Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей

 

Изобретение относится к области оптических измерений, прежде всего шероховатости поверхностей. Изобретение использует метод триангуляции, при котором регулируют угол между поверхностью и измерительным лучом, создаваемым лазером. Образованное на поверхности световое пятно должно быть тем меньше, чем точнее должно быть разрешение. На практике в этих диапазонах возникают явления интерференции, которые в виде пятнышек искажают измеряемый сигнал посредством шумов. Изобретение значительно улучшает обрабатываемость полученных сигналов за счет того, что рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагается в зависимости от угла на два частичных пучка приблизительно с одинаковым распределение поверхностей интенсивности перпендикулярно направлению излучения и что оба световых пучка детектируют затем фотодиодами и по сигналам определяют параметры шероховатости. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля методом триангуляции.

Подобный способ и устройство известны из заявки ФРГ N 3435033, согласно которой способ измерения высот или расстояний осуществляют в плоскости измеряемого объекта без необходимости фокусирования при этом проекционной оптики, если устройство отвечает условиям правила Шаймпфлуга. За счет этого можно улучшить прежде всего точность определения при смещении светового пятна на фотоприемнике. Выдерживаемое как можно меньшим световое пятно создается при этом кромкой, проецируемой на измеряемой поверхности и фокусируемой оттуда на фотоприемник. При использовании лазера в качестве источника света у шероховатых поверхностей происходит слишком сильный шум измеренных значений прежде всего из-за так называемой пятнистости отображенного на фотоприемнике светового пятна. Обусловленный этим шум тем сильнее, чем меньше световое пятно на измеряемой поверхности. При измерениях шероховатости диаметр составляет несколько мкм (мт), вот почему следует использовать лазерное излучение. С другой стороны, однако, образование острой кромки ограничено малостью светового пятна.

Из патента ФРГ N 2945251 известно, что триангуляционным методом можно очень точно измерить изменения удаления и тем самым поверхностные профили. Для этого лазерный луч направляют наклонно на измеряемую поверхность. С помощью оптики, расположенной перпендикулярно поверхности, световое пятно проецируют на позиционно-чувствительном фотоприемнике. Спроецированное на фотоприемнике световое пятно смещается пропорционально изменению удаления пробы (объекта). С помощью дифференциального фотодиода или фотодиодной линейки в качестве фотоприемника, например, электронным путем определяют смещение светового пятна и тем самым изменение удаления измеряемой поверхности. Главный недостаток этого способа состоит в том, что при использовании лазерного излучения и измерении шероховатости поверхностей световое пятно распадается на множество отдельных пятнышек, что здесь также приводит к сильному шуму измеренных значений.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании такого способа и устройства для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей, с помощью которых уменьшаются лазерные шумы, а также шумы пятнышек, измеренных значений при триангуляционном методе таким образом, чтобы даже при очень маленьких диаметрах светового пятна можно было измерять изменения расстояний с высокой точностью. Таким образом, должна быть прежде всего создана возможность определения шероховатости с помощью такого рода измерений.

Эта задача решается благодаря тому, что в способе высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, при котором на поверхность направляют измерительный луч лазера и рассеянный или отраженный световой пучок фокусируют при помощи проекционной оптики, а также детектируют фотодиодами, причем угол между поверхностью и измерительным лучом можно регулировать в пределах от 0 до 180 градусов, рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагают на два световых пучка приблизительно с одинаковым распределением поверхностной интенсивности перпендикулярно направлению излучения, а детектируемые фотодиодами сигналы подают к дифференциальному усилителю.

В этих условиях приходят к соотношению интенсивностей обоих пучков, которое зависит от направления основного излучения рассеянного или отраженного от поверхности светового пучка. И согласно изобретению следует, что один или оба частичных пучка детектируют фотодиодами и результаты обрабатывают в качестве меры шероховатости.

Согласно одному из предпочтительных вариантов рассеянный или отраженный световой пучок подвергают разложению подачей на плоскую границу раздела к оптически менее плотной диэлектрической среде вблизи угла полного отражения и отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют ко второму фотоприемнику.

Сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным путем изменения интенсивности измерительного луча, а сигнал с другого фотодиода индицируют.

Рассеянный или отраженный световой пучок после разложения светоделителем направляют на границу раздела с переходом стекло/воздух вблизи угла полного отражения и границы раздела обоих переходов стекло/воздух располагают под углом друг к другу, который самое большее равен сумме их углов полного отражения в дополнение к углу расходимости частичных пучков.

Кроме того, указанная задача решается благодаря тому, что в устройстве для высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, содержащем лазер, проекционную оптику и устройство с фотодиодной линейкой для детектирования отраженного или рассеянного светового пучка, а также регулировочное устройство для регулирования угла между измерительным пучком и поверхностью от 0 до 180 градусов, для распространения рассеянного или отраженного светового пучка предусмотрено отклоняющее тело, которое установлено в ход лучей для обеспечения попадания рассеянного или отраженного светового пучка на поверхность отклоняющего тела под углом вблизи угла полного отражения и для каждого частичного пучка предусмотрен фотоприемник, сигналы с которых подаются на дифференциальный усилитель. Причем в качестве отклоняющего тела предусмотрена отклоняющая призма, на поверхность гипотенузы которой рассеянный или отраженный световой пучок направлен под углом вблизи угла полного отражения. Согласно другому варианту в качестве отклоняющего тела предусмотрен светоделитель, за выходной стороной которого установлены друг за другом две призмы, на поверхности гипотенуз которых частичные пучки направлены под углом падения, приближающимся к углу полного отражения, и оба отраженных по два раза частичных пучка направлены к одной линзе и к одному фотодиоду.

Для наглядности изобретения производится ссылка на более подробно поясняющие его примеры выполнения на чертежах, на которых показано: фиг. 1: первый пример выполнения изобретения с отклоняющей призмой для зависимого от угла разложения, фиг. 2: второй пример выполнения изобретения с двумя работающими в противотакте отклоняющими призмами и дифференциальным усилителем, присоединенным к обоим последовательно включенным фотоприемникам.

На фиг. 1 показан лазерный диод 1, коллимированный лазерный луч 2 которого направляют проекционной оптикой 3 на измеряемую поверхность 4 пробы (объекта). Рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок 5 преобразуется затем коллиматором 6 в почти параллельный световой пучок 7. Этот пучок 7 попадает на отклоняющую призму 8, разлагающую его на два частичных пучка 9, 10 приблизительно с одинаковым поверхностным распределением интенсивности перпендикулярно направлению излучения. Если смотреть в направлении излучения пучка 7, то угол падения на поверхность гипотенузы призмы 8 лежит предпочтительно на переходе к полному отражению. Соотношение общих интенсивностей (соответственно суммированных по сечению) обоих пучков 9, 10 зависит тогда только от угла падения, т.е. от направления излучения рассеянного или отраженного от поверхности пучка 5. После этого отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют ко второму фотоприемнику. Электрические сигналы обоих фотоприемников 11, 12 (при этом речь идет, например, о двух фотодиодах) могут быть использованы таким образом, что сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным, например, путем изменения интенсивности измерительного луча лазерного диода 1, а сигнал с другого фотодиода индицируют. Таким образом можно регулировать изменения отражения поверхности 4. Другая возможность состоит в том, чтобы поддерживать постоянной сумму обоих фотодиодов и индицировать разность.

На фиг. 2 также показан лазерный диод 1, коллимированный лазерный луч 2 которого направляют проекционной оптикой 3 на измеряемую поверхность 4 пробы, а рассеянный/отраженный световой пучок 5 преобразуется коллиматором 6 в почти параллельный световой пучок 7. Этот пучок 7 разлагается затем светоделителем 13 на два одинаковых частичных пучка, которые отклоняются соответственно на поверхностях гипотенуз двух последовательно установленных призм 14, 15 и 16, 17. Углы падения на поверхности гипотенуз призм лежат предпочтительно на переходе к полному отражению. Призмы 14, 15 и 16, 17 регулируют так, что при изменении угла пучка 7 углы падения одного пучка приближаются к углам полного отражения, в то время как углы падения другого пучка удаляются от углов полного отражения. Оба отраженных по два раза пучка направляют затем через линзу 18, 19 к фотодиоду 20, 21, а пропущенные доли здесь не используются. Обработка сигналов происходит как и в случае примера выполнения 1. Свободный выбор рабочей точки на кривой пропускания-отражения, достигнутый за счет регулируемости призм, обеспечивает оптимальное использование чувствительности способа.

Формула изобретения

1. Способ высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, при котором на поверхность направляют измерительный луч лазера и рассеянный или отраженный световой пучок фокусируют при помощи проекционной оптики, а также детектируют фотодиодами, причем угол между поверхностью и измерительным лучом можно регулировать в пределах 0 - 180^o, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагают на два световых пучка приблизительно с одинаковым распределением поверхностной интенсивности перпендикулярно направлению излучения, а детектируемые фотодиодами сигналы подают к дифференциальному усилителю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный световой пучок подвергают разложению подачей на плоскую границу раздела к оптически менее плотной диэлектрической среде вблизи угла полного отражения и отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют к второму фотоприемнику.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным путем изменения интенсивности измерительного луча, а сигнал с другого фотодиода индицируют.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный световой пучок после разложения в светоделителе направляют на границу раздела с переходом стекло/воздух вблизи угла полного отражения и границы раздела обоих переходов стекло/воздух располагают под углом друг к другу, который самое большее равен сумме их углов полного отражения в дополнение к углу расходимости частичных пучков.

5. Устройство высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, содержащее лазер, проекционную оптику и устройство с фотодиодной линейкой для детектирования отраженного или рассеянного светового пучка, а также регулировочное устройство для регулирования угла между измерительным лучом и поверхностью от 0 до 180^o, отличающееся тем, что для распространения рассеянного или отраженного светового пучка предусмотрено отклоняющее тело, которое установлено в ход лучей для обеспечения попадания рассеянного или отраженного светового пучка на поверхность отклоняющего тела под углом, вблизи угла полного отражения, и для каждого частичного пучка предусмотрен фотоприемник, сигнал с которого подается на дифференциальный усилитель.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве отклоняющего тела предусмотрена отклоняющая призма, на поверхность гипотенузы которой рассеянный или отраженный световой пучок направлен под углом, вблизи угла полного отражения.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве отклоняющего тела предусмотрен светоделитель, за выходной стороной которого установлены друг за другом две призмы, на поверхности гипотенуз которых частичные пучки направлены под углом падения, приближающимся к углу полного отражения, и оба отраженных по два раза частичных пучка направлены к одной линзе и к одному фотодиоду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2