Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении



Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении
Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении

 


Владельцы патента RU 2479833:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) (RU)

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхностей металлов и полупроводников. Способ включает воздействие на поверхность зондирующим излучением, для которого металл имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в набор пучков поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых поверхностью, освещение контролируемого участка поверхности этими пучками, регистрацию пучков совокупностью приемников пучков и обработку результатов измерений. Преобразование излучения в ПЭВ завершают на прямой линии, перпендикулярной плоскости падения. Пучки формируют параллельными и примыкающими друг к другу. Освещение участка пучками производят поочередно с двух противоположных направлений, а регистрацию пучков осуществляют над участком в ряде плоскостей, перпендикулярных трекам ПЭВ, путем измерения распределения интенсивности поля ПЭВ в окружающей среде, фиксируя в моменты регистрации расстояние, пробегаемое ПЭВ, и координаты приемников в плоскости регистрации. Изобретение обеспечивает повышение точности локализации неоднородностей металлизированной поверхности. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности металлов и полупроводников, а именно к инфракрасной (ИК) амплитудной рефлектометрии, в которой взаимодействие зондирующего излучения с поверхностью опосредовано поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ), возбуждаемой падающим излучением и направляемой поверхностью. Изобретение может найти применение в микроэлектронике при производстве металлизированных плат микросхем, в лазерной технике при изготовлении металлических зеркал, в высокотехнологическом производстве для контроля качества металлических изделий и металлизированных материалов различного специального назначения.

Одна из областей применения ИК ПЭВ - абсорбционная спектроскопия поверхности твердого тела, в которой мерой поглощения излучения поверхностью является длина распространения ПЭВ, определяемая путем промера изменения интенсивности поля ПЭВ вдоль ее трека [1].

Известен оптический способ индикации конденсата на зеркальных металлических поверхностях посредством ИК ПЭВ [2]. Способ включает воздействие на поверхность зеркала монохроматическим ИК-излучением, для которого материал зеркала имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в пучок ПЭВ, направляемый поверхностью, мониторинг интегральной интенсивности пучка, прошедшего макроскопическое (по сравнению с длиной волны излучения) расстояние, при постепенном понижении температуры зеркала. Основным недостатком способа является невозможность локализации и определения размеров капли конденсата в связи с ограниченностью (в поперечном направлении) пучка ПЭВ и неизменностью его трека.

Известен оптический способ изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем с использованием ПЭВ ИК-диапазона, повышающий чувствительность рефлектометрических измерений [3]. Способ включает воздействие на поверхность заготовки монохроматическим ИК-излучением, для которого материал заготовки имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в пучок ПЭВ, направляемый поверхностью, последовательное освещение пучком контролируемого участка поверхности с различных направлений при одновременной регистрации трека и интегральной интенсивности пучка после преодоления им участка, а также обработку результатов измерений. Основным недостатком способа является большая трудоемкость, низкая точность и продолжительность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ обнаружения льда и повреждений на металлизированных поверхностях авиационных иллюминаторов и внешних контрольно-измерительных систем [4]. Способ включает ламинирование контролируемого участка поверхности пленкой, текстурированной металлической сеткой, которая способна направлять ИК ПЭВ, размещение по периметру участка приемопередатчиков излучения, преобразование излучения в набор пучков ПЭВ, тотальное освещение участка этими пучками, регистрацию характеристик ПЭВ после преодоления ими контролируемого участка и обработку результатов измерений. Основным недостатком способа является низкая точность локализации неоднородностей, поскольку приемники излучения отстоят от переднего (по ходу излучения) края неоднородностей на макроскопические расстояния, что приводит к взаимному хаотическому перекрытию дифрагировавших на крае пучков и, как следствие этого, к невозможности корректно интерпретировать результаты измерений.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности локализации неоднородностей металлизированной поверхности.

Технический результат достигается тем, что в способе локализации неоднородностей металлизированной поверхности в инфракрасном излучении, включающем воздействие на поверхность зондирующим излучением, для которого металл имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в набор пучков поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых поверхностью, освещение контролируемого участка поверхности этими пучками, регистрацию пучков совокупностью приемников пучков и обработку результатов измерений, преобразование излучения в ПЭВ завершают на прямой линии, перпендикулярной плоскости падения, пучки формируют параллельными и примыкающими друг к другу, освещение участка пучками производят поочередно с двух противоположных направлений, а регистрацию пучков осуществляют над участком в ряде плоскостей, перпендикулярных трекам ПЭВ, путем измерения распределения интенсивности поля ПЭВ в окружающей среде, фиксируя в моменты регистрации расстояние, пробегаемое ПЭВ, и координаты приемников в плоскости регистрации.

