СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01C9/18 

Изобретение относится к оптическим способам контроля горизонтальности поверхности.

Известны наклономеры [1, 2, 3], принцип работы которых основан на применении маятников различных модификаций. При разработке таких приборов приходится учитывать два противоречивых требования. С одной стороны, для высокой чувствительности необходимо, чтобы трение при смещении маятника было минимальным (например, с этой целью в [1] под маятником создают воздушную подушку), с другой стороны, для гашения вибраций, толчков и сокращения времени установления маятника его необходимо демпфировать [2, 3]. Отсюда сложность оптимизации измерений в устройствах этого типа.

Известен датчик угла наклона объекта [4], в котором внутри сферического корпуса, заполненного поглощающей излучение жидкостью, размещен световод. Между двумя полусферами световода расположен источник, поток оптического излучения которого проходит без ослабления лишь в зоне расположения пузырька газа, содержащегося в жидкости. Пройдя через щелевую диафрагму, поток попадает на закрепленные на ней приемники оптического излучения, вырабатывающие электрический позиционный сигнал. Недостатком способа измерения, применяемого в этом устройстве, является ограничение чувствительности, связанное с размерами газового пузырька и дискретностью расположения фотоприемников.

Предлагаемый способ позволяет повысить чувствительность и упростить процесс контроля горизонтальности поверхности.

Способ состоит в том, что лазерным пучком в слое маловязкой прозрачной жидкости на поглощающей излучение подложке индуцируют термокапиллярный (ТК) конвективный вихрь, приводящий к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления [5,6,7]. Горизонтальность поверхности контролируют по форме интерференционной картины (ТК отклика [6,7]) и распределению интенсивности в ней, наблюдая это на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера.

Пример. На фиг. 1 показана серия фотографий ТК отклика, полученная при облучении пучком He-Ne лазера (мощностью 1 мВт) слоя октана на эбонитовой подложке. Снимки расположены в порядке возрастания угла α наклона плоскости подложки к горизонтальной плоскости, но при постоянной толщине (200 мкм) слоя в центре индуцирующего конвекцию лазерного пучка. (Для устранения сильной неоднородности по яркости в ТК откликах при печати снимков (нижний ряд, начиная со второго) применялась техника каширования).

Схема эксперимента показана на фиг. 2. Здесь: 1 - индуцирующий конвекцию лазерный пучок; 2 - поглощающая излучение подложка, угол α может изменяться путем ее вращения вокруг оси 3, благодаря чему толщина слоя жидкости 4 в сечении плоскости оси вращения подложки остается равной толщине слоя жидкости при горизонтальном положении подложки и не зависит от угла наклона подложки. ТК отклик фотографировали зеркальным фотоаппаратом 5 (без объектива) путем прямого проецирования на фотопленку.

Эллиптичность ТК отклика при α = 0^° обусловлена эллиптичной формой пучка используемого лазера. Видно, что уже при α = 0^° наблюдается небольшая асимметрия распределения интенсивности в ТК отклике. Это объясняется тем, что угол наклона подложки выставлялся с точностью ±0,05^o и неоднородность распределения связана с негоризонтальностью подложки в пределах погрешности эксперимента.

В случае негоризонтальности подложки ТК отклик можно охарактеризовать двумя взаимно перпендикулярными сечениями, (фиг. 1, нижний, крайний правый снимок). Размер ТК отклика и распределение интенсивности в нем для одного из сечений (на фотографиях сечение ВВ') не зависят от угла наклона подложки и определяются толщиной слоя жидкости в центральной точке лазерного пучка. Вдоль другого сечения (на фотографиях АА') увеличение угла α приводит к увеличению размера ТК отклика и усилению неоднородности распределения интенсивности, по которым можно судить о величине и направлении отклонения от горизонтальности подложки, фиг. 3. Здесь, 1 - лазерный пучок с гауссовым распределением интенсивности, индуцирующий ТК конвекцию в неоднородном по толщине из-за негоризонтальности подложки 3 слое жидкости 4. Часть лазерного излучения, отраженная от свободной поверхности жидкости, проецируется на экран 5. На экране наблюдается ТК отклик, причем его внешние размеры определяются лучами 2, отраженными от тонкой кольцевой области, в которой изменяется знак кривизны поверхности ТК углубления (линии перегиба). Как показано на фиг. 3, более темная (а также, при больших углах, вытянутая) часть ТК отклика отвечает части углубления, формируемой в утонченном (из-за негоризонтальности подложки) слое жидкости. Такой характер деформации ТК отклика объясняется тем, что в более тонком слое жидкости конвективный процесс протекает интенсивнее, в результате в части ТК углубления, формируемой в утонченном слое (фиг. 3) на линии перегиба угол β между касательной к поверхности ТК углубления и горизонтальной к поверхности углубления и горизонтальной плоскостью больше, чем аналогичный угол на противоположной части ТК углубления (это приводит к вытягиванию ТК отклика), а сама линия перегиба смещена на периферию пучка, из-за чего происходит перераспределение интенсивности в ТК отклике.

По техническим причинам, на снимках взаимно перпендикулярные прямые, которым принадлежат характерные сечения ТК отклика, повернуты на небольшой угол относительно осей кадра.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой и надежностью, позволяет с высокой точностью контролировать величину и направление негоризонтальности твердой поверхности.

Литература
1. Авт. св. N 767515,4 G 01 C 9/12, 1980, БИ N 36.

2. Авт. св. N 1530901, 4 G 01 В 9/14, 1989, БИ N 47.

3. Авт. св. N 528447, G 01 C 9/18, 1976, БИ N 34.

4. Авт. св. N 1408222,4 G 01 В 9/18, 1988, БИ N 25.

5. Da Costa G. , Calatroni J" Appl. Optics, Vol. 17, N 15, 1978, pp. 2381-2385.

5. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Дис... к.ф.-м.н., МГУ, Москва, 1983.

6. Отчет о НИР "Фотоиндуцированная капиллярная конвекция", ВНТИЦ, инв. N 0299.00.05481.

Изобретение относится к оптическим способам контроля горизонтальности поверхности. В способе лазерным пучком в слое маловязкой прозрачной жидкости на поглощающей излучение подложке возбуждают термокапиллярный конвективный вихрь. Свободная поверхность жидкости деформируется в виде углубления. На экране, который помещен в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера, наблюдают интерференционную картину. Горизонтальность поверхности контролируют по форме и распределению интенсивности в интерференционной картине. Способ позволяет повысить точность контроля горизонтальности поверхности. 3 ил.

Способ контроля горизонтальности поверхности с использованием оптического излучения, отличающийся тем, что источником оптического излучения является лазер, пучком которого в тонком слое оптически прозрачной жидкости на поглощающей излучение подложке индуцируют область возбуждения в виде термокапиллярного конвективного вихря, приводящего к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления, а горизонтальность подложки контролируют по распределению интенсивности в форме интерференционной картины, наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера.