Способ измерения геометрических параметров поверхности объекта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного измерения отклонений формы и размеров объектов с зеркальной отражающей поверхностью, например прецизионных линз. Цель изобретения - повышение точности измерений. При помощи источника излучения с коллиматором формируют монохроматическое излучение , разделяют его на измерительную и опорную волны при помощи п полупрозрачных отражателей, освещают поверхность объекта измерительной волной, а образцовую поверхность, образованную упомянутыми отражателями, предварительно аттестуют и освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн при помощи фоточувствительного регистрирующего блока, содержащего п многозлементных фотоэлектрических преобразователей, и вычислительного блока, входы которого подключены к выходам фоточувствительного регистрирующего блока. При этом поверхность обьекта и образцовую поверхность освещают совокупностью п пространственно разнесенных световых пучков-, сформированных при помощи светоделителя, состоящего из полупрозрачных зеркал и установленного по ходу излучения после коллиматора . Измерения выполняют при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны излучения, предварительно аттестуя расположение геометрических осей п пучков, а разность фаз интерферирующих волн определяют вдоль осей упомянутых световых пучков на выходах объективов оптической системы, установленной на выходе светоделителя, по фотоэлектрическим интерференционным сигналам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. ы Ё 00 ю ел ю VJ 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 В 21/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 48909 1:8/28 (22) 17.12.90 (46) 07.07.93. Бюл. 1Ф 25 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) И.П.Гуров (56) Оптический производственный контроль/Под ред. Д.Малакары. — M.: Машиностроение. 1985, с. 366.

Патент США М 4776699, кл. G 01 В 9/02, 1988. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕ СТВЛ Е Н ИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного измерения отклонений формы и размеров объектов с зеркальной отражающей поверхностью, например прецизионных линз, Цель изобретения — повышение точности измерений. При помощи источника излучения с коллиматором формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны при помощи п полупрозрачных отражателей, освещают поверхность объекта измерительной волной, а образцовую поверхность, образованную упомянуИзобретение относится к из иерительной технике и может быть использ,вано для высокоточного бесконтактного измерения отклонений формы и размеров объектов с зеркальной отражающей поверхностью, например прецизионных линз.

„.,!Ж„„1825978 А1 тыми отражателями, предварительно аттестуют и освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн при помощи фоточувствительного регистрирующего блока, содержаЩего и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей, и вычислительного блока, входы которого подключены к выходам фоточувствительного регистрирующего блока. При этом поверхность объекта и образцовую поверхность освещают совокупностью п пространственно разнесенных световых пучков; сформированных при помощи светоделителя, состоящего из полупрозрачных зеркал и установленного по ходу излучения после коллиматора. Измерения выполняют при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны излучения, предварительно аттестуя расположение геометрических осей и пучков, а разность фаэ интерферирующих волн определяют вдоль осей упомянутых световых пучков на выходах объективов оптической системы, установленной. на выходе светоделителя, по фотоэлектрическим интерференционным сигналам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Цель изобретения — повышение точности определения геометрических .параметров поверхности объекта, На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

1825978

Устройство содержит источник 1 излучения с коллиматором 2, светоделитель 3, образцовую поверхность 4, установленную по обратному ходу лучей на выходе светоделителя 3, оптическую систему 5, фоточувствительный регистриртующий блок 6, вычислительный блок 7, при этом источник

1 излучения выполнен с изменяемыми известными значениями длины волны А, светоделитель 3 выполнен в виде блока формирования пространственно разнесенных световых пучков 8-12, в частности, в виде последовательно расположенных полупрозрачных зеркал 13 — 17, образцовая поверхность 4 представляет собой совокупность и отражателей 18-22, являющихся опорными отражателями и одновременно светоделителями для световых пучков 8-12, оптическая система 5 выполнена в виде и объективов 23 — 27, фоточувствительный регистрирующий блок 6 выполнен в виде и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28 — 32, причем многоэлементные фотоэлектрические преобразователи 28 — 32 расположены на выходах оптической системы 5, входы вычислительного блока 7 подключены к выходам м ногоэлементн ых фотоэл е ктрических преобразователей 28 — 32.

Предлагаемый способ реализуют с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

При.помощи источника 1 с коллиматором 2 формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны при помощи отражателей

18 — 22, освещают поверхность объекта измерительной волной, а образцовую поверхность, образованную отражателями 18-22, предварительно аттестуют и освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн при помощи фоточувствительного регистрирующего блока 6 и вычислительного блока 7. Математическое описание вычислений приведено в приложении. При этом поверхность объекта и образцовую поверх.ность 4 освещают совокупностью и пространственно разнесенных световых пучков, сформированных при помощи полупрозрачн.ых зеркал 13 — 17 светоделителя 3, при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны k источника 1, предварительно аттестуя расположение геометрических осей и пучков 8-12, а разность фаз интерферирующих волн определяют вдоль осей световых пучков 8-12 на выходах и объективов 28-32 оптической системы 5 по.фотозлектрическим интерференционным сигналам и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28 — 32.

Конкретными примерами отдельных зламентов устройства являются следующие.

Источник излучения 1 может быть выполнен в виде спектральной лампы, снабженной монохроматором, набора лазеров с длинами волн k = 0,63 мкм (Л ГН вЂ” 302, ЛГН10 303), 0,61 мкм (модификация Л ГН вЂ” 303), 0,55 мкм (" Монолог" ) и т.п., а также с помощью перестраиваемого лазера с широким диапазоном длин волн (лазер на красителях), В качестве коллиматора 2 можно использовать обратную телескопическую систему с увеличением 10" — 20".

Элементы 13 — 17 блока светоделителя 3 представляют собой полупрозрачные зеркала или светоделительные кубики, причем их расположение не обязательно является последовательным, Опорные отражатели 18 — 22 представляют собой достаточно тонкие стеклянные пластинки с углом клина 0,3 - to и небольшим световым диаметром в несколько миллиметров, причем пластинки установлены на стабильных юстировочных подставках с фиксацией положения.

Объективы 23 — 27 оптической системы 5 представляют собой телескопические объективы с малым световым диаметром и увеличением 5"-10".

Многоэлементные фотоэлектрические преобразователи 28-32 представляют собой приборы с зарядовой связью, например, типов К1200ЦЛ2, К1200ЦМ7, снабженные встроенными блоками управления и АЦП на выходе.

Вычислительный блок 7 может быть ре40 ализован на базе персональных микроЭВМ, например, типа ДВК или семейства lBM.

Световые пучки 8-12 могут быть непараллельными, расположенными под некоторыми углами друг к другу для расширения

45 области измерений поверхности объекта.

Аттестация образцовой поверхности 4 может быть предварительно проведена с ис, пользованием меры плоскостности(аттестация расположения отражателей 18 — 22 вдоль осей световых пучков 8-12) и меры круглости (аттестация ориентации отражателей 18-22 по углу).

Мера плоскостности реализуется, например, в виде оптического клина круглой

55 формы (по диаметру объекта в вертикальной плоскости), причем одна из поверхностей меры выполняется с высокой плоскостью и аттестуется. Расстояние от аттестованной плоскости до отражателей 18-22 предвари1825978 тельно определяют по интерференции для волн 4 источника 1.

Мера круглости может быть выполнена в виде цилиндра,.сегмента цилиндра или сферы, ранее аттестованных по абсолютному значению радиуса кривизны. Угловую ориентацию отражателей 18 — 22 предварительно определяют, например, по положению центров интерференционных картин типа колец Ньютона, наблюдаемых на выходах оптической системы 5.

Аттестацию расположения геометрических осей световых пучков 8-12 выполняют, например, при помощи штриховой меры длины, причем регистрацию положения штрихов осуществляют с помощью одновременно и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28-32.

Следовательно, в предлагаемом решении геометрическое расположение всех элементов аттестовано вплоть до фотоэлектрических интерференционных сигналов, что обеспечивает реализацию абсолютных измерений и позволяет по сравнению с известными решениями повысить точность определения геометрических параметров поверхности объекта.

Совокупность световых пучков 8 — 12 может быть сформирована также с расположением геометрических осей в виде двумерной структуры, по двум координатам. Число и определяется видом поверхности объекта с учетом зоны чувствительности (см. Приложение) и соображений экономической целесообразности. Соответственно расположению геометрических осей световых пучков 8-12 используют двумерную штриховую меры, рисунок которой в этом случае должен быть предварительно аттестован по значениям шага штрихов по двум координатам.

Измеряемый объект может иметь как выпуклую, так и вогнутую поверхность.

В предлагаемом устройстве используют и пространственно разнесенных световых пучков, что позволяет устранить присущую известному решению необходимость в выполнении операций фокусировки единственного пучка и перемещения образца.

Используя в опорной ветви образцовую поверхность в виде отдельных участков плоской поверхности, в предлагаемом решении повышают точность измерений за счет более точного изготовления малогабаритных опорных отражателей при обесп(,ении возможности их расположения под различными ракурсами по отношению к объекту, что расширяет зону регистрации параметров поверхности, Малые значения зазоров меж5

55 ду опорными отражателями и поверхностью объекта обеспечивают высокую помехозащищенность устройства.

Регулируя и аттестуя геометрическое расположение оптических элементов устройства, добиваются реализации принципа абсолютных измерений геометрических параметров поверхности.

Используя и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей, достигают заметного увеличения разрешающей способности устройства по фронту интерферирующих волн, в там числе в расширенной зоне регистрации параметров поверхности..

Использование опорных отражателей малой толщины позволяет практически устранить погрешности хроматизма при использовании источника оптического излучения с произвольно устанавливаемой длиной волны.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает существенное снижение как случайной, так и систематической составляющей погрешности и тем самым обеспечивает по сравнению с известными решениями существенное повышение точности определения геометрических параметров поверхности объекта.

Использование в предлагаемом техническом решении рассмотренных операций, а также аттестации геометрического расположения элементов устройства, в том числе после юстировки, непосредственно по фотоэлектрическим сигналам, устраняет систематические погрешности измерений и подтверждает достоверность достижения поставленной цели — повышения точности определения геометрических параметров поверхности объекта.

Формула изобретения

1. Способ измерения геометрических параметров поверхности объекта, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны, освещают поверхность объекта измерительной волной, а аттестованную образцовую поверхность освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн, по значениям которой судят о геометрических параметрах поверхности объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения геометрических параметров поверхности объекта, формируют аттестованные по расположению геометрических осей световые пучки, поверхность объекта и образцовую поверхность освещают совокупностью сформированных пространственно разнесенных световых

1825978

Составитель И. Гуров

Редактор С. Кулакова Техред. М. Моргентал Корректор С. Патрушева

Заказ 2314 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 пучков при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны излучения. а разность

2. Устройство для измерения геометри-. ческих параметров поверхности объекта, содержащее источник излучения, последовательно установленные по ходу излучения 10 коллиматор, светоделитель, образцовую поверхность, установленную по обратному ходу лучей на выходе светоделителя оптическую систему и фоточувствительный регистрирующий блок, о т л и ч а ю щ е е с я 15 тем, что. с целью повышения точности определения геометрических параметров поверхности объекта, она снабжено вычислительным блоком, источник излучения выполнен с изменяемыми значениями длины волны, светоделитель выполнен в виде блока формирования и пространственно разнесенных световых пучков, обраэцовая поверхность представляет собой совокупность и отражателей, оптическая система выполнена в виде объективов, фоточувствительный регистрирующий блок выполнен в виде и многоэлементных фотоэлектрических преобразователей, многоэлементные фотоэлектрические преобразователи расположены на выходах оптической системы, а входы вычислительного блока подключены к выходам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей,