Способ измерения шероховатости поверхности изделия

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим методам измерения шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение производительности измерения за счет исключения механического сканирования и процедуры статистической обработки результатов измерений. Когерентное излучение разделяют на два когерентных пучка , устанавливая между ними угол, исходя из соотношения (J , где а - угол между когерентными пучками. Я - длина волны когерентного излучения, D - размер поперечного сечения когерентных пучков, ai - поперечный размер спеклов рассеянного спекл-модулированного поля. Наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем. Создают подвижные интерференционные полосы за счет изменения во времени разности фаз между когерентными пучками. Измеряют изменение усредненной по многим спеклам интенсивности спекл-модулированного поля в одной подвижной интерференционной полосе. По изменению интенсивности судят о степени шероховатости поверхности. 3 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТCКИX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК (51)5 G 01 В 11/30

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4924783/28 (22) 03.04.91 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (71) Саратовский филиал Института машиноведения АН СССР и Саратовский научно-исследовательский институт машиностроения (72) В.П.Рябухо, Б.В.Федулеев, Д.А.Зимняков, В.А.Ткаченко и О.И.Полькина (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1409864, кл. G 01 В 11/30, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N. 1421996, кл. G 01 В 11/30, 1987. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим методам измерения шероховатости поверхности; Цель изобретения — повышение производительности измерения за счет исключения механического сканирования и процедуры статистической обработИзобретение относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим методам измерения шероховатости поверхности, Цель изобретения — повышение производительности измерений.

На фиг. 1 показано устройство, предназначенное для измерения шероховатости прозрачных изделий; на фиг. 2 и 3 устройства предназначены для измерения шероховатости иэделий, отражающих оптическое излучение.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения (лазер), расширитель 2 пучка излучения, блок 3 для разделения излучения на два когерентных пучка, создания

Б0, 1810751 А1 ки результатов измерений. Когерентное излучение разделяют на два когерентных пучка, устанавливая между ними угол, исходя из соотношения Ф0< а< 01, где а— угол между когерентными пучками, А — длина волны когерентного излучения, 0 — размер поперечного сечения коге ентных пучков, о — поперечный размер спеклов рассеянного спекл-модулированного поля.

Наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем. Создают подвижные интерференционные полосы эа счет изменения во времени разности фаэ между когерентными пучками. Измеряют изменение усредненной по многим спеклам интенсивности спекл-модулированного поля в одной подвижной интерференционной полосе. Ilo изменению интенсивности судят о степени шероховатости поверхности. 3 ил. между ними разности фаз и сведения пучков под углом друг к другу до пространственного пересечения, контролируемое иэделие 4, апертурную диафрагму 5, фоторегистратор

6, блок 7 обработки фотоэлектрического си гнала, индикатор 8 результатов измерений.

Устройства для измерения шероховатости отражающих изделий (фиг, 2 и 3) для регистрации отраженного излучения соде ржат, в качестве одного из возможных вариантов, полупрозрачное зеркало 9, помещенное между блоком 3 и контролируемым иэделием 4, и объектив 10, используемый для переотображения исследуемого сечения рассеянного поля в плоскость диафрагмы 5.

1810751

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Лазерный пучок с помощью расширителя 2, н ример, коллиматора, расширяют до необходимого поперечного сечения и направляют в блок 3. В блоке 3 лазерный пучок разделяют на два когерентных пучка, создают между ними разность фаз, а затем сводят эти пучки под малым углом друг к другу до их пространственного пересечения и образования интерференционных полос, период которых определяется по формуле:

{1)

Л где Л- период интерференционных полос, Х вЂ” длина волны лазерного излучения; а- угол между когерентными лазерными пучками.

В качестве. блока 3, например, можно использовать интерферометры Майкельсона или Маха-.Цендера, или Жамена, или интерферометр какой-либо другой конструкции.

Вышедшие из блока 3 когерентные пучки, образующие интерференционные полосы, направляют на исследуемую шероховатую поверхность изделия 4: В прошедшем через контролируемое изделие 4 (фиг, 1) или отраженном от поверхности изделия (фиг. 2 и 3) излучении наблюдаютдифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем. Устанавлйвают угол между когерентными пучками (например, путем изменения наклона зеркал винтерферометре блока 3) таким, чтобы период Лнаблюдаемых интерференционных полос превышал поперечный размер спеклов

0> рассеянного поля. В рассеянном поле устанавливают апертурную диафрагму 5, размеры которой. превышают поперечные размеры спеклов о> и не превышают период интерференционных полос; в качестве такой диафрагмы при прямолинейных интерференционных полосах удобнее использовать щель, ориентированную длинной стороной вдоль полос. Прошедшее через диафрагму излучение поступает на фоторегистратор 6 (например, фотодиод), элекгрический сигнал которого при оговоренных выше соотношениях между размерами диафрагмы, поперечными размерами спеклов и периодом интерференционных полос пропорционален средней интенсивности спекл-модулированного рассеянного поля.

Путем изменения во времени разности фаз между когерентными пучками создают llo. вижные интерференционные полосы. При этом в пределы диафрагмы 5 попеременно попадают максимумы и минимумы интерференционных полос, которые возбуждают в фоторегистраторе 6 переменный сигнал с амплитудой, пропорциональной контрасту интерференционных полос. Разность фаз между когерентными пучками в интерферометре блока 3 можно изменять во времени, например, путем смещения одного из зеркал интерферометра или путем сдвига час"0 тоты одного из пучков, например, с помощью движущейся дифракционной решетки или акустооптической ячейки.

С фоторегистратора 6 сигнал направля.ют в блок 7, где проводят обработку этого

"5 сигнала таким образом, что на выходе блока

7 формируется сигнал, пропорциональный величине контраста интерференционных полос

Ж

20 о где U sx — сигнал на выходе блока 7, К вЂ” коэффициент пропорциональности, V — контраст интерференционных полос, Ж вЂ” амплитуда изменения средней интенсивности спекл-модулированного рассеянного поля, 4 — среднее по времени значение средней интенсивности спекл-модулированного рассеянного поля.

Сигнал с блока 7 измеряют с помощью индикатора 8 результатов измерения. По сигналу с блока 7 с помощью индикатора 8 судят о шероховатости поверхности изде35 лия 4.

Таким образом, предлагаемый способ измерения шероховатости поверхности основан на зависимости контраста интерференционных полос, наблюдаемых в

40 дифракционной картине рассеянного поля, от степени шероховатости- поверхности.

При этом установлено, что контраст полос существенным образом зависит не только от степени шероховатости поверхности, но

45 и от расстояния между рассеивающей поверхностью и плоскостью наблюдения, а также от периода интерференционных полос. Это позволяет управлять чувствительностью диапазона измерений по данному

50 способу измерения.

Для реализации данного способа необходимо, чтобы период Л интерференционных полос превышал поперечные размеры спеклов щ:

mocha>.

В противном случае, когда Л< о> в рассеянном спекл-модулированном поле регулярные интерференционные полосы наблюдаются только в пределах отдельных

1810751 спеклов; при переходе от одного спекла к другому эти полосы хаотически ветвятся, изгибаются и испытывают поперечнь1й сдвиг на случайную долю их периода. Поэтому регистрация интенсивности рассеянного поля 5 возможна только в пределах одного спекла, и мы приходим к способу, описанному в прототипе.

Принимая во внимание соотношение (1), условие (2) запишем в виде 10

a<ä

Л (3)

В то же время на величину периода

Л интерференционных полос, а, следовательно, и на угол амежду когерентными 15 пучками, необходимо установить условие, ограничивающее минимальное значение этого угла, необходимое для реализации данного способа измерения. Очевидно, что, если период полос Лбудет превышать по- 20 перечный размер 0 когерентных пучков, то способ не может быть реализован. Действительно, приЛ = 0 все поперечное сечение когерентного пучка, направляемого на исследуемую поверхность, будет покрывать 25 светлая или темная интерференционная полоса.. Поэтому подвижные интерференцион- . ные полосы будут приводить к одинаковому . изменению интенсивности рассеянного по- ля вне зависимости от степени шероховато- 30 сти. Таким образом, другое условие, ограничивающее возможные значения угла а, с учетом соотношения (1), имеет вид: а: д. (4)

А

Записывая совместно соотношения (3) и .(4), получим полное необходимое условие реализации предлагаемого способа йзмеения, -цса(— .

А (5)

Отметим, что -при приближении значений угла а, к граничным, точность измерений будет уменьшаться. Поэтому угол а, следует устанавливать в середине интерва- 45

- ла, обусловленного соотношением (5).

Цель изобретения достигается за счет исключения необходимости механического перемещения исследуемого объекта и исключения процедуры статистической обра- 50 ботки результатов измерения, поскольку по данному способу освещается достаточно протяженный участок поверхности и операция усреднения, необходимая для получения средних статистическйх параметров поверхности, выполняется дрхоматцчески в оптическом тракте при форме ровании структуры рассеянного поля и при фотоэлектрической регистрации интенсивнрсти поля фоторегистратором с протяженной диафрагмой. При этом в данном способе нет необходимости механического перемещения и самого фоторегистратора для измерения контраста интерференционных полос, поскольку создаются подвижные интерференционные полосы, максимумы и.минимумы которых последовательно попадают в апертурную диафрагму фоторегистратора.

Формула изобретения

Способ измерения шероховатости по-. верхности изделия, заключающийся в том, что разделяют когерентное излучение на два когерентных пучка, создают между ними разность фаз, сводят их под углом друг к другу до пространственного пересечения на исследуемой поверхности, наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем, выбирают в качестве единичного элемента интерференционную полосу, измеряют изменение интенсивности в ней и по.изменению интенсивнОсти судят о шероховатости поверхностей изделия, отл и ча ю щийс я тем, что, с целью повышения производительности измерения, угол между когерентными пучками выбирают из соотношения

А Д, Оса(т1 где Х- длина волны когерентного излучения;

0 — размер поперечного сечения когерентных пучков;

a — угол между когерентными пучками;

cr> — поперечный размер спеклов рассеянного спекл-модулированного поля, создают подвижные интерференционные полосы за счет изменения во времени раз-. ности фаз между когерентными пучкащу и измеряют изменение средней интенсивности спекл-модулированного поля в подвижных интерференционных полосах.

Составитель В.Рябухо

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул Гаглоина, 101

Закаэ 1439 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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