Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти і науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
На правах рукопису
Іванчук Олег Михайлович
УДК 528.721.287:537.533.35
МЕТОДИ ОПЕРАТИВНОГО ФОТОГРАММЕТРИЧНОГО
ОПРАЦЮВАННЯ ЗНІМКІВ, ОТРИМАНИХ НА
РАСТРОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ МІКРОСКОПАХ
Спеціальність 05.24.02 - фотограмметрія та картографія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів - 2000
Дисертація є рукопис.
Робота виконана на геодезичному факультеті Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Фінковський Віктор Якович, м.Львів.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Шинкаренко Георгій Андрійович,
завідувач кафедри інформаційних систем
Львівського Національного університету
ім. Івана Франка, м.Львів;
кандидат технічних наук, доцент
Барановський Валентин Дмитрович,
доцент кафедри геодезії і картографії
Національного університету ім. Тараса Шевченка,
м.Київ.
Провідна установа: Донецький державний технічний університет
Міністерства освіти і науки України, м.Донецьк.
Захист відбудеться 28 жовтня 2000 р. о 10 годині
на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13 у національному
університеті “Львівська політехніка” за адресою:
79013 м.Львів, вул.С.Бандери,12, корпус 2, ауд.518.
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці національного університету “Львівська політехніка”, вул.Професорська,1.
Відгуки на автореферат просимо надсилати за вказаною адресою вченому секретареві спеціалізованої ради.
Автореферат розісланий 23 вересня 2000 року.
Вчений секретар
спеціалізованої Вченої ради,
кандидат технічних наук С.Г.Савчук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасній високотехнологічній індустрії машинобудування, приладобудування, електроніки, створення космічної і військової техніки та багатьох інших виробництв, а також науковим дослідженням в біології, геології, матеріалознавстві, медицині та ін. потрібна високоточна достовірна якісна та кількісна просторова інформація про топографію поверхонь досліджуваних об’єктів на мікронному і субмікронному рівнях.
Одним з надзвичайно ефективних та наочних, але водночас технічно і теоретично складних методів дослідження кількісних параметрів мікроповерхонь різноманітних об’єктів є стереофотограмметричний, який базується на опрацюванні знімків, отриманих з використанням растрових електронних мікроскопів /РЕМ/. Суть його полягає в отриманні та вимірюванні просторової математично визначеної моделі мікроповерхні досліджуваного об’єкта за його плоскими РЕМ-зображеннями. Велика глибина фокусування зображення, різноманітні технічні удосконалення сучасних РЕМ дозволяють отримувати за їх допомогою високоякісні фотографічні з хорошими метричними характеристиками РЕМ-знімки, які хоч і поступаються класичним знімкам, отриманим за допомогою фізичної оптики, проте з використанням фотограмметричних приладів і розроблених математичних методів їх обробки, дають можливість отримувати усю необхідну якісну та кількісну інформацію про мікроповерхню об’єктів з високою достовірністю та точністю.
Для розв’язання цієї складної та водночас дуже важливої задачі необхідні були зусилля багатьох вчених. До числа тих, які внесли найбільш вагомий вклад в розробку теорії та практики застосування стереофотограмметричних методів в мікроскопії слід зарахуватити: за кордоном - А.Бойда, Р.Буркгардта, С.Гоша, К.Губені, О.Коледніка, І.Нанківела, Х.Нагарая, П.Ховелла, колишніх радянських, а нині російських вчених В.І.Саркіна, І.С.Гареліка, П.П.Гончарова, Є.І.Калантарова, М.Ж.Сагиндикову, В.М.Соколова та багатьох інших, а в Україні - В.М.Мельника, В.Я.Фінковського, А.Я.Красовського, В.А.Степаненка, А.В.Шостак та інших.
Однак і сьогодні залишається ще чимало питань, які вимагають подальшої розробки, зокрема, підвищення ефективності і практичної реалізації цифрових методів обробки РЕМ-зображень, впровадження у виробництво методів оперативного РЕМ-контролю за якістю технологічних процесів обробки поверхонь різноманітних деталей приладів, механізмів, плат, двигунів тощо, метою яких є підвищення їх експлуатаційних властивостей, довговічності, надійності та зменшення собівартості їх виготовлення. Тому дана тематика наукових досліджень залишається актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дана робота є завершеною розробкою прикладного методу стереофотограмметрії в растровій електронній мікроскопії, яка виконана на кафедрі аерофотогеодезії державного університету “Львівська політехніка” в рамках наукової тематики кафедри по застосуванню методів фотограмметрії для розв’язання прикладних задач науки та виробництва.
Мета роботи - розробка методів отримання та оперативного фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень для визначення кількісних просторових параметрів мікроповерхонь різноманітних об’єктів.
Основні задачі досліджень наступні:
1. Розробка методів отримання та оперативної фотограмметричної обробки РЕМ-зображень для різних випадків РЕМ-знімання.
2. Експериментально - теоретичне обгрунтування точності запропонованого методу.
3. Визначення оптимальних параметрів РЕМ-знімання під час досліджень кількісних характеристик поверхонь обробки різних об’єктів,
4. Розробка методики виготовлення голографічних тест-сіток з високою роздільною здатністю та їх використання для калібрування збільшень РЕМ і встановлення метричних характеристик РЕМ-зображень.
5. Дослідження величин та характеру геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на різних типах РЕМ.
6. Дослідження ефективності математичних методів апроксимації геомет-ричних спотворень РЕМ-зображень.
Об’єктами досліджень були:
1) растрові електронні мікроскопи провідних фірм світу.
Важливим є встановлення характеру і величин геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на різних типах РЕМ в широких діапазонах збільшень та режимах РЕМ-знімання, а також дослідження стабільності роботи РЕМ як складних систем.
2) мікроповерхні різноманітних об’єктів (для підтвердження ефективності використання розробленого методу дослідження їх кількісних параметрів), зокрема:
а) шліфовані металеві поверхні поршнів двигунів автомобілів;
б) зразки металевих поверхонь різної чистоти (класу) шліфування;
в) мікроділянки поверхні лесових грунтів; геологічних порід;
г) еритроцити крові; ділянки руйнування зубної тканини в місцях дотику її з металевим стержнем зубної коронки.
Наукова новизна одержаних результатів:
- розроблено ефективний метод оперативного фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень;
- удосконалено технологію РЕМ-стереознімання, калібрування РЕМ та визначення метричних властивостей РЕМ-зображень;
- запропонована і вперше практично реалізована (ще у 1983 р.) ідея використання методу отримання голограм з високою роздільною здатністю на резистивному матеріалі напівпровідник-метал для створення голографічних (дифракційних) калібрувальних тест-сіток з роздільною здатністю r=1000ё3500 лін/мм;
- досліджено масштабні спотворення РЕМ провідних фірм світу в діапазоні збільшень 5000ґё100000ґ;
- досліджено характер та величини геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на різних типах РЕМ, в діапазоні збільшень 5000ґё50000ґ.
Методологія і методика досліджень.
Робота виконана з використанням фундаментальних положень теорії і практики таких наукових дисциплін як фотограмметрія, растрова електронна мікроскопія, механіка і фізика твердого тіла, вища математика.
Основні положення, що виносяться на захист:
- теорія і технологія методу оперативного фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень;
- способи та результати експериментальних досліджень характеру і величин геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ різних типів, та можливість їх апроксимації поліномами;
- методика та результати калібрування збільшень РЕМ провідних фірм світу;
- практичні рекомендації щодо застосування методів РЕМ-стерео-фотограмметрії для якісних і кількісних досліджень мікроповерхонь твердих тіл.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:
- розроблений метод отримання та фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень дозволяє встановлювати оптимальні параметри РЕМ-знімання, виявляти характер і величини геометричних спотворень РЕМ-зображеь та можливість їх врахування, а також забезпечує швидке та оперативне отримання просторових кількісних характеристик мікроповерхонь дослідних об’єктів з необхідною точністю, використовуючи фотограмметричні прилади та засоби обчислювальної техніки;
- отримані експериментально голографічні (дифракційні) тест-сітки з високою роздільною здатністю (1370 лін/мм, 3530 лін/мм) дозволяють калібрувати збільшення РЕМ в діапазоні збільшень 1000ґё100000ґ з точністю ±1ё2% та встановлювати метричні характеристики РЕМ-зображень при збільшеннях від 1000ґ до 50000ґ.
Розроблені в дисертаційній роботі методи застосовувались для калібрування РЕМ та проведення кількісних досліджень мікроповерхонь різноманітних об’єктів (шліфовані металеві поверхні деталей машин, геологічні породи, грунти, еритроцити крові тощо) в МДУ ім.М.Ломоносова, НДІ цивільної авіації, НДІ проблем міцності матеріалів (усі м.Москва, Росія), НДІ напівпровідників НАН України (м.Київ), Львівському державному університеті ім. Івана Франка, Державному університеті “Львівська політехніка”.
Апробація роботи.
Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Всесоюзних конференціях з електронної мікроскопії (м.Суми, 1982, 1987), Всесоюзних симпозіумах з растрової електронної мікроскопії і аналітичних методів досліджень твердих тіл (м.Москва,1984, 1986), Всеукраїнській науково-практичній конференції “Основні напрямки розвитку фотограмметрії і дистанційного зондування в Україні” (м.Київ, 1995 р.), науково-практичній конференції “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні” (м.Львів, 1996 р.), 1-му міжнародному симпозіумі з фотограмметрії та геоінформаційних систем і технологій (м.Львів, 1997 р.), міжнародній науково-технічній конференції (м.Львів, 2000 р.), наукових конференціях державного університету “Львівська політехніка” (м.Львів, 1977-1999 рр.).
Особистий внесок автора в роботу.
Теоретичні положення та технологія методу оперативного фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень розроблені автором самостійно. Ідея автора про створення тест-сітки з високою роздільною здатністю голографічним способом для калібрування збільшень РЕМ і визначення метричних характеристик РЕМ-зображень практично реалізована за допомогою д.т.н. Костишина М.Т та к.т.н. Романенка П.Ф. у Київському НДІ напівпровідників НАН України. Дослідження геометричних спотворень РЕМ-зображень, калібрування збільшень РЕМ та дослідження стабільності їх роботи, способи практичного застосування РЕМ-стереофотограмметрії для кількісної оцінки мікроповерхонь твердих тіл виконані автором у співавторстві з проф., д.т.н. Мельником В.М., д.г.-м.н. Соколовим В.М., к.т.н. Шебатіновим М.П., програмне забезпечення роботи - за допомогою доц., к.т.н. Тумської О.В. та доц., к.т.н. Глотова В.М.
Публікації. Основний зміст дисертації відображений у 10 опублікованих роботах.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 155 сторінках і складається зі вступу, 3 розділів, висновку, списку літератури із 115 позицій. В роботі є 36 рисунків, 10 таблиць, додаток.
