eng
Выпуск #8/2024
М. А. Завьялова, П. С. Завьялов, А. В. Солдатенко
Конфокальная гиперхроматическая оптическая система с повышенными энергетическими характеристиками
Конфокальная гиперхроматическая оптическая система с повышенными энергетическими характеристиками
Просмотры: 1196
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.622.628
Предложена новая концепция конфокального датчика, предназначенного для измерения смещений и микропрофиля поверхности оптических прозрачных сред. Датчик построен на основе суперлюминесцентного диода и гиперхроматического объектива. В датчике используется многомодовый волоконно-оптический каплер и источник излучения с шириной спектра 40 нм. Смещение и перепад высот объекта определяются измерением спектра излучения, отраженного от поверхности, с выделением доминирующей длины волны с помощью специальных программных алгоритмов и реализации принципа конфокальности оптической схемы датчика.
Предложена новая концепция конфокального датчика, предназначенного для измерения смещений и микропрофиля поверхности оптических прозрачных сред. Датчик построен на основе суперлюминесцентного диода и гиперхроматического объектива. В датчике используется многомодовый волоконно-оптический каплер и источник излучения с шириной спектра 40 нм. Смещение и перепад высот объекта определяются измерением спектра излучения, отраженного от поверхности, с выделением доминирующей длины волны с помощью специальных программных алгоритмов и реализации принципа конфокальности оптической схемы датчика.
Теги: chromatic encoding method confocal method hyperchromatic systems non-contact optical measurements бесконтактные оптические измерения гиперхроматические системы конфокальный метод метод хроматического кодирования
Конфокальная гиперхроматическая оптическая система с повышенными энергетическими характеристиками
М. А. Завьялова, П. С. Завьялов, А. В. Солдатенко
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН (КТИ НП СО РАН), г. Новосибирск, Россия
Предложена новая концепция конфокального датчика, предназначенного для измерения смещений и микропрофиля поверхности оптических прозрачных сред. Датчик построен на основе суперлюминесцентного диода и гиперхроматического объектива. В датчике используется многомодовый волоконно-оптический каплер и источник излучения с шириной спектра 40 нм. Смещение и перепад высот объекта определяются измерением спектра излучения, отраженного от поверхности, с выделением доминирующей длины волны с помощью специальных программных алгоритмов и реализации принципа конфокальности оптической схемы датчика.
Ключевые слова: бесконтактные оптические измерения, гиперхроматические системы, конфокальный метод, метод хроматического кодирования
Статья получена: 22.10.2024
Статья принята: 20.11.2024
Введение
Производственные процессы в промышленности и уникальные исследования в научной сфере требуют разработки и развития существующих технологий прецизионных трехмерных измерений для обеспечения заданной точности изготовления ответственных изделий [1–3]. Оптические принципы измерений обладают существенными преимуществами, поскольку они обеспечивают прецизионный бесконтактный высокоскоростной контроль [4, 5]. Особый интерес бесконтактные свойства представляют при измерении профиля оптических компонентов и микроструктурированных поверхностей, а также при работе в сложных условиях: вакууме, при высоких температурах или в промышленных условиях [6]. Конфокальные методы на основе хроматического кодирования выделяются среди прецизионных методов измерения профиля поверхности, поскольку обеспечивают высокое осевое разрешение – до 10 нм, а простота реализации позволяет использовать их в промышленных цехах на производстве и в научных центрах [7, 8].
Конфокальные гиперхроматические оптические системы – бесконтактные устройства для высокоточных измерений. Ключевой особенностью таких систем является использование дисперсионных или дифракционных свойств оптических элементов, когда фокусировка света осуществляется не в одной точке, а с разделением по длине волны на разных расстояниях. Так, при использовании дифракционного оптического элемента (далее – ДОЭ) свет с более короткими длинами волн фокусируется на более дальнем расстоянии от элемента, чем свет от длинноволновой части спектра. Этот принцип позволяет кодировать разные расстояния разным цветом. Хроматический конфокальный датчик не требует какого-либо сканирования вдоль оптической оси, благодаря увеличенному по сравнению с глубиной фокуса диапазону измерения. Для пространственного ограничения фокусировки в области изображения используется конфокальный метод, при котором происходит фильтрация отраженного света диафрагмой с малым диаметром, а в случае волоконного исполнения датчика – торцом волокна.
