Способ измерения профиля поверхности и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьше-ния влияния адаптивных шумов регистрации интенсивности изображений, расширение информативности способа за счет обеспечения, возможности измерения для поверхностей с переменным коэффициентом отражения и одновременного определенияпараметров шероховатости поверхности. Способ заключается в формировании по крайней мере четырех изображений поверхности, полученных при подсвете с различных направлений , регистрации распределений интенсивностей изображений и определении профиля поверхности по зарегистрированным распределениям интенсивностей. Устройство, реализующее способ, состоит из четырех источников освещения, системы формирования изображения контролируемой поверхности, координатно-чувствительного фотоприемника и вычислительного блока. 2 п.ф-лы, 1 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 В 11/24

ГосудАРСТВенное пАтентнОе

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4910204/28 (22) 12.02.91 (46) 07.02.93. Бюл, N - 5 (71) Научно-производственное объединение

"Астрофизика" (72) П.А,Бакут, M,Â,Êóçíåöîâ, И,А.Рожков и

А.Д.Ряхин (56) Авторское свидетельство СССР

N 983454. кл. 6 01 В 11/24, 1981, Психология машинного зрения. — Сборник под редакцией И.Уинст0на, М.: Мир, 1978; с. 137 — 142. (54) СПОСОБ ИЗМБРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПО8ЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерения зэ счет уменьшения влияния

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть ucnользовано для определения формы поверхности объекта.

Известны интерферометрические способы измерения формы поверхности, заключающиеся в формировании изображе. ния поверхности, формировании картины интерференции излучения в плоскости изображения и опорного излучения и определении формы поверхности по сформированной картине интерференции.

Известны такие устройства, содержание источник когерентного излучения, интерферометр, координатно-чувствительный фотоприемник и вычислительный блок.

„„. Ж „„1793209 А1 адаптивных шумов регистрации интенсивности иэображений, расширение информативности способа эа счет обеспечения возможности измерения для поверхностей с йеременным коэффициентом отражения и одновременного определения параметров шероховатости поверхности. Способ заключается в формировании по крайней мере четырех изображений поверхности, полученных при подсвете с различных направлений, регистрации распределений интенсивностей изображений и определении профиля поверхности по зарегистрированным распределениям интенсивностей.

Устройство. реализующее способ, состоит из четырех источников освещения, системы формирования иэображения контролируемой порерхности, координатно-чувствительного фотоприемника и вычислительного блока. 2 п.ф-лы, 1 ил.

К недостаткам указанных способов и устройств можно отнести следующее; повышенную чувствительность к вибрациям; данными способами и устройствами может быть получена информация только о тех изменениях рельефа, характерный размер которых разрешается системой формирования, т.е, данными способами и устройствами не может быть получена информация о параметрах микрогеометрии поверхности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения формы поверхности по полутонам, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверх1793209 ность, регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности, Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство определения формы поверхности (средней поверхности), содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок.

Недостатками данного способа и устройства являются высокая точность, связанная с тем, что задача восстановления формы поверхности является некорректной математической задачей, следовательно, результаты ее решения сильно зависят от шумов регистрации интенсивности; низкая информативность, связанная с тем, что данный способ и устройство не позволяют оценивать параметры микрогеометрии поверхности.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет уменьшения влияния адаптивных шумов регистрации интенсивности изображений и расширение информативности способа, измерение параметров шероховатости поверхности, Для этого вспособе,,заключающемся в том, что освещают контролируемую поверхность, формируют ее изображение и регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения. освещение поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределений интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещения, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности.

Для достижения поставленной цели устройство, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, снабжено по крайней мере тремя дополнительными источниками излучениями и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников излучения и одному из входов вычислительного блока, На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, Устройство состоит из источников 1 — 4 освещения, оптически связанных системы 5 формирования изображения и координат55

1 (х - К(х ехр (—,(1)

l + ff

4Р (х3 где x — координата в предметной плоскости системы 5;

К(х) — распределение коэффициента отражения на поверхности объекта 9; но-чувствительного фотоприемника 6, выполненного в виде фотоприемника со скани-. руемым растром, блока 7 коммутации, первые четыре выхода которого подключе5 ны к входам источников 1 — 4, и вычислительного блока 8, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника 6, а второй вход — к пятому выходу блока 7.

В качестве вычислительного блока 8 мо"0 жет быть использована любая универсальная ЭВМ с адаптером видеокамеры либо специализированная ЭВМ для обработки изображений (см. например, Л. Рабине р, Б, Гоулд, Теория и применение цифровой обработки сигналов, - M., Мир, с. 696 — 697, проспект фирмы humelec, Perlcolor ЭВМ типа СВИТ разработки ИКИ АН СССР и т.д.).

При этом блок 8 должен быть запрограммирован в соответствии с алгоритмом, изло20 женным далее, а именно блок 8 должен осуществлять следующие действия:

1. По сигналам от блока 7 заносить в память распределение интенсивностей )!(Д.

2, Решать систему уравнений (1), изложенную ниже. Алгоритмы и программы решения такого рода систем уравнений являются широко известными и описаны, например, в кн. Дж. Деннис, P.Øíàáeëü.

Численные методы безусловной оптимиза30 ции и решения нелинейных уравнений. M., Мир, 1988 г.

3, По вектору градиента высоты поверхности вычислять профиль поверхности, например, интегрированием.

35 Способ с помощью устройства осуществляется следующим образом, По сигналам от блока 7 коммутации осуществляется последовательный подсвет объекта 9 с различных направлений. Изо40 бражение объекта формируется на фотоприемнике 6 системой 5. По сигналам с пятого выхода блока 7 коммутации распределения интенсивности, зарегистрированные фотоприемником 6, вводятся в память блока 8 в

45 моменты времени, соответствующие работе соответствующего источника 1-4. В памяти блока 8 содержится также информация об угловом положении источников 1 — 4 относительно оптической оси системы 5 формиро50 вания иэображения. Распределения интенсивностей изображений описываются выражением

1793209

g (х) — градиент высоты средней поверхности объекта над предметной плоскостью;

y(xf — среднеквадратичный наклон шероховатостей; и — проекция единичного вектора, параллельного направлению подсвета на предметную плоскость;

i — порядковый номер изображения.

Выражение (1) представляет собой систему их четырех уравнений с четырьмя неизвестными, а именно неизвестными являются две проекции вектора g (g, 7(P) и К(х), Данная . система уравнений решается в блоке 8. Легко показать, что данная система уравнений имеет единственное решение при соблюдеи нии условия, заключающегося в том, что ранг матрицы

I I(l éiI — й) I ), (п х-п)х), (niy — n)y) I I (2) не меньше 3, В условия шумов целесообразно формировать более чем четыре изображения, так как при этом, организуя в блоке 8 вычисление упомянутых неизвестных в соответствии с алгоритмом, заключающемся в нахождении точки минимума функционала

5= g 1; (х) — }i (xgl можно уменьшить влияние шумов.

Формула изобретения

1. Способ измерения профиля поверхности, заключающийся в том,.что освещают контролируемую поверхность, формируют ее изображение. регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения информативности способа за счет измерения еще и параметров шероховатости поверхности, освещение контролируемой поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределения интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещеПрофиль средней поверхности вычисляется в блоке 8 путем интегрирования.

Необходимо отметить, что условие (2) не является существенным для способа, так

5 как справедливо только при организации подсвета объекта 9 параллельными пучками источников 1 — 4. Если фронт излучения источников 1-4 не является плоским, то как выражение (1), так и условие (2) не будет

10 справедливым, В этом случае, используя общую методику вычисления интенсивности изображения, примененную в (5). можно получить иные чем (1) выражения для интенсивностей изображений и соответственно

15 иные условия на направление подсвета, Из изложенного следует, что предложенный способ и устройство обладают по сравнению с известными повышенной точностью с условиях измерений с шумовыми

20 помехами. Математическое моделирование процесса измерения профиля средней поверхности при уровне сигнал/шум 10 по четырем изображениям показало, что ошибка может быть уменьшена в 3,7 раза, Также

25 предложенный способ и устройство позволяют измерить профиль средней поверхности с переменным коэффициентом отражения, а также определять среднеквадратичный наклон шероховатостей.

30 ния, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности.

2, Устройство для измерения профиля поверхности, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения поверхыости и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено по крайней мере тремя источниками освещения и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников освещения и одному из входов вычислительного блока, 1793209

Составитель П.Бакут

Техред М.Моргентал Корректор C.Патрущева

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 494 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГККТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5