Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов контроля качества защитных голограмм и постановка задачи исследований 13
1.1. Особенности защитных голограмм как носителей оптических изображений 13
1.2. Особенности технологии изготовления защитных голограмм 15
1.3. Задачи контроля при изготовлении защитных голограмм 17
1.4. Обзор методов и аппаратуры контроля качества защитных голограмм
1.4.1. Классификация методов контроля качества защитных голограмм 19
1.4.2. Методы контроля защитных голограмм на основе прямых измерений параметров микрорельефа 20
1.4.3. Методы контроля защитных голограмм на основе анализа параметров распределения интенсивности дифракционного поля 21
1.4.4. Объективные и субъективные методы контроля защитных голограмм 23
1.5. Обзор аппаратуры для контроля защитных голограмм на основе прямых измерений параметров микрорельефа 24
1.5.1. Контроль микрорельефа дифракционных решёток атомно-силовыми микроскопами 24
1.5.2. Контроль микрорельефа дифракционных решёток конфокальными микроскопами 26
1.6. Обзор аппаратуры для контроля защитных голограмм на основе
косвенных измерений параметров микрорельефа 28 Стр.
1.7. Постановка задачи исследований диссертационной работы 33
1.7.1. Обоснование актуальности темы диссертации 33
1.7.2. Цель и задачи диссертационной работы 34
Глава 2. Методика контроля качества защитных голограмм
2.1. Постановка задачи исследований при разработке методики контроля качества защитных голограмм 35
2.2. Исследование влияния параметров микрорельефа на распределение интенсивности в дифракционной картине
2.2.1. Математическое описание дифракции на отражающей фазовой дифракционной решётке 40
2.2.2. Анализ зависимости распределения интенсивности в главных максимумах дифракционной картины от параметров микрорельефа 43
2.3. Исследование влияния случайных искажений микрорельефа дифракционных решёток на распределение интенсивности в дифракционной картине 48
2.3.1. Математическое описание явления дифракции на отражающей фазовой дифракционной решётке с учётом случайных искажений микрорельефа 49
2.3.2. Оценка влияния случайных искажений микрорельефа на распределение интенсивности в дифракционной картине 58
2.4. Методика контроля формы и параметров микрорельефа на основе прямых измерений 62
2.4.1. Методика определения параметров микрорельефа на основе результатов прямых измерений 62
2.4.2. Оценка параметров реальных микрорельефов защитных голограмм 77
2.4.3. Оценка изменения параметров микрорельефа рабочих Стр. матриц в процессе выпуска тиражей защитных голограмм 81
2.5. Метод контроля качества защитных голограмм на основе косвенных измерений 88
2.5.1. Оценка параметров дифракционных решёток с синусоидальным рельефом на основе косвенных измерений ... 88
2.5.2. Анализ дифракционного распределения на фазовых решётках с синусоидальным профилем на основе векторной теории 93
2.5.3. Оценка глубины микрорельефа дифракционных решёток с несинусоидальным микрорельефом на основе косвенных измерений 96
2.5.4. Анализ влияния случайных искажений микрорельефа на оценку глубины микрорельефа на основе косвенных измерений 101
2.6. Основные положения методики объективного контроля качества защитных голограмм 116
Выводы по главе 2 118
Глава 3. Методика проектирования оптико-электронных приборов контроля качества защитных голограмм и экспериментальное подтверждение основных положений диссертации 122
3.1. Функциональные схемы оптико-электронных приборов для контроля качества защитных голограмм 122
3.1.1. Функциональная схема оптико-электронного прибора для обнаружения локальных дефектов защитных голограмм 122
3.1.2. Функциональная схема оптико-электронного прибора для контроля качества защитных голограмм на основе косвенных измерений 125
3.2. Методика проектирования оптико-электронных приборов для
контроля качества ЗГ и мастер-матриц ЗГ на основе косвенных Стр. измерений 129
3.2.1. Постановка задачи проектирования оптико-электронных приборов контроля качества ЗГ и мастер-матриц ЗГ на основе косвенных измерений 129
