А66 Производственный контроль оптических деталей: учебное пособие / М. П. Андронов. Екатеринбург: УрФУ, 2012. 263 с.
ISBN 9785321021576
Рассмотрены основные современные методы измерения и контроля конструктивных параметров, шероховатости поверхностей оптических деталей на различных стадиях их обработки. Анализируются возможности получения сведений о химическом составе и структуре поверхности с помощью методов спектроскопии. Приведены основы теории анализа качества оптического изображения по функции рассеяния и оптической передаточной функции. Указаны принципы работы сканирующего зондового и атомно-силового микроскопа. Приведен анализ разновидностей погрешностей приборов и измерений.
Пособие предназначено для студентов дневной формы обучения специальности 200204 – Оптические технологии и материалы.
Библиогр.: 5 назв. Табл. 7. Рис. 83.
УДК 658.562:681.7 (075.8)
ББК 30607 я73 +22.34я73
ISBN 9785321021576
Уральский федеральный университет, 2012
Андронов М. П., 2012
Оглавление
Введение. 8
1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ И ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ 9
1.1. Рельефный и трещиноватый слои в оптическом стекле при обработке. 9
2. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ.. 14
2.1 Толщина оптических деталей. 14
2.2. Измерение децентрировки и контроль центрировки линзовых систем. 18
2.3. Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей. 20
2.4. Измерение средних и больших радиусов кривизны полированных поверхностей 25
2.5. Определение фокусных расстояний оптических элементов. 28
2.5.1. Измерение фокусных отрезков. 29
2.5.2. Усовершенствованный метод Юдина – Фабри. 30
2.6. Приборы для одновременного определения размеров, формы и текстуры оптической поверхности. 34
2.6.1. Измерение поверхностей. 35
2.7 Измерение и контроль углов призм, клиньев и клиновидности пластин. 39
2.8. Автоколлиматоры.. 43
2.8.1. Визуальные и фотоэлектрические автоколлиматоры.. 43
2.8.2..Автоколлиматоры на ПЗС-линейках. 48
2.8.3 Цифровые двухкоординатные автоколлиматоры.. 50
2.9 
Контроль формы оптических поверхностей. 53
2.9.1 Интерферометры Майкельсона и Физо. 53
2.9.2. Интерферометры с когерентными источниками излучения. 57
2.9.3 Интерферометры с программным обеспечением. 58
3 ШЕРОХОВАТОСТЬ И ЛУЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ 60
3.1 Контроль шероховатости контактно-щуповыми методами. 60
3.2. Контроль шероховатости световыми методами. 62
3.3. Применение эллипсометрии для исследования качества полированной поверхности 67
3.3.1 Анализ эллиптически поляризованного света. 67
3.3.2 Эллипсометрия - как метод исследования качества полированной поверхности деталей. 70
3.4. Методы измерения параметров пленочных структур методом эллипсометрии 78
3.4.1.Связь эллипсометрических параметров с параметрами системы.. 82
3.5 Чистота оптической поверхности. 84
3.6 Лучевая прочность. 85
3.6.1 Лучевая прочность оптической среды и покрытий оптических элементов. 85
3.6.2 Контроль лучевой прочности оптических элементов. 88
4 МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.. 93
4.1. Электронная спектроскопия состояния поверхности. 93
4.2. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФС). 96
4.3 Широкополосные электронные спектрометры.. 99
4.4 Диагностика поверхности методом дифракции электронов. 101
4.5. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. 103
4.6. Ионная спектроскопия. 111
4.7 Электронная Оже–спектроскопия. 114
4.7.1 Энергоанализаторы оже-электронов. 118
4.7.2 Получение энергетического спектра. 121
4.7.3. Растровая оже-электронная спектроскопия. 123
4.7.4 Применение оже-спектроскопии. 125
4.8. Источники электронов, рентгеновского излучения и ионов. 125
4.9. Поверхностная чувствительность и очистка поверхности. 132
4.10. Анализ энергии в электронной спектроскопии и разрешающей способности энергоанализаторов. 140
4.11. Современные электронные спектрометры. 147
5. МИКРОСКОПИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.. 154
