ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01B21/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборостроении и точном машиностроении для контроля формы объектов оптическим методом.

Целью изобретения является изыскание способа, позволяющего упростить средства контроля формы объектов и расширить их функциональные возможности.

Известен способ измерения формы объекта, при котором объект освещают набором лучей, отраженные от объекта лучи принимают в контрольных точках промежуточного тела, расположенных эквидистантно образцовой поверхности, отклонение формы контролируемого объекта определяют по изменению сигналов от отраженных световых лучей по сравнению с образцовыми сигналами (прототип). Способ основан на многоточечном принципе измерения, при котором информация о форме объекта сначала дискретно собирается в контрольных точках, а затем контролируется для участков между контрольными точками. Таким образом, одним из основных недостатков известного способа является отсутствие достоверной измерительной информации о форме объекта между контрольными точками. В устройстве, реализующем этот способ, поверхность промежуточного тела, эквидистантная образцовой поверхности, не служит непосредственно измерительным элементом, а лишь обеспечивает эквидистантность (т.е. равноудаленность) торцев приемных световодов от поверхности тела. Этот недостаток не позволяет в ряде случаев эффективно использовать устройства, реализующие известный способ, например, для контроля формы глубоких отверстий диаметром до 1 мм, микросопел и т.п.

Другим недостатком известного способа является то, что его реализация требует значительного количества аппаратуры: N+1 источников излучения, передающих и приемных световодов, фотоприемников, N цепей, каждая из которых содержит усилитель, первый и второй элементы памяти, дифференциальный усилитель и др. (где N количество контрольных точек).

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков и расширение функциональных возможностей средств контроля формы объектов.

Сущность способа заключается в контроле формы объекта по нескольким заданным направлениям с использованием для контроля по каждому направлению излучения только с выбранной для этого направления оптической частотой. При этом передающий и приемный световоды соединяют посредством оптически прозрачного тела, поверхность которого подобна поверхности контролируемого объекта и обратна ей. Таким образом создается "пространственный оптический калибр", позволяющий получать информацию по нескольким направлениям. Предлагаемый способ позволяет осуществлять переход от контроля формы объекта по одному направлению к контролю формы по другому направлению путем изменения только оптической частоты излучения в сочетании с использованием спектральных светофильтров, избирательно пропускающих излучение с определенной частотой.

На чертеже показана функциональная схема осуществления оптоэлектронного способа контроля формы объекта. Для контроля формы объекта по какому-либо одному направлению, например направлению B, от источника 1 подают излучение с требуемой оптической частотой ν_В по световоду 2 в оптически прозрачное тело 3, на поверхность которого нанесены спектральные светофильтры 4, 5 и 6. Светофильтры избирательно пропускают только излучение с оптическими частотами ν_А,ν_В и ν_C, соответствующими направлениям A, B и C.

Далее излучение попадает на объект вдоль направления B через спектральный светофильтр 5, избирательно пропускающий излучение с оптической частотой ν_В и не пропускающий излучение с частотами ν_A и ν_C. Излучение с оптической частотой ν_В не проходит через светофильтры 4 и 6, установленные по направлениям A и C. Таким образом, контролируемая поверхность 7 освещается только излучением с оптической частотой ν_В по направлению B.

Отраженное от объекта излучение по направлению B собирают в оптически прозрачное тело 3 через этот же светофильтр 5. При этом рассеянное отраженное излучение с оптической частотой ν_В не пройдет внутрь оптически прозрачного тела 3 по направлениям A и C, так как установленные по этим направлениям спектральные светофильтры 4 и 6 не пропустят излучение с оптической частотой ν_В. Отраженное излучение далее по приемному световоду 8 подают на фотоприемник 9.

Преобразование отраженного от объекта излучения в амплитудный или фазовый информативный электрический сигнал осуществляют гомодинным или гетеродинным методами. При этом значения используемых оптических частот не согласуют с диапазоном спектральной чувствительности фотоприемника 9, т.е. используемые оптические частоты должны лежать внутри этого диапазона. Это позволит использовать один единый фотоприемник для детектирования на всех оптических частотах, используемых при контроле формы объекта.

При использовании оптического гетеродинирования для измерения параметров отраженного от объекта излучения изменяют оптическую частоту опорного излучения одновременно с изменением оптической частоты излучения, несущего измерительную информацию, так, чтобы разностная частота на выходе гетеродинного фотоприемника сохранялась постоянной при контроле формы объекта на всех используемых оптических частотах. Для этого формируют дополнительный оптический канал 10, предназначенный для формирования и передачи на гетеродинный фотоприемник опорного излучения, для чего от источника подают излучение с оптической частотой ν_В (минуя измерительный оптический канал, образованный передающим световодом 2, оптически прозрачным телом 3 и приемным световодом 8), осуществляют сдвиг оптической частоты излучения на фиксированную величину Δν и подают опорное излучение с оптической частотой n_В+Δν на смесительную пластину 11 гетеродинного фотоприемника, где происходит интерференция с излучением, имеющим оптическую частоту ν_В и несущим измерительную информацию. Это позволяет использовать электрический полосовой фильтр, усилитель и дальнейшую схему обработки измерительной информации, настроенные на одно значение разностной частоты. Таким образом, контроль формы объекта производится на всех оптических частотах без перенастройки гетеродинного фотоприемника.

Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является полное использование поверхности оптически прозрачного тела, посредством которого соединяют передающий и приемный световоды, благодаря применению спектральных светофильтров по каждому направлению. Поверхность оптически прозрачного тела, подобная поверхности контролируемого объекта и обратная ей, является непосредственно измерительным элементом системы источником измерительной информации. Помимо этого, в некоторых случаях предлагаемый способ позволяет вести контроль формы объекта как при эквидистантном расположении поверхности оптически прозрачного тела относительно поверхности контролируемого объекта, так и при неэквидистантном ее расположении. Это является важным преимуществом, поскольку в ряде случаев оказывается технически трудно обеспечить эквидистантность расположения промежуточного тела относительно контролируемой поверхности, например, при контроле формы глубоких отверстий диаметром до 1 мм, пазов, микросопел. Эти особенности позволяют расширить функциональные возможности средств контроля формы объекта.

Предлагаемый способ позволяет осуществить переход от контроля формы объекта по одному направлению к контролю формы объекта по другому направлению путем измерения только оптической частоты излучения в сочетании с использованием спектральных светофильтров. Это ведет к упрощению всего средства контроля объекта в целом. Так, использование N различных оптических частот вместо N оптических схем (по прототипу), каждая из которых состоит из источника излучения, передающего и приемного световодов, фотоприемника, усилителя и т.д. ведет к значительному аппаратурному упрощению средств контроля формы объекта, т.к. необходим только один источник излучения (с изменяемой оптической частотой) и один, единый для всех используемых оптических частот, фотоприемник.

Средства контроля, основанные на предлагаемом способе, могут быть реализованы с использованием современных оптических и электронных устройств, материалов и технологий. Например, соединение передающего и приемного световодов с образованием оптически прозрачного тела может быть осуществлено путем лазерной сварки, горячей формовки в подогреваемой оправке и т.д.

Использование: в приборостроении и точном машиностроении для контроля формы объекта оптическим методом. Сущность изобретения: освещают объект и передают отраженное от объекта излучение через, соответственно, передающий и приемный световоды, торцы которых соединены между собой посредством оптически прозрачного тела, поверхность которого подобна поверхности контролируемого объекта и обратна ей, а для освещения объекта по выбранным направлениям размещают по каждому из этих направлений спектральные светофильтры, спектральные диапазоны пропускания которых отличаются друг от друга. Контроль формы объекта осуществляют, используя излучение, оптическая частота которого соответствует пропусканию соответствующего спектрального светофильтра. При этом спектральные светофильтры могут быть размещены на поверхности оптически прозрачного тела. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптоэлектронный способ контроля формы объекта, при котором освещают объект по выбранным направлениям и передают отраженное от объекта излучение на фотоприемник, а по параметрам электрического сигнала на выходе фотоприемника судят о соответствии формы контролируемого объекта форме эталона по каждому из выбранных направлений, отличающийся тем, что освещают объект и передают отраженное от объекта излучение через соответственно передающий и приемный световоды, торцы которых, обращенные к контролируемому объекту, соединяют между собой посредством оптически прозрачного тела, поверхность которого подобна поверхности контролируемого объекта и обратна ей, обеспечивают освещение объекта по выбранным направлениям путем размещения по каждому из этих направлений спектральных светофильтров, спектральные диапазоны пропускания которых отличаются друг от друга, и контролируют форму объекта по каждому из направлений, используя излучение, оптическая частота которого соответствует пропусканию соответствующего спектрального светофильтра. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектральные светофильтры размещают на поверхности оптически прозрачного тела. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что значения используемых оптических частот излучения выбирают в соответствии с диапазоном спектральной чувствительности фотоприемника. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при оптическом гетеродинном методе приема формируют дополнительный оптический канал передачи излучения от источника к фотоприемнику, минуя измерительный оптический канал, осуществляют в дополнительном оптическом канале сдвиг оптической частоты излучения на фиксированное значение и обеспечивают при приеме наложение излучения со смещенной оптической частотой и излучения, несущего измерительную информацию, причем для всех используемых оптических частот обеспечивают получение одной и той же разностной частоты на выходе фотоприемника.