Концепция конфокальной гиперхроматической оптической системы с повышенными энергетическими характеристиками
Концепции построения конфокальных сенсорных систем с использованием многомодового волоконно-оптического ответвителя, различных источников излучения и гиперхроматических элементов встречаются в научной литературе довольно часто [8, 9]. Кроме того, в более ранних работах авторов [10, 11] описаны различные модификации таких систем и исследованы их точностные характеристики. Целью настоящей работы является разработка конфокальной гиперхроматической системы для измерения смещений и микропрофилирования поверхности оптических прозрачных сред с малым коэффициентом отражения.
Для реализации такой возможности было предложено использовать в качестве источника света волоконный суперлюминесцентный светодиод [12], который позволяет существенно увеличить уровень сигнала по сравнению с обычно используемой галогенной лампой. Для такого источника был рассчитан гиперхроматический объектив (ГХО), в котором в качестве спектрального элемента используется ДОЭ. Суперлюминесцентные светодиоды имеют ширину спектра около Δλ = 20–40 нм, поэтому применение дифракционной оптики для таких источников света является практически единственным вариантом создания ГХО с протяженным хроматическим участком Δz.
В работе [13] в результате численного эксперимента показано, что в волоконном конфокальном датчике на основе хроматического кодирования при использовании источника света с шириной спектра менее 40 нм ошибка волнового фронта, формируемого ГХО, не должна превышать ΔW ≤ λ / 10. Также теоретически и экспериментально показано, что в ГХО при использовании линз с различным фокусным расстоянием возможна компенсация сферической аберрации путем изменения расстояния между ДОЭ и одиночной линзой.
На основе проведенных исследований [14] был разработан волоконный конфокальный датчик (ВКД). ВКД представляет собой оптический модуль (рис. 1), состоящий из многомодового волокна для подвода зондирующего излучения от суперлюминесцентного диода, специального дифракционного оптического элемента и линзы, расстояние между которыми может варьироваться. От длины хроматического отрезка зависит разрешение ВКД. Датчик совместим со спектрометрами с волоконным выводом излучения и может встраиваться в автоматизированные производственные линии. Для работы с данным датчиком разработано специальное программное обеспечение, которое позволяет работать с различными типами подключаемого оборудования: спектрометрами, трехкоординатными позиционерами, цветными видеокамерами.
В качестве осветителя в ВКД использован суперлюминесцентный диод SLD‑790-14BF (Nolatech, Россия), выходная мощность 5 мВт, ширина спектра 40 нм (760–800 нм), и многомодовый каплер с диаметром сердечника 50 мкм (Core Graded-Index Fibers Available with 50 : 50, Thorlabs, Германия). Оптический модуль состоит из сменного дифракционного оптического элемента, изготовленного на круговой лазерной записывающей системе (АО «Новосибирский приборостроительный завод), и одиночной линзы с фокусным расстоянием 36 мм. Смещение исследуемого объекта создают с помощью подвижной платформы, в состав которой входит трехкоординатный столик ZSS 33.200.1.2 (Phytron, Германия). Спектр отраженного излучения вводится через оптоволоконный разветвитель в спектрометр QwaveVIS (RGB Lasersystems, Germany) и далее анализируется в специальном программном обеспечении. Результаты экспериментов показали, что в случае использования суперлюминесцентного диода при измерении расстояния до слабоотражающих поверхностей отраженный сигнал в 106 раз выше, чем при использовании галогенной лампы (680 мкВт / нм и 408 пкВт / нм соответственно).
На рис. 2 представлен один из вариантов оптической схемы ВКД. Длины хроматических отрезков могут варьироваться при использовании различных ДОЭ, а изменением расстояния l между линзой и ДОЭ минимизируется сферическая аберрация.
