УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного оптического определения шероховатости сверхгладких поверхностей, например поверхностей зеркал, полупроводниковых или металлических подложек, прецезионных изделий.

Известен рефлектометр, содержащий лазер, первый фотоприемник, расположенный под углом зеркального отражения, второй фотоприемник, установленные в плоскости падения и соединенные с электронно-измерительным блоком /1/. Известное устройство характеризуется недостаточной точностью и чувствительностью определения шероховатости, что обусловлено малой долей излучения диффузно отраженной компоненты света, попадающей во второй фотоприемник, необходимостью измерения угла отражения, отличного от зеркального, и выбора этого угла в зависимости от свойств поверхности с целью установки второго фотоприемника, сильной чувствительностью к анизотропии шероховатости, небольшим отклонением от плоскостности. Это искажает результаты измерений шероховатости подобных поверхностей.

Известно устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собирающее зеркало и два фотоприемника /2/. Известное устройство имеет недостаточную точность определения шероховатости, поскольку часть диффузно отраженного излучения не фокусируется на фотоприемнике. Кроме того, известное устройство не достаточно автоматизировано, что ограничивает производительность контроля шероховатости.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала и электрически соединенный с блоком обработки информации /3/. В известном устройстве в качестве эллипсоидального зеркала используют эллипсоид вращения, что позволяет использовать устройство как для контроля качества поверхности, так и для определения шероховатости по измерению суммарной (интегральной) интенсивности диффузно отраженной компоненты света. Необходимость калибровки устройства по эталонным образцам шероховатости, с одной стороны, ограничивает диапазон измерения шероховатости параметрами эталонных образцов, а с другой - вносит погрешности, обусловленные погрешностями эталонов. Нестабильность интенсивности источника излучения также не учитывается при измерении интенсивности диффузной компоненты, внося погрешности в определение шероховатости. Указанные факторы ограничивают точность определения шероховатости сверхгладких поверхностей.

Согласно изобретению предлагается устройство для определения шероховатости поверхностей, обеспечивающее повышение точности определения шероховатости сверхгладких поверхностей.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие расположено на оси зеркально отраженной компоненты света, первый фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала, блок обработки информации, электрически соединенный с первым фотоприемником, дополнительно содержит второй фотоприемник, установленный на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света и оптически сопряженный с выходным отверстием зеркала, причем второй фотоприемник электрически соединен с блоком обработки информации.

В соответствии с изобретением второй фотоприемник обеспечивает измерение интегральной интенсивности зеркальной компоненты отраженного света. Это позволяет одновременно измерять интегральные интенсивности диффузной и зеркальной компонент отраженного света, а по отношению последних - шероховатость поверхности. Одновременное измерение интегральных интенсивностей исключает влияние нестабильности источника излучения на определение шероховатости поверхности.

Шероховатость поверхности может быть определена по формуле

где I_д - интегральная интенсивность диффузной компоненты отраженного света;
I_з - интегральная интенсивность зеркальной компоненты отраженного света;
R_Z - средняя высота неровностей профиля;
C - постоянная, зависящая от длины волны зондирующего излучения и от угла падения, значения которой могут быть определены как экспериментально, так и теоретически.

Благодаря этому нет необходимости градуировать заявляемое устройство по известным эталонным образцам. В силу вышеизложенного известное устройство впервые обеспечивает наиболее полно и точно измерение интегральных интенсивностей диффузно и зеркально отраженных компонент света, а по ним в соответствии с формулой (1) - высокую точность определения шероховатости поверхности.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства (сечение в плоскости падения).

Устройство содержит лазер 1, эллипсоидальное зеркало 2, первый фокус 3 которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие 4 размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, первый фотоприемник 5, установленный чувствительной поверхностью во втором фокусе 6 эллипсоидального зеркала 2 и ориентированный на выходное отверстие 4, второй фотоприемник 7, установленный на оси зеркально отраженной компоненты и оптически связанный с отверстием 4, причем электрические выходы фотоприемников 5, 7 соединены с блоком обработки информации 8. Позицией 9 отмечена контролируемая поверхность, совмещенная с фокусом 3. При этом эллипсоидальное зеркало 2 является частью эллипсоида вращения. Стрелками обозначены направления распространения зондирующего пучка и отраженного излучения, причем крайние стрелки характеризуют ширину индикатриссы рассеяния диффузной компоненты.

Устройство работает следующим образом. Пучок монохроматического света от лазера 1 падает под острым углом на контролируемую поверхность 9 и, отразившись от неровностей профиля поверхности, разделяется на зеркальную и диффузную составляющие (компоненты) отраженного света. Диффузная составляющая фокусируется эллипсоидальным зеркалом 2 на чувствительной поверхности фотоприемника 5, регистрирующего суммарную (интегральную) интенсивность диффузной компоненты, а зеркальная компонента отраженного света выводится через отверстие 4 и попадает на чувствительную поверхность фотоприемника 7, регистрирующего суммарную (интегральную) интенсивность зеркальной компоненты. Сигналы с фотоприемников 5, 7 поступают в блок 8 обработки информации, осуществляющий определение шероховатости в соответствии с формулой (1). При этом отверстием 4 обеспечивается разделение диффузной и зеркальной компонент отраженного света, а эллипсоидальным зеркалом - наиболее полная концентрация диффузной компоненты. При необходимости зондирующий лазерный пучок сканируют по поверхности изделия 9, перемещая изделие или устройство (средства сканирования на фигуре не показаны). Одновременное наличие сигналов от фотоприемников 5, 7 свидетельствует о совмещении фокуса 3 и поверхности 9, о плоскопараллельности поверхности и отсутствии дефектов в точках контроля, т.е. о готовности к измерению шероховатости в них, что используется для увеличения достоверности и точности измерений шероховатости. В качестве блока 8 может быть использована ЭВМ либо специализированный блок, состоящий, например, из узла измерения отношения сигналов, логарифмического усилителя и регистрирующего прибора.

Источники информации:
1. Рефлектометр для измерения параметров шероховатости сверхгладких поверхностей. Авторское свидетельство СССР N 987381, МПК G 01 B 11/30, 1963.

2. Устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей. Патент США N 3771880, МПК G 01 N 21/48, 1973.

3. Устройство для определения качества поверхности. Заявка ФРГ N 3626724, МПК G 01 B 11/30, опубл. 1988 (прототип).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении шероховатости сверхгладких поверхностей, например плоских зеркал, полированных подложек и т.п. Высокая точность определения обеспечивается регистрацией фотоприемниками интегральных интенсивностей диффузной и зеркальной компонент отраженного света. Зондирующий пучок от лазера падает на поверхность образца в первом фокусе эллипсоидального зеркала. Диффузная компонента фокусируется зеркалом на фотоприемнике, установленном в его втором фокусе, а зеркальная выводится через отверстие на другой фотоприемник. 1ил.

Устройство для определения шероховатости поверхности, включающее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, первый фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала, и блок обработки информации, электрически соединенный с первым фотоприемником, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй фотоприемник, установленный на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света, оптически сопряженный с выходным отверстием эллипсоидального зеркала и электрически соединенный с блоком обработки информации.