3.2.2. Определение конструктивных параметров составных частей ОЭП 131
3.3. Экспериментальные исследования 138
3.3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 138
3.3.2. Методика экспериментальных исследований 139
3.3.3. Описание макетного образца оптико-электронного прибора контроля качества защитных голограмм 139
3.4. Результаты экспериментальных исследований 144
3.4.1. Экспериментальная проверка адекватности математического описания явления дифракции с учётом случайных искажений микрорельефа 144
3.4.2. Оценка погрешности макетного образца ОЭП, предназначенного для контроля качества ЗГ на основе косвенных измерений 151
Выводы по главе 3 155
Общие выводы и заключение 156
Список литературы
- Методы контроля защитных голограмм на основе прямых измерений параметров микрорельефа
- Анализ зависимости распределения интенсивности в главных максимумах дифракционной картины от параметров микрорельефа
- Оценка параметров дифракционных решёток с синусоидальным рельефом на основе косвенных измерений
- Определение конструктивных параметров составных частей ОЭП
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время для защиты продукции и документов от подделки во всем мире широко используются защитные голограммы (ЗГ), представляющие собой рельефно-фазовые голограммы, выполненные на тонкопленочном полимерном носителе. ЗГ формируют при естественном или искусственном освещении голографические изображения с особыми оптическими эффектами объёмности, движения, изменения цвета и др. Из-за сложности и несовершенства современного уровня технологии изготовления ЗГ параметры профиля дифракционных решёток (ДР) реальных ЗГ в той или иной степени отличаются от расчётных значений. Это приводит к снижению качества изображений, формируемых голограммами, и, как следствие, к снижению защитных свойств ЗГ. Тиражи защитных голограмм достигают сотен тысяч и миллионов штук, поэтому контроль качества изготавливаемых ЗГ является важной технико-экономической задачей.
На отечественных предприятиях контроль качества ЗГ осуществляется на основе экспертных оценок. Результаты такого контроля являются субъективными и не могут считаться достоверными. В настоящее время не определены критерии, позволяющие оценить качество изготавливаемых ЗГ. Для осуществления объективного контроля необходимо ввести критерий, позволяющий оценивать качество путём сравнения значений геометрических параметров профиля дифракционных решёток контролируемой и эталонной защитных голограмм. Такими параметрами являются глубина и пространственный период профиля ДР.
Значительный вклад в исследование и разработку методов контроля ЗГ внесли русские учёные, в том числе Бессмельцев В.П., Одиноков С.Б., Полещук А.Г., Сойфер В.А. Среди зарубежных учёных следует отметить Беляцкого М.А., Yeh S.I., Renesse R.I., Yamasaki M., Vu T.V.
Существуют объективные и субъективные методы контроля ЗГ, основанные на прямых и косвенных измерениях параметров профиля дифракционных решёток ЗГ. Известные методы и аппаратура в основном предназначены для контроля подлинности, но не качества изготавливаемых защитных голограмм. Постановка задач контроля подлинности и контроля качества отличается.
Известные методы контроля ЗГ на основе прямых измерений геометрических параметров профиля ДР с помощью атомно-силовых микроскопов являются трудоёмкими, что недопустимо в технологическом процессе производства ЗГ. В настоящее время не разработаны методы для осуществления оперативного контроля указанных параметров формы профиля ДР ЗГ. Поэтому остаётся потребность в методах оперативного контроля качества ЗГ, а также в специализированной аппаратуре, реализующей данные методы.
Из изложенного выше следует, что тема диссертации, посвящённая разработке методов и оптико-электронных приборов для контроля качества защитных голограмм, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов контроля качества защитных голограмм и оптико-электронных приборов, предназначенных для реализации оперативного контроля качества.
Для достижения цели диссертации поставлены и решены следующие задачи:
предложен критерий принятия решения о качестве защитных голограмм (ЗГ);
исследована зависимость пространственного распределения интенсивности в главных максимумах дифракционной картины от геометрических параметров профиля дифракционных решёток и параметров поля случайных искажений этого профиля;
разработаны методы, позволяющие осуществлять автоматизированный контроль качества мастер-матриц, рабочих матриц и серийных образцов ЗГ;
разработаны принципы действия оптико-электронных приборов, предназначенных для контроля качества ЗГ при их изготовлении, и методика проектирования таких приборов;
справедливость основных теоретических положений диссертации подтверждена экспериментальными исследованиями на макетном образце оптико-электронного прибора контроля качества ЗГ.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались методы скалярной теории дифракции, цифровой обработки изображений, теории случайных процессов и полей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен критерий принятия решения о качестве ЗГ на основе сравнения
значений параметров профиля дифракционных решёток контролируемого и
эталонного образцов ЗГ;
впервые выведены аналитические выражения, устанавливающие связь между пространственным распределением интенсивности в главных максимумах дифракционной картины с параметрами поля случайных искажений профиля ДР;
разработан метод контроля качества защитных голограмм на основе косвенных измерений пространственного периода и глубины профиля дифракционных решёток по распределению интенсивности в главных максимумах дифракционной картины;
предложена методика объективного контроля качества защитных голограмм, которая базируется на прямых и косвенных измерениях параметров профиля дифракционных решёток и предназначена для контроля качества защитных голограмм на всех стадиях технологического процесса их изготовления, включая изготовление мастер-матриц, рабочих матриц и серийных образцов защитных голограмм.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные методы контроля качества защитных голограмм и оптико-электронные приборы, реализованные по предложенным оригинальным функциональным схемам, позволяют обеспечить оперативность контроля качества защитных голограмм и снизить потери от брака при их серийном производстве на предприятиях АО «Гознак», АО «НПО «Криптен», ФГУП «НТЦ «Атлас», ООО «ХолоГрэйт» и др.
Положения, выносимые на защиту:
метод оперативного контроля качества защитных голограмм на основе косвенных измерений позволяет определять пространственный период и глубину профиля дифракционных решёток защитных голограмм с погрешностями, не превышающими нескольких нанометров;
методика контроля качества защитных голограмм, основанная на прямых и косвенных измерениях параметров профиля дифракционных решёток, позволяет контролировать их качество при изготовлении;
полученные аналитические выражения устанавливают связь между пространственным распределением интенсивности в главных максимумах дифракционной картины и параметрами поля случайных искажений профиля дифракционных решёток.
Достоверность выводов диссертационной работы обеспечивается согласованностью теоретических положений и результатов экспериментальных исследований.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы доложены на 6 международных конференциях: SPIE Optics + Optoelectronics (Прага, Чехия, 2013), 3-ей и 4-ей Международных конференциях по фотонике и информационной оптике (НИЯУ МИФИ, Москва, 2014, 2015), 10th International Symposium on Display Holography (Санкт-Петербург, 2015), 12-ой и 13-ой Международных конференциях «ГОЛОЭКСПО» (Казань, 2015; Ярославль, 2016).
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на АО «Гознак», получен акт о внедрении.
Публикации результатов. Основные результаты диссертационной работы изложены в 14 публикациях общим объёмом 4,1 п.л., в том числе в 5 статьях, опубликованных в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков и 21 таблицу, список литературы включает 51 библиографическое описание.
Методы контроля защитных голограмм на основе прямых измерений параметров микрорельефа
Технологический процесс изготовления ЗГ начинается с изготовления оригинала голограммы [10, 11]. Для изготовления оригиналов защитных голограмм в основном используется компьютерный синтез дифракционных решёток с последующим формированием ЗГ по технологии Dot-matrix [12, 13] или по технологии электронно-лучевой литографии [14, 15]. Записанное на фоторезисте изображение преобразуется в микрорельеф на подложке фоторезиста, который используют для изготовления мастер-матрицы. Для этого в вакуумной установке на микрорельеф наносится металлизированный токопроводящий слой. Затем методом гальванопластики изготавливают, так называемую, мастер-матрицу. Процесс изготовления мастер-матрицы – самый сложный и ответственный технологический этап производства голограмм. Качество мастер-матрицы в дальнейшем определяет качество каждой изготовленной голограммы. Чтобы повысить производительность при печати ЗГ, требуется на одной рабочей матрице расположить много одинаковых оттисков голограммы. Для этого производится мультиплицированная мастер-матрица. С помощью одиночной мастер-матрицы на специальном оборудовании – рекомбинаторе, делаются оттиски голограммы на оргстекле. В результате получается пластиковая подложка с множеством нанесенных на нее копий. Далее повторяется процесс металлизации и гальванического наращивания, в результате чего получается никелевая групповая мастер-матрица. С этой мастер матрицы в гальванической ванне изготавливаются копии – рабочие матрицы, которые служат инструментом для тиснения голограмм на пленке.
На этапе тиражирования ЗГ рабочая матрица крепится на валу эмбоссинга (тиражной машины). Вал нагревается от 100 до 130 градусов и под высоким давлением производится прокатка матрицы по полимерному материалу. В соответствии с техническим заданием используется различные материалы для создания стикеров или фольги горячего тиснения. Материал представляет собой сложную многослойную структуру, которая, как отмечалось выше, обеспечивает заданные технологические эффекты – разрушаемость или стойкость к отрыву, возможность тиснения на различные поверхности.
На заключительной стадии на изделия наносят клеевой слой. Если изготавливается фольга для горячего тиснения, то используется термоклей, который крепится на ленту с голограммами. Если изготавливаются наклейки, то используется клей постоянной липкости, защищенный лавсановой бумагой. В процессе тиражирования специальная вырубочная машина делает фигурную высечку изделий, повышая защитные свойства. Ввиду сложности технологического процесса изготовления ЗГ изображения, которые формируют серийные образцы этой продукции, могут в значительной степени отличаться от изображений, которые формирует исходный оригинал голограммы. Такое отличие обусловлено: - погрешностями изготовления мастер-матрицы; - погрешностями изготовления рабочих матриц; - износом рабочих матриц в процессе тиражирования ЗГ. Так как ЗГ изготавливают большими тиражами, достигающими сотен тысяч, то возникновение брака при их тиражировании влечёт за собой значительные материальные потери. Кроме этого, использование на ценных бумагах ЗГ, не удовлетворяющих требованиям по качеству, вообще недопустимо. Поэтому для предотвращения выпуска бракованных ЗГ, требуется осуществлять оперативный контроль на всех стадиях технологического процесса их изготовления. На основании изложенного можно констатировать актуальность технической задачи контроля качества мастер-матриц и рабочих матриц, используемых при тиражировании ЗГ.
Чтобы конкретизировать цель и задачи исследований настоящей диссертации, требуется провести критический анализ известных методов и аппаратуры, используемых в настоящее время для контроля качества ЗГ.
Как отмечено выше, при изготовлении ЗГ требуется осуществлять оперативный контроль на всех стадиях технологического процесса, начиная с изготовления мастер-матриц, и кончая готовыми образцами ЗГ.
В общем случае целями контроля образцов ЗГ может быть либо проверка подлинности образца ЗГ, либо – оценка качества ЗГ.
Исходя из назначения этого типа голограмм, которое отражено даже в их названии – «защитные голограммы», под качеством ЗГ большинство потребителей понимают их подлинность в смысле соответствия некоторому эталону. В настоящей диссертации не ставится задача контроля наличия в ЗГ специальных защитных элементов, формирующих, так называемые [6–9, 51], скрытые изображения. Поэтому, если ЗГ не снабжены такими специальными элементами защиты, то признаки для проверки подлинности должны быть связаны с параметрами, характеризующими пространственное распределение микрорельефа элементов дизайна, которые сложно воспроизвести при несанкционированном копировании из-за технологических особенностей процесса изготовления. В этом случае задачи проверки подлинности ЗГ и оценки качества ЗГ могут решаться на основе единого подхода, который основан на сравнении с эталоном.
Контроль по эталонному образцу заключается в сравнении измеренных значений параметров контролируемых образцов ЗГ с соответствующими значениями параметров эталонных образцов ЗГ или их идеализированных образов, которые были синтезированы на этапе разработки в виде математической модели. Для принятия решения о достаточном соответствии образца ЗГ эталону, т.е. годности, требуется решить две задачи: во-первых, выбрать показатель качества, в том или ином виде зависящий от измеряемых параметров, а, во-вторых, определить критерий, который определяет меру допустимого (порогового) отклонения показателя качества контролируемого образца ЗГ от эталонного. Сформулированная задача является одной из ключевых задач контроля.
Как отмечено выше, в связи со сложностью технологического процесса изготовления ЗГ, контроль следует производить на всех стадиях изготовления, начиная с изготовления мастер-матрицы и заканчивая готовыми образцами ЗГ. Даже подлинные образцы ЗГ не могут по всем параметрам совпадать с оригиналом голограммы и, тем более, с её идеализированным образом. Более того, значения всех параметров мастер-матрицы не могут абсолютно совпадать с параметрами изготовленного оригинала голограммы. Но, если мастер-матрица имеет какие-либо характерные дефекты – отличия от оригинала голограммы, то рабочие матрицы и все образцы ЗГ, изготовленные на основе этой мастер-матрицы, будут иметь аналогичные дефекты. Поэтому при допустимом уровне отклонении каких-либо параметров микрорельефа мастер-матрицы от оригинала, эти выявленные отличия могут стать дополнительными признаками подлинности ЗГ. Естественно, такие дефекты мастер-матриц не должны быть фатальными, при наличии которых ЗГ, изготовленные с использованием такой матрицы, переходят в разряд бракованной продукции. К фатальным дефектам можно отнести существенные искажения микрорельефа, при которых пропадают те или иные оптические эффекты, заложенные в ЗГ на стадии их разработки.
Таким образом, задачами контроля мастер-матриц являются: - обнаружение дефектов микрорельефа мастер-матрицы; - анализ дефектов для принятия решения о годности мастер-матрицы, а также выявление уникальных особенностей параметров микрорельефа, которые могут использоваться как дополнительные признаки подлинности образцов ЗГ; - выборочный контроль параметров микрорельефа мастер-матриц. Рабочие матрицы, которые используются для изготовления серийных образцов ЗГ, также должны повергаться контролю. Эти матрицы в процессе эксплуатации изнашиваются, что может приводить к возникновению брака при изготовлении серийных образцов ЗГ. Контроль износа микрорельефа рабочих матриц целесообразно производить путём выборочной оценки качества образцов ЗГ в процессе выпуска серии без остановки технологического процесса изготовления.
Анализ зависимости распределения интенсивности в главных максимумах дифракционной картины от параметров микрорельефа
Из анализа выражения (2.41) следует, что случайные искажения профиля рельефа ФДР приводят к снижению дифракционной эффективности. Для количественной оценки влияния случайных искажений микрорельефа ДР требуется при заданном виде профиля микрорельефа знать дисперсию т и корреляционную функцию Рг(xі-x2) случайного поля, искажающего профиль. Указанные характеристики можно определить на основе обработки результатов прямых измерений ДР ЗГ.
Следует иметь ввиду, что при контроле ЗГ осуществляется подсветка элементарных ДР, имеющих достаточно малые размеры. В связи с этим, возможен эффект усреднения фазовых искажений рельефа в направлении, перпендикулярном штрихам. При обработке результатов измерений следует учесть данный эффект. Для этого зарегистрированные, например, с помощью АСМ, реализации микрорельефа элементарных ДР следует сначала усреднить по направлению, перпендикулярному штрихам, а затем производить вычисление оценок значений дисперсии jl и корреляционной функции вдоль штрихов рельефа.
Для предварительной оценки влияния случайных искажений микрорельефа на распределение интенсивности дифракционного поля были выполнены расчёты интенсивности для первого главного максимума дифракционной картины.
Предположим, что нормированная корреляционная функция случайных искажений микрорельефа имеет вид где Ь, кр и у - параметры аппроксимации. Как будет показано ниже, использованная функция близка по виду к типичным корреляционным функциям, вычисленным для реализаций микрорельефов ДР реальных ЗГ.
В качестве примера на Рис. 2.10 приведен график нормированной корреляционной функции случайных искажений микрорельефа, имеющего период Т = 1,5 мкм, вычисленной при следующих значениях параметров аппроксимации: b = 1; кр = 0,55; / = 1,0. Рис. 2.10. График нормированной корреляционной функции случайных искажений микрорельефа Анализ влияния случайных искажений проведён для фазовых ДР, имеющих с синусоидальный профиль c периодом Т = 1,5 мкм и амплитудой Z0= 0,075 мкм, при угле а = 0 падения монохроматического излучения на длинах волн Л = 0,5мкм и Л = 0,65мкм. В процессе анализа варьировались значения параметров случайных искажений, в том числе, о , кр и у, и оценивалось относительное изменение Sj интенсивности в первом главном максимуме дифракционной картины, выраженное в процентах. Значение этого показателя рассчитывалось по формуле 8j = 100%, (2.43) где I1 -значение интенсивности, вычисленное по формуле (2.41) при СКО случайных искажений ст? =0, а 1,1- значение интенсивности при значениях о\ Ф 0.
На Рис. 2.11 представлены графики зависимости относительного изменения интенсивности в первом главном максимуме при подсветке ДР на длине волны Л = 0,5 мкм, от СКО случайных искажений рельефа при кр = 0,55, а также следующих значений параметров аппроксимации нормированной корреляционной функции: интенсивности первого главного максимума от СКО случайных искажений микрорельефа при подсветке на длине волны = 0,5 мкм На Рис. 2.12 представлены графики зависимости относительного изменения интенсивности в первом главном максимуме синусоидального микрорельефа при подсветке ДР на длине волны = 0,65 мкм, от СКО случайных искажений рельефа и при таких же, как в предыдущем случае, значениях параметров аппроксимации корреляционной функции. Рис. 2.12. Графики зависимости относительного изменения интенсивности первого главного максимума от СКО случайных искажений микрорельефа при подсветке на длине волны Л = 0,65 мкм
Проведённые расчёты показали, что параметр кр нормированной корреляционной функции случайных искажений микрорельефа слабо влияет на значение интенсивности в первом главном максимуме дифракционной картины. В частности, при изменении этого параметра от 0,55 до 1 относительное изменение интенсивности в первом главном максимуме не превышает 2%.
Из полученных результатов следует, что на значение интенсивности в первом главном максимуме наибольшее влияние оказывает значение СКО о случайных искажений, слабее влияет параметр у, определяющий период флуктуаций нормированной корреляционной функции. Кроме этого, степень влияния случайных искажений рельефа существенно зависит от длины волны излучения: чем меньше длина волны, тем сильнее ослабление интенсивности в первом главном максимуме. При значении СКО сг = 0,2 мкм изменение интенсивности в первом главном максимуме дифракционной картины может достигать 20%.
На основании проведённых исследований можно сделать вывод о том, что случайные искажения микрорельефа могут оказывать существенное влияние на распределение интенсивности в главных максимумах дифракционной картины. В то же время на распределение интенсивности в дифракционных максимумах влияют форма профиля микрорельефа и его глубина. Следовательно, для прогнозирования качества защитных голограмм в процессе их изготовления необходимо осуществлять контроль формы микрорельефа, его глубины, а также параметров случайных искажений микрорельефа ЗГ. На основе такой информации можно делать заключение о причинах снижения качества голографического изображения, формируемого ЗГ. Получить информацию о микрорельефе ДР защитных голограмм можно на основе прямых измерений с помощью АСМ или КФМ. Возникает вопрос, о том как на основе прямых измерений микрорельефа извлечь данные о форме, глубине и параметрах случайных искажений рельефа.
Оценка параметров дифракционных решёток с синусоидальным рельефом на основе косвенных измерений
Идея метода основана на измерении распределения интенсивности в дифракционных максимумах и оценке по результатам этих измерений параметров микрорельефа для последующего сравнения значений контролируемых параметров со значениями параметров эталонов. В связи с этим возникает задача исследования зависимости распределения интенсивности в главных максимумах дифракционной картины при различных условиях регистрации от параметров, характеризующих форму рельефа, а также параметров случайных искажений микрорельефа.
В подразделе 2.2 показано, что для идеального синусоидального микрорельефа ДР по результатам измерения интенсивности в первом главном максимуме дифракционной картины можно оценить такие параметры, как пространственный период Т0, глубину d, направление в штрихов и количество N периодов микрорельефа. При контроле качества защитных голограмм наиболее важными измеряемыми параметрами являются пространственный период и глубина, т.к. направление штрихов и их количество не могут изменяться при изготовлении. Значение пространственного периода ДР и направление штрихов несложно определить, измерив угловые координаты, определяющие направление главных максимумов дифракционной картины при подсветке защитной голограммы источником монохроматического излучения под углом а к нормали (см. Рис. 2.3). В частности, если а = О, то период ДР может быть вычислен по формуле m mX L= , sin/? где m - порядок главного максимума. При известных значениях угла подсветки а, пространственном периоде Т0 и длине волны Л излучения, подсвечивающего ДР, глубину рельефа можно оценить по расчётной зависимости интенсивности Im ( і) в главном максимуме //7-го порядка дифракционной картины от глубины d микрорельефа. На Рис. 2.5, Рис. 2.6 и Рис. 2.7 представлены графики таких зависимостей, рассчитанных для главного максимума 1-го порядка. Если эти зависимости использовать как калибровочные, то они должны быть нормированными. Если производится нормировка Im(d) на значение интенсивности излучения, подсвечивающего ДР, то эти зависимости характеризуют дифракционную эффективность. Пример аппаратной реализации измерения дифракционной эффективности описан в [44]. Одним из недостатков этого способа нормировки является практическая невозможность измерения одним приёмником излучения интенсивностей в дифракционных максимумах и интенсивности падающего излучения. Это приводит к значительному усложнению измерительной аппаратуры.
Другим недостатком такой нормировки является возможная неоднозначность результатов при измерении глубины. Как следует из графиков, представленных на Рис. 2.5, Рис. 2.6 и Рис. 2.7, кривая зависимости Im{d) имеет немонотонный характер, и глобальный максимум для заданной длины волны излучения достигается при определённом значении глубины. Так как рельеф ДР ЗГ синтезируется таким образом, чтобы достигать максимальной дифракционной эффективности, то вероятность получения неоднозначных результатов может быть велика. Поэтому предлагается оценивать глубину микрорельефа по калибровочной зависимости, которая определяется как отношение измеренных интенсивностей 1-го и 2-го дифракционных максимумов, а именно i 1 (Й?) = I2 (d)/ (d) (2.56) где /1(б/)и/2(б/)- значения интенсивностей 1-го и 2-го главных максимумов дифракционной картины, рассчитанные или измеренные при одинаковых значениях глубины d синусоидального профиля микрорельефа.
Калибровочные зависимости должны определяться при известных значениях параметров ДР, таких как период, угловая ориентация, а также для заданных значениях длины волны и угла подсветки. На Рис. 2.32 представлена схема, поясняющая принцип регистрации интенсивности в 1-ом и 2-ом дифракционных максимумах.
На Рис. 2.33 представлены графики зависимости интенсивности в 1-ом и 2-ом главных максимумах дифракционной картины от глубины синусоидального микрорельефа, имеющего период T =1, 0 мкм , при подсветке под углом =0 излучением с длиной волны 405 нм, а на Рис. 2.34 – график рассчитанной калибровочной зависимости. Из графика на Рис. 2.34 следует, что при нормальной подсветке дифракционной решётки калибровочная зависимость имеет существенно нелинейный характер, что ограничивает возможности использования метода косвенных измерений глубины профиля микрорельефа.