Повышение точности локализации неоднородностей металлизированной поверхности достигается в результате регистрации излучения пучков ПЭВ непосредственно над неоднородностями, а не на значительном удалении от них. Вследствие этого поля регистрируемых пучков не зашумлены полями объемных волн, порождаемых при дифракции ПЭВ на границах неоднородностей, что позволяет определить координаты границ по изменению глубины проникновения поля ПЭВ δ в окружающую среду с точностью до размера фотоприемного пикселя.

Выполняя промеры величины δ матрицей фотоприемников в ряде последовательных (по ходу излучения) плоскостей, перпендикулярных пучкам ПЭВ, и фиксируя координаты точек поверхности, в которых значение δ претерпевает отклонение от значения δo, соответствующего стандартному участку (не содержащему неоднородностей) поверхности, можно локализовать передние (по ходу пучков) границы неоднородностей с точностью, определяемой размером пикселей матрицы и шагом ее смещения в направлении распространения пучков. Изменив направление освещения неоднородностей пучками на обратное, аналогичным образом локализуют их противоположные границы. Объединенные результаты измерений, выполненных при освещении неоднородностей с двух противоположных направлений, позволяют осуществить полную локализацию неоднородностей поверхности.

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник ИК-излучения; 2 - элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ; 3 - плоская металлизированная поверхность твердого тела, способная направлять ПЭВ; 4 - перемещаемая вдоль треков ПЭВ плоская матрица приемников излучения, размещенных в виде параллельных плоскости падения рядов, имеющих одинаковое число пикселей и примыкающих друг к другу; 5 - локализуемая неоднородность; 6 - устройство обработки электрических сигналов, поступающих с матрицы 4.

На фиг.2 приведены расчетные зависимости глубины проникновения поля ПЭВ с длиной волны 130 мкм в воздух δ от толщины d слоя двуокиси кремния (неоднородности) на поверхности, металлизированной напыленным золотом.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий излучение в набор параллельных и примыкающих друг к другу пучков ПЭВ. Эти пучки распространяются по поверхности 3 и достигают матрицы 4, установленной в исходном положении между элементом 2 и неоднородностью 5 перпендикулярно как относительно поверхности 3, так и относительно пучков ПЭВ. Каждым из своих вертикальных (относительно поверхности 3) рядов приемников матрица 4 регистрирует распределение поля ПЭВ вдоль нормали к поверхности 3. Сигналы с матрицы 4 поступают на устройство 6, которое выполняет нормировку сигналов каждого вертикального ряда на величину сигнала, поступающего с примыкающего к поверхности 3 приемника данного ряда. Если плоскость матрицы 4 не пересекает неоднородности 5, то нормированные сигналы от всех приемников любого горизонтального ряда одинаковы. Как только дискретно перемещаемая вдоль треков пучков матрица 4 пересечет границу неоднородности 5, величина δ в области пересечения изменится, что будет зафиксировано приемниками соответствующего одного или нескольких вертикальных рядов матрицы 4: нормированные сигналы с приемников таких рядов окажутся отличными от сигналов соответствующих приемников вертикальных рядов, находящихся над стандартным участком. Регистрируя расстояние, пройденное ПЭВ до матрицы 4, при котором как минимум с одного из вертикальных рядов начинают поступать сигналы, отличные от сигналов с рядов над стандартным участком, и зная координату этого ряда в матрице, получают две координаты участка границы неоднородности 5, обращенного в сторону элемента 2 и находящегося наиболее близко к нему. По мере дальнейшего перемещения матрицы 4 вдоль треков ПЭВ все новые и новые ее вертикальные ряды будут выдавать сигналы, отличные от сигналов рядов, находящихся над однородной частью поверхности 3. Совокупность координат этих рядов в плоскости матрицы 4 и расстояния от нее до элемента 2 представляют собой координаты участков границы неоднородности 5, обращенных в сторону элемента 2. Дискретное удаление матрицы 4 от элемента 2 и измерения продолжают до тех пор, пока число вертикальных рядов приемников с сигналами, отличными от сигналов с рядов над стандартным участком, не достигнет своего максимума. Затем элемент 2 перемещают на противоположный край контролируемого участка поверхности 3, а матрицу 4 размещают рядом с элементом 2 в таком месте, где нормированные сигналы со всех приемников данного ее горизонтального ряда одинаковы. Далее повторяют измерительную процедуру, описанную выше, и получают координаты противоположной границы неоднородности 5. Объединяя результаты измерений, полученных при освещении неоднородности 5 пучками ПЭВ в обоих направлениях, устройство 6 выдает информацию о ее границах и местонахождении на поверхности 3.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность локализации на поверхности золотого образца неоднородности в виде слоя двуокиси кремния толщиной d при использовании монохроматического излучения лазера на свободных электронах с длиной волны λ=130 мкм [5]. Рассчитанная по модели Друде комплексная диэлектрическая проницаемость золота (с плазменной частотой, равной 72800 см-1, и частотой столкновений электронов проводимости, равной 215 см-1) на такой λ равна ε1=-101641+j·284090 [6], а комплексный показатель преломления SiO2 равен n=1,95+j·0,01 [7]. Промер глубины проникновения поля ПЭВ в воздух будем осуществлять плоской болометрической матрицей 160×120 пикселей, размещенных с шагом 50×50 мкм [8].

На фиг.2 представлена расчетная зависимость глубины проникновения поля ПЭВ в воздух δ от величины d в волноведущей структуре «золото - слой SiO2 толщиной d - воздух». Из этой зависимости видно, что величина δ0 в этом случае равна 12,5 мм. Полагая точность измерения интенсивности излучения приемниками матрицы равной 1% и учитывая размер пикселей, можно утверждать, что матрица позволяет обнаруживать изменение величины δ в рассматриваемом примере с точностью до 0,1 мм. Следовательно, измеряя значение δ, можно зарегистрировать наличие на поверхности золота слоя SiO2 толщиной вплоть до 2 нм. Латеральное же разрешение неоднородности (тонкослойного пятна SiO2) в направлении, перпендикулярном трекам ПЭВ, определяется размером пикселя (50 мкм в рассматриваемом примере) и не зависит от паразитных дифракционных засветок приемников матрицы, возникающих при дифракции ПЭВ на краях неоднородности. Разрешение же координат границ пятна в направлении распространения ПЭВ определяется шагом смещения плоскостей регистрации в этом направлении (может быть доведено до долей микрометра) и также размером пикселя.

Точность локализации неоднородностей способом-прототипом значительно ниже точности, полученной в рассмотренном примере, и составляет несколько миллиметров или даже сантиметров, в зависимости от размеров неоднородностей и расположения приемопередатчиков вокруг контролируемого участка поверхности. Это обусловлено тем, что при падении ПЭВ на границы неоднородности происходит не только частичное отражение ПЭВ, но и частичная их трансформация в объемные волны, излучаемые с поверхности в широком спектре углов [9]. Эти дифракционные помехи засвечивают приемники хаотичным образом, что не позволяет однозначно интерпретировать результаты измерений и локализовать неоднородности с нерегулярными границами с точностью, сопоставимой с точностью заявляемого способа.

Таким образом, точность локализации неоднородности заявляемым способом определяется, главным образом, размером пикселей регистрирующей излучение матрицы, а не размерами локализуемой неоднородности и размещением приемопередатчиков вокруг нее и превышает точность способа-прототипа не менее чем на два порядка.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

2. Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Москалева М.А., Яковлев В.А. Способ индикации конденсата на зеркальных металлических поверхностях // Автор. св. СССР №1267331, бюл. №40 от 30.10.1986 г.

3. Васильев А.Ф., Гушанская Н.Ю., Жижин Г.Н., Яковлев В.А. Применение спектроскопии ПЭВ для изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем // Оптика и спектроскопия, 1987, т.63, вып.3, с.682-684.

4. Gregoire D.J. System and method of surface wave imaging to detect ice on a surface or damage to a surface // USA Patent 7719694, Issued on May 18, 2010 (прототип).

5. Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn., 2010, v.21, 054017.

6. Ordal M.A., Bell R.J., Alexander R.W., Long L. L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V and W. // Applied Optics, 1985, v.24, No.24, p.4493-4499.

7. Handbook of optical constants of solids. Ed. by E.D.Palik // Academic Press, San Diego, USA, 1998, p.763.

8. Демьяненко M.A., Есаев Д.Г., Овсюк B.H., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. // Оптический журнал, 2009, т.76, 12, 2009, с.5-11.

9. Shen Т.Р., Wallis R.F., Maradudin А.А., Stegeman G.I. Interference phenomena in the refraction of surface polaritons by vertical dielectric barriers // Applied Optics, 1984, v.23(4), p.607-611.

Способ локализации неоднородностей металлизированной поверхности в инфракрасном излучении, включающий воздействие на поверхность зондирующим излучением, для которого металл имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в набор пучков поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых поверхностью, освещение контролируемого участка поверхности этими пучками, регистрацию пучков совокупностью приемников пучков и обработку результатов измерений, отличающийся тем, что преобразование излучения в ПЭВ завершают на прямой линии, перпендикулярной плоскости падения, пучки формируют параллельными и примыкающими друг к другу, освещение участка пучками производят поочередно с двух противоположных направлений, а регистрацию пучков осуществляют над участком в ряде плоскостей, перпендикулярных трекам ПЭВ, путем измерения распределения интенсивности поля ПЭВ в окружающей среде, фиксируя в моменты регистрации расстояние, пробегаемое ПЭВ, и координаты приемников в плоскости регистрации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к установкам для определения основных защитных и эксплуатационных показателей защитных очков, применяемых при наличии вредных и опасных для глаз производственных факторов, а именно для определения запотевания смотровых стекол защитных очков в условиях, приближенных к их реальной эксплуатации.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества световодов с непрозрачной защитной оболочкой и одним недоступным торцом ввода-вывода излучения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и, в частности, к методам дефектоскопии оптических материалов по таким показателям, как пузырность, бессвильность, посечки.

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор линий электропередач и контактной сети без их откопки.

Изобретение относится к способу защиты узлов моторно-трансмиссионного блока транспортного средства с тепловым двигателем до или во время его пуска при ухудшении качества топлива в топливном баке и системе подачи топлива в двигатель.

Изобретение относится к оптическому приборостроениию. .

Изобретение относится к осветительному устройству для цилиндрических объектов. .

Изобретение относится к устройству для идентификации металлургических изделий, в частности заготовок, полученных непрерывной разливкой, или прокатных изделий, а также к устройству для осуществления способа

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области неразрушающего контроля параметров полупроводниковых материалов, и может быть использовано для выявления и анализа структурных дефектов в кремниевых слитках перед разрезанием слитков на пластины

Изобретение относится к способам оперативного диагностирования деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в эксплуатации и может быть использовано для выявления появляющихся дефектов изделий, агрегатов, узлов и деталей в авиакосмической, авиационной, судостроительной и других отраслях машиностроения
Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых и может быть использовано для контроля качества очистки алмазов. Способ включает отбор контрольной пробы очищенных кристаллов природных алмазов и определение загрязнений и примесей. После проведения очистки осуществляют регистрацию спектров поглощения кристаллов алмазов контрольной пробы и определение в информационном массиве цвета кристаллов алмазов и содержания в контрольной пробе кристаллов алмазов с различным видом загрязнений до и после очистки. Об эффективности очистки судят по отношению количества очистившихся кристаллов к количеству кристаллов алмазов с загрязнением до очистки, выраженному в процентах. Изобретение позволяет повысить эффективность и точность контроля процесса очистки. 1 табл.

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых и может быть использовано для контроля качества очистки алмазов. Способ включает отбор контрольной пробы очищенных кристаллов природных алмазов и определение загрязнений и примесей. Контрольную пробу очищенных кристаллов природных алмазов повторно подвергают полному циклу очистки. До и после проведения повторной очистки осуществляют регистрацию спектров поглощения кристаллов алмазов контрольной пробы и определение численного значения цветовых координат кристаллов алмазов и содержания в контрольной пробе кристаллов алмазов с различным видом загрязнений до и после повторной очистки. О качестве основной очистки судят по значимости различий между расчетными показателями, которую оценивают по t-критерию Стьюдента. Технический результат - повышение эффективности и точности контроля качества используемого процесса очистки кристаллов алмазов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Способ относится к области океанографических измерений и может быть использован для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик. Поверхность исследуемого водоема непрерывно в надир облучают лазером и регистрируют блики зеркального отражения от поверхности. В моменты регистрации бликов зеркального отражения увеличивают мощность излучения лазера до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи. Измеряют спектр комбинационного рассеяния из водной толщи и по нему определяют характеристики среды водоема, например химические, биологические параметры, температуру. Технический результат заключается в повышении точности определения вертикальных распределений характеристик исследуемой водной среды за счет устранения влияния на результат измерений возмущений поверхности, созданных ветровыми волнами и зыбью.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для локализации места повреждения оптического волокна. Согласно способу измеряют контрольную и текущую поляризационные характеристики обратного рассеяния оптического волокна. При измерении текущей характеристики с помощью контроллера поляризации изменяют состояние поляризации оптического излучения на входе оптического волокна и рассчитывают коэффициенты корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик вдоль длины оптического волокна. По полученным характеристикам участок с повреждением определяют как участок, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую пороговое значение. Расстояние до места повреждения определяют как расстояние до точки пересечения характеристик изменения коэффициента корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния вдоль длины оптического волокна при максимальном значении коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно. Технический результат - исключение погрешностей вносимых изменением состояния поляризации при повторных подключениях оптического рефлектометра и снижение погрешности при определении расстояния до места повреждения волокна. 1 ил.

Изобретение относится к области силовой лазерной оптики и касается способа определения плотности дефектов поверхности оптической детали. Способ включает в себя облучение участков поверхности оптической детали пучком импульсного лазерного излучения с гауссовым распределением интенсивности, регистрацию разрушения поверхности, наиболее удаленного от точки максимальной интенсивности пучка лазерного излучения, определение соответствующего этому разрушению значения интенсивности пучка εi, определение зависимости плотности вероятности f(ε) разрушения поверхности оптической детали от интенсивности излучения и выбор наименьшего значения интенсивности пучка εimin. Плотность дефектов поверхности оптической детали D определяется по формуле: , где r0 - радиус пучка по уровню exp(-1) от максимальной интенсивности пучка излучения. Технический результат заключается в повышении точности и уменьшении трудоемкости измерений. 3 ил.

Изобретение относится к области разработки, производства и монтажа строительных конструкций преимущественно из бетона, покрытого армирующим композиционным материалом. Способ контроля внешнего композиционного армирования строительных конструкций включает тепловое нагружение контролируемой поверхности, облучение контролируемой поверхности когерентным лазерным излучением, регистрацию поля перемещений и обнаружение дефектов композиционного армирования по наличию аномалий интерференционных полос. При этом тепловое нагружение выполняют лучом лазера с длиной волны, обеспечивающей максимальное поглощение энергии контролируемым композиционным покрытием и пятном прогрева меньше поперечного размера допустимого дефекта, энергию прогрева дозируют длительностью импульса излучения. Проводят поточечное сканирование исследуемой поверхности, а поле перемещений регистрируют методом высокоскоростной электронной корреляционной спекл-интерферометрии. Изобретение позволяет повысить эффективность способа, сократить время подготовительных операций, а также увеличить достоверность обнаружения дефектов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и предназначено для определения дефектов и трещин на поверхности металлического оборудования и трубопроводов. На поверхность контролируемого объекта наносят напылением наночастицы золота цилиндрической формы длиной не более 100 нм и с толщиной слоя, обеспечивающей заполнение полостей потенциальных трещин, после чего производят сушку поверхности с последующим удалением с нее слоя напыления. Затем осуществляют построчное сканирование поверхности объекта лучом фемтосекундного лазера и одновременно регистрируют интенсивность сигнала двухфотонной люминесценции в каждой исследуемой области с фиксированием местоположения указанной области, соответствующего координате объекта, и формируют двумерный массив значений интенсивности сигнала двухфотонной люминесценции с получением карты распределения интенсивностей свечения наночастиц, возбуждаемых лазерным излучением. Изобретение позволяет диагностировать поверхностные дефекты в металлоконструкциях с обеспечением ранней диагностики дефектов. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх