Аналіз параметрів зони плавки за допомогою приладів з електронним розгортанням зображення

Особливу роль в формуванні сигналу відіграє залежність ФПМ від величини Vm, оскільки вплив величин r0, rP, D враховується тільки на етапі розробки і при нормальній роботі вони не змінюються. Саме ця залежність лежить в основі переважної більшості спроб покращити характеристики піровідіконних приладів в режимі панорамування.

Після створення піровідіконного ПАОПЕРЗ коефіціент передачі контрасту є функцією тільки fx, tk і Vm, отже вихідний контраст також залежить від вказаних параметрів і визначається слідуючим чином

Квих(fx, Vm, tk)=G(fx, Vm, tk)Квх(fx), (13)

де G(fx, Vm, tk) -- коефіціент передачі контрасту.

Це співвідношення відкриває можливості або збільшити вихідний контраст для даної просторової частоти, або збільшити сумарну ширину ФПМ, що у відповідності із вибраним критерієм означає збільшення роздільної здатності.

Очевидно, що найбільшу сумарну ширину на рівні, який визначається пороговим контрастом, ФПМ має для такого значення швидкості V0, при якому вихідний сигнал максимальний. Оскільки ширина кривої ФПМ визначається значенням самої порогової просторової частоти, то fx0>fxi, де fxi -- просторова частота, що визначається точкою перетину кривої порогового контрасту та кривої ФПМ для швидкості Vi. Отже, піровідіконний прилад аналізу має найбільшу роздільну здатність при Vm=V0.

Нами запропоновано метод підвищення роздільної здатності, який полягає в тому, що робота піровідіконних приладів аналізу організується циклами тривалістю tк, а розгортка провадиться за час tp = tк/n, де n -- ціле число. Сигнали з мішені, кожний з яких утворений за час tp , підсумовуються за період циклу і утворюють повний відеосигнал, який у відповідності із структурою ПАОПЕРЗ подається на ВКП або в комп'ютер. Величина загального сигналу визначається тривалістю циклу, тобто залишається незмінною в порівнянні із звичайним методом, а величина "розтікання" рель'єфу l визначається часом tр, тобто у відповідності із виразом зменшується в разів.

Запропоновано алгоритм формування сигналу, який полягає в тому, що при першому зчитуванні зарядового рель'єфу фіксуються координати ненульових піксел і подальше підсумовування для них проводиться без обмежень. Та ж процедура в сусідніх (нульових в першому зчитуванні) пікселах починається з пропуском Кр розгорток, де Кр -- вибирається експериментально у відповідності до сюжету.

Отже, вихідний сигнал i-го елемента j-ї строчки формується таким чином

(14)

де c = KP.

Очевидно, що подальшого покращення роздільної здатності піровідіконних ПАОПЕРЗ можна досягти комбінацією розглянутих вище методів.

При цьому в результаті оптимізації швидкості переміщення зображення по мішені піровідікону досягається величина вихідного сигналу найбільша за даних умов (постійні яскравість об'єкту, характеристики середовища та приладу), а розтікання зарядового рельєфу зменшується за рахунок скорочення часу формування кадру, внаслідок чого підвищується роздільна здатність.

В межах цієї схеми може бути реалізований будь який із розглянутих алгоритмів формування сигналу.

В п'ятому розділі наведені матеріали експериментальних досліджень параметрів ЗП, які провадились за такими напрямками.

апробація методів, алгоритмів, програмного забезпечення та технічних засобів аналізу параметрів ЗП

встановлення порогових значень перепадів яскравості на границях ЗП кремнію

виявлення та дослідження особливостей ЗП, наприклад аномалій розвитку, пов'язаних з можливими дефектами електроду, фіксації та механізму переміщення зразка, порушеннями в системі живлення тощо

аналіз розподілу температурного поля на поверхні ЗП кремнію в твердій та рідкій фазах

встановлення вигляду функціональної залежності між висотою ЗП та температурою її поверхні

Виконані дослідження підтвердили ефективність застосування для аналізу параметрів ЗП розроблених методів, алгоритмів, технічних засобів та програмного забезпечення.

Експериментально встановлено, що при переході кремнію з твердої фази в рідку зменшення яскравості становить 0.28LТ, де LТ -- яскравість поверхні в твердій фазі. Отримане значення використане в алгоритмі визначення висоти ЗП, який побудований на визначенні відстані між точками, в яких яскравість нижньої і верхньої границь ЗП змінюються скачкоподібно.

