Photonics RussiaPhotonics RussiaФотоника1993-72962686-844XTechnosphera JSC64603310.22184/1993-7296.FROS.2024.18.8.622.628Optical Devices & SystemsОптические устройства и системыResearch ArticleConfocal Hyperchromatic Optical System With the Enhanced Energy CharacteristicsКонфокальная гиперхроматическая оптическая система с повышенными энергетическими характеристикамиhttps://orcid.org/0000-0003-2000-6226ZavyalovaMarina A.ЗавьяловаМарина Андреевна
Russian Federation

PhD in technical sciences, senior researcher

к. т.н, старший научный сотрудник

mzav@tdisie.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6222-5000ZavyalovPyotr S.ЗавьяловПетр Сергеевич
Russian Federation

PhD in technical sciences, director

к. т. н., директор

zavyalov@tdisie.nsc.ruSoldatenkoAleksey V.СолдатенкоАлексей Владимирович
Russian Federation

1st grade developer

конструктор 1 категории

tok9_11@mail.ruTechnological Design Institute of Scientific Instrument Engineering of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (TDI SIE SB RAS)Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН (КТИ НП СО РАН)201220241886226281201202512012025Copyright ©; 2024, Zavyalova M.A., Zavyalov P.S., Soldatenko A.V.Copyright ©; 2024, Завьялова М.А., Завьялов П.С., Солдатенко А.В.2024Zavyalova M.A., Zavyalov P.S., Soldatenko A.V.Завьялова М.А., Завьялов П.С., Солдатенко А.В.https://journals.eco-vector.com/1993-7296/article/view/646033

A new concept of a confocal sensor designed to measure the displacements and surface microprofiles of the optical transparent media is proposed. The sensor is based on a superluminescent diode and a hyperchromatic lens. The sensor uses a multimode fiber-optic coupler and a radiation source with a spectral width of 40 nm. The displacement and elevation difference of the object are determined by measuring the spectrum of radiation reflected from the surface, with isolation of the dominant wavelength using the special software algorithms and implementation of the confocality principle of the sensor’s optical scheme.

Предложена новая концепция конфокального датчика, предназначенного для измерения смещений и микропрофиля поверхности оптических прозрачных сред. Датчик построен на основе суперлюминесцентного диода и гиперхроматического объектива. В датчике используется многомодовый волоконно-оптический каплер и источник излучения с шириной спектра 40 нм. Смещение и перепад высот объекта определяются измерением спектра излучения, отраженного от поверхности, с выделением доминирующей длины волны с помощью специальных программных алгоритмов и реализации принципа конфокальности оптической схемы датчика.

non-contact optical measurementshyperchromatic systemsconfocal methodchromatic encoding methodбесконтактные оптические измерениягиперхроматические системыконфокальный методметод хроматического кодированияNelyubin I. V., Putrya M. G. Osobennosti kontrolya trekhmernogo profilya elementov i struktur nanorazmernyh IS. Obzor. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektronika. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561-5405-2023-28-3-298-325. Нелюбин И. В., Путря М. Г. Особенности контроля трехмерного профиля элементов и структур наноразмерных ИС. Обзор. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2023; 28(3): 298–325. DOI: 10.24151/1561-5405-2023-28-3-298-325.Zavyalova M. A., Soldatenko A. V., Kokarev S. A. Precision position sensor for operational control of laser synthesis of microstructures on three-dimensional surfaces of optical materials. Instruments and experimental technique. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X. Завьялова М. А., Солдатенко А. В., Кокарев С. А. Прецизионный датчик положения для оперативного контроля лазерного синтеза микроструктур на трехмерных поверхностях оптических материалов. Приборы и техника эксперимента. 2023; 3: 80–90. DOI: 10.31857/S003281622302012X.Kol’cova I. A., Grudina N. V. Sinergiya trekhmernogo proektirovaniya, kontrolya kachestva 3D-modelej, cifrovyh tekhnologij v koncepcii «industriya 4.0». Avtotraktorostroenie i avtomobil’nyj transport: Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Minsk. 2022 goda. – Minsk: Belorusskij nacional’nyj tekhnicheskij universitet. 2022; 321–328. Кольцова И. А., Грудина Н. В. Синергия трехмерного проектирования, контроля качества 3D-моделей, цифровых технологий в концепции «индустрия 4.0». Автотракторостроение и автомобильный транспорт: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. Минск. 2022 года. – Минск: Белорусский национальный технический университет. 2022; 321–328.Orji N. G., Badaroglu, M, Barnes B. M. et al. Metrology for the next generation of semiconductor devices. Nat. Electron. 2018;1:532–547. DOI: 10.1038/s41928-018-0150-9.Zhang W., Xu J., Wang S. et al. Metrology challenges in 3D NAND flash technical development and manufacturing. Journal Microelectron. Manuf. 2020; 3(3):1–8. DOI: 10.33079/jomm.20030102.Borghello G., Lerario E., Faccio F. et al. Ionizing radiation damage in 65 nm CMOS technology: Influence of geometry, bias and temperature at ultra-high doses. Microelectronics Reliability. 2021; 116: 114016. DOI: 10.1016/j.microrel.2020.114016.Kapłonek W., Sutowska M., Ungureanu M., Çetinkaya K. Optical profilometer with confocal chromatic sensor for high-accuracy 3D measurements of the uncirculated and circulated coins. Journal of Mechanical and Energy Engineering. 2018; 2, 3 (Dec.): 181–192. DOI: 10.30464/jmee.2018.2.3.181.Wertjanz D., Kern Th., Csencsics E., Stadler G., Schitter G. Compact scanning confocal chromatic sensor enabling precision 3-D measure ments. Appl. Opt. 2021; 60: 7511–7517. DOI: 10.1364/AO.428374.Bai J, Li X, Wang X, Zhou Q, Ni K. Chromatic Confocal Displacement Sensor with Optimized Dispersion Probe and Modified Centroid Peak Extraction Algorithm. Sensors. 2019; 19(16):3592. DOI: 10.3390/s19163592.Zavyalova M. A., Zavyalov P. S. Hyperchromatic Lens for Fiber Confocal Surface Sensors Modeling and Calculation Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.80.90. Завьялова М. А., Завьялов П. С. Моделирование и расчет гиперхроматических объективов для волоконных конфокальных датчиков поверхности на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2017; 5 (65): 80–90. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.80.90.Zavyalova M. A., Zavyalov P. S., Savchenko M. V. Experimental Studies of Fiber Confocal Sensor Based on Chromatic Coding Method. Photonics Russia. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.7.598.609. Завьялова М. А., Завьялов П. С., Савченко М. В. Экспериментальные исследования волоконного конфокального датчика на основе метода хроматического кодирования. Фотоника. 2021;15(7):598–609. DOI:10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.7.598.609.SLD-790-14BF Superluminescent Diode by Nolatech. URL: https://www.gophotonics.com/products/superluminescent-diodes/nolatech/59-234-sld-790-14bfZav’yalova M.A., Zav’yalov P.S., Koverznev D. A., Hakimov D. R. Giperhromaticheskie elementy dlya volokonnyh konfokal’nyh izme-ritel’nyh sistem. HOLOEXPO 2023: 20-ya Mezhdunarodnaya konferenciya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam: Tezisy dokladov. 2023;2: 273–280. Завьялова М. А., Завьялов П. С., Коверзнев Д. А., Хакимов Д. Р. Гиперхроматические элементы для волоконных конфокальных изме-рительных систем. HOLOEXPO 2023: 20-я Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов. 2023;2: 273–280.Verhoglyad A. G., Zav’yalova M. A., Kachkin A. E. et al. Krugovaya lazernaya zapisyvayushchaya sistema dlya formirovaniya fazovyh i amplitudnyh mikrostruktur na sfericheskih poverhnostyah. Datchiki i sistemy. 2015; 9–10(196):45–52. Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Качкин А. Е. и др. Круговая лазерная записывающая система для формирования фазовых и амплитудных микроструктур на сферических поверхностях. Датчики и системы. 2015; 9–10(196):45–52.