трудоемкостью ее изготовления.
Традиционные методы контроля геометрических параметров ЛЗ с помощью визуальных оптических приборов являются не произво-дительными и трудоемкими, автоматизация которых сложна и непе-респективна. Поэтому очень важной для метрологического обеспечения производства СВЧ систем становится создание высокопроизводительных методов и средств контроля геометрических размеров ЛЗ, и в первую очередь - статистических размеров элементов ее пространственной переодической структуры. Эта задача является актуальной и диктуется реальными потребностями производства.
Благодаря увеличившемуся прогресу в области вычислительной техники и информатики становится возможным и даже необходимым применение возможностей, открывающихся перед разработчиком. Я имею в виду создание автоматизированных измерительных систем контроля качества. Эти системы используя вычислительную мощь современной техники позволят продуктивно перераспределить трудовые ресурсы и существенно повысить продуктивность труда с одновременным снижением себестои-мости выполняемых работ. Для такой системы не требуется высокая квалификация и не важен опыт работы. Измерительная система берет на себя все рутинные операции измерения и вычисления, а оператор только руководит процесом измерения. В результате такая система оказывается экономически оправданной, так как персонал может быть обучен в течении двух дней - одной недели, в зависимости от способностей.
В данной работе производится проектирование и разработка автоматизированной измерительной системы контроля качества изготовления ЛЗ на базе ПЗС-приемника и с применением ЭВМ. С помощью современной ЭВМ возможно не только обработать информацию и получить статистические характеристики, но и отобразить их на экране монитора в удобной для понимания форме. Будут преставлены: математи-ческая модель измерительной системы, произведены габаритный и энергетический расчеты, функциональная схема системы.
1. Существующие методы и средства геометрического
контроля периодических пространственных структур
Из существующих средств для контроля геометрических размеров пространственных структур наиболее широко в промышленности используются микроскопы, проекторы и фотоэлектрические измерительные оптические приборы (фотоэлектрические микроскопыи лазерные дифрактометры ). Но для геометрического контроля пространственной структуры ЛЗ в настоящее время прромышленно используют лишь микроскопы и проекторы. Существенным недостатком применения этих приборов является значительная трудоемкость всего метрологического процесса, а также необходимость статистической обработки результатов измерения размеров a и b ЛЗ.
Более переспективным для автоматизации геометрического контроля ЛЗ является применение фотоэлектрических измерительных приборов, выполненных на основе лазерных дифрактометров. Однако для автомати-зации геометрического контроля ЛЗ в настоящее время лазерные дифрактометры пока еще мало используются из-за отсутствия их промыш-ленного производства.
1.1. Контроль с помощью микроскопов
Контроль статистических характеристик геометрических размеров a и b квазипериодической структуры ЛЗ в промышленных условиях осуществляют с помощью микроскопов УИМ-21, МИМ-3, МБС-1, МИС-1, МБИ-14.
Применение микроскопов позволяет визуально контролировать не только все размеры элементов квазипериодической структуры ЛЗ, но и качество поверхности, ее шероховатость и структуру, наличие мелких заусенцев и другие дефекты поверхности.
Дефекты обработки материалов контролируют при помощи стерео-скопического микроскопа МБС-1. Этот микроскоп позволяет наблюдать прямое и объемное изображение объекта, как в проходящем, так и в отраженном свете, обеспечивая 3.5х - 88х увеличение.
Универсальные микроскопы УИМ-21 и МИМ-3 позволяют с точностью до 1 мкм выполнять контроль геометрических размеров элементов квази-периодической структуры ЛЗ различных типов. Во всех случаях измерения размеров a и b элементов структуры ЛЗ выполняется визуально оператором-метрологом ОТК, а результаты оформляют в виде таблиц. На основе статистической обработки этих таблиц определяют математические ожидания и дисперсии размеров a и b ЛЗ, по которым выдается заключение о качестве изготовленной ЛЗ.
Однако, методы визуального геометрического контроля размеров структуры ЛЗ с помощью микроскопов обладают рядом существенных недостатков:
Указанные выше недостатки частично устранены в методах контроля ЛЗ с помощью проекторов и эпидиаскопов.
1.2. Контроль с помощью проекторов
С помощью проекторов удобно контролировать граничные линии элементов квазипериодической структуры ЛЗ. Изменяя кратность увели-чения прибора можно просматривсть отдельные участки, либо в целом всю структуру ЛЗ. Максимальное увеличение, серийно выпускаемых отечест-венной промышленностью проекторов, достигает 200 х, что позволяет определить погрешности изготовления элементов квазипериодической структуры ЛЗ порядка 4 мкм.
Для повышения производительности процесса и осуществления комплексного контроля сравнивают спроецированный контур ЛЗ с так называемым “белком” - чертежом ЛЗ в увеличенном масштабе на экране с координатной сеткой для измерения величины размеров a и b. В условиях серийного производства ЛЗ для улучшения сохраняемости и исключения деформации чертежа взамен “белков” применяют их фотошаблоны, выполняемые на стекле.
Для изготовления фотошаблона засвечивают и проявляют фото-пластинку, на которой затем тонким резцом почерчивают профиль ЛЗ в требуемом масштабе. С целью обеспечения высокой точности, эту операцию выполняют на координатно-расточном станке. Из полученного негатива изготавливают печатным способом диапозитивные изображения ЛЗ на стекле.
Контроль ЛЗ с помощью проекторов является более высоко-производительным, чем с помощью микроскопов, а также меньше влияет на зрение контролеров-операторов ОТК. Но ему присущи существенные недостатки, среди которых главным является практическая сложность автоматизации процесса контроля. В процессе контроля возникает также необходимость статистической обработки результатов измерений для определения СКО и размеров a и b.
Поэтому в условиях серийного производства ЛЗ на первый план метрологического обеспечения их контроля выходит проблема создания измерительных систем для контроля статистических характеристик размеров a и b структуры ЛЗ. Они по своему принципу действия являются фотоэлектрическими измерительными приборами и могут быть построены на базе сканирующих фотометрических микроскопов, либо лазерных дифрактометров. Практическое применение этих систем должно обес-печивать:
1.3. Измерительный автомат “Bugs” для контроля
периодичности спиралей ламп бегущей волны
В 70-х годах фирмой “Bugs” (США) был разработан измерительный автомат для контроля периода навивки спиралей ламп бегущей волны (ЛБВ). Использование этого автомата позволило сократить время контроля периодичности навивки спиралей ЛБВ с двух человеко-дней до десяти минут.
В основу работы автомата положен теневой оптический метод последовательного сканирования всех элементов изделия и сравнения их с эталоном. Для достижения высокой точности измерений перемещение контролируемого изделия в поле зрения оптической системы осуществ-ляется гидравлическими приводами.
Точность измерений прибора не зависит от скорости перемещения спирали. Однако вибрации контролируемого изделия, а также деталей всего прибора недопустимо и устраняется применением системы сложных гидравлических приборов. Кроме того, необходима также высокая точность фокусировки оптической системы, нарушение которой приводит к размытию изображения. Так как существует ряд деталей которые перемещаются друг относительно друга, то необходима механическая прецизионная система, что усложняет конструкцию прибора и повышает соответсвенно его стоимость.
В последующие годы конструкция аппарата была модернизирована и улучшены его метрологические характеристики. Но следует отметить, что производительность этого аппарата не может быть существенно увеличена из-за использования в нем теневых оптических методов измерений, возможности которых в данном случае уже исчерпаны, поскольку необходим последовательный просмотр всех элементов пространственной структуры. К недостаткам прибора следует отнести необходимость использоваия системы сложных гидравлических приводов для виброзащиты спирали.
Указанные недостатки частично устранены в фотоэлектрических измерительных микроскопах, которые также могут быть использованы для контроля геометрических размеров элементов ЛЗ.
1.4. Фотоэлектрические сканирующие микроскопы
В работе [24] описана опытно-конструкторская разработка фотоэлект-рического микроскопа ФЭМ-2, предназначенного для геометрического контроля размеров малых объектов. В основу работы микроскопа положено формирование оптической системой увеличенного солинейного изображения измеряемого объекта. В плоскости изображения расположен фотоприемник, выходной сигнал которого поступает на электро-измерительную аппаратуру. К недостаткам этого прибора следует отнести отсутствие коррекции дрейфа “нуля”, малый предел фото-электрических измерений ( до 10 мкм ), ручное управление процессом измерений и окулярный отсчет показаний прибора, что не позволило использовать его в промышленных условиях для геометрического контроля ЛЗ.
Указанные недостатки частично устранены в фотоэлектрическом микроскопе ФЭМ-1Ц [25], который предназначен для измерений линейных размеров малых объектов величиной £ 100 мкм. При этом дискретность отсчетов составляет 0.5 мкм, а максимальная погрешность измерений не более ± 0.3 мкм. Этот микроскоп в бывшем СССР серийно выпускался с 1980 года. В качестве выходного индикатора в нем используется цифровая отсчетная система. Одним из основных недостатков микроскопа ФЭМ-1Ц является малое быстродействие - время автомати-ческого наведения на штрих до 20 с, зависимость погрешности измерений от качества фокусировки оптической системы, что требует практически непрерывного визуального контроля качества изображения в окуляр при измерении длиномерных объектов. Электронная система микроскопа не позволяет выполнять статистическую обработку резудьтатов измерений. В силу указанных недостатков они не нашли применеия для геометрического контроля структуры ЛЗ.
1.5. Лазерные дифракционные измерители
линейных размеров малых объектов
Предположения о возможности использования явления дифракции световых волн для контроля размеров малых объектов были впервые высказаны Роулэндом в 1888 году [13, 14, 15]. Позже он использовал это для качественного контроля изготовления периодической структуры дифракционных решеток. Сущность метода заключалась в том, что, если дифракционную решетку осветить монохроматической световой волной, то на некотором растоянии от нее формируются эквидистантно располо-женные дифракционные максимумы светового потока. При наличии дефек-тов решетки, вокруг этих основных максимумов возникают и добавочные максимумы, которые получили название “духов”. Однако теоретическое обоснование этого явления в то время так и не было сформулировано, что и не позволило определить аналитические зависимости, описывающие функциональную взаимосвязь распределения светового потока в “духах” с дефектами решетки.
Большой вклад в развитие теории дифракционных решеток внес В. Рон-ки, который занимался развитием и совершенствованием их производства более пятидесяти лет, начиная с 1921 года [13, 26]. Он дал простейшую теорию дифракционных решеток, описал их основные свойства и возмож-ность применения для контроля характеристик фотографических объек-тивов.
Г.Харисон [27] в 1949 году предложил способ контроля дифракционных решеток с помощью интерферометра Майкельсона и положил, таким образом, начало разработке схемы интерферометра с дифракционной решеткой для контроля качества самих решеток.
Дифракционные методы контроля качества изготовления периодических структур являются наиболее переспективными. Они положены в основу многочисленных лазерных дифракционных измерителей линейных размеров малых объектов.
Для контроля диаметра тонких отверстий в [28] предложено освещать контролируемые отверстия монохроматической световой волной и измерять амплитуду четных и нечетных максимумов дифракционной картины отверс-тия. Для расширения диапазона диаметра измеряемых отверстий, необхо-димо изменять длину волны излучения до тех пор, пока амплитуда интерференционного сигнала нечетных гармоник достигнет удвоенного значения амплитуды световой волны в свободном пространстве. Диаметр измеряемого отверстия определяют по формуле : , где - растояние между измеряемым отверстием и точкой измерения светового поля в дифракционной картине. Недостатком метода является необхо-димость применения лазера с перестраиваемой длиной волны генерации.
Известны также устройства [29, 30] для допускового контроля геометрических размеров изделий путем соответствующей обработки их дифракционного изображения сложной фотоэлектрической измерительной системой, либо оптической системой пространственной фильтрации. Однако эти устройства являются узко специализированными и требуют предварительного синтеза сложных голографических пространственных фильтров, что позволяет их использовать лишь для качественного допус-кового контроля изделий.
Таким образом лазерные дифрактометры являются наиболее переспек-тивным научным направлением развития автоматизированного метро-логического оборудования. Оно может быть также успешно использовано и для разработки средств автоматизации контроля статистических характе-ристик квазипериодической структуры ЛЗ. Это, в свою очередь, может быть выполнено лишь с созданием специализированных оптических систем обработки изображений (ОСОИ) на базе когерентных оптических спектро-анализаторов (КОС) пространственных сигналов, положенных в основу практически всех известных лазерных дифрактометров.
2. Обзор схем построения лазерных
дифрактометров
Интенсивное развитие этих систем началось в начале 80-х годов. Построение голографических и дифракционных оптических систем для метрологии основано на получении изображений Френеля, либо Фурье исследуемого объекта с последующим анализом их параметров фото-электической измерительной системой.
Основным преимуществом таких метрологических систем, перед ви-зуальными оптическими измерительными приборами, является высокая производительность, что позволяет автоматизировать ряд метрологических процессов в промышленности. Где требуется интегральная комплексная оценка качества изделия.
Для формирования изображений Фурье или Френеля исследуемого объекта используют когерентный оптический спектроанализатор прост-ранственных сигналов, схему построения и геометрические параметры которого выбирают в зависимости от характера решаемой задачи.
В настоящее время уже стала классической схема когерентного оптического спектроанализатора (КОС), приведенная на рис.1.
Рис.1. Принципиальная схема когерентного оптического спектро-
анализатора:
1. Лазер;
2. Телескопическая схема Кеплера;
3. Входной транспарант;
4. Фурье-объектив;
5. Дифракционное изображение.
КОС состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси источника когерентного излучения - лазера 1 и телескопической систе-мы 2 Кеплера, формирующей плоскую когерентную световую волну. Эта волна падает на входной транспарант 3 с фотографической записью исследуемого сигнала. Входной транспарант 3 расположен в передней фокальной плоскости фурье-объектива 4 (объектива свободного от аберра-ции дисторсии и поперечной сферической ) с фокусным растоянием . На входном транспаранте 3 световая волна дифрагирует, и фурье-объективом 4 в задней плоскости 5 формируется дифракционное изображение исследуемого сигнала, которое является его фурье-образом и описывается выражением
, где А0 -амплитуда плос-кой монохроматической световой волны в плоскости ; - длина волны; - пространственные частоты, равные и , где х2, у2 - пространственные координаты в плоскости 5.
Таким образом, распределение комплексных амплитуд световых полей в задней и передней плоскостях фурье-объектива 4 оптической системы связаны между собой парой преобразований Фурье. Поле в задней фокальной плоскости является пространственным амплитудно-фазовым спектром сигнала, помещенного в его передней фокальной плоскости.
Описанная выше оптическая система выполняет спектральное разложе-ние пространственного сигнала и является когерентным оптическим спектроанализатором. Он позволяет анализировать одновременно ампли-тудный и фазовый спектры как одномерных, так и двумерных пространст-венных сигналов.
Существует две основные разновидности схем построения лазерных дифрактометров. Эти схемы представлены на рис .2 и рис. 3.
При условии фокусировки оптической системы, представленной на рис.2, в ней осуществляется спектральное преобразование Фурье, форми-руемое в плоскости х3у3, над сигналом помещенным во входной плоскости х1у1. Однако, фурье-образ сигнала в такой системе содержит квадратичную модуляцию фазы волны из-за наличия фазового сомножителя, стоящего перед интегралом в выражении :
(2.1).
Это выражение описывает пространственное распределение комплекс-ных амплитуд светового поля в плоскости х3у3 спектрального анализа и со-держит ряд взаимонезависимых квадратичных фазовых сомножителей.
Наличие фазовой модуляции фурье-образа приводит к тому, что при ре-гистрации его методами голографии в результирующей интерферограмме возникают дополнительные аберрации, значительно влияющие на его ка-чество. Эта фазовая модуляция также имеет важное значение и не может быть опущена в случае дальнейших преобразований деталями оптической системы фурье-образа сигнала. Но эта модуляция может быть устранена при соответствующем выборе геометрических параметров оптической системы, т.е.
, при . (2.2).
Таким образом, квадратическая фазовая модуляция фурье-образа устра-нима лишь в двух случаях:
Учитывая выражения и (2.2) можем преобразовать (2.1) к виду:
(2.3),
откуда видно, что квадратичные фазовые искажения фурье-образа сигнала устранимы не только при освещении входного транспаранта плоской, но и сферической волной.
При условии фокусировки оптической системы, показанной на рис.3, в ней осуществляется спектральное преобразование Фурье, формируемое в плоскости х3у3, над пространственным сигналом, помещенном в плоскости х2у2. Однако, фурье-образ сигнала в такой системе содержит квадра-тическую модуляцию фазы волны из-за наличия фазового сомножителя. Наличие фазовой модуляции фурье-образа сигнала приводит к допол-нительным аберрациям интерферограммы при регистрации методами голографии. Эта модуляция имеет также важное значение и не может быть опущена. Модуляция может быть устранена на оптической оси системы и при , т.е. при фокусировке оптической системы на бесконечность. Но в этом случае оптическая система не будет осуществлять спектральное преобразование Фурье.
Для оптической системы КОС, представленной на рис.3, квадратичные фазовые искажения, приводящие к аберрационным искажениям фурье-об-раза сигнала, не могут быть устранены лишь путем соответствующего выбора геометрических парметров оптической системы. Для устранения этих искажений необходимо оптическую систему дополнить корректирую-щим фильтром с фазовой характеристикой, сопряженной к квадратичным фазовым искажениям фурье-образа сигнала.
Итак можно сделать выводы:
Рис.2. Схема КОС со входным транспарантом перед фурье-объективом
Рис.3. Схема КОС со входным транспарантом за фурье-объективом
3.Математическая модель квазипериодической
структуры СВЧ линий замедления
При статистических исследованиях геометрических размеров элементов пространственной структуры ЛЗ установлено, что из-за различных техноло-гических погрешностей, эти размеры являются величинами случайными с нормальным законом распределения. Таким образом, пространственная структура ЛЗ не является строго переодической, а поэтому ее энер-гетический спектр будет отличаться от энергетического спектра периоди-ческих структур.
Из скалярной теории [7, 8] известно, что оптической системой КОС в плоскости спектрального анализа формируется дифракционное изображе-ние пространственного объекта, помещенного во входной плоскости. Математические зависимости, описывающие форму дифракционного изоб-ражения, могут быть определены лишь путем решения задачи о дифракции когерентной световой волны на пространственной структуре объекта. Одна-ко для пространственной структуры ЛЗ с флуктуациями периодичности, решение такой задачи чисто оптическими методами не может быть полу-чено из-за значительной математической сложности ее. Кроме, того эти методы применимы лишь для решения дифракционных задач на регу-лярных детерминированных пространственных структурах и неприменимы для случайных пространственных сигналов.
Поэтому в настоящее время такие задачи для случайных оптических сигналов решают в оптике с применением методов статистической радио-физики в силу единства физических процессов и математических методов анализа прохождения электрических сигналов в электрических цепях и распостранения пространственных сигналов в оптических системах. Это позволяет определить распределение освещенности в дифракционном изображении квазипериодической пространственной структуры ЛЗ (т.е. ее энергетический спектр) путем вычисления усредненного квадрата преобра-зования Фурье над ее амплитудным коэфициентом пропускания.
Пространственная штриховая структура ЛЗ является квазипериодичес-ким сигналом, в технике ОСОИ, и состоит из взаимонезависимых прозрач-ных щелей и непрозрачных стенок. К тому же период пространственной структуры ЛЗ также является случайной величиной, так как он равен сумме двух взаимонезависимых величин. Таким образом, пространственная струк-тура ЛЗ относится к классу случайных квазипериодических сигналов.
Поскольку освещенность пространственной структуры ЛЗ, помещенной во входной плоскости КОС, равномерна по полю, то ее амплитудный коэфициент попускания может быть описан единично-нулевой функ-
цией. Поэтому, в пределах ширины прозрачных щелей функция , а в пределах ширины непрозрачных стенок, соответственно, 0. Кроме того, ширина щелей и стенок являются величинами взаимонезави-симыми, поскольку при изгибах стенок толщина их не изменяется, а изменяется лишь ширина щелей. Взаимонезависимость этих величин также возникает и потому, что зубья в верхней и нижней гребенках наре-заются раздельно на разных заготовках, после спаивания которых обра-зуются между зубьями щели, а ширина их уже не зависит от толщины зубьев, что подтверждается также малостью коэфициента корреляции для размеров и .
Фрагмент квазипериодической пространственной структуры ЛЗ и соот-ветствующая ему функция пропускания в сечении у=0 показаны на рис.4 (а и б), где Рх - период пространственной структуры, равный .
Поскольку ширина щелей и стенок являются величинами случайны-ми и взаимонезависимыми, то и период пространственной структуры ЛЗ будет также величиной случайной. Период является суммой двух случай-ных величин с нормальными законами распределения, следовательно, закон распределения также будет нормальным.
Таким образом, амплитудный коэфициент пропускания прост-ранственной квазипериодической структуры ЛЗ может быть описан функ-цией вида
(2.4), где - порядковый номер щели, - пространственная координата положения начала щели, - высота перекрытия зубьев в квазипериодической структуре ЛЗ.
Из выражения (2.4) видно, что переменные х и у функции взаимо-независимы, а поэтому эта функция является функцией с разделяемыми переменными, и может быть представлена в виде произведения функций и , т.е. (2.5).
В выражении (2.5) функция является финитной в пределах высо-ты перекрытия зубьев верхней и нижней гребенок пространственной структуры ЛЗ вдоль координаты х, как показано на рис.4б.
Для оптической системы КОС пространственная структура ЛЗ является квазипериодическим сигналом. В свою очередь, основными характеристи-ками такого сигнала, т.е. пространственной структуры ЛЗ, являются:
Для описания спектральных и корреляционных функций случайных сигналов часто используются характеристические функции. Характеристи-ческая функция случайной величины является фурье-образом ее закона распределения , т.е. , где - простран-ственная частота, измеряемая в [мм-1], поскольку в рассматриваемом случае координата является пространственной и имеет размерность [мм].
Тогда с учетом получим:
, а вводя замену переменных вида
. Этот интеграл в новых пределах интегрирования от до можно представить через элементарные функции следующим выражением
(2.6) , и аналогично (2.7).
Полученные выражения (2.6) и (2.7) являются характеристическими функциями квазипериодической пространственной структуры ЛЗ с нормаль-ным законом распределения ширины стенок и щелей.
Как в оптических, так и в электронных устройствах спектрального анали-за сигналов, существует возможность получения как амплитудного, так и энергетического их спектров. Однако в теории спектрального анализа пространственных сигналов известно, что при использовании квадратичес-ких фотодетекторов для регистрации параметров дифракционного изобра-жения, формируемого оптической системой КОС, автоматически на ее вы-ходе формируется энергетический спектр исследуемого сигнала. Парамет-ры такого спектра могут быть измерены соответствующими контрольно-измерительными приборами, а форма его определена с применением мето-дов статистической радиооптики путем интегрального преобразования Винера-Хинчина, либо на основе теоремы Хилли.
Поэтому используя аналогию математических методов исследования спектральных характеристик пространственных и временных сигналов, распределение комплексных амплитуд спектра пропускания в дифракционном изображении пространственной квазипериодической струк-туры ЛЗ, можно определить как , или с уче-том (2.5) .
Полученное выражение описывает амплитудный спектр функции пропускания квазипериодической пространственной структуры ЛЗ. Энерге-тический спектр этой функции может быть определен с помощью теоремы Хилли [3.11] как , или же
.