5.1 Сравнительные характеристики микроскопов. 154
5.2 Конфокальная микроскопия. 154
5.2.1 Разрешение и контрастность в конфокальном микроскопе. 157
5.3. Полевая ионная микроскопия. 162
5.4 Сканирующая зондовая микроскопия. 165
5.4.1 Принцип работы сканирующего зондового микроскопа. 166
5.4.2. Сканирующие элементы зондовых микроскопов. 169
5.5.Сканирующая Туннельная Микроскопия (СТМ) 170
5.5.2. Объекты исследования. 175
5.5.3 Режимы работы СТМ.. 176
5.6. Атомно-силовая микроскопия оптической поверхности. 177
5.6.1. Зондовые датчики АСМ.. 180
5.6.2 Контактный режим. 182
5.6.3. Бесконтактный режим. 184
5.6.4. Константы системы обратной связи. 186
5.6.5. Факторы, влияющие на качество изображения АСМ.. 189
5.6.6. Режимы и моды измерений АСМ.. 191
6 ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 195
6.1 Критерии качества оптического изображения. 195
6.2 Функция рассеяния. 198
6.2.1 Влияние неравномерности пропускания по зрачку на ФРТ. 200
6.2.2. Влияние аберраций на ФРТ и ОПФ.. 200
6.2.3. Число Штреля. 202
6.3. Пограничная кривая. 203
6.4. Оптическая передаточная функция (ОПФ) 206
6.5. Разрешающая способность оптической системы.. 209
6.5.1 Предельная разрешающая способность по Релею.. 209
6.5.2. Разрешающая способность по Фуко. 210
6.5.3 ФРТ идеального телескопа. 212
6.5.4 Влияние аберраций на ОПФ. 213
6.6 Измерение остаточных аберраций. 214
6.6.1 Измерение сферической аберрации объективов. 215
6.6.2. Измерение дисторсии объективов. 218
6.6.3. Измерение разрешающей способности. 223
6.7 Измерение параметров пятна рассеяния. 226
6.8. Измерение распределения энергии в пятне рассеяния контролируемого объектива 227
6.9. Измерение пограничной кривой. 229
6.10 Измерение оптической передаточной функции. 232
6.10.1 Точность измерения ОПФ.. 235
7. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИБОРОВ И ИЗМЕРЕНИЙ 238
7.1. Разновидности погрешностей. 238
7.2. Погрешность средств измерений и погрешность результата измерения. 238
7.2.1. Инструментальные и методические погрешности. 239
7.2.2. Основная и дополнительная погрешности СИ.. 241
7.2.3. Статические и динамические погрешности. 243
7.2.4. Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности. 243
7.2.5. Абсолютная, относительная и приведенная погрешности СИ.. 245
7.2.6. Аддитивные и мультипликативные погрешности. 246
7.3. Методы нормирования погрешностей средств измерений. 248
7.3.1. Класс точности средств измерений. 249
7.3.2. Обозначения классов точности средств измерений. 252
7.3.3. Правила округления значений погрешности и результата измерений. 254
7.4. Методы обработки экспериментальных данных. 256
7.4.1. Выбор математической модели. 257
7.4.2 Быстрые методы установления графического вида однофакторных зависимостей 258
7.4.3. Подбор аппроксимирующих функций. 261
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 264
Введение
Оптика занимает ведущее место в научно-техническом прогрессе, являясь локомотивом инновационного развития современного общества. Термин «оптика» в настоящее время приобрел гораздо более широкий смысл, чем это было несколько десятилетий назад. Сегодня он включает в себя как классическую оптику и оптико-электронное приборостроение, так и сравнительно новые научно-технические области – фотонику и оптоинформатику. Но как бы ни назывались разделы науки «Оптика» и как бы ни перекрывалось их внутреннее содержание, важно отметить, что все они базируются на фундаментальных началах современной физики и находят широкое практическое применение в народном хозяйстве, научных исследованиях, медицине, биологии, военной технике и многих других областях.
Сейчас нет ни одной области науки, техники и народного хозяйства, в которых не применялись бы оптические измерения. Знание основных методов измерения и умение обращаться с оптическими приборами позволяют наиболее рационально провести контроль и испытание отдельных деталей, сборочных единиц и оптических систем в целом.