Технические характеристики ВКД:
длина хроматического отрезка: 300, 500 и 800 мкм;
погрешность: зависит от длины хроматического отрезка и разрешающей способности спектрометра или цветной видеокамеры и составляет менее 0,1 мкм;
синхронизация с внешними устройствами: интерфейс USB, RS‑232;
источник света: суперлюминесцентный диод SLD‑790-14BF (Nolatech, Россия);
оптоволоконный разъем многомодового волокна E 2000;
рабочая температура от +5 °C до +50 °C;
вес оптического модуля 0,2 кг.
ВКД позволяет проводить следующие измерения: высоты профиля поверхности, шероховатости поверхности, толщины покрытий, формы объектов, оптических свойств материалов. При измерении высоты профиля поверхности ВКД обеспечивает допустимую погрешность измерений до нескольких нанометров. Это позволяет контролировать качество поверхности и определять ее геометрические параметры.
При измерении шероховатости поверхности, которая является важным параметром для многих инженерных приложений, ВКД позволяет контролировать процесс ее обработки с целью достижения заданного качества поверхности. Учитывая возможность измерения толщины покрытий, ВКД можно использовать для контроля процесса нанесения покрытий на поверхности объектов. ВКД можно использовать для измерений формы таких объектов, как детали машин, электронные компоненты, медицинские имплантаты и другое. Это позволяет контролировать процесс изготовления объектов и определять их геометрические параметры. Используя ВКД для измерения оптических свойств материалов, например, прозрачности или показателя преломления, можно контролировать изменение оптических свойств материалов от партии к партии, поставляемых для снабжения серийного промышленного производства.
Повышенные энергетические характеристики этих датчиков позволяют им измерять параметры поверхности материалов, которые сложно измерить с помощью обычных датчиков. Например, их можно использовать для измерения параметров поверхности материалов с высокой отражающей способностью или прозрачных материалов, таких как стекло или керамика.
В целом, конфокальные хроматические данные с повышенными энергетическими характеристиками представляют собой мощный инструмент для измерения параметров поверхности широкого спектра материалов для различных приложений.
Заключение
Получен результат, готовый к практическому применению: разработана конструкторская документация и изготовлен волоконный конфокальный датчик (ВКД) на основе метода хроматического кодирования для контроля качества слабоотражающих поверхностей ответственных изделий в масштабах промышленного производства.
В результате проведенных исследований установлено, что при измерении расстояния до слабоотражающих поверхностей использование в оптической системе ВКД суперлюминесцентного диода вместо галогенной лампы дает отраженный сигнал в 106 раз выше (680 мкВт / нм и 408 пкВт / нм соответственно). Для узкоспектрального источника излучения (ширина спектра 760–800 нм) рассчитаны специальные дифракционные оптические элементы, позволяющие фокусировать свет в отрезки различной длины.
Полученный практический результат является основой для интеграции волоконного конфокального датчика на основе хроматического кодирования в автоматизированные оптико-электронные системы и комплексы для микропрофилирования поверхностей. Благодаря своим преимуществам (бесконтактный режим измерения, малое фокальное пятно, высокая точность, быстродействие) он обеспечивает прецизионное позиционирование и высокоточную оцифровку трехмерных слабоотражающих поверхностей. Такой датчик отличается низкой стоимостью, высокой стабильностью, точностью и компактностью.
Благодарности
Финансовая поддержка работы осуществлялась Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Nelyubin I. V., Putrya M. G. Osobennosti kontrolya trekhmernogo profilya elementov i struktur nanorazmernyh IS. Obzor. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektronika. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561‑5405‑2023‑28‑3‑298‑325.
Нелюбин И. В., Путря М. Г. Особенности контроля трехмерного профиля элементов и структур наноразмерных ИС. Обзор. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561‑5405‑2023‑28‑3‑298‑325.
Zavyalova M. A., Soldatenko A. V., Kokarev S. A. Precision position sensor for operational control of laser synthesis of microstructures on three-dimensional surfaces of optical materials. Instruments and experimental technique. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X.
Завьялова М. А., Солдатенко А. В., Кокарев С. А. Прецизионный датчик положения для оперативного контроля лазерного синтеза микроструктур на трехмерных поверхностях оптических материалов. Приборы и техника эксперимента. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X.
Kol’cova I. A., Grudina N. V. Sinergiya trekhmernogo proektirovaniya, kontrolya kachestva 3D-modelej, cifrovyh tekhnologij v koncepcii «industriya 4.0». Avtotraktorostroenie i avtomobil’nyj transport: Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Minsk. 2022 goda. – Minsk: Belorusskij nacional’nyj tekhnicheskij universitet. 2022; 321–328.
Кольцова И. А., Грудина Н. В. Синергия трехмерного проектирования, контроля качества 3D-моделей, цифровых технологий в концепции «индустрия 4.0». Автотракторостроение и автомобильный транспорт: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. Минск. 2022 года. – Минск: Белорусский национальный технический университет. 2022; 321–328.
Orji N. G., Badaroglu, M, Barnes B. M. et al. Metrology for the next generation of semiconductor devices. Nat. Electron. 2018;1:532–547. DOI: 10.1038/s41928‑018‑0150‑9.
Zhang W., Xu J., Wang S. et al. Metrology challenges in 3D NAND flash technical development and manufacturing. Journal Microelectron. Manuf. 2020; 3(3):1–8. DOI: 10.33079/jomm.20030102.
Borghello G., Lerario E., Faccio F. et al. Ionizing radiation damage in 65 nm CMOS technology: Influence of geometry, bias and temperature at ultra-high doses. Microelectronics Reliability. 2021; 116: 114016. DOI: 10.1016/j.microrel.2020.114016.
Kapłonek W., Sutowska M., Ungureanu M., Çetinkaya K. Optical profilometer with confocal chromatic sensor for high-accuracy 3D measurements of the uncirculated and circulated coins. Journal of Mechanical and Energy Engineering. 2018; 2, 3 (Dec.): 181–192. DOI: 10.30464/jmee.2018.2.3.181.
Wertjanz D., Kern Th., Csencsics E., Stadler G., Schitter G. Compact scanning confocal chromatic sensor enabling precision 3-D measure ments. Appl. Opt. 2021; 60: 7511–7517. DOI: 10.1364/AO.428374.
Bai J, Li X, Wang X, Zhou Q, Ni K. Chromatic Confocal Displacement Sensor with Optimized Dispersion Probe and Modified Centroid Peak Extraction Algorithm. Sensors. 2019; 19(16):3592. DOI: 10.3390/s19163592.
Zavyalova M. A., Zavyalov P. S. Hyperchromatic Lens for Fiber Confocal Surface Sensors Modeling and Calculation Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993‑7296.2017.65.5.80.90.
Завьялова М. А., Завьялов П. С. Моделирование и расчет гиперхроматических объективов для волоконных конфокальных датчиков поверхности на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993‑7296.2017.65.5.80.90.
Zavyalova M. A., Zavyalov P. S., Savchenko M. V. Experimental Studies of Fiber Confocal Sensor Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.7.598.609.
Завьялова М. А., Завьялов П. С., Савченко М. В. Экспериментальные исследования волоконного конфокального датчика на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.7.598.609.
SLD‑790-14BF Superluminescent Diode by Nolatech. URL: https://www.gophotonics.com/products/superluminescent-diodes/nolatech/59-234‑sld‑790-14bf
Zav’yalova M.A., Zav’yalov P.S., Koverznev D. A., Hakimov D. R. Giperhromaticheskie elementy dlya volokonnyh konfokal’nyh izme-ritel’nyh sistem. HOLOEXPO 2023: 20‑ya Mezhdunarodnaya konferenciya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam: Tezisy dokladov. 2023;2: 273–280.
Завьялова М. А., Завьялов П. С., Коверзнев Д. А., Хакимов Д. Р. Гиперхроматические элементы для волоконных конфокальных изме-рительных систем. HOLOEXPO 2023: 20‑я Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов. 2023;2: 273–280.
Verhoglyad A. G., Zav’yalova M. A., Kachkin A. E. et al. Krugovaya lazernaya zapisyvayushchaya sistema dlya formirovaniya fazovyh i amplitudnyh mikrostruktur na sfericheskih poverhnostyah. Datchiki i sistemy. 2015; 9–10(196):45–52.
Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Качкин А. Е. и др. Круговая лазерная записывающая система для формирования фазовых и амплитудных микроструктур на сферических поверхностях. Датчики и системы. 2015; 9–10(196):45–52.
АВТОРЫ
Марина Андреевна Завьялова, к. т.н, старший научный сотрудник, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: mzav@tdisie.nsc.ru; область интересов: оптико-электронные приборы и системы, лазерные технологии.
ORCID: 0000-0003-2000-6226
Петр Сергеевич Завьялов, к. т. н., директор, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru; область интересов: оптико-электронные приборы и системы, системы технического зрения, дифракционная оптика.
ORCID: 0000-0001-6222-5000
Алексей Владимирович Солдатенко, конструктор 1 категории, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: tok9_11@mail.ru; область интересов:
М. А. Завьялова, П. С. Завьялов, А. В. Солдатенко
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН (КТИ НП СО РАН), г. Новосибирск, Россия
Предложена новая концепция конфокального датчика, предназначенного для измерения смещений и микропрофиля поверхности оптических прозрачных сред. Датчик построен на основе суперлюминесцентного диода и гиперхроматического объектива. В датчике используется многомодовый волоконно-оптический каплер и источник излучения с шириной спектра 40 нм. Смещение и перепад высот объекта определяются измерением спектра излучения, отраженного от поверхности, с выделением доминирующей длины волны с помощью специальных программных алгоритмов и реализации принципа конфокальности оптической схемы датчика.
Ключевые слова: бесконтактные оптические измерения, гиперхроматические системы, конфокальный метод, метод хроматического кодирования
Статья получена: 22.10.2024
Статья принята: 20.11.2024
Введение
Производственные процессы в промышленности и уникальные исследования в научной сфере требуют разработки и развития существующих технологий прецизионных трехмерных измерений для обеспечения заданной точности изготовления ответственных изделий [1–3]. Оптические принципы измерений обладают существенными преимуществами, поскольку они обеспечивают прецизионный бесконтактный высокоскоростной контроль [4, 5]. Особый интерес бесконтактные свойства представляют при измерении профиля оптических компонентов и микроструктурированных поверхностей, а также при работе в сложных условиях: вакууме, при высоких температурах или в промышленных условиях [6]. Конфокальные методы на основе хроматического кодирования выделяются среди прецизионных методов измерения профиля поверхности, поскольку обеспечивают высокое осевое разрешение – до 10 нм, а простота реализации позволяет использовать их в промышленных цехах на производстве и в научных центрах [7, 8].
Конфокальные гиперхроматические оптические системы – бесконтактные устройства для высокоточных измерений. Ключевой особенностью таких систем является использование дисперсионных или дифракционных свойств оптических элементов, когда фокусировка света осуществляется не в одной точке, а с разделением по длине волны на разных расстояниях. Так, при использовании дифракционного оптического элемента (далее – ДОЭ) свет с более короткими длинами волн фокусируется на более дальнем расстоянии от элемента, чем свет от длинноволновой части спектра. Этот принцип позволяет кодировать разные расстояния разным цветом. Хроматический конфокальный датчик не требует какого-либо сканирования вдоль оптической оси, благодаря увеличенному по сравнению с глубиной фокуса диапазону измерения. Для пространственного ограничения фокусировки в области изображения используется конфокальный метод, при котором происходит фильтрация отраженного света диафрагмой с малым диаметром, а в случае волоконного исполнения датчика – торцом волокна.
Концепция конфокальной гиперхроматической оптической системы с повышенными энергетическими характеристиками
Концепции построения конфокальных сенсорных систем с использованием многомодового волоконно-оптического ответвителя, различных источников излучения и гиперхроматических элементов встречаются в научной литературе довольно часто [8, 9]. Кроме того, в более ранних работах авторов [10, 11] описаны различные модификации таких систем и исследованы их точностные характеристики. Целью настоящей работы является разработка конфокальной гиперхроматической системы для измерения смещений и микропрофилирования поверхности оптических прозрачных сред с малым коэффициентом отражения.
