Оптические методы НК. Прямой контроль в оптической (световой) микроскопии

метки: Оптический, Контроль, Объект, Неразрушающий, Светов, Метод, Амплитуда, Световой

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Оптические методы НК. Прямой контроль в оптической (световой) микроскопии»

МИНСК, 2008

Оптический диапазон спектра, по определению, принятому Международной комиссией по освещению (МКО), составляют электромагнитные волны, длина которых от 1 мм до 1 нм (рис. 1).

Оптические методы неразрушающего контроля основаны на использовании явлений отражения, поглощения, поляризации, интерференции и дифракции света, проявляющихся в результате его взаимодействия с контролируемым объектом, при получении информации о состоянии этого объекта и его параметрах. При изготовлении изделий микроэлектроники применяются различные материалы (металлы, полупроводники, диэлектрики), которые по разному взаимодействуют с оптическим излучением. Это взаимодействие определяется свойствами материалов, их геометрией, внешними условиями и параметрами оптического излучения.

По способам получения информации об объекте оптические методы неразрушающего контроля делятся на визуальные и фотоэлектрические. По физическим методам извлечения информации об управляемом объекте оптические НК можно разделить на следующие основные типы: микроскопия, интерферометрия, спектрометрия и эллипсометрия.

Рис. 1. Оптический диапазон спектра

Рис. 2. Взаимодействие света с контролируемым объектом

Теоретические основы оптических методов НК

Световые колебания, как и любые другие электромагнитные колебания, обладают волновыми и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света. Монохроматический световой пучок представляет собой плоскопараллельную электромагнитную волну с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний векторов электрического поля E и магнитного H. Кроме того, направления их колебаний перпендикулярны направлению распространения волны. Световые колебания характеризуются: частотой=2, длиной волны=c/, фазойt, скоростью распространения v=c/n, где — круговая частота, измеряемая в [рад/с]; — линейная частота, измеряемая в [Гц]; c — скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; t — время; n -показатель преломления среды.

Волоконно-оптические системы

... передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. На передающей стороне на излучатель света, ... системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн ... эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, ...

Т.к. основные физико-химические явления, связанные с проявлением световых колебаний, обязаны электрической составляющей Eсветовых колебаний, то обычно свет рассматривают, как электрическую волну, которая описывается следующим уравнением

Е= еЕcos(tО- X),

гдеX = 2 (tX -tО) = 2 (x1 -xО)/v = 2nx(t)/c , — сдвиг фазы световых колебаний, характеризующий свойства объекта, с которым взаимодействовала световая волна в процессе его контроля (рис.2);

• n = c/v — показатель преломления среды, характеризующий степень замедления распространения световой волны в анализируемой среде по сравнению с вакуумом.

В общем виде комплексный показатель преломления выражается как

= n — ik , где

k — коэффициент экстинкции, характеризующий поглощение света в веществе,

n = ()1/2 — действительный коэффициент преломления вещества, определяемый диэлектрической и магнитной проницаемостями этого вещества.

Таким образом, если проанализировать изменение фазы световых колебаний после прохождения луча света через исследуемый объект или после отражения от него, то можно получить достаточно большой объём информации о свойствах этого объекта. На этом и основан принцип действия большинства оптических методов НК. Кроме фазы информацию об объекте контроля несёт также степень изменения поляризации ( е-вектор поляризации) и степень поглощения света (амплитуда E).

Фазовый анализ светового луча, взаимодействующего с объектом, может быть выполнен с использованием таких проявлений волновых свойств света, как дифракция и интерференция.

Для обычного некогерентного света, при наложении двух потоков происходит алгебраическое суммирование интенсивностей, пропорциональных квадрату амплитуд колебаний

E2 = E21 + E22 .

При наложении двух когерентных световых потоков происходит их интерференция — явление возникновения стоячих световых волн, характеризуемых наличием пучностей, в которых происходит усиление световых колебаний, и впадин, в которых наблюдается снижение амплитуды световых колебаний. При этом

E2 = E21 + E22 + 2E1 E2 cos(1-2) .

При изменении разности фаз1 -2 от 0 до амплитуда световых колебаний изменяется от .

Явление интерференции используется в интерферометрах, спектральных приборах и голографических методах контроля.

Исследование оптических и электрических характеристик объекта по степени изменения поляризации анализируемого светового потока проводится в эллипсометрах.

Явление поглощения объясняется корпускулярными свойствами света. Впервые они были обнаружены при открытии фотоэффекта.

Исходя из классической волновой теории света предполагалось, что энергия фотоэлектронов, эмиттируемых металлической пластиной (цезиевой или медной), освещаемой пучком света, должна увеличиваться с увеличением интенсивности светового пучка и, наоборот, должна уменьшаться с ростом частоты световых колебаний (из-за инерционности электронов, которые обладают конечной массой покоя).

Реферат дисперсия световых линз

... света, естественно объясняется электромагнитной теорией света. В световой волне, как и во всякой электромагнитной волне, имеются одновременно два взаимно перпендикулярных колебания: направление колебаний ... прежней интенсивности, когда пластинка ... получим спектр поглощения газа. Немецкий ... света Явление интерференции, дифракции и дисперсии говорит о том, что свет ... линзу, в фокусе которой располагается экран. Линза ...

Однако, как оказалось, на самом деле с увеличением интенсивности света энергия фотоэлектронов не меняется, а с увеличением частоты световых колебаний, наоборот, увеличивается. правда, с увеличением интенсивности света общее количество фотоэлектронов увеличивается.

Объясняя это явление, помимо явления теплового излучения, Планк предположил, что свет поглощается и излучается некоторыми частями и что вся энергия, излучаемая телом, равна целому количеству этих частей — квантов с энергией, равной W = h , где h — постоянная Планка.

Следовательно, энергия поглощенного кванта пропорциональна частоте световых колебаний. Следовательно, по мере его роста энергия фотоэлектронов будет увеличиваться. Энергия кванта не зависит от интенсивности света, а значит, и энергия фотоэлектрона не зависит от интенсивности света. С увеличением интенсивности увеличивается количество квантов и, следовательно, количество фотоэлектронов также увеличивается.

Корпускулярными свойствами света объясняются такие оптические явления, как поглощение света, внешний и внутренний фотоэффект, сплошной спектр теплового излучения твёрдого вещества, линейчатый спектр поглощения и излучения газов, люминисценция и др.

Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера-Ламберта, согласно которому амплитуда электромагнитной волны E, распространяющаяся в веществе в направлении x, уменьшается в е-xраз:

E(x) = EО е-x ,

где  = ln(EО/E1) = 2k/ — показатель поглощения, характеризующий степень поглощения световой волны на единицу её пути в контролируемом веществе; E0 — начальная амплитуда световых колебаний; E1 -амплитуда световых колебаний после прохождения единицы пути (x=1).

Из этого выражения также следует, что контролируя изменение амплитуды световой волны, прошедшей через исследуемый объект, можно получить информацию как о геометрических параметрах (x) этого объекта (например, толщины тонкоплёночных элементов), если известен его показатель поглощения, так и о его структуре и химическом составе (k) используя спектральные методы контроля (рис. 3).

Излучение света (а точнее — электромагнитных волн в широком спектре) твёрдым телом, нагретым до некоторой температуры T, подчиняется закону Планка, описывающему спектральную плотность абсолютно чёрного тела (АЧТ):

r (,T) = C1-5(еC2/ -1)-1 .

Для твёрдого тела кривые, описываемые этим законом (рис.4) непрерывны в силу наличия большого количества энергетических состояний атомов и молекул кристаллической решётки, электронные переходы которой весьма разнообразны по излучаемым квантам электромагнитной энергии.

По спектру самооблучения нагретого объекта его температуру можно измерить бесконтактным способом. На этом основаны методы оптической пирометрии и тепловидения.

Электромагнитное излучение

... такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Излучение оптического диапазона возникает, в частности, ... излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, ...

В газообразном и жидком веществе электронные оболочки атомов относительно малы, и электроны, соответственно, могут находиться в ограниченном количестве энергетических состояний, которые определяют дискретный спектр излучаемых ими квантов энергии. Т.е. спектр собственного излучения газов и жидкостей обычно не сплошной а линейчатый, что позволяет легко идентифицировать по нему химический состав этого вещества (рис.5).

Рис. 3. Изменение коэффициента экстинкции k и показателя преломления n в области полосы поглощения света (в области электронного резонанса)

Рис. 4. Непрерывный спектр собственного излучения твёрдых тел с разной температурой

Рис. 5. Дискретный спектр излучения газов и жидкостей

Классификация оптических методов НК

Разнообразие оптических свойств электронных материалов также определяет разнообразие оптических методов, с помощью которых контролируются оптические свойства материалов.

По степени распространённости и применения оптических методов в электронной технике необходимо, прежде всего, выделить методы оптической микроскопии, которые интенсивно развиваются и широко используются в области исследований на стадии разработки и производственного контроля полуфабрикатов, структур и изделий на разных стадиях технологического процесса.

На втором месте стоят спектральные методы исследования и контроля, позволяющие получать информацию о материалах, структурах и изделиях как по спектральному составу их собственного излучения, возникающего при нагреве или каких-либо воздействиях, так и по спектральному составу излучения, взаимодействующего с исследуемым объектом. В этом случае используются спектры поглощения, отражения, излучения, люминесценции.

К спектральным методам примыкают интерференционные и эллипсометрические методы, основанные на классических явлениях интерференции (голография) и поляризации света.

Прямой контроль в оптической (световой) микроскопии

Одной из разновидностей методов прямого оптического контроля является группа методов оптического сравнения изображений и оптического разделения разностного изображения. Устройства, реализующие эту группу методов, называются оптическими компараторами. Их принципиальные схемы приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Схема оптического компаратора с «оцвечиванием» каждого из оптических каналов:

1 — фотоприёмник или экран; 2 — объектив; 3 — светоделитель; 4 — зеркало; 5 — дефектоскопируемый объект; 6 — образцовый объект; 7 — блок освещения; 8 — оптические цветные фильтры

Рентгенологические методы исследования

... излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика). Рентгенологический метод Типичная рентгеновская диагностическая система состоит из рентгеновского излучателя (трубки), объекта исследования (пациента), преобразователя изображения ... верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. В отличие от оптических спектров ...

Рис. 7. Оптический компаратор с модуляцией светового потока в одном из каналов:

1 — фотоприёмник или экран; 2 — объектив; 3 — светоделитель; 4 – двигатель с обтюратором; 5 — дефектоскопируемый объект; 6 — эталонный объект; 7 — блок освещения; 8 — оптический фильтр

Оптические компараторы имеют два канала, один из которых передает оптическое изображение с дефектного объекта, а другой — с образцового. Для контрастирования дифференциального оптического изображения используются три метода.

Первый использует «раскрашивание» каждого из оптических каналов с помощью фильтров, различающихся по цвету. Цветные изображения дефектоскопических и эталонных объектов оптически совмещены. В местах, где изображения полностью совпадают (идентичны), виден неокрашенный (смешанные цвета) рисунок первичного изображения, а там, где имеются различия, смешивание цвета нарушается и любое расхождение проявляется в виде ярко окрашенной области с цветом, зависящим от того, какому из первичных оцвеченных изображений принадлежит тот участок, который отсутствует в другом.

Во втором способе один из оптических каналов прерывается с определённой частотой крыльчаткой обтюратора (рис.5.18).

Затем на дифференциальном изображении различные участки мигают с частотой прерывания оптического канала.

Третий метод, который фактически является частным случаем первого, состоит в объединении положительных и отрицательных изображений дефектных объектов и образцов соответственно.

Дальнейшее развитие рассматриваемая группа методов получила в гибридных компараторах — устройствах, основанных на поэлементном сравнении идентичных изображений с помощью цифровых телевизионных систем (рис.8).

Рис. 8. Телевизионный компаратор:

1 – контролируемый объект; 2, 4 – светоделители; 3 – источник освещения; 5 – эталонный объект; 6 – ТВ-камеры; 7 – блок сравнения (вычитания видеосигнала); 8 — ВКУ

Оптические изображения контролируемых и опорных объектов с помощью камер 6 преобразуются в нормированные по амплитуде электрические видеосигналы. Затем полученные видеосигналы подаются в противофазе в блок сравнения 7, а разностный сигнал преобразуется в разностное изображение, представляемое на экране видеоконтрольного устройства 8.

ЛИТЕРАТУРА

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/opticheskiy-nerazrushayuschiy-kontrol/

1. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. — М.:Радио и связь, 2000. — 256 с.

2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов.-М.: Высшая школа, 2002. — 368 с.

3. Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред. В.В.Клюева. — М.: Машиностроение, 2005. — 672 с.

4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. — Справочник. В 2-х кн./ Под ред. В.В.Клюева — М.: Машиностроение, 2006.

«Создание лэндинга для абитуриентов колледжа с помощью HTML5 и CSS3»

... сайтов. 2. Изучить теоретические основы разработки лендинга. 3. Изучить этапы создания лендинга с помощью языка гипертекстовой разметки документов ... краткая подпись с опытом работы, регалиями и заслугами. Блок стоимости услуг. В этом блоке указана стоимость услуг [4 ... надписями, плитка с изображениями. Их формулируют кратко, хорошо, если получится использовать конкретные цифры. Изображение и заголовок ...

5. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. – М. Мир, 2005. – 416 с.