С другой стороны, нормальное протекание процесса автоматизации различных технологических этапов становится возможным, если он обеспечивается непрерывным контролем и измерением физических величин, заданных ходом производственного процесса. Такой контроль должен быть осуществлен при помощи контрольно-измерительных приборов, основанных на последних достижениях науки и техники.
1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СТРОЕНИЯ И ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ
1.1. Рельефный и трещиноватый слои в оптическом стекле при обработке
Существующие методы, которые применяются для изучения нарушенного слоя, можно условно разделить на две группы:
- методы непосредственного наблюдения за макро- и микроструктурными изменениями в поверхностном слое;
- методы исследования изменения физико-механических или химических свойств материала по мере удаления поверхностного слоя, возникшего в результате механической обработки.
Методы 1-й и 2-й групп характеризуются различной сложностью постановки экспериментов, но в каждом из них предусматривается последовательное изучение отдельных слоев, все более отстоящих от поверхности. Послойное удаление нарушенного слоя производят полированием или химическим травлением.
1. В методе, основанном на изменении скорости травления поверхности в зависимости от степени ее разрушения, самая высокая скорость отмечается при травлении наружного рельефного слоя. По мере удаления нарушенного слоя скорость травления уменьшается и приближается к скорости травления монокристалла. Толщина слоя, который нужно удалить до получения постоянной скорости травления, принимается за глубину поврежденного слоя. Однако результаты зависят от ряда факторов: типа травителя, температуры, скорости перемещения в объеме травителя, освещенности поверхности и т. д.
2. В методе экзоэлектронной эмиссии поток электронов возникает в запрещенной зоне кристалла с локальных энергетических уровней, соответствующих дефектам структуры. Регистрация экзоэлектронов может осуществляться на воздухе счетчиком типа Гейгера – Мюллера либо в вакууме вторично-электронными умножителями. Наиболее четко зависимость экзоэмиссии от глубины нарушенного слоя выражена в диапазоне 0,3 – 6,0 мкм.
3. Рентгеновский метод аномального прохождения рентгеновских лучей (АПРЛ) состоит в том, что совершенный кристалл в положении брэгговского отражения пропускает рентгеновские лучи, почти не поглощая их, в то время как в не отражающем положении сильно их поглощает. Поэтому реальные кристаллы, имеющие несовершенства кристаллической решетки, вызывают уменьшение АПРЛ. Таким же образом на АПРЛ влияют нарушения кристаллической решетки, возникающие в результате механической обработки. Эффект АПРЛ можно регистрировать по изменению интегральной интенсивности или фотографическим путем (снятием топограмм).
4. В методе, основанном на эффекте Тваймана, пластину, одинаково обработанную с обеих сторон, полируют с одной стороны и измеряют стрелу прогиба. По кривой, характеризующей зависимость стрелы прогиба от толщины слоя, удаленного с другой стороны пластины, определяют глубину поврежденного слоя.
5. В методе, основанном на зависимости микротвердости от глубины нагружения индентора, измерения производят на прибор ПМТ-3. С постепенным удалением нарушенного слоя значения микротвердости повышаются и достигают постоянного значения, не зависящего от нагружения индентора.
6. Металлографический метод основан на чередовании сполировывания, травления и наблюдения поверхности с помощью световых и электронных микроскопов. Сочетание послойного сполировывания и травления имеет неоспоримое преимущество: травитель не растравливает дефекты поверхности, а только вскрывает их. Сполировывание слоев может осуществляться послойно, параллельными сечениями или на клин. В последнем случае вскрываются одновременно все зоны нарушенного слоя. Такую же развертку нарушенного слоя можно получить выполировыванием цилиндрической канавки, выполировыванием на плоской поверхности лунки, сполировыванием краев шлифованной лунки.
7. Электронографический метод основан на отражении электронного пучка от поверхности. Метод отражения является качественным и позволяет судить о строении поверхностного слоя на небольшой глубине, определяемой глубиной проникновения электронов в исследуемый материал. При строгой параллельности систем кристаллографических плоскостей, т. е. при совершенной структуре слоя образуются электронограммы с кикучи-линиями. Наличие диффузных полуколец, рефлексов свидетельствует о том, что на поверхности монокристаллов имеются вещества со структурой, отличной от монокристаллической.
Некоторые методы исследования поверхностного слоя основаны на специфических свойствах полупроводниковых кристаллов; на изменениях скорости поверхностной рекомбинации, времени жизни и длины пробега неосновных носителей тока, фотопроводимости, тока анодного растворения, плотности дислокации и т. д.
Нарушенный шлифованием слой на поверхности кристаллов имеет более сложное строение, чем на поверхности стекла, и состоит из трех зон (рис. 1), между которыми нет резкой границы: 1) рельефной, состоящей из бесконечного числа выступов и впадин, максимальные расстояния между которыми определяют глубину зоны; зона имеет поликристал-лическое строение; 2) трещиноватой, нарушенной одиночными невыкрошившимися выколками и идущими вглубь трещинами; область наиболее протяженная, имеющая поликристаллическое (у верхней границы зоны) и мозаичное строение, повышенную плотность дислокаций;
3) упругонапряженной, представляющей собой монокристалл без видимых разрушений, но имеющей остаточные внутренние напряжения и, как следствие, состоящей из субмикроскопических блоков, повернутых относительно друг друга на небольшой угол (1 – 2°); кристаллографическая структура зоны – переходная от мозаичной к монокристаллической. Поэтому в отличие от «разрушенного h-слоя на стекле», состоящего из рельефной и трещиноватой зон, поврежденный слой на кристаллах называют «нарушенным F-слоем».
Трещиноватая и упругонапряженная зоны чувствительны не ко всем рассмотренным методам (табл. 1.1). Этим объясняется широкий разброс значений глубины нарушенного слоя, измеренной различными методами.
Чувствительность методов к зонам нарушенного слоя. Таблица 1.1
| Метод определения нарушенного слоя | Зоны | ||
| рельефная | трещиноватая | упругонапряженная | |
| Изменение скорости травления | + | – | – |
| По экзоэлектронной эмиссии | + | + | + |
| Рентгеновские (по АПРЛ и изменению полуширины кривой качания) | + | + | + |
| По эффекту Тваймана | + | + | – |
| По изменению микротвердости | + | – | – |
| Металлографический (сполировывание + травление + электронный микроскоп) | + | + | – |
| Электронографический | + | + | + |
| По изменению скорости поверхностной рекомбинации, времени жизни и длины пробега неосновных носителей тока, фотопроводимости | + | – | – |
| Электрохимический (анодное растворение) | + | + | + |
Наибольшую информацию о топографии и кристаллографической структуре поверхностных слоев дает комплекс методов послойного сполировывания и последующего травления с применением светового и электронного микроскопов и электронографа. В табл. 1.2 приведены значения глубины F нарушенного слоя для некоторых монокристаллов, выраженные отношением F/D, где D – максимальный диаметр зерна основной фракции использованного абразива марки 25А, мкм.
При полировании оптических деталей обычно сполировывается верхняя, рельефная, зона нарушенного слоя. При повышенных требованиях к эксплуатационным характеристикам оптических деталей обработка ведется по методу глубокого шлифования и полирования (ГШП). Метод заключается в обязательном удалении на каждом переходе нарушенного слоя, оставленного предыдущим абразивом, и сполировывания слоя, равного по толщине нарушенному слою, оставленному последним абразивом. В этом случае на поверхности кристаллов остается нарушенный слой, возникший в процессе полирования.
Глубина нарушенного слоя монокристаллов, F = к Таблица 1.2
| Кристаллографии-ческая плоскость | к = F/D | ||||
| Ge | SI | GaAa | JnSb | JnAs | |
| (111) | 2;2 | 1:7 | 2;45 | 2:88 | 2:03 |
| (110) | 2;6 | – | 2;50 | 2,92 | 2;67 |
| (100) | 4:4 | 3:0 | 2;58 | 2;97 | 2;77 |
Нарушенный слой после полирования также неоднороден и имеет сложное строение. Верхняя часть – рельефная, имеющая аморфное строение и обладающая оптическими свойствами, отличными от свойств кристалла. Ниже располагается упругонапряженная зона с большой плотностью дислокаций, возникающая в результате полирования (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 144 | Нарушение авторских прав