Определение конструктивных параметров составных частей ОЭП
В случае, когда делитель превышает делимое при пиковом отношении сигнала к шуму //0 10, СКО погрешности частного не превышает значения TD « 0,025. Выведенная формула позволяет рассчитать мощность лазерных источников P Л, при которой для заданной пороговой освещённости E П = crN линейки ПЗС обеспечивается допустимая погрешность оценки глубины рельефа ДР ЗГ. Параметры ТВ-камеры канала наведения Канал наведения предназначен для обеспечения позиционирования ЗГ относительно визирной оси канала контроля. Контроль наведения осуществляется оператором при наблюдении изображения дизайна ЗГ, либо в автоматическом режиме, когда используются алгоритмы селекции и распознавания зон, подлежащих контролю. В связи с этим при проектировании требуется обеспечить регистрацию всей поверхности ЗГ при достаточном пространственном разрешении наблюдаемого изображения. Достаточным пространственным разрешением в данном случае следует считать такое, при котором различимы отдельные элементарные ДР или группы ДР.
Параметрами, подлежащими определению при проектировании канала наведения, являются: - параметры матричного приёмника ТВ-камеры, в том числе, период расположения пикселей, количество пикселей (формат); - фокусное расстояние объектива ТВ-камеры для требуемого формата матричного приёмника и пространственное разрешение. Параметры моторизированной системы линейных и угловых перемещений контролируемого образца ЗГ
При выборе комплектующих элементов моторизированной системы линейных и угловых перемещений контролируемого образца ЗГ требуется, с одной стороны, обеспечить диапазон перемещений, который соответствует типовым размерам защитных голограмм, а с другой стороны - достаточную точность линейных и угловых перемещений. Погрешность линейных перемещений не должна превышать размеры элементарных ДР ЗГ, а погрешность угловых перемещений не должна превышать значения 86= у Следует также иметь в виду, что быстродействие приводов линейных и угловых перемещений ограничивает производительность операций контроля с использованием данного ОЭП. Параметры компьютера К компьютеру, используемому в составе ОЭП, не предъявляется повышенных требований по быстродействию и объёму оперативной памяти. Компьютер может работать под ОС Windows 8 и обеспечивать функции управления приводами линейных и угловых перемещений. Для автоматизации процессов обработки данных при селекции и распознавании элементов дизайна ЗГ в составе программного обеспечения следует использовать специальные пакеты программ, обеспечивающие выполнение этих функций.
Оптимизацию конструктивных параметров при проектировании ОЭП контроля качества ЗГ предлагается осуществлять методом многовариантного анализа, при этом критерием оптимизации является минимизация значений СКО погрешности измерения глубины микрорельефа od и СКО погрешности измерения пространственного периода тг, то есть min{crd,crT}, где а конструктивные параметры ОЭП представлены в виде вектора а = {а,А,п,1х,ЬП,гл ) . (3.14)
Целью экспериментальных исследований являлась проверка адекватности математического описания (математической модели) процесса дифракции на отражающих ДР с учётом случайных искажений микрорельефа и оценка погрешности предложенного метода контроля качества ЗГ на основе косвенных измерений параметров микрорельефа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) Разработка методики проведения экспериментальных исследований; 2) Разработка макетного образца ОЭП для проведения экспериментальных исследований; 3) Проведение экспериментальных исследований на специально изготовленных образцах ДР и серийных образцах ЗГ; 4) Обработка результатов экспериментальных исследований. 3.3.2. Методика экспериментальных исследований Методика проведения экспериментов включает следующую последовательность действий: 1) Регистрация трёхмерной модели микрорельефа тестовых образцов ДР ЗГ на сканирующем зондовом атомно-силовом микроскопе. 2) Определение составляющих векторов P 0 и PN, характеризующих форму рельефа и случайные искажения рельефа ДР с использованием методики обработки результатов прямых измерений, и расчёт калибровочных зависимостей. 3) Проведение измерений пространственного периода и глубины рельефа на макетном образце ОЭП с использованием рассчитанных калибровочных зависимостей. 4) Сравнение результатов контроля ДР методами прямых и косвенных измерений и формулировка выводов на основе сравнительного анализа.