Для реализации такой возможности было предложено использовать в качестве источника света волоконный суперлюминесцентный светодиод [12], который позволяет существенно увеличить уровень сигнала по сравнению с обычно используемой галогенной лампой. Для такого источника был рассчитан гиперхроматический объектив (ГХО), в котором в качестве спектрального элемента используется ДОЭ. Суперлюминесцентные светодиоды имеют ширину спектра около Δλ = 20–40 нм, поэтому применение дифракционной оптики для таких источников света является практически единственным вариантом создания ГХО с протяженным хроматическим участком Δz.
В работе [13] в результате численного эксперимента показано, что в волоконном конфокальном датчике на основе хроматического кодирования при использовании источника света с шириной спектра менее 40 нм ошибка волнового фронта, формируемого ГХО, не должна превышать ΔW ≤ λ / 10. Также теоретически и экспериментально показано, что в ГХО при использовании линз с различным фокусным расстоянием возможна компенсация сферической аберрации путем изменения расстояния между ДОЭ и одиночной линзой.
На основе проведенных исследований [14] был разработан волоконный конфокальный датчик (ВКД). ВКД представляет собой оптический модуль (рис. 1), состоящий из многомодового волокна для подвода зондирующего излучения от суперлюминесцентного диода, специального дифракционного оптического элемента и линзы, расстояние между которыми может варьироваться. От длины хроматического отрезка зависит разрешение ВКД. Датчик совместим со спектрометрами с волоконным выводом излучения и может встраиваться в автоматизированные производственные линии. Для работы с данным датчиком разработано специальное программное обеспечение, которое позволяет работать с различными типами подключаемого оборудования: спектрометрами, трехкоординатными позиционерами, цветными видеокамерами.
В качестве осветителя в ВКД использован суперлюминесцентный диод SLD‑790-14BF (Nolatech, Россия), выходная мощность 5 мВт, ширина спектра 40 нм (760–800 нм), и многомодовый каплер с диаметром сердечника 50 мкм (Core Graded-Index Fibers Available with 50 : 50, Thorlabs, Германия). Оптический модуль состоит из сменного дифракционного оптического элемента, изготовленного на круговой лазерной записывающей системе (АО «Новосибирский приборостроительный завод), и одиночной линзы с фокусным расстоянием 36 мм. Смещение исследуемого объекта создают с помощью подвижной платформы, в состав которой входит трехкоординатный столик ZSS 33.200.1.2 (Phytron, Германия). Спектр отраженного излучения вводится через оптоволоконный разветвитель в спектрометр QwaveVIS (RGB Lasersystems, Germany) и далее анализируется в специальном программном обеспечении. Результаты экспериментов показали, что в случае использования суперлюминесцентного диода при измерении расстояния до слабоотражающих поверхностей отраженный сигнал в 106 раз выше, чем при использовании галогенной лампы (680 мкВт / нм и 408 пкВт / нм соответственно).
На рис. 2 представлен один из вариантов оптической схемы ВКД. Длины хроматических отрезков могут варьироваться при использовании различных ДОЭ, а изменением расстояния l между линзой и ДОЭ минимизируется сферическая аберрация.
Технические характеристики ВКД:
длина хроматического отрезка: 300, 500 и 800 мкм;
погрешность: зависит от длины хроматического отрезка и разрешающей способности спектрометра или цветной видеокамеры и составляет менее 0,1 мкм;
синхронизация с внешними устройствами: интерфейс USB, RS‑232;
источник света: суперлюминесцентный диод SLD‑790-14BF (Nolatech, Россия);
оптоволоконный разъем многомодового волокна E 2000;
рабочая температура от +5 °C до +50 °C;
вес оптического модуля 0,2 кг.
ВКД позволяет проводить следующие измерения: высоты профиля поверхности, шероховатости поверхности, толщины покрытий, формы объектов, оптических свойств материалов. При измерении высоты профиля поверхности ВКД обеспечивает допустимую погрешность измерений до нескольких нанометров. Это позволяет контролировать качество поверхности и определять ее геометрические параметры.
При измерении шероховатости поверхности, которая является важным параметром для многих инженерных приложений, ВКД позволяет контролировать процесс ее обработки с целью достижения заданного качества поверхности. Учитывая возможность измерения толщины покрытий, ВКД можно использовать для контроля процесса нанесения покрытий на поверхности объектов. ВКД можно использовать для измерений формы таких объектов, как детали машин, электронные компоненты, медицинские имплантаты и другое. Это позволяет контролировать процесс изготовления объектов и определять их геометрические параметры. Используя ВКД для измерения оптических свойств материалов, например, прозрачности или показателя преломления, можно контролировать изменение оптических свойств материалов от партии к партии, поставляемых для снабжения серийного промышленного производства.
Повышенные энергетические характеристики этих датчиков позволяют им измерять параметры поверхности материалов, которые сложно измерить с помощью обычных датчиков. Например, их можно использовать для измерения параметров поверхности материалов с высокой отражающей способностью или прозрачных материалов, таких как стекло или керамика.
В целом, конфокальные хроматические данные с повышенными энергетическими характеристиками представляют собой мощный инструмент для измерения параметров поверхности широкого спектра материалов для различных приложений.
Заключение
Получен результат, готовый к практическому применению: разработана конструкторская документация и изготовлен волоконный конфокальный датчик (ВКД) на основе метода хроматического кодирования для контроля качества слабоотражающих поверхностей ответственных изделий в масштабах промышленного производства.
В результате проведенных исследований установлено, что при измерении расстояния до слабоотражающих поверхностей использование в оптической системе ВКД суперлюминесцентного диода вместо галогенной лампы дает отраженный сигнал в 106 раз выше (680 мкВт / нм и 408 пкВт / нм соответственно). Для узкоспектрального источника излучения (ширина спектра 760–800 нм) рассчитаны специальные дифракционные оптические элементы, позволяющие фокусировать свет в отрезки различной длины.
Полученный практический результат является основой для интеграции волоконного конфокального датчика на основе хроматического кодирования в автоматизированные оптико-электронные системы и комплексы для микропрофилирования поверхностей. Благодаря своим преимуществам (бесконтактный режим измерения, малое фокальное пятно, высокая точность, быстродействие) он обеспечивает прецизионное позиционирование и высокоточную оцифровку трехмерных слабоотражающих поверхностей. Такой датчик отличается низкой стоимостью, высокой стабильностью, точностью и компактностью.
Благодарности
Финансовая поддержка работы осуществлялась Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Nelyubin I. V., Putrya M. G. Osobennosti kontrolya trekhmernogo profilya elementov i struktur nanorazmernyh IS. Obzor. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektronika. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561‑5405‑2023‑28‑3‑298‑325.
Нелюбин И. В., Путря М. Г. Особенности контроля трехмерного профиля элементов и структур наноразмерных ИС. Обзор. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561‑5405‑2023‑28‑3‑298‑325.
Zavyalova M. A., Soldatenko A. V., Kokarev S. A. Precision position sensor for operational control of laser synthesis of microstructures on three-dimensional surfaces of optical materials. Instruments and experimental technique. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X.
Завьялова М. А., Солдатенко А. В., Кокарев С. А. Прецизионный датчик положения для оперативного контроля лазерного синтеза микроструктур на трехмерных поверхностях оптических материалов. Приборы и техника эксперимента. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X.
Kol’cova I. A., Grudina N. V. Sinergiya trekhmernogo proektirovaniya, kontrolya kachestva 3D-modelej, cifrovyh tekhnologij v koncepcii «industriya 4.0». Avtotraktorostroenie i avtomobil’nyj transport: Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Minsk. 2022 goda. – Minsk: Belorusskij nacional’nyj tekhnicheskij universitet. 2022; 321–328.
Кольцова И. А., Грудина Н. В. Синергия трехмерного проектирования, контроля качества 3D-моделей, цифровых технологий в концепции «индустрия 4.0». Автотракторостроение и автомобильный транспорт: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. Минск. 2022 года. – Минск: Белорусский национальный технический университет. 2022; 321–328.
Orji N. G., Badaroglu, M, Barnes B. M. et al. Metrology for the next generation of semiconductor devices. Nat. Electron. 2018;1:532–547. DOI: 10.1038/s41928‑018‑0150‑9.
Zhang W., Xu J., Wang S. et al. Metrology challenges in 3D NAND flash technical development and manufacturing. Journal Microelectron. Manuf. 2020; 3(3):1–8. DOI: 10.33079/jomm.20030102.
Borghello G., Lerario E., Faccio F. et al. Ionizing radiation damage in 65 nm CMOS technology: Influence of geometry, bias and temperature at ultra-high doses. Microelectronics Reliability. 2021; 116: 114016. DOI: 10.1016/j.microrel.2020.114016.
Kapłonek W., Sutowska M., Ungureanu M., Çetinkaya K. Optical profilometer with confocal chromatic sensor for high-accuracy 3D measurements of the uncirculated and circulated coins. Journal of Mechanical and Energy Engineering. 2018; 2, 3 (Dec.): 181–192. DOI: 10.30464/jmee.2018.2.3.181.
Wertjanz D., Kern Th., Csencsics E., Stadler G., Schitter G. Compact scanning confocal chromatic sensor enabling precision 3-D measure ments. Appl. Opt. 2021; 60: 7511–7517. DOI: 10.1364/AO.428374.
Bai J, Li X, Wang X, Zhou Q, Ni K. Chromatic Confocal Displacement Sensor with Optimized Dispersion Probe and Modified Centroid Peak Extraction Algorithm. Sensors. 2019; 19(16):3592. DOI: 10.3390/s19163592.
Zavyalova M. A., Zavyalov P. S. Hyperchromatic Lens for Fiber Confocal Surface Sensors Modeling and Calculation Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993‑7296.2017.65.5.80.90.
Завьялова М. А., Завьялов П. С. Моделирование и расчет гиперхроматических объективов для волоконных конфокальных датчиков поверхности на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993‑7296.2017.65.5.80.90.
Zavyalova M. A., Zavyalov P. S., Savchenko M. V. Experimental Studies of Fiber Confocal Sensor Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.7.598.609.
Завьялова М. А., Завьялов П. С., Савченко М. В. Экспериментальные исследования волоконного конфокального датчика на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.7.598.609.
SLD‑790-14BF Superluminescent Diode by Nolatech. URL: https://www.gophotonics.com/products/superluminescent-diodes/nolatech/59-234‑sld‑790-14bf
Zav’yalova M.A., Zav’yalov P.S., Koverznev D. A., Hakimov D. R. Giperhromaticheskie elementy dlya volokonnyh konfokal’nyh izme-ritel’nyh sistem. HOLOEXPO 2023: 20‑ya Mezhdunarodnaya konferenciya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam: Tezisy dokladov. 2023;2: 273–280.
Завьялова М. А., Завьялов П. С., Коверзнев Д. А., Хакимов Д. Р. Гиперхроматические элементы для волоконных конфокальных изме-рительных систем. HOLOEXPO 2023: 20‑я Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов. 2023;2: 273–280.
Verhoglyad A. G., Zav’yalova M. A., Kachkin A. E. et al. Krugovaya lazernaya zapisyvayushchaya sistema dlya formirovaniya fazovyh i amplitudnyh mikrostruktur na sfericheskih poverhnostyah. Datchiki i sistemy. 2015; 9–10(196):45–52.
Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Качкин А. Е. и др. Круговая лазерная записывающая система для формирования фазовых и амплитудных микроструктур на сферических поверхностях. Датчики и системы. 2015; 9–10(196):45–52.
АВТОРЫ
Марина Андреевна Завьялова, к. т.н, старший научный сотрудник, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: mzav@tdisie.nsc.ru; область интересов: оптико-электронные приборы и системы, лазерные технологии.
ORCID: 0000-0003-2000-6226
Петр Сергеевич Завьялов, к. т. н., директор, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru; область интересов: оптико-электронные приборы и системы, системы технического зрения, дифракционная оптика.
ORCID: 0000-0001-6222-5000
Алексей Владимирович Солдатенко, конструктор 1 категории, КТИ НП СО РАН, г. Новосибирск, Россия; e-mail: tok9_11@mail.ru; область интересов:
Отзывы читателей