Однако в работах [16, 17] показано, что для квазипериодического сигнала, описываемого единично-нулевой функцией вида (2.4)
(2.8), где - дискретная составляющая спектра на нулевой частоте, которая для квазипериодической структуры ЛЗ будет равна
(2.9) , а - непрерывная составляющая спектра, равная: (2.10), что справедливо для и не равных 1, согласно [3.35].
В выражениях (2.9) и (2.10) параметр является пространственной частотой энергетического спектра исследуемого сигнала, величина которой определяется коэфициентом масштаба и зависит от схемы построения и геометрических размеров оптической системы КОС.
Для определения формы энергетического спектра пространственной структуры ЛЗ рассмотрим вещественную часть комплексной дроби в выражении (2.10), обозначив ее через В, т.е.
(2.11). Подставив в (2.11) выражения (2.6) и (2.7) характеристических функций и получим:
(2.12).
Выражение (2.12) представляет собой комплексную дробь вида , вещественная часть которой равна (2.13).
Тогда, выполнив алгебраические преобразования над (2.12) с использо-ванием (2.13), вещественную часть В выражения (2.12) можно представить в виде :
(2.14).
Подставив (2.14) в (2.10), получим уравнение непрерывной составляю-щей энергетического спектра квазипериодической пространственной струк-туры ЛЗ:
(2.15), а энергетический спектр пространственной структуры ЛЗ с нормаль-ным законом распределения ширины щелей и стенок может быть представ-лен следующим выражением:
(2.16).
Наибольший интерес для практической реализации в оптических системах КОС для автоматизации контроля статистических характеристик пространственной структуры ЛЗ представляет второе слагаемое выражения (2.16), содержащее функциональную взаимосвязь этих характеристик. Пос-кольку это слагаемое содержит гармонические функции, что указывает на наличие частот экстремальных амплитуд спектра. Величины экстремаль-ных амплитуд спектра и их частоты полностью определяются статисти-ческими характеристиками геометрических размеров элементов простран-ственной структуры ЛЗ.
Первое слагаемое в (2.16) описывает амплитуду спектра на нулевой частоте, а в оптической системе КОС - интенсивность недифрагированного светового потока, который фокусируется оптической системой на его оси в плоскости спектрального анализа.
4. Задание характеристик элементов измерительной
системы
Источник излучения газовый He-Ne лазер ЛГН-207А:
Характеристики оптичесих элементов:
Характеристики приемника излучения:
5. Математическая модель измерительной
Оптическая система КОС, выполненная по схеме “входной транспарант перед фурье-объективом”, состоит из ряда последовательно расположен-ных вдоль оптической оси узлов: источник когерентного излучения, входной транспарант, фурье-объектив, фоторегистратор спектра (рис.2).
В такой системе, для получения высококонтрастного и сфокусирован-ного изображения исследуемого сигнала, источником когерентного излу-чения является точечный источник, излучаемое поле которого описывается функцией: (5.1), где А0-амплитуда световой волны источника; - дельта-функция Дирака. Кроме того, в оптике принято считать источник точечным, если его размеры в десять и более раз меньше растояния до оптической системы, что обычно всегда имеет место на практике для КОС.
Тогда, распределение поля в плоскости х1у1 согласно принципу Гюйгенса-Френеля, будет описываться выражением :
(5.3), где - оператор преобразования Френеля ; СФ- комплексная постоянная, равная . Если в плоскости х1у1 помещен пространственный транспарант с амплитудным коэфициентом пропускания , являюшийся записью исследуемого сигнала, то распределение поля за транспарантом может быть описано как
(5.2).
Применив принцип Гюйгенса-Френеля (5.3), можно определить распре-деление светового поля в плоскости х2у2 перед фурье-объективом, а поле за ним - применив (5.2).
Таким образом, распределение поля в плоскости х3у3 анализа будет описываться :
(5.4), где - оператор Френеля для преобразования поля на i-м участке свободного пространства толщиной li.
Рассмотрим последовательно распостранение когерентной световой волны в оптической системе КОС, представленной на рис. 2.
Подставив (5.1) в (5.3), определим распределение светового поля во входной плоскости х1у1 перед транспарантом
, где (5.5).
Выражение (5.5) получено с использованием фильтрующего свойства дельта-функции и описывает расходящуюся сферическую волну в плоскости х1у1 перед входным транспарантом в параксиальном приближении. Исполь-зование фильтрирующего свойства -функции допустимо в силу прост-ранственной инвариантности рассматриваемой параксиальной области оптической системы. Такое допущение обычно всегда имеет место на прак-тике, поскольку для уменшения влияния аберраций оптической системы на качество фурье-образа, используют лишь ее центральную часть - парак-сиальную область.
Определив распределение поля за входным транспарантом c ис-пользованием (5.2), поле во входной плоскости фурье-объектива, согласно принципу Гюйгенса-Френеля, можно представить как
(5.6), где - постоянный фазовый коэфициент Френеля; S1 -область интегрирования по аппертуре входного транспаранта.
Распределение поля в плоскости х2у2 за фурье-объективом, согласно (5.2) будет
(5.7), а подставив (5.6) в (5.7) с учетом (5.3), распределение поля в плоскости х3у3 анализа можно представить в виде :
(5.7),
где (5.8).
Поскольку переменные х1, у1 и х2, у2 интегрирования, в полученном выражении (5.7), являются величинами взаимонезависимыми, то их можно поменять местами, а (5.7) примет вид:
(5.9),
где (5.10), а - функция зрачка фурье-объектива, удовлетворяющая условиям (5.10) финитности в области .
Для анализа выражения (5.9), рассмотрим отдельно внутренний интег-рал, который описывает суперпозицию светового поля по входной аперту-ре фурье-объектива и группируя совместно одинаковые экспотенциаль-ные сомножители, упростим его. Формальное увеличение пределов интег-рирования по входной апертуре фурье-объектива до бесконечности возможно, поскольку размеры входного транспаранта всегда на мно-го меньше аппертуры фурье-объектива, а также чем требуется по усло-виям параксиальности Френеля и условию (5.10) финитности функции зрачка фурье-объектива. Поэтому дифракционное изображение сигнала в плоскости х3у3 анализа ограничено не апертурой фурье-объек-тива, а апертурой входного транспаранта. Это влияние уменшается, чем ближе расположен входной транспарант к фурье-объективу, т.е. чем меньше растояние , что обычно всегда выполняется на практике. Учитывая это можно записать в пределах области интегрирова-ния
(5.11).
Выражение (5.11) содержит два взаимонезависимых подобных интегра-ла и , каждый из которых может быть вычислен с использованием табличного интеграла вида :
(5.12). Применив (5.12) к (5.11), но предва-рительно обозначив через
, и (5.12), выражение (5.11) можно представить в виде :
(5.13).
Подставив (5.13) в (5.9) получим
(5.14).
Выражение (5.14) описывает пространственное распределение комп-лексных амплитуд светового поля в плоскости х3у3 спектрального анализа и содержит ряд взаимонезависимых квадратичных фазовых сомножителя, по-ле в плоскости х3у3 является фурье-образом поля в плоскости х1у1 за входным транспарантом с пространственными частотами и , равными , и (5.15)
Подинтегральный квадратичный сомножитель в выражении (5.14) для распределения поля в плоскости х3у3 анализа
(5.16), при
(5.17)
Решив уравнение (5.17) относительно определим
(5.18).
Полученное уравнение (5.18) представляет собой известное условие Гауса о фокусировке оптической системы, согласно
(5.19)
Таким образом, только при условии фокусировки оптической системы, представленной на рис.2, в ней осуществляется спектральное преобразо-вание Фурье, формируемое в плоскости х3у3, над сигналом , поме-щенным во входной плоскости х1у1. Однако, фурье-образ сигнала содержит квадратичную модуляцию фазы волны из-за наличия фазового сомно-жителя, стоящего перед интегралом в выражении (5.14). Наличие фазовой модуляции фурье-образа приводит к тому, что при регистрации его методами голографии в результирующей интерферограмме возникают дополнительные аберрации, значительно влияющие на его качество. Эта модуляция также имеет важное значение и не может быть опущена в случае дальнейших преобразований деталями оптической системы фурье-образа сигнала . Однако, квадратичная модуляция фазы фурье-образа может быть устранена при соответствующем выборе геометри-ческих параметров оптической системы, т.е.
(5.20) при (5.21).
Решив уравнение (5.21) относительно находим
(5.22) при =0, либо .
Учитывая (5.16) и (5.20) выражение (5.14) можно представить в виде:
(5.23),
откуда видно, что квадратичные фазовые искажения фурье-образа (5.14) сигнала устранимы не только при освещении входного транспаранта плос-кой, но и сферической волной при выполнении условий (5.18 ) и (5.22).
Выходной электрический сигнал ФИС представляет собой решение известной в оптике задачи о набегании светового пятна, распределение освещенности в котором описывается выражением:
, на узкую щеле-вую диафрагму вдоль координаты х3. Наиболее общим методом решения подобных задач является вычисление интеграла свертки функции освещенности с функцией пропускания полевой диафрагмы ФИС, равной:
(5.24), где - ширина щели вдоль координаты х3, - высота щели вдоль координаты у3.
Распределение комплексных амплитуд световой волны в плос-
кости х3у3 анализа КОС описывается выражением (5.23) и является прост-ранственно-частотным фурье-образом входного сигнала т.е.
Из уравнений Максвелла для электромагнитной волны следует, что энергия преносимая волной, пропорциональна квадрату амплитуды напря-женности электромагнитного поля, т.е.
(5.25), где К - постоянный коэфициент, зависящий от свойств среды, где распостраняется электромагнитная волна [14, 23]. Поэтому пространственно-частотный энергетический спектр входного сигнала пропорционален распределению освещенности в плоскости спектрального анализа КОС, т.е.
(5.26), где ,
- взаимосвязь между пространственными х(у) и пространственно-частотными координатами в плоскости спектрального анализа КОС; комплексная постоянная, определяемая (5.8).
Тогда согласно [11, 12] выходной сигнал ФИС с безинерционным фотоприемником, воспринимающим весь световой поток, прошедший через полевую диафрагму, можно определить как
(5.27), где - интегральная чувствитель-ность фотоприемника; - положение центра полевой диафрагмы в фиксированный момент времени при измерении сечения спектра вдоль координаты .
Так как в общем виде интеграл свертки (5.27) вычисляется аналитически лишь для простых элементарных функций, то при вычислении свертки сложных монотонно-гладких функций, значительно отличающихся по шири-не, допускают аппроксимацию результата более широкой функцией, что обеспечивает погрешность не более 6-10% в пределах более широкой функции [10, 17, 18].
Поэтому для повышения точности измерения спектра и упрощения вычисления интеграла (5.27), ширина полевой диафрагмы выбрана равной 20 мкм, что в десятки раз меньше ширины максиумов функции .
Применительно к рассматриваемому случаю выражение (5.27) с учетом (2.16) и (5.24) может быть представлено в виде
(5.28).
Полученное выражение (5.28) описывает форму электрического сигнала на выходе ФИС при сканировании энергетического спектра пространствен-ной структуры ЛЗ узкой щелевой диафрагмой. Из (5.28) видно, что форма выходного сигнала ФИС повторяет форму спектра с точностью до коэфи-циента пропорциональности, зависящего от размеров полевой диафрагмы ФИС и коэфициента - масштаба КОС. Поэтому, измеряя амплитудно-временные параметры выходного электрического сигнала ФИС соответст-вующей аппаратурой, можно реализовать амплитудный метод контроля величины среднего квадратического отклонения ширины щелей в прост-ранственной структурк ЛЗ.
При амплитудном методе контроля с помощью КОС величины среднего квадратического отклонения ширины щелей в пространственной струк-туре ЛЗ необходимо на выходе ФИС измерять величину амплитуд отдельных максимумов ее энергетического спектра на частотых . Тогда, подставив в (5.28) с учетом, что и выполнив ряд алгеб-раических преобразований можно показать, что амплитула -го максимума спектра, измеряемого на выходе ФИС, будет равна
(5.29), а использовав тож-дество (653.4) из [20], амплитуду -го максимума спектра представим в виде
(5.30).
Из формулы (5.30) видно, что действительно с увеличением порядкового номера максимумов, амплитуда их резко убывает.
Кроме того, с увеличением параметров либо , амплитуда макси-мумов спектра убывает по обратнопропорциональной гиперболической
тангенциальной зависимости. Поскольку в результате статистических исследований было установлено, что является практически величиной постоянной [1] по сравнению с диапазоном измерений , то целесообраз-но рассматривать функциональную зависимость амплитуд максимумов спектра от параметра , приняв постоянным и равным 8 мкм.
Однако линейная зависимость амплитуд максимумов спектра от освещенности пространственной квазипериодической структуры ЛЗ приведет к значительным погрешностям амплитудного метода контроля лишь абсолютных значений амплитуд максимумов спектра. Эти погреш-ности возникают из-за нестабильности выходной мощности излучения лазе-ра при температурных дрейфах его резонатора, которая достигает 20-30% от [19]. Поэтому, используя относительные измерения путем опреде-ления величины отношения амплитуд -го и -го максимумов спектра
(5.31),
можно избавиться от влияния временных флуктуаций выходной мощности излучения лазера.
Полученное выражение (5.31) является уравнением амплитудного мето-да контроля величины СКО ширины щелей в пространственной структуре ЛЗ. В работе [1] показано, что для и функция являет-ся монотонно убывающей по мере увеличения . Однако крутизна измене-ния функции, характеризующая чувствительность метода, функционально зависит от соотношения номеров и , используемых для измерения максимумов. Поэтому для повышения чувствительности амплитудного мето-да контроля по алгоритму, описанному уравнением (5.31), необходима его оптимизация, т.е. выбор таких номеров и максимумов, при которых достигается максимальная чувствительность функции к изменению параметра . Согласно теории чувствительности [21, 22] - чувствитель-ность функции к изменению СКО выражается ее первой частной производной по параметру , т.е.
(5.32), а определив производные (5.30), которые равны
(5.33),
(5.34), и подставив (5.25), (5.33) и (5.34) в (5.32), а также выполнив ряд алгебраических преобразований, получим:
(5.35).
Анализ этого выражения выполнен в работе [1]. Получены следующие результаты:
Это может привести к значительным техническим сложностям измере-ний на фоне шумов, а также к снижению чувствительности измерительной системы.
Поскольку шумы на выходе ФИС и статические характеристики квазипе-риодической структуры ЛЗ являются взаимонезависимыми величинами, то выходной сигнал ФИС представляет собой аддитивную смесь шумов с полезным сигналом. Поэтому минимальное значение амплитуды -го макси-
мума энергетического спектра, которое может быть аппаратурно зарегист-рировано по выходному сигналу ФИС, достигается при и должно быть в раз больше величины среднего квадратического напряжения шумов ее приемника, т.е.
(5.36), где - требуемый коэфициент отношения сигнал/шум выходного сигнала фотоприемника ФИС. Тогда подставив (5.36) в уравнение (5.30) аиплитуд получим:
или
(5.37), откуда имеем
(5.38).
Полученное выражение (5.38) позволяет определить максимально допустимую величину СКО , доступную для контроля амплитудным ме-тодом, в зависимости от номеров используемых максимумов спектра и шу-мов ФИС. Из выражения (5.38) следует, что увеличить допустимое значение можно путем уменшения шумов ФИС, либо увеличения освещен-ности квазипериодической структуры ЛЗ. Увеличение за счет по-вышения достигается благодаря работе ФИС по пороговому сигналу лишь от одного, т.е. -го максимума. При этом амплитуда другого, т.е. -го максимума, не является пороговой для ФИС, поскольку в (5.31) она всегда больше амплитуды -го максимума.
6. Расчетная часть
6.1. Габаритный расчет
Сначала произведем габаритный расчет схемы когерентного оптичес-кого спектроанализатора. Зададимся соответствующими значениями диаметра фурье-объектива, фокусным растоянием фурье-объектива, продольным размером ЛЗ.
1. Тогда имеем , , .
2. Определим отрезок .
мм.
3. Определим отрезок .
Теперь нам нужно произвести расчет согласование лазерного пучка по апертуре с оптической системой КОС.
4. Зададимся относительным отверстием .
5. Определим размер перетяжки .
Из [3] известна формула . Выразим искомый параметр через заданный, в результате получим мкм.
6. Определим конфокальный параметр .
мкм.
7. Определим положение перетяжки относительно линзы.
8. Определим значение диаметра светового пятна на линзе.
9. Теперь можем пересчитать фокусное растояние по заданному относи-тельному отверстию и раситанному .
10. Расчитаем конфокальный параметр сфокусированного пучка.
11. Определим размер перетяжки.
12. Найдем положение перетяжки после объектива.
6.2. Энергетический расчет
Основные принципы энергетического расчета оптической системы КОС представлены в работе [6] и в 5 разделе данного курсового проекта, где рассматривается математическая модель измерительной системы .
В качестве исходных данных для энергетического расчета выбраны па-раметры лазера ( мощность , длительность волны излучения и радиус перетяжки гауссового пучка излучения); геометрического размера опти-ческой системы (растояние между элементами, - фокусное растоя-ние и диаметр входного зрачка фурье-объектива); интегральная чувсви-тельность .
, где - оператор Френеля для преобразования поля на i-м участке свободного пространства толщиной li.
, а подставив (5.6) в (5.7) с учетом (5.3), распределение поля в плоскости х3у3 анализа можно представить в виде :
,
где .
Найдем значение фотоэлектрического сигнала для первого максимума.
Для нашего случая распостранения излучения в воздухе коэфициент . А значение и может быть найдено по следуюшим формулам:
С учетом вышеизложенного выражение (5.30) перепишется к виду
(6.1) . Подставив в дан-ное выражение исходные значения получим:
Линейная зависимость амплитуд максимумов спектра от освещен-ности пространственной квазипериодической структуры ЛЗ приведет к значительным погрешностям амплитудного метода контроля лишь абсолютных значений амплитуд максимумов спектра. Эти погреш-ности возникают из-за нестабильности выходной мощности излучения лазе-ра при температурных дрейфах его резонатора, которая достигает 20-30% от [19]. Поэтому, используя относительные измерения путем определения величины отношения амплитуд -го и -го максимумов спектра
Зависимость представлена в виде семейства графиков, пост-роенных для случаев mn=31,51,53. Из анализа этих графиков видно, что наиболее предпочтительным является использование для измерений 3 и 1 максимумов.
Это предпочтительней из следующих соображений:
Рассмотрим случай когда измерительная система ограничена шумами приемника излучения. Пусть этот шум подчиняется нормальному закону распределения. Известно, что для нормального закона распределения случайной величины справедливо:
, где х - это измеряемая величина, а интервал - это диапазон в который попадет измеряемая величина с вероятностью 97%.
Для нашего случая В. Тогда имеем:
(6.2).
Рассмотрим два предельных случая:
Тогда мы можем определить погрешность измерений обусловленную этим шумом:
(6.4)
Найдем численное значение этой погрешности. Сначала расчитаем значение и по формуле (6.1). , . Теперь можем подставить известные значения в формулу (6.4) и получить значение погрешности измерения для конкретных значений используемых при нахождении .
(6.5).
И наконец мы уже можем определить отношение сигнал-шум для данной измерительной системы:
7. Описание конструкции
Данная измерительная система предназначена для определения и измерения параметров энергетического спектра пространственных сигна-лов. Конструктивно она представляет собой когерентный оптический спектроанализатор пространственных сигналов с фотоэлектронной систе-мой обработки и индикации.
Функционально измерительная система состоит из трех основных сис-тем:
Оптическая система предназначена для формирования дифракционного изображения исследуемого пространственного объекта, в частности пространственной структуры ЛЗ. Оптическая преобразующая система выполнена по схеме “входной транспарант перед фурье-объективом”. Это позволяет исключить квадратичные фазовые искажения.
В качестве источника когерентного излучения применяется малогаба-ритный гелий-неоновый лазер ЛГН-207А ( Р=2мВт, =0.6328 мкм). Для согласования апертуры фурье-объектива с источником излучения приме-няется короткофокусная положительная линза.
В качестве фурье-объектива используется двухлинзовый объектив склейка ( мм , ), который исправлен на сферическую абер-рацию.
Контрастность и резкость дифракционного изображения объекта в значительной мере зависит от точности ее юстировки и центрирования всех оптических деталей. Поэтому для получения высокоточных результатов измерения энергетического спектра исследуемых сигналов необходима тшательная юстировка оптической системы измерительной установки.
Фотоэлектрическая система состоит из: ПЗС-матрицы, блока формиро-вания видеосигнала, модуля паралельного интерфейса ввода-вывода.
Измерительная подсистема основана на применении вычислительных возможностей компьютера. Она представляет собой компьютерную про-грамму, обеспечивающую выполнение следующих задач:
Список используемой литературы
1.Тымчик Г.С. Когерентные оптические спектральные методы автомати-зации геометрического контроля СВЧ линий замедления, Киев, КПИ, 1983.
2. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных при-боров. - М.: Радио и связь, 1986.
3. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. - М.: Машиностроение, 1985.
4. Справочник по приемнткам оптического излучения. Под ред. Криксунова Л.З. - Киев.: Техника, 1985.
5. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. Панова В.А. - Л.: Машиностроение, 1980.
6. В.Г. Колобродов, С.П. Сахно, Г.С. Тымчик Импульсный отклик и энер-гетический расчет оптических систем когерентных спектроанализаторов, ОМП, 1986, N 4, с.12-14.
7. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины, пер. с англ. - М.: Мир, 1974.
8. Юу Ф. Введение в теорию дифракции, голографию и обработку ин-формации, пер. с англ. - М.: Сов.радио, 1979.
9. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику, пер. с англ. - М.: Мир, 1970.
10. Папулис А. Теория систем и прелбразований в оптике, пер. с англ. М.: Сов.радио, 1972.
11. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных при-боров. - Л.: Машиностроение, 1977.
12. Порфирьев Л.П. Теория оптико-электронных систем и приборов. - Л.: Машиностроение, 1980.
13. Васильев Л.А., Ефимов И.В. Интерферометр с дифракционной решеткой. - М.: Машиностроение, 1976.
14. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.
15. Сивухин Л.Б. Оптика. - М.: Наука, 1980.
16. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Сов.радио, 1980.
17. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. - М.: Наука, 1981.
18. Сороко Л.М. Основы когерентной оптики и голографии. - М.: Наука, 1971.
19. Климков Ю.П. Расчет и проектирование ОЭП с лазерами. - М.: Сов. Радио, 1978.
20. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы, пер. с англ.-М.: Наука,1978.
21. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. М.: Машиностроение, 1976.
22. Коротков В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теория точности измерительных устройств. - М.: Издательство Стандартов, 1978.
23. Довгий Я.О. Физический практикум по оптическим квантовым генераторам. - Киев.: Выща школа, 1977.
24. Филькенштейн Е.И. - ОМП, 1973, N 8, с.30-32.
25. Левандовская Н.Е. и др. - ОМП, 1982, N 6, с.28-30.
26. Ронки В. Испытание оптических систем. М.-Л.: ГТТИ, 1983, с.102.
27. Harrison G.R. The productions of diffraction gratings. - JOSA, 1949, V39, N 6, pp. 413-426.
28. Авт. свид. 773429, МКИ: G 01 b 11/02, 1980.
29. Авт. свид. 842402, МКИ: G 01 b 11/02, 1979.
30. Авт. свид. 775615, МКИ: G 01 b 11/08, 1978.
