|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Разработка алгоритмов решения обратной задачи контроля процессов напыления оптических нанопокрытийНИР
Algorithms for solving inverse problem in monitoring of nanoscale optical coatings deposition
- Руководитель НИР: Ягола А.Г.
- Ответственный исполнитель: Кочиков И.В.
- Участники НИР: Исаев Т.Ф., Лагутин Ю.С., Лагутина А.А., Лукьяненко Д.В., Матвиенко И.А., Смирнова Е.Н., Тихонравов А.В., Шарапова С.А.
- Подразделение: 4.14.Лаборатория вычислительного эксперимента и моделирования
- Срок исполнения: 16 мая 2019 г. - 31 декабря 2020 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-11-10219П
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119083090088-1
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным исследованиям в различных областях знаний и в нанотехнологиях
- ПН России: Информационно-телекоммуникационные системы
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
-
Ключевые слова:
априорная информация, апостериорные оценки, оптический контроль, некорректно поставленные задачи, регуляризирующие алгоритмы
aposteriori estimates, ill-posed problems, regularizing algorithms, optical coatings, optical monitoring, deposition, nanotechnologies, apriori information -
Описание:
Разработка эффективных алгоритмов решения обратных задач контроля процесса напыления оптических нанопокрытий является ключевой проблемой для дальнейшего совершенствования наиболее сложных покрытий с десятками и сотнями слоев, являющимися важнейшими элементами для практически всех современных систем в оптике, оптоэлектронике, лазерной технике, телекоммуникационной технике, лазерной литографии и многих других высокотехнологичных областях. Актуальность этой проблемы определяется тем, что, с одной стороны, потребности в наиболее сложных многослойных покрытиях с уникальными спектральными свойствами постоянно растут, а, с другой стороны, тем, что новейшие достижения в технологиях напыления покрытий и в развитии систем контроля процесса напыления обеспечивают потенциальную возможность существенного повышения точности контроля данного процесса за счёт применения новых эффективных алгоритмов обработки данных измерений в режиме on-line. Научная новизна проекта состоит в том, что алгоритмы решения обратных задач контроля процесса напыления будут ориентированы на использование принципиально новых схем оптического контроля (мониторинга), которые стали возможными в самое последнее время благодаря существенному продвижению в развитии аппаратной базы систем оптического мониторинга. Помимо этого, в рамках проекта впервые ставится вопрос о разработке математического аппарата для априорной оценки перспективности различных методов оптического мониторинга и сравнения их ожидаемой эффективности.
-
Abstract:
The development of effective algorithms for solving inverse problems of deposition control of optical nanocoatings is a key problem for a further improvment in the most complicated coatings with dozens and hundreds of layers. Such coatings are essential elements of almost all modern systems in optics, optoelectronics, laser technology, telecommunications technology, laser lithography and many others high-tech areas. The urgency of this problem is determined , on the one hand, by the permanently growing need for the most complicated multi-layer coatings with unique spectral properties.On the other hand, the latest advances in coating deposition technologies and in the development of deposition control systems provide a high potential for a significant increase in the accuracy of process control due to the application of new efficient algorithms for processing measurement data in the on-line mode. The novelty of the project is that the algorithms for solving inverse problems of deposition process control will be focused on using fundamentally new optical monitoring schemes, which have become possible most recently due to significant progress in the development of the optical monitoring systems. In addition, the project for the first time raises the question of developing a mathematical apparatus for an a priori assessment of the viability of various optical monitoring methods and comparing their expected performance.
-
Планируемые результаты:
Ожидаемые результаты включают в себя новые алгоритмы решения обратных задач контроля процесса напыления для систем широкополосного и монохроматического оптического мониторинга с использованием в процессе контроля нескольких чипов мониторинга. Использование таких систем дает возможность уменьшения влияния на аппаратном уровне негативного кумулятивного эффекта накопления ошибок процесса напыления. Результаты должны быть получены как для систем c последовательным использованием нескольких чипов мониторинга, так и для систем, предусматривающих возможность многократного перемещения отдельных чипов мониторинга в позицию контроля и обратно. Важнейшим ожидаемым результатом является также развитие математического аппарата для описания процесса корреляции ошибок при использовании различных схем широкополосного и монохроматического мониторинга, а также для получения оценок силы эффекта самокомпенсации ошибок при различных схемах мониторинга. Для получения указанных выше основных результатов будут разработаны также полные и упрощенные схемы моделирования процесса напыления при различных схемах оптического мониторинга. Полные системы моделирования будут использоваться для отработки алгоритмов решения обратных задач, в то время как упрощенные системы, обладающие существенно более высоким быстродействием, будут применяться для получения априорных статистических оценок степени корреляции ошибок процесса напыления и оценок силы эффекта самокомпенсации ошибок. Все запланированные основные результаты проекта являются абсолютно новыми. Они позволят в существенной мере превзойти достигнутые к настоящему времени лучшие мировые результаты в области создания алгоритмов решения обратных задач, связанных с контролем процесса напыления покрытий на основе методов оптического мониторинга. Результаты проекта могут быть непосредственно применены на практике, поскольку они ориентированы на использование аппаратных возможностей уже существующих наиболее передовых систем оптического мониторинга. Значимость ожидаемых результатов для экономической и социальных сфер определяется тем, что реализация поставленных в проекте задач позволит существенно продвинуться в создании новых типов оптических покрытий для применения в наиболее востребованных областях современных технологий.
-
Научный задел:
У научного коллектива имеется весь набор необходимого оборудования для выполнения проекта. В первую очередь это относится к вычислительной технике и к необходимому программному обеспечению. Кроме того, у ведущих членов научного коллектива, являющихся членами нескольких международных научных сообществ (OSA, SPIE, …), имеется свободный доступ к новейшей научной литературе по тематике проекта. Благодаря многолетнему научному сотрудничеству со многими ведущими экспериментальными группами у нас в стране и за рубежом, у нашего коллектива имеется также доступ к современной экспериментальной информации по тематике проекта. Члены научного коллектива являются постоянными участниками общемосковского семинара по обратным задачам под руководством профессоров А.Б.Бакушинского, А.В.Тихонравова и А.Г.Яголы, что обеспечивает доступ научного коллектива к наиболее актуальной информации в области теории и методов решения обратных некорректно поставленных задач.
- Добавил в систему: Ягола Анатолий Григорьевич
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 16 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Разработка алгоритмов решения обратной задачи контроля процессов напыления оптических нанопокрытий |
| Результаты этапа: Разработаны принципиально новые нелокальные алгоритмы обработки данных измерений для решения обратных задач контроля толщин слоев в процессе их напыления. Существенным отличием этих алгоритмов от ранее использовавшихся является то, что они позволяют использовать всю получаемую за время напыления слоя экспериментальную информацию. Зачастую это огромные массивы измеренных данных. За счет этого обеспечивается высокая стабильность решения обратных задач, что, в свою очередь, приводит к более высокой точности определения толщин слоев напыляемых покрытий. Проведенные численные эксперименты подтверждают более высокую точность разработанных алгоритмов по сравнению с ранее использовавшимися алгоритмами. Разработанные алгоритмы адаптированы под различные схемы широкополосного контроля со сменными чипами мониторинга. Отработка новых алгоритмов решения обратных задач проводилась с помощью систем моделирования процесса напыления оптических покрытий с различными схемами контроля этого процесса. Новые системы получены путем модификации разработанной ранее системы моделирования напыления с прямым оптическим контролем по самому изделию. Системы адаптированы под различные схемы использования сменных сипов мониторинга. Они учитывают все основные факторы, влияющие на точность воспроизведения теоретических параметров покрытий при их напылении. Сюда относятся как факторы, связанные с самим процессом напыления (нестабильность скоростей напыления материалов слоев покрытий, неточности во времени прерывания процесса напыления очередного слоя и т. п.), так и факторы, связанные с процессом широкополосного оптического контроля (случайные и систематические ошибки в данных измерений, различие в точности экспериментальных данных по спектру и т. п.). Разработанный ранее подход к описанию корреляции ошибок при широкополосном оптическом контроле процесса напыления покрытий распространен на системы контроля со сменными чипами мониторинга. Предложена новая форма оценки силы эффекта самокомпенсации ошибок для конкретного вектора коррелированных ошибок, получаемого в ходе моделирования процесса напыления покрытия. Эта форма оценки в наибольшей степени соответствует практическим потребностям. Для сравнения перспективности использования различных систем широкополосного оптического контроля введено понятие эффективного значения силы эффекта самокомпенсации ошибок. Это понятие учитывает совокупное влияние позитивного эффекта самокомпенсации ошибок и одновременно присутствующего негативного эффекта кумулятивного накопления ошибок. Разработаны упрощенные симуляторы процесса напыления покрытий, позволяющие генерировать векторы коррелированных ошибок в толщинах слоев покрытий на порядки быстрее, чем полные системы моделирования процесса напыления. Эти симуляторы учитывают как сам процесс корреляции ошибок, так и совокупное влияние случайных факторов, приводящих к статистическому разбросу векторов коррелированных ошибок. Проведены численные эксперименты, подтверждающие состоятельность используемых упрощенных симуляторов. Достигнутое быстродействие этих симуляторов позволяет генерировать миллионы векторов ошибок для получения статистических оценок и сравнения различных стратегий широкополосного оптического контроля. | ||
| 2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Разработка алгоритмов решения обратной задачи контроля процессов напыления оптических нанопокрытий |
| Результаты этапа: При выполнении работ отчетного года был разработан универсальный математический аппарат для описания процесса корреляции ошибок в толщинах слоев оптических покрытий при использовании любых систем оптического контроля их напыления. Эти системы могут использовать как монохроматические, так и широкополосные методы контроля. Они могут использовать любые современные стратегии контроля, в частности, стратегии контроля, основанные на использовании сменных чипов мониторинга. В случае монохроматического контроля они охватывают и системы, использующие онлайн коррекцию измеряемых данных. Предложенный подход основывается на исследовании распределения векторов ошибок в толщинах слоев покрытий в m-мерном пространстве, где m – число слоев покрытия. Поскольку ошибки в толщинах слоев покрытий определяются большим числом случайных факторов, исследование процесса корреляции ошибок основывается на статистическом анализе большого числа данных о векторах ошибок в толщинах слоев покрытия. Эти данные получаются с помощью вычислительных экспериментов, моделирующих процесс напыления покрытия с заданным типом оптического контроля и выбранным алгоритмом обработки данных измерений. Для оценки степени коррелированности ошибок был введен специальный коэффициент, вычисление которого основывается на сравнении распределения векторов коррелированных ошибок с распределением векторов случайных некоррелированных ошибок, имеющих те же среднеквадратичные значения, что и полученные в ходе вычислительных экспериментов наборы векторов коррелированных ошибок. На основе многочисленных экспериментов с различными стратегиями широкополосного и монохроматического контроля показана полная состоятельность введённой оценки. Проведено исследование эффекта самокомпенсации ошибок в толщинах слоев покрытий для случая монохроматического контроля процесса напыления. Для оценки наличия данного эффекта введен параметр, названный фактором компенсации ошибок. Показано, что оценка эффекта самокомпенсации ошибок играет важную роль при сравнительном анализе эффективности различных алгоритмов решения обратных задач контроля толщин слоев покрытий в процессе их напыления. В случае методов монохроматического оптического контроля, использующих коррекцию измеряемых данных в процессе напыления, разработан новый алгоритм, названый алгоритмом решения обратной задачи контроля толщин слоев по квазисвингу. Для коррекции уровня сигнала остановки напыления слоя этот алгоритм использует виртуальные экстремумы измеряемого сигнала, вычисляемые с помощью разработанного в ходе выполнения проекта нелокального алгоритма обработки данных. Разработан принципиально новый алгоритм решения обратной задачи контроля толщин слоев, названный независимым алгоритмом. Этот алгоритм основан на оценке времени окончания напыления слоя, производимой постоянно во время напыления сдоя. Для получения оценки используются все измеренные данные, накопленные к текущему моменту времени. Тем самым алгоритм использует максимально возможную информацию, получаемую во время напыления текущего слоя. Отличительной особенностью независимого алгоритма является то, что он полностью устраняет негативный кумулятивный эффект роста ошибок, связанный с влиянием ошибок в толщинах предыдущих слоев на данные монохроматических измерений. На основе вычислительных экспериментов по напылению оптических покрытий продемонстрирована высокая эффективность предложенных новых алгоритмов по сравнению с использовавшимися ранее. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".