Автор глибоко вдячний своєму вчителю професору, доктору технічних наук Фінковському В.Я. за постійну творчу підтримку, науковому консультанту проф., д.т.н. Мельнику В.М. за практичну допомогу, цінні поради і консультації на всіх етапах виконання роботи, професору Московського державного університету ім.М.Ломоносова Соколову В.М. за надану можливість РЕМ-знімання та цінні поради щодо практичного застосування методів РЕМ-фотограмметрії для кількісних досліджень мікроповерхонь твердих тіл, д.ф.-м.н. Петрову В.І., д.ф.-м.н. Прикарпатському А.К., д.т.н. Шанявському А.А., к.т.н. Шебатінову М.П. за творчу співпрацю та консультації, своїм колегам по кафедрі аерофотогеодезії проф., д.т.н. Дорожинському О.Л., доцентам Гудзу І.М., Бурштинській Х.В., Міщенко І.І., Тумській О.В., Туруку Д.М., Глотову В.М., старшим викладачам Москаль Н.М., Процику М.Т. за цінні зауваження та пропозиції. Велика подяка моїм молодшим колегам по кафедрі асистентам Бабій Л.В., Грицьківу Н.З., Колбу І.З., Лелюху Д.І., інженеру-програмісту Мусі І.М., завідуючим лабораторіями Ільківу Т.Я, Єршову А.Г., Николину Б.І, Хляну Я.В, інженеру Чорній Л.В., студенту-лаборанту Майорову Г.Є. за їх допомогу в технічному оформленні дисертації.
Окрема щиросердечна подяка професорам Костецькій Я.М., Шевченку Т.Г. та Шинкаренку Г.А. за працю по рецензуванню роботи та цінні зауваження щодо її покращення, а також професору Могильному С.Г. та співробітникам Донецького державного технічного університету за цінні зауваження і поради при апробації роботи у провідній організації.
Зміст дисертації.
У вступі обгрунтована актуальність теми, її зв’язок з науковою тематикою кафедри, наукова новизна, сформована мета, основні задачі та об’єкт дослідження, приведені основні положення, що виносяться на захист, практичне значення одержаних результатів, а також дані про апробацію роботи, кількість публікацій, структуру та обсяг дисертації. Окрім цього, приведений короткий огляд літератури з питань, пов’язаних з розробкою та практичним застосуванням методів стерео-фотограмметрії у електронній мікроскопії. Відзначено фундаментальний внесок в розробку теорії та практики електронно-мікроскопічних досліджень, насамперед д.т.н., проф. Мельника В.М., а також багатьох вітчизняних та зарубіжних вчених.
У першому розділі викладені теоретичні положення методу та експериментальна оцінка його точності. Проблема РЕМ-стереофотограмметрії полягає у виборі математичної моделі, яка давала б можливість адекватно відтворити реальну просторову картину мікроповерхні дослідного об’єкта за його РЕМ-зображеннями. Для цього, насамперед, необхідно встановити закономірності геометрії побудови самих РЕМ-зображень. У стереофотограмметричних методах опрацювання РЕМ-зображень, розроблених зокрема проф., д.т.н. Мельником В.М., доц., к.т.н. Калантаровим Є.І. та ін. використані відомі у фотограмметрії моделі, які базуються на проективних та перспективно-афінних перетвореннях, в основу яких покладені рівняння проективної колінеарності та компланарності.
В розробленому автором методі ця проблема вирішена на підставі твердження про ортогональність проектування мікроповерхні об’єкта при формуванні її РЕМ-зображення та отриманих на основі нього формул взаємозв’язку між координатами точок мікрозображення та об’єкта.
Виконані артором численні дослідження за тестовими РЕМ-стереопарами мікроповерхні лесових грунтів дали однозначну відповідь про геометрію побудови зображення в РЕМ і підтвердили коректність отриманих у явному вигляді формул зв’язку просторових координат точок мікроповерхні дослідного об’єкта з відповідними їх координатами на РЕМ-знімках для трьох основних випадків РЕМ-знімання: рівномірно-відхиленого, нормально-конвергентного та конвергентного. Таким чином, встановлено, що РЕМ-зображення мікроповерхні твердого тіла (за умови відсутності геометричних спотворень зображення) є збільшеною в М крат ортогональною проекцією ділянки його сканування. Умову практичної відсутності геометричних спотворень РЕМ-зображень можна виконати, якщо за допомогою РЕМ-знімків тест-сіток визначити їх характер, величини і врахувати при кількісній обробці РЕМ-стереопар дослідних об’єктів. Цей висновок автором підтверджений дослідженнями, описаними в розділі 2.
Покажемо геометрію побудови зображення в РЕМ графічно на рисунках. Якщо сканувати об’єкт досліджень, поверхня якого плоска і приблизно паралельна до площини гоніометричного столика при початковому його горизонтальному положенні (a=0°), і межі сканування об’єкта мають форму квадрата AоBоCоDо, то на моніторі РЕМ з встановленим збільшенням М отримаємо відповідне зображення aobocodo, яке перефотографовуємо в масштабі 1:1 на фотоплівку, отримуючи РЕМ-знімок (рис.1а)
В цьому випадку справедливими є співвідношення плоских координат:
(1)
де Xo, Yo - просторові координати точок дослідного об’єкту при a=0°,
хо, уо - відповідні їм координати точок на РЕМ-знімку,
М - збільшення (масштаб) РЕМ-знімка.
За початок систем координат (просторової об’єкта О і плоскої знімка о) вибирають характерну точку мікроповерхні в центральній частині або в лівому нижньому куті РЕМ-знімка. При нахилі об’єкта на гоніометричному столику РЕМ навколо осі Yo на кут a на екрані монітора відбувається ортогональне проектування квадратної ділянки сканування AoBoCoDo на умовну горизонтальну площину, в результаті якого отримуємо її у формі прямокутника ABCD і відповідне йому зображення на РЕМ-знімку abcd (рис.1б). Співвідношення координат тут аналогічне:
, де (2)
Аналогічно при нахилах гоніометра з об’єктом навколо осі Хо на кут w (рис.1в) ці співвідношення наступні:
де (3)
Для визначення просторових координат точок мікроповерхні об’єкта X,Y,Z(h) необхідне їх вимірювання по стереомоделі за двома РЕМ-знімками на стереокомпараторі та обчислення результатів вимірів за відповідними формулами в
залежності від умов РЕМ-знімання. Автором отримані відповідні формули для трьох основних випадків РЕМ-знімання:
рівномірно-відхиленого (-aл=aп , wл=wп=kл=kп=0°);
нормально-конвергентного (aл= 0°, a № 0°, wл=wп=kл=kп=0°);
конвергентного (aл№aп№0°, wл=wп=kл=kп=0°).
Геометрія виводу формул показана на рис.2 для прикладу рівномірно-відхиленого випадка РЕМ-знімання.
На підставі геометричних співвідношень відповідних відрізків (рис.2) отримані формули зв’язку просторових координат точок мікроповерхні об’єкта X,Y,Z(h) як функції виміряних координат точок РЕМ-знімка x,y, паралаксів точок Dр, кутів нахилу знімків a та їх збільшень (масштабу) М вздовж координатних осей знімка х,у. Ці формули для різних випадків РЕМ-знімання мають вигляд (див. формули (4)ё(6)).
а) рівномірно-відхиленого: в) конвергентного:
(4) (6)
б) нормально-конвергентного: У формулах (4)ё(6):
(5) (7)
З формул (4)-(6) отримані формули середніх квадратичних похибок, що характеризують теоретичну точність визначення просторових координат точок мікроповерхні дослідного об’єкта. Приймаючи величини середніх квадратичних похибок, які входять у формули (4)ё(6), зокрема, mx,y=0.03 мм, mM =0.01M, ma=0.1°, були обчислені теоретичні значення точностей mX , mY , mZ(h) для різних параметрів РЕМ-знімання і перепаду висот мікрорельєфу, і які представлені в роботі у вигляді графіків, приклад одного з яких приведений на рис.3
Оскільки сьогодні в Україні у практичній РЕМ-фотограмметрії немає високоточних просторових тест-об’єктів субмікронних розмірів, за допомогою яких можна було б виконати оцінку точності розробленого методу класичним шляхом, автору довелось її виконати іншим способом, суть якого полягала в наступному.
На РЕМ “Hitachi”S-800 були отримані РЕМ-знімки мікроповерхні лесового грунту при кутах нахилу гоніометричного столика від 0° до 10° з інтервалом 2° та двох значеннях збільшень - 1000ґ і 3000ґ. З числа знімків зі збільшенням 1000ґ сформовано чотири стереопари з комбінаціями кутів нахилів: лівий знімок a =0°, а праві послідовно a =4°,6°,8°10° та аналогічно чотири стереопари зі знімків, збільшених у 3000ґ. Тим самим, було змодельовано нормально-конвергентний випадок РЕМ-знімання. Аналогічно з цих же знімків змодельовано і конвергений випадок РЕМ-знімання: по три стереопари зі знімків з кутами нахилів - лівий - a=4°, а праві -a=6°,8°,10° та збільшеннями 1000ґ і 3000ґ. На кожній стереопарі вибирались та вимірювались на стереокомпараторі одні і ті ж характерні точки мікроповерхні лесового грунту (в кількості від 25 до 50 залежно від серії експерименту і збільшення знімків). Далі на ПК за формулами (5) або (6) (залежно від змодельованого виду РЕМ-знімання) обчислювались їх просторові координати X,Y,Z(h) з врахуванням геометричних спотворень РЕМ-знімків, які в свою чергу визначались за допомогою калібрувальних тест-сіток. Таким чином координати кожної точки визначалась 4 рази зі стереомоделей нормально-конвергентного випадку РЕМ-знімання і 3 рази - конвергентного. Причому необхідно відзначити, що вхідні параметри при обчисленнях просторових координат точок для кожної стереомоделі були різними, а саме: кути нахилу знімків та виміряні різниці паралаксів одноіменних точок відносно початкової, проте обчислені значення їх координат виявились близькими - в межах теоретичної точності для даних параметрів РЕМ-знімання. Остаточно оцінка точності виконувалась за різницями координат точок, отриманих по окремій стереомоделі від їх середніх значень, обчислених за всіма моделями. Усереднені результати середніх квадратичних похибок координат точок, обчислених з декількох серій вимірюваь приведені в табл. 1. Аналіз результатів експериментальних досліджень дає нам право зробити висновок про коректність теоретичних засад методу та виведених формул.
У другому розділі дисертації детально обгрунтовано та описано запропоновану автором технологію отримання та оперативного опрацювання РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу, зокрема: підготовчі роботи (приведення РЕМ та об’єктів досліджень до РЕМ-знімання), методику РЕМ-стереознімання, визначення дійсних збільшень (масштабу) РЕМ-зображень та дослідження величин і характеру їх геометричних спотворень за допомогою тест-сіток, апроксимацію спотворень поліномами, методику вимірювань РЕМ-стереопар на стереокомпараторі та отримання просторових кількісних параметрів мікроповерхні дослідних об’єктів.
Відомо, що в процесі формування РЕМ-зображення на кожному етапі його створення виникають спотворення його геометрії, які окремо визначити практично неможливо. Проте встановлено, що спотворення, викликані роботою систем
Таблиця 1
Результати дослідження експериментальної точності методу
Вид РЕМ-знімання К-сть тереомоделей Сер.к-сть вимір. точок на 1 моделі Ср.-кв.похибки обчислення координат Max абсол.відхилення координат від їх сер.зн.
mX, мкм mY, мкм mZ, мкм DX, мкм DY, мкм DZ, мкм
Нормально-конвергентний 4 теор. 0,05ё0,08 0,05ё0,08 0,9ё1,4 0,15 0,20 2,6
50 0,03ё0,05 0,03ё0,05 0,5ё0,7
Конвергентний 3 теор. 0,05ё0,08 0,05ё0,08 0,9ё1,4 0,20 0,25 2,9
50 0,03ё0,06 0,03ё0,06 0,7ё1,0
Нормально-конвергентний 4 теор. 0,02ё0,03 0,02ё0,03 0,5ё0,7 0,05 0,07 1,5
25 0,01ё0,02 0,01ё0,02 0,3ё0,5
Конвергентний 3 теор. 0,015 0,025 0,5ё0,7 0,06 0,08 2,0
25 0,01ё0,02 0,01ё0,02 0,4ё0,6
сканування поверхні зразка пучком електронів і систем розгортки РЕМ-зображення на екрані монітора РЕМ на один-два порядка більші від спотворень, що виникають при перефотографуванні його з екрану на фотоплівку внаслідок дисторсії об’єктиву фотоапарата, деформації фотоплівки тощо. Тому в роботі головну увагу зосереджено на встановленні величин і характеру спотворень кінцевого РЕМ-зображення в залежності, насамперед, від типу РЕМ та зміни параметрів РЕМ-знімання, а також на їх врахуванні методами поліноміальної апроксимації. Для виконання цих численних досліджень необхідно мати тест-сітки з різними роздільними здатностями. Для досліджень РЕМ-знімків при збільшеннях до 2000ґ використовувалась тест-сітка з r=200 лін/мм, яка виготовлена на замовлення проф. Мельника В.М. у Державному оптичному інституті ім.С.І.Вавілова. Однак для досліджень зображень при більших збільшеннях роздільна здатність цієї тест-сітки була недостатньою. Автором була запропонована ідея використання для отримання тест-сіток з високою роздільною здатністю фоторезистивного матеріалу метал-напівпровідник з застосуванням голографічного методу запису зображення, розробленому в НДІ напівпровідників АН України проф., д.т.н. Костишиним М.Т. та к.т.н. Романенком П.Ф. Таким чином, за їх допомогою були отримані тест-сітки з роздільною здатністю 1370 лін/мм та 3530 лін/мм, які дозволили (вперше на початку 80-х років у колишньому СРСР) визначати дійсні значення збільшень РЕМ в діапазоні від 2000ґ до 100000ґ з точністю 1-2%, а також встановлювати величини і характер геометричних спотворень РЕМ-зображень при збільшеннях до 50000ґ. В дисертаціїї приведені результати численних досліджень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу: “Hitachi”, “JEOL” (обі Японія), “Stereoscan” (Англія), “Quickscan” (США), “Tesla” (Чехія) при різних параметрах РЕМ-знімання: зміні збільшень, кута нахилу гоніометричного столика, його робочої відстані вздовж осі Z приладу. Характер і величини спотворень у кожного РЕМ різні, проте їм усім притаманна висока стабільність в широкому діапазоні
Таблиця 2
Результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень,
отриманих на РЕМ “Hitachi” S-800, поліномами різних видів
№ п/п Висота столи- ка Zмм Кут нахилу a°, Mґ Дійсні збільшення РЕМ-знімків Ср.кв.спотвор. на контр.точ. до апроксим. Ср.кв.спотворення після їх апроксимації поліномами
Загальн. виду n=10 Brown’а n=11 Ghosh’а n=4 Cкороченим n=6
Mx, крат Му, крат mDx, мкм mDy, мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм
1 2 3 4 5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 597.5 603.8 611.7 612.6 608.6 608.5 611.7 621.6 619.4 620.8 493.7 541.9 791.0 809.8 742.5 642.3 632.1 843.1 818.2 793.5 39.8 78.0 72.5 50.7 48.9 45.5 32.0 32.9 35.1 27.4 110.2 147.0 108.4 118.2 116.4 109.8 116.9 128.8 123.9 124.5 92.9 113.5 162.1 183.8 141.2 127.3 168.6 244.5 229.9 231.4 61.4 69.2 76.9 58.1 52.7 48.9 36.5 32.9 33.8 29.1
1 2 3 4 5 a=0° a=4° a=6° a=8° a=10° 610.4 606.3 607.8 605.1 604.7 617.5 615.2 618.4 616.7 619.1 490.4 512.7 648.5 715.4 573.5 713.7 695.2 748.4 815.2 721.8 41.3 47.4 51.2 54.9 43.7 64.0 57.5 44.3 55.4 60.6 120.6 115.4 112.7 109.9 113.3 126.7 117.5 124.8 118.4 121.7 136.7 143.5 156.8 148.7 171.3 192.6 201.4 220.6 187.9 196.1 40.8 47.5 54.4 56.6 45.2 57.0 59.1 52.9 58.7 62.3
1 2 3 4 5 3000ґ 5000ґ 10000ґ 20000ґ 25000ґ 1720.0 2883.5 5697.4 11400.0 14300.0 1750.2 2929.2 5859.8 11650.0 14446.0 519.6 460.3 559.6 583.4 487.8 394.0 398.8 319.9 465.2 458.6 70.6 34.2 55.1 115.3 115.0 64.5 25.1 63.9 88.5 107.1 111.6 111.5 130.1 157.4 251.6 303.0 146.1 127.4 213.6 241.7 83.1 77.3 108.1 243.7 293.6 134.4 116.9 191.8 236.3 255.8 80.9 55.2 79.8 132.8 138.6 57.7 27.9 64.8 88.6 94.3
Таблиця 3
Результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень поліномами різних видів
№ п/п Тип мікроскопа Дійсні збільшення РЕМ-знімків Ср.кв.спотвор. на контр.точ. до апроксим. Ср.кв.спотворення після їх апроксимації поліномами
Загальн. виду n=10 Brown’а n=11 Ghosh’а n=4 Cкороченим n=6
Mx, крат Му, крат mDx, мкм mDy, мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм , мкм
1 2 3 4 5 6 “Quickscan” (США) 1234.0 1234.5 1233.0 1327.0 1327.0 1327.0 1308.8 1309.0 1305.8 1408.0 1408.0 1408.0 303.3 305.1 316.7 291.4 317.6 349.9 482.7 436.2 487.0 459.2 527.9 619.7 29.2 73.6 31.8 34.7 49.5 64.7 26.8 27.6 21.9 37.5 50.4 49.2 53.4 88.1 63.7 64.5 86.4 94.1 46.7 52.5 57.0 72.4 67.3 97.5 228.0 250.7 256.2 216.5 240.0 251.9 264.8 235.1 277.6 267.4 312.5 347.5 33.5 63.9 32.1 36.4 51.6 66.9 33.2 34.0 31.0 39.9 56.4 53.6
1 2 3 4 5 JSM (Японія) 1031.4 1031.4 1240.0 1240.0 1240.0 1043.8 1043.8 1254.0 1254.0 1254.0 159.3 164.5 164.5 178.7 159.4 300.2 301.0 321.7 315.4 312.6 21.1 27.8 24.7 23.2 26.4 25.6 24.2 27.9 26.1 22.7 100.7 102.8 54.7 74.2 94.7 131.6 130.6 59.6 67.4 101.4 148.7 152.1 147.4 152.9 139.2 262.3 258.9 254.9 247.4 243.4 25.2 27.8 27.2 25.2 31.4 33.3 27.6 29.4 27.3 25.6
1 2 3 4 5 6 “Stereоscan” S4-10 (Англія) 344.9 416.0 897.0 915.1 995.8 1054.0 336.5 410.0 885.0 899.5 990.1 1049.0 325.6 313.2 176.5 143.5 129.5 116.4 441.9 424.7 182.5 140.9 304.9 210.1 50.7 37.2 31.7 32.2 45.1 42.1 49.4 44.4 29.5 18.9 225.7 35.4 138.3 65.4 57.9 62.5 85.5 62.4 124.8 112.4 87.5 96.2 286.7 89.7 281.7 194.9 147.6 106.1 123.6 104.9 307.4 256.9 169.5 111.2 302.0 193.7 92.4 41.1 34.2 42.1 72.5 46.5 65.3 47.6 31.5 36.6 231.5 39.4
робочих параметрів, тому спотворення РЕМ-зображень мають чітко виражений систематичний характер і їх легко можна врахувати при фотограмметричному опрацюванні РЕМ-стереопар. Це значно підвищує (не менш як на порядок) точність отримання просторових кількісних параметрів мікроповерхонь дослідних об’єктів. У таблицях 2, 3 приведені результати апроксимації геометричних спотворень РЕМ-зображень поліномами різних видів. Спільним для усіх видів РЕМ
є те, що в центральній ділянці зображення в радіусі 10-15 мм спотворення незначні - в межах 0.1-0.2 мм, а з наближенням до країв значно зростають, досягаючи 1-2 мм. Однак, як це видно з таблиць, їх легко апроксимувати поліномами, найкраще поліномом загального виду 3-ї степені, залишкові середні квадратичні похибки після апроксимації яким зменшуються на порядок - до величин 0.03-0.07 мм, співрозмірних з точністю вимірювання РЕМ-знімків. Характер і величини спотворень для їх графічної наочності (для РЕМ “Hitachi”) преставлені в роботі у вигляді векторних діаграм (див. рис.4б) та гістограм їх розподілу за величинами (±Dх, Dу) до і після апроксимації поліномом загального вигляду 3-ї степені.
У третьому розділі дисертації приведені приклади практичного застосування розроблених методів при дослідженнях різноманітних об’єктів. Тут приведені дослідження, що дозволили встановити оптимальні параметри РЕМ-знімання (збільшення М, кути нахилу знімків стереопари), які забезпечили дослідникам необхідну точність отримання кількісних просторових величин мікроповерхні об’єктів, зокрема таких, як параметри мікрошорсткості шліфованих металевих поверхонь (на прикладі внутрішніх поверхоньциліндрів поршнів двигунів різних марок автомобілів, див рис.4г). Також отримана ЦММР мікроповерхнілесового грунту, яку графічно представлено у вигляді мікроплану в горизонталях, аксонометричній тривимірній проекцяї (див рис.4 в,д,е) та у вигляді профілів з заданим напрямом і кроком перетину поверхні. Для графічного представлення мікроповерхні об’єкта використовувались широко поширені пакети програм GRID та SURFER. В цьому ж розділі подані результати досліджень біологічних об’єктів, зокрема фізичних властивостей еритроцитів крові та характеру руйнування зубної тканини людини (див.рис.4 є,ж). У дослідженні еритроцитів встановлено їх типи, дійсні розміри та якість крові; дослідження зубної тканини дозволили встановити величини її руйнування в ділянках дотику з металевими частинами зубної коронки.
Всі чисельні обрахунки прикладного характеру виконувались на ПЕОМ за формулами (4ё6) в залежності від способу та параметрів РЕМ-знімання.
Висновки
1. Розроблені теоретичні положення методів отримання і оперативного фотограмметричного опрацювання РЕМ-зображень та експериментально підтверджена їх ефективність для кількісної оцінки мікроповерхонь твердих тіл.
2. Отримані математичні залежності між просторовими координатами точок мікроповерхні і відповідними точками на РЕМ-стереознімках для трьох випадків РЕМ-знімання та експериментально підтверджена їх коректність.
3. Запропонована і практично реалізована ідея використання голографічного методу для отримання тест-сіток з високою роздільною здатністю (до 3500 лін/мм), необхідних для калібрування збільшень РЕМ та визначення метричних характеристик РЕМ-зображень.
4. Теоретично та експериментально досліджені геометричні властивості РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу в широкому діапазоні збільшень від 500ґ до 150000ґ. Зокрема встановлено:
а) РЕМ-зображенням притаманні значні геометричні спотворення (від 0.5 до 2.5 мм на краях знімка); вони мають систематичний характер і їх, як правило, ефективно можна апроксимувати поліномом загального виду 3-ї степені;
б) величини і характер цих спотворень суттєво не змінюються при змінах параметрів РЕМ-знімання (збільшення, кута нахилу гоніометричного столика, його положення вздовж осі Z приладу); вони залежать виключно від типу РЕМ, його метричних властивостей та технічних характеристик;
в) сучасні РЕМ можна вважати стабільно працюючими системами за умови дотримання технологічних режимів їх експлуатації.
5. Запропоновані способи практичної реалізації розробленого методу для визначення просторових параметрів мікроповерхонь твердих тіл при їх дослідженнях в різних галузях науки та виробництва: машинобудуванні, матеріалознавстві, геології, медицині.
Перелік праць за результатами дисертаційної роботи
Статті у наукових виданнях
1. Финковский В.Я., Мельник В.Н., Иванчук О.М. К теории фотограм-метрической обработки РЭМ-снимков // Геодезия и картография.-Москва.-1984.-№2.-С.29-33.
2. Мельник В.Н., Соколов В.Н., Шебатинов М.П., Иванчук О.М. Анализ погрешностей стереоизмерений в растровой электронной микроскопии // Изв. АН СССР. Сер.физическая.-1987.-№3.-С.468-474.
3. Мельник В.Н., Иванчук О.М., Максимюк Ю.Й. Калибровка геометрических искажений РЭМ-снимков // Геодезия и фотограмметрия.- Ростов н/Д: Рост.инж.-строит.ин-т.-1990.-С.37-44.
4. Іванчук О.М. Фотограмметричний метод оперативного опрацювання РЕМ-стереопар для кількісної оцінки мікроповерхонь твердих тіл // Вісник геодезії та картографії.-Київ.-1998.-№2.-С.51-53.
5.Шостак А.В., Іванчук О.М. Деякі питання фотограмметричного моделювання фрактографічних поверхонь // Геодезія, картографія та аерофотознімання.- Львів.- 1999.-№59.-С.89-94.
Праці в збірниках наукових доповідей симпозіумів та конференцій; депоновані праці
1. Мельник В.Н., Соколов В.Н., Иванчук О.М., Тумская О.В., ШебатиновМ.П. Калибровка геометрических искажений РЭМ-снимков.-Рук.деп. в ВИНИТИ.-1984.-№528.-18 с.
2. Мельник В.Н., Иванчук О.М., Соколов В.Н. Стереофотограмметрическая обработка РЭМ-изображений // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по РЭМ. М.-1984.-С.45.
3. Мельник В.Н., Иванчук О.М., Соколов В.Н. Метод фотограмметрии в РЭМ: теория, возможности, ограничения // Тезисы XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии. М.-1987.-С.523-524.
4. Іванчук О.М., Мельник В.М. Досдідження точності визначення збільшення (масштабу) РЕМ-знімків за допомогою тест-сіток з різною роздільною здатністю // Матеріали наук.-практ.конф.-Львів,-1996.-С.92-94.
5. Іванчук О.М. Вибір оптимальних параметрів РЕМ-знімання при дослідженнях шорсткості шліфованих поверхонь твердих тіл стереофото-грамметричним методом // Матеріали міжнар. наук. конф.- Львів.- 2000.-С.256-259.
Анотації
Іванчук О.М. Методи оперативного фотограмметричного опрацювання знімків, отриманих на растрових електронних мікроскопах.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.02 - фотограмметрія та картографія. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.
В дисертації представлено теорію та практику стереофотограмметричних методів отримання та опрацювання РЕМ-зображень. Приведені результати експериментальних досліджень величин і характеру геометричних спотворень РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ провідних фірм світу в широкому діапазоні параметрів РЕМ-знімання та підтверджена ефективність їх апроксимації поліномами. Приведені приклади застосування розроблених методів при електронномікроскопічних дослідженнях мікроповерхонь дослідних об’єктів в машинобудуванні, геології, медицині та отримання їх просторових кількісних параметрів з необхідною для дослідників точністю.
Ключові слова: растрова електронна мікроскопія, фотограмметрія, геометричні спотворення РЕМ-зображень, тест-сітки, стереомодель.
Иванчук О.М. Методы оперативной фотограмметрической обработки снимков, полученных на растровых электронных микроскопах.-Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.24.02 - фотограмметрия и картография. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2000.
В диссертации представлена теория и практика стереофотограмметрических методов получения и обработки РЭМ-изображений. В частности, приведены полученные в явном виде формулы связи пространственных координат точек микроповерхности исследуемого объекта X, Y, Z(h) с их координатами x, y на РЭМ-стереоснимках для 3-х основных способов РЭМ-стереосъемки: равномерно-отклоненного, нормально-конвергентного и конвергентного. Рассчитана теоретически и подтверждена экспериментально точность получения пространственных координат точек, которая зависит от увеличения (масштаба) снимков и точности с которой его можно определить, от углов наклона образца при съемке и точности их установки на шкале гониометра РЭМ, от точности измерения координат точек снимка на стереокомпараторе и от величины разностей измеренных параллаксов точек (т.е. от перепада высот микрорельефа поверхности). При известных параметрах РЭМ-съемки с точностью mM =0.01ё0.02М, ma=0.1°ё0.2°, mx,y=0.03ё0.05 мм можно определять пространственные количественные параметры микроповерхностей объектов с точностью:
при М=1000ґ, a=±3°ё6°- mX,Y=0.03ё0.05 мкм, mZ(h)=0.5ё1.0 мкм для Dh=±10 мкм; mZ(h)=0.3ё0.6 мкм для Dh=±1мкм;
при М=5000ґ - mX,Y=0.006ё0.010 мкм, mZ(h)=0.30ё0.50 мкм для Dh=±10 мкм; mZ(h)=0.08ё0.15 мкм для Dh=±1мкм;
при М=25000ґ - mX,Y=0.002ё0.005 мкм, mZ(h)=0.025ё0.050 мкм для Dh=±1 мкм; mZ(h)=0.008ё0.018 мкм для Dh=±0.1мкм.
В диссертации представлены результаты многочисленных исследований калибровки увеличений РЭМ в диапазоне от 100ґ до 100000ґ, а также определения величин и характера геометрических искажений РЭМ-изображений, полученных на РЭМ ведущих фирм мира: “Hitachi”, “JEOL”, “Stereoscan”, “Quickscan”, “Tesla” с помощью голографических тест-сеток с высокой разрешающей способностью (до 3530 лин/мм). Установлено, что искажения увеличения могут достигать до ±25% от установленых на шкале РЭМ, а их разномасштабность вдоль осей х,у снимка - 15% при точности калибровки увеличений с помощью тест-сеток - ±1ё2%. Геометрические искажения РЭМ-изображений также значительны и могут достигать на краях снимка до 2.5 мм, однако их величины и характер зависят только от метрических характеристик и качества юстировки РЭМ, оставаясь практически неизменными при изменениях параметров РЭМ-съемки: увеличения, угла наклона гониометра, его рабочего расстояния вдоль оси Z в течении длительного времени (порой до года), что говорит о значительном преобладании систематической составляющей искажений над случайной величиной и позволяет их учитывать путем использования полиномиальной апроксимации (лучше всего полинома общего вида 3-й степени).
В работе приведены практические примеры применения разработанных методов при электронномикроскопических исследованиях микроповерхностей различных объектов, в частности, при определении количественных параметров микрошероховатости, износа, эрозии шлифованных трущихся металлических поверхностей (внутренних поверхностей поршней и цилиндров двигателя автомобиля), при установлении характера микрорельефа и структуры различных типов лессовых грунтов, при исследованиях размеров и выявлении типов эритроцитов крови человека, а также характера и величин разрушения зубной ткани человека в местах соприкосновения с металлическими частями зубных протезов, коронок.
Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, фотограмметрия, геометрические искажения РЭМ-изображений, тест-сетки, стереомодель.
Ivanchuk O.M. Methods of efficient photogrammetric processing of imeges produced by scanning electronic microscope. Manuscript.
Thesis for a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.24.02 - photogrammetry and cartography, National university “Lvivska politeknika”, Lviv, 2000.
The theorie and practice of stereophotogrammetric methods of producing and processing of SEM-images is represented in the dissertation. The resullts of experimental invistigation of values and characters of geometrical distorsion of SEM-images produced on the SEM of known firms of the world in wide range of SEM-surveyingparameters are shown and effectiveness of their aproximation by polinomials is proved. The examples of developed methods application for SEM-invistigations of mierosurfaces of experimental objects in machinery construction, geology, medicine and producing of their spatial parameters with necessary for reseachers accuracy are presented.
Key words: scanning electron microscopy, photogrammetry, geometrical distorsions, SEM-images, test-grids, stereomodel.
Примітка. Рис.4 з тексту автореферату в електронному варіанті був вилучений, оскільки у форматі .rtf він займає дуже багато пам’яті і його неможливо було б помістити на одну дискету.