Прилад безконтактного вимірювання геометричних параметрів поверхні виробів методом інтерферометрії

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці автоматизованого інтерференційного профілометра для безконтактного вимірювання мікро- та нанотопографії поверхні, її тривимірного представлення, визначення показників шорсткості та параметрів, що характеризують особливості форми поверхні. Для забезпечення керованого переміщення опорного дзеркала інтерферометра розроблена нова конструкція електромагнітного актюатора еталонного дзеркала з електронною платою керування. Принцип роботи профілометра базується на реєстрації інтенсивності інтерференційних смуг в кожній точці приладу з зарядовим зв’язком при нульовій різниці ходу світлових хвиль в інтерферометрі для відповідного положення рухомого дзеркала. Автоматизація роботи приладу забезпечується спеціально розробленим програмним забезпеченням, що використовується для управління, налаштування, збору, обробки, та збереження даних, а також для фільтрації та тривимірної візуалізації отриманих результатів. Для забезпечення потрібних метрологічних і технічних характеристик розроблено методику автоматичного юстирування приладу. Сутність методики полягає в пошуку кількості кроків рухомого дзеркала, яке необхідне для зміщення інтерференційної картини на половину довжини світлової хвилі. Експериментально підтверджено практичне використання розробленого приладу для вирішення багатьох науково-практичних завдань.

The dissertation is devoted to the development of an automated instrument for non-contact measurement of surface micro- and nanotopography, its tree-dimensional representation, determination of roughness parameters and parameters characterizing the features of surface shape. In the work wide variety of methods and instruments for surface topography registration was analyzed. Each method applies different physical principles of interaction with the surface, has different resolution and limits of scanning area, and has its advantages and disadvantages. This is contact (stylus) profilometry, focus variation microscopy, interference profilometry, scanning probe microscopy. A detailed analysis of existing methods has shown that the method of interference profilometry is optimal. It has the following advantages: non-contact measurement (greatly expands the range of studied materials), high vertical resolution (~1nm), wide range of heights measurements, sufficient scanning area (from micrometers to several millimetres), and high measurement speed (less than one minute). White light interferometry is a powerful tool for non-contact measurement of surface relief and reconstruction of its topography. It should be noted that in Ukraine despite the scientific and production needs, such instruments are not produced. The key element in design of interference profilometer is a micro/electro/mechanical system of reference mirror movement, which provides optical path difference and used for interference image creation. In commercially available foreign instruments reference mirror is driven by the piezoelectric actuators. Main disadvantages of piezoelectric actuators are the limited range of displacements at relatively high applied voltage values. It’s difficult to manufacture high voltage and low noise amplifier and significant amount of displacements hysteresis presence, while the use of a linear mirror position feedback transducer and a closed loop control considerably added complexity. To eliminate these disadvantages a linear precision actuator of the reference mirror with a manometer displacement step was developed. The design of this actuator has the following advantages: sufficiently wide displacements range, non-contact motion by means of a magnetic field, electromagnetic damping of harmful (seismic) oscillations, linear displacement characteristics. Actuator control is carried out by a specially designed electronic control board in accordance with the developed algorithms and software. On the basis of the proposed design solutions, as well as the matching and substantiation of the main conceptual approaches to the instrument components design (interferometer scheme, light source, image registration systems and device for mirror movement), an experimental sample of the interference profilometer was developed and made. The principle of its operation is based on the intensity registration of interference fringes at each point of the charge-coupled device (CCD) at a zero optical path difference in the interferometer for the corresponding position of the moving mirror. According to the sequence of registered frames, the characteristic of the investigated object surface is constructed, i.e. the maximum intensity values (heights) are recorded at all points of the CCD matrix. The compact dimensions of the developed electromagnetic actuator, low voltage control have greatly simplified the electronic part of the instrument. This approach made it possible to create two modifications to the profilometer. One modification is realized on the basis of the Linnik microinterferometer MІІ-4, the other one is made according to the Michelson interferometer scheme, more compact and created on the basis of serial microscope. Instrument automation is provided by specially designed software, which includes two separate programs. One program is flashed into microprocessor of an electronic unit to control operation modes of electronic components (commands for transformation, control, formation, average and data transmission), the second one is installed on a computer and used to control, configure, collect, process and save data, as well as for filtering and three-dimensional visualization of the obtained results. To simplify work with the instrument automatic initial position and displacement range adjustments of the moving mirror and automatic settings of the light source brightness are integrated in the software. To correct the registered results and their adequate representation algorithms for filtering and elimination linear trend based on mathematical statistics and regression analysis methods are integrated in the software. The instrument control automation level, as well as the registration processes, processing and presentation of results meets state of the art requirements for the devices of such class. To provide the necessary metrological and technical characteristics, a methodology and software for automatic instrument calibration have been developed. The essence of calibration procedure is to find the number of moving mirror steps which is necessary to shift the interference fringe on half a wavelength of the light source. This technique greatly simplifies process of configuring an instrument and allows performing calibrating procedure of the profilometer without measuring a calibrated step height. Based on the technical capabilities of the developed profilometer shown and experimentally approved its practical application for many scientific and practical tasks. Such as: automated output and input control based on measuring the geometrical parameters of the ferrule surface of fiber optic connectors; measurement and quality control of surfaces of dental implants and hip joints endoprostheses; measurement and quality control of the integrated circuits surface at manufacturing stages; measurement and quantitative estimation of surface deformation relief of structural components under fatigue load to predict their technical condition; measuring the size of the indents and scratches during indentation and scratch-testing, as well as determining the area and nature of the deformation area near the indents; measuring the value of material wear after contact interaction.

Диссертационная работа посвящена разработке автоматизированного интерференционного профилометра для бесконтактного измерения микро- и нанотопографии поверхности, ее трехмерного представления, определения показателей шероховатости и параметров характеризующих форму поверхности. Для обеспечения управляемого перемещения опорного зеркала интерферометра разработана новая конструкция электромагнитного актюатора эталонного зеркала с электронной платой управления. Принцип работы профилометра основан на регистрации интенсивности интерференционных полос в каждой точке прибора с зарядовой связью при нулевой разнице хода световых волн в интерферометре для соответствующего положения подвижного зеркала. Автоматизация работы прибора обеспечивается специально разработанным программным обеспечением, которое используется для управления, настройки, сбора, обработки, а также для фильтрации и трехмерной визуализации. Для обеспечения необходимых метрологических и технических характеристик разработана методика автоматической юстировки прибора. Сущность методики заключается в определении количества шагов подвижного зеркала необходимого для смещения интерференционной картины на половину длины волны. Экспериментально подтверждено практическое применение разработанного профилометра для решения многих научно-технических задач.