ПРОФИЛОГРАФ Российский патент 2003 года по МПК G03H1/00 G01B21/20 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для контроля шероховатостей.

Известны профилографы, основанные на контактных способах измерения параметров микрорельефа поверхности. Чувствительный элемент этих устройств представляет собой механический зонд (алмазную иглу), скользящий по поверхности, который через рычажный механизм передает информацию о микрорельефе в преобразующий элемент (индуктивный, пьезоэлектрический, электродинамический), где вырабатываются электрические сигналы, соответствующие вертикальным перемещениям зонда [1].

Недостатками таких профилографов являются ограниченная способность регистрации в виде профилограммы лишь информации вдоль трассы перемещения зонда, повышенные конструктивно-технологические требования к алмазной