Виявлення та дослідження особливостей ЗП дозволяють виправити дефекти конкретного пристрою та розробити відповідні заходи по їх запобіганню. Методика розв'язання цієї задачі базується на дослідженні симетрії ЗП, як візуально так і шляхом застосування алгоритму, побудованого на використанні формули (3). При цьому показано важливість візуалізації ЗП, яка дозволяє скласти більш повне уявлення про характер процесу та своєчасно виявити наближення аварійної ситуації.

Виявлено ефект віддзеркалення зображення електроду від поверхні рідкої фази у вхідну апертуру та запропоновано алгоритм компенсації його впливу на результат визначення висоти плавки.

Серед названих задач особливе значення має четверта, оскільки саме відсутність експериментальних даних про розподіл температурного поля на поверхні ЗП стримує подальший розвиток електронно-променевої технології БЗП. Отримання експериментальних даних про розподіл температурного поля дозволить розробити більш надійні методики прогнозування результатів плавки і вдосконалити систему формування електронного пучка.

Розподіл температурного поля (яскравості власного випромінювання) на поверхні зразка в твердій фазі визначається розподілом щільності електронів в перерізі електронного пучка, який бомбардує поверхню, а в рідкій фазі ще й конвективними процесами в об'ємі зони очистки. Природньо, що між температурними полями в твердій та в рідкій фазах існують значні відмінності.

Картина розподілу яскравості по поверхні зразка кремнію у твердій фазі, яка спостерігається візуально в стадії нагріву. В межах прямокутника видно світлу ділянку, утворену власним випромінюванням -- це формується ЗП.

Подано відповідну діаграму розподілу яскравості, визначену за допомогою ПАОПЕРЗ (в умовних одиницях). Розподіл яскравості відтворює розподіл щільності електронного пучка.

При фазовому переході картина розподілу яскравості змінюється, зменшується і сигнал.

Вказана обставина пояснюється зміною коефіцієнту випромінювальної здатності кремнію (e=0.64 в твердому стані при температурі, близькій до температури фазового переходу, і e=0.46 в рідкому). Це враховано в програмі аналізу розподілу температури по поверхні кристалу в твердій фазі, який провадиться відповідно з формулою (9) при e=0.64, а після переходу в рідку фазу -- при e=0.46 в межах ЗП.

Обертовий рух зразка дозволяє отримати картину розподілу температурного поля по всій поверхні ЗП шляхом формування послідовних векторних матриць відліків.

Застосування регресійного аналізу дозволило виявити наявність зв'язку і встановити функціональну залежність між температурою поверхні зони в рідкій фазі та значенням її висоти. Регресійне рівняння для ЗП кремнію, зображеної на рис.12 має такий вигляд

(15)

де TЛ -- середнє значення температур сукупності елементів поверхні ЗП, що формують векторну матрицю відліків вздовж координати h.

Започатковано формування банку цифрових зображень ЗП на різних стадіях її розвитку, що дозволить отримати більш повне уявлення про характер процесу плавки та сприятиме подальшому вдосконаленню електронно-променевої технології БЗП.

Загальні висновки

1. В дисертації вирішено важливу прикладну проблему підвищення точності одночасного аналізу геометричних параметрів ЗП і розподілу температури по її поверхні.

2. Запропоновано метод аналізу температурного поля на поверхні ЗП, який базується на визначенні апаратної константи в момент фазового переходу і враховує зміни яскравості при фазових переходах.

3. Запропоновано методи підвищення точності аналізу температурного поля на поверхні ЗП шляхом корекції впливу випромінюванням електроду та змін коефіцієнту пропускання ілюмінатора.

4. Синтезовано, апробовано і впроваджено в дослідну експлуатацію в Інституті електрозварювання імені Є.О.Патона комплекс апаратно-програмних засобів, який забезпечує аналіз висоти і форми ЗП, а також аналіз температурного поля на її поверхні в реальному масштабі часу за довільною траекторією.

5. Обгрунтовано перелік метрологічних характеристик ПАОПЕРЗ, які підлягають обов'язковому визначенню в межах дії концепції використання ПАОПЕРЗ для аналізу параметрів ЗП. Створено методики, алгоритми, автоматизований стенд та програми, застосування яких дозволило вперше отримати експериментальні результати щодо нерівномірності сигналу, діапазону лінійності, впливу швидкості переміщення зображення для передавальних камер на основі відіконів ЛИ437-1, ЛИ459 та ПЗЗ-камери OS25ii, що забезпечує їх використання для аналізу параметрів зони плавки.

6. Створено методологічні основи використання піровідіконних ПАОПЕРЗ для аналізу параметрів ЗП. Теоретично встановлена і експериментально підтверджена залежність роздільної здатності піровідіконного ПАОПЕРЗ від величини швидкості переміщення Vm зображення по мішені. Встановлено, що швидкість V0, при якій величина роздільної здатності максимальна, є функцією просторової частоти.

7. Розроблено системотехнічні та програмові методи підвищення роздільної здатності піровідіконних ПАОПЕРЗ за рахунок скорочення часу формування сигналу при збереженні загальної тривалості вимірювального циклу та створення умов, за яких Vm=V0 для даної просторової частоти. Розроблено і захищено авторськими свідоцтвами системотехнічні рішення вузлів формування зображення піровідіконних ПАОПЕРЗ, які враховують специфіку формування заряду на піромішені і забезпечують підвищення роздільної здатності.

8. Розроблені методики, технічні засоби та програмне забезпечення використані при експериментальних дослідженнях параметрів ЗП кремнію за безтигельною електронно-променевою технологією. Вперше отримано експериментальні криві розподілу температури на поверхні ЗП по довжині кристалу і регресійне рівняння, яке встановлює зв'язок між температурою поверхні зони в рідкій фазі та значенням її висоти. Експериментально встановлена величина перепаду яскравості при переході з твердої фази в рідку.

9. Започатковано формування банку цифрових зображень ЗП на різних стадіях її розвитку, що дозволить отримати більш повне уявлення про характер процесу БЗП.

Основні роботи

1. Порєв В.А. Контроль оптичних полів приладами з електронним розгортанням зображення // Методи та прилади контролю якості.--1998.--№ 2.--С. 40-44.

2. Порєв В.А. Застосування приладів з електронним розгортанням зображення для аналізу параметрів зони плавки // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.--1998.--№ 3.--С. 25-34.

3. ПоревВ.А. Контроль процесса зонной очистки с использованием телевизионных приборов // Дефектоскопия.- 1997.- № 6.- С. 50-51.

4. Порев В.А. Телевизионный анализатор температурных микрополей // Приборы и техника эксперимента.--1998.--№ 1.--С. 157-158.

5. Порєв В.А. Експериментальне дослідження нерівномірності сигналу в приладах з електронною розгорткою зображення // Наукові вісті НТУУ "КПІ".--1998.--№ 1.--С. 76-78.

6. Порев В.А., Воронков В.Н. Экспериментальное определение характеристик телевизионной системы на пировидиконе // ВОТ, сер.XII.--1988.--Вып. 1(42).--С. 55-56.

7. Порєв В.А., Тавальбех Ф.М. Автоматизований комплекс для дослідження характеристик телевізійних засобів контролю // Методи та прилади контролю якості.--1998.--№ 2.--С. 88-92.

8. Порев В.А., Колобродов В.Г., Борисюк А.А. О дальности обнаружения тепловизионной системы на основе пировидикона // ВОТ, сер. XII.--1987. -- Вып. 3(40).--С. 35-37.

9. Порєв В.А., Порєв Г.В., Тавальбех Ф.М. Визначення ефективної довжини хвилі телевізійних засобів контролю температурних полів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.--1997.--№ 2. -- С. 194-197.

10. Порев В.А., Куликова О.В. Исследование математической модели автоматизированной телевизионной системы контроля // Проблемы управления и информатики. -- 1998.--№ 3.--С. 115-118.

11. Порєв В.А., Кулікова О.В. До питання про вимірювання температури стрижня, оточенного яскравим джерелом випромінювання кільцеподібної форми // Наукові вісті НТУУ "КПІ".--1998.--№ 3.--С. 122-124.

12. Порєв В.А. Відеомікроскопія // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.--1998.--№ 1.--С. 194-197.

13. Порев В.А. Применение телевизионных средств для контроля параметров зонной очистки // Техническая диагностика и неразрушающий контроль.--1998.--№ 2.--С. 30-31.

14. Патент 15294А, Україна, МКИ H04N7/02. Телевізійний пристрій для аналізу температурних полів об'єктів / В.А. Порєв (Україна); НТУУ “КПІ”--№94076432; заявл. 28.07.94; опубл. 30.06.97. Бюл. № 3.

15. А.с. 273645 СССР, МКИ H04N5/33. Пироэлектрическая телевизионная система. / В.А. Порев (СССР)--№3151962; заявл. 30.09.86; опубл. 03.05.88.

16. Патент 25710А, Україна, МКИ G01N24/08. Пристрій для контролю параметрів плавки / В.А. Порєв, Л.Ф. Чупровський, М.В. Білоус та ін. (Україна); НТУУ “КПІ”--№95114982; заявл. 23.11.95; опубл. 30.10.98.

17. А.с. 301343 СССР, МКИ H04N5/14. Тепловизионная система. / В.А. Порев, В.Г. Колобродов, (СССР)--№3186008; заявл. 01.12.87; опубл. 02.10.89.

18. А.с. 259281 СССР, МКИ H01J31/49. Устройство для анализа температурных полей. / В.А. Порев, А.А. Борисюк, О.В. Васильева, В.Г. Колобродов, Л.А. Резник (СССР)--№3151586; заявл. 22.09.86; опубл. 03.09.87.

19. А.с. 275619 СССР, МКИ H01J31/49. Прибор для анализа полей яркости. / В.А. Порев, М.Ю. Маулик, В.А. Остафьев, В.Г. Колобродов (СССР)--№ 3161397; заявл. 22.01.87; опубл. 01.06.88.

20. А.с. 304741 СССР, МКИ H04N5/33. Телевизионная система на пировидиконе. / В.А. Порев, И.В. Бойко, В.В. Клочко (СССР)--№3193279; заявл. 26.02.88; опубл. 01.12.89.

21. А.с. 301444 СССР, МКИ H04N5/33. Пироэлектрическое телевизионное устройство. / В.А. Порев, И.В. Бойко (СССР)--№ 3191792; заявл. 08.02.88; опубл. 02.10.89.

22. А.с. 282856 СССР, МКИ H04N5/33. Пироэлектрическая телевизионная система. / В.А. Порев, И.В. Бойко (СССР) -- № 3175852; заявл. 07.07.87; опубл. 03.10.88.

23. А.с. 294008 ССР, МКИ H04N5/33. Тепловизионная системи. / В.А. Порев, В.Г. Колобродов (СССР) -- № 3148399; заявл. 30.07.86; опубл. 01.06.89.

24. А.с. 293345 СССР, МКИ H04N5/33. Способ воспроизведения изображения. / М.Ю. Маулик, В.А. Порев, В.И. Фомина (СССР) -- № 3201398; заявл. 07.06.88; опубл. 03.05.89.

25. А.с. 263018 СССР, МКИ H01J31/49. Устройство для анализа температурных полей. / В.А. Порев (СССР)--№3157904; заявл. 17.12.86; опубл. 01.10.87.

26. Патент 25647А, Україна, МКИ H01J29/45. Передавальна телевізійна трубка з піроелектричною мішенню / В.А. Порєв, Кулікова О.В. (Україна); НТУУ “КПІ”--№96104039; заявл. 24.10.96; опубл. 30.10.98.

27. Porev V., Borovitsky V. Increased Temperature Accuracy Of The Cathode Ray Tube Camera Based On Digital Signal Processing // International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices For Opto-, Micro-, and Quantum Electronics.-SPIE.-1995.-P.617-621.

28. Порєв В.А., Тавальбех Ф.М. Автоматизований комплекс для дослідження лінійності телевізійних засобів контролю // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования".--Харьков : ХТУРЭ.--1998.--с. 317.

29. Порєв В.А. Автоматизована система контролю параметрів зонної плавки // Збірник наукових праць IV Української конференції з автоматизованого управління “Автоматика-97”.--Черкаси: ЧІТІ.--1997.--т. 4.--с. 44.

30. Порев В.А., Ярошинская Л.А. Пространственно-частотная характеристика пироэлектрической тепловизионной системы // Тезисы IV всесоюзной конференции "ТеМП-88".--Л.: ГОИ.--1988.-- С. 79-80.

31. Порев В.А., Лагодный В.И. Система дистанционного контроля температурных полей с распределёнными параметрами // Тезисы докладов 2-й международной конференции "Теория и техника передачи, приёма и обработки информации". -- Туапсе: ХТГУРЕ.--1996. -- С. 141.

32. Porev V. Device for remote checking of temperature fields // Abstracts of reports of international conference “Heat and mass transfer in technological processes”. -- Jurmala: KVIRTU.--1991. -- p. 180.

33. Porev V., Kulikova O. The Mathematical Simulation for the Temperature Fields Research // Proceedings of fourth Ukraine-Russia-China Symposium on Space Science and Technology.--Kyiv: NSAU.--1996.--P. 788-790.

Размещено на Allbest.ru