Оптический способ измерения высоты шероховатости поверхности объекта

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ss) 1004755

Союз Советских

Социалистических республик (6!) Дополнительное к авт. саид-ву— п) м.g>. (22) Заявлено 150980 (21) 2982539/25-28

4 01 В 11/30

Ф с присоединением заявки М—

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приормтет —

Опубликовано 15,0333. бюллетень МЮ 10

Дата опубликования описания 1Ь0383 (53) УДК 531. 715. 1 (088. 81

М

В.Е. Медведев, A.A. Поплавский „, Я.g.. Тагайов и В. A. Тога нова I „,:„" " -".-"=.Х. -;:,".;,. (22) Авторы изобретения (71) Заявитель (541 ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ

ШЕРОХОВАТОСТИ .ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к косвенным бесконтактным оптическим методам измерения высоты шероховатости поверхности, обладающим интерференционной чувствительностью, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известен оптический способ из-. мерения высоты шероховатости поверхности, основанный на связи распределения интенсивности в пятнистой интерференционной картине, образующейся при рассеянии когерентного света, с распределением высоты не- 15 ровностей на рассеивающей поверхности (1j

Однако применение известного способа определения высоты шерохова тости по контрасту интерференционной картины к сверхгладким nosepxностям ограничено снижением контрас- та с уменьшением высоты неровностей.

Наиболее близким к изобретению является оптический способ измере- 25 ния высоты шероховатости поверхности объекта, заключающийся в том, что фокусируют,когерентное излучение на исследуемую поверхность, получают дифракционную фигуру рассеяния и 30

I интерференционную картину, перемещают объект в поперечном относительно излучения направлении, регистрируют изменение интенсивности интерференционной картины в области ди-. фракционной фигуры рассеяния, по которому находят контраст интерференционной картины, связанный корреляционной зависимостью с высотой шероховатости поверхности объекта.

Оптическая ось светового пучка является нормалью к.исследуемой поверхности, изменение интенсивности в интерференционной картине регистрируют в проходящем свете, в области плоского волнового фронта, в центре дифракционной .фигуры рассеяния (2 .

Однако в известном способе эа счет регистрации изменения интенсивности.интерференционной .картины в проходящем свете исключена возможность исследования непрозрачных

-объектов.

Кроме того, способ дает Воэмсжность измерения минимального значения среднеквадратичного отклонения высоты шероховатости от средней линии профиля дп = 0,032 мкм при длине волны когерейтного света 0,63 мкм.

Минимальная измеряемая высота шеро1004755 ховатости ограничена малой величиной контраста интерференционной картины, Таким образом, известный способ имеет низкую чувствительность к высоте шероховатости, меньшей 0,1 длины волны когерентного излучения. 5

Цель изобретения — повышение чувствительности к высоте шероховатости, меньшей 0,1 длины волны когерентного излучения.

Поставленная цель достигается темДО что согласно способу измерения высоты шероховатости поверхности объекта, заключающемуся в том, что фокусируют когерентное излучение на исследуемую поверхность, получают дифрак- 5 ционную фигуру рассеяния и интерференционную картину, перемещают объект в поперечном относительно излучения направлении, регистрируют изменение интенсивности интерферен- я) ционной картины в области дифракционной фигуры рассеяния, по которому находят .контраст интерференционной картины, связанный корреляционной зависимостью с высотой шероховатости поверхности объекта, фокусируют когерентное излучение под углом 4 20 о к исследуемой поверхности, а изменение интерференционной картины регистрируют в отраженном от исследуемой поверхности излучения в области сферического фронта волны на краю дифракционной фигуры рассеяния.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа 35

Устройство содержит последовательно расположенные гелий-неоновый лазер 1, сменные калиброванные светофильтры 2, объектив 3, а также непрозрачный экран 4 и приемную.сис- 40 тему, включающую последовательно расположенные объектив 5, диафрагма б и 7, отрицательную линзу 8, матовое стекло 9 и фотоэлектронный умножитель 10. 45

Способ осуществляется следующим образом.

Излучение гелий-неонового лазера

1, работающего в одномодовом режиме с длиной волны 0,63 мкм, поляризованное в плоскости падения, объективом 3 фокусируют на поверхность исследуемого объекта 11 в пятно диаметром 100 мкм.. Угол 0 падения излучения на объект 11 составляет 14. о

Отраженный от объекта 11 световой поток регистрируют приемной системой в области сферического фронта волны.

Измерение интенсивности производят на краю дифракционной фигуры рассеяния, для чего получают индикат-6( рису отражения путем вращения приемной системы вокруг исследуемого объек=" та 11. Регистрацию .изменения интенсивности отраженного потока осуществляют при фиксированном положе- 65 нии приемной системы при линейном перемещении исследуемого объекта 11 с сохранением положения нормали в плоскости падения. Статистическую обработку сигнала с фотоэлектронного умножителя 10, пропорциональ.-. ного изменению интенсивности в интерференционной картине при сканировании объекта 11 лучом лазера 1, производят с помощью ЭВМ.

Измерения проводят в отраженном свете.

Связь между среднеквадратическим отклонением высоты шероховатости от средней линии профиля поверхности и дисперсией фазы световой волны бф при взаимодействии ее с поверхностью можно описать выражениями

2К б cos 4 g при отражении - (1) б

4 (п -о2) Kd при пропускании - (2) где Vo - угол падения излучения на объект;

К =2НЯ - волновое число; и „,и - показатели преломления материала объекта и окружающей среды соответственно.

Отсюда следует, что стеклянная пластина в воздухе при малом угле падения излучения вызывает изменение фазы световой волны примерно в

4 раза большее при отражении по сравнению с пропусканием.

Измерения проводят при угле падения Ч, излучения на объект С 20.

На основании выражения (1) увеличение угла 90 падения света приводиФ к уменьшению фазового отклика на шероховатость поверхности, пропорциональному cosVo, cos 20 = 0,94.

Дальнейшее увеличение угла Ч приво дит к снижению чувствительности способа, в связи с чем введено ограничение по углу 4 20о

Кроме того, увеличение угла падения вызывает, увеличение размера светового пятна на поверхности образца, пропорциональное 1/соьНе . увеличение светового пятна приводит к воз растанию числа рассеивающих центров, участвующих в образовании пятнистой структуры, что влечет эа собой снижение контраста, т.е. также уменьшает чувствительность способа.

Условие повышения чувствительности за счет измерения "на краю центрального кружка дифракционной фигуры рассеяния" найдено экспериментальным путем.

Переход к сферическому волновому фронту позволяет увеличить чувствительность способа.

Таким образом, предложенный способ обладает чувствительностью к высоте шероховатости сверхгладких поверхностей. При этом его реализация

1004755

Формула изобретения

Составитель Л.Лобзова

Редактор Н. Швыдкая Техред Ж.Кастелевич Корректор ".Король

Заказ 1850/49 Тираж 600 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, й-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 не требует привлечения сложного обо-1 рудования. ДанньЖ способ не чувствителен к величине коэффициента отракения исследуемой поверхности, поэтому не требует для измерения нанесения на шероховатую поверхность дополнительного высокоотражающего покрытия, что делает возможным технологический контроль каждого изделия. Поскольку производство сверхгладких поверх:ностей является наиболее дорогостоя 10 щим и проблема контроля таких поверхностей окончательно не решена, возможность бесконтактного контроля каждого изделия приводйт к значи-, тельному экономическому эффекту. 15

Оптический способ измерения высо- 2О ты шероховатости поверхности объекта, заключающийся в том, что фокусируют когерентное излучение на исследуемую поверхность, получают пифракционную фигуру рассеяния и 25 рнтерференционную картину, переме цают объект в поперечном относитель- но излучения направлении, регистри руют изменение интенсивности интерференционной картины в области дифракционной фигуры рассеяния, по которому находят контраст интерференционной картины, связанный кор реляционной зависимостью с высотой шероховатости поверхности объекта, о т л и ч а ю.шийся тем, что, с целью повышения чувствительности к высоте шероховатости, меньшей

0,1 длины волны когерентного излуче- ния, фокусируют.когерентное излучение под углом 4 20 к исследуемой поверхности, а изменение интенсивности интерференционной картины регистрируют в отраженном от исследуемой поверхности излучении в области сферического фронта волны на. краю дифракционной фигуры рассеяния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Франсон N. Оптика спеклов.

Перевод под ред. проф. 10.И.Островского. N. "Мир", 1980, с. 129-137.

2 ° Fu)u.й., Asakura Т., Shindo l °

uMeasurements of surface ronghness

properties by means of 1B5er speckle, technl gues. "0pt les communlcat Jonsu j

1 976, Ro 1 16, В 1, рр. 68-73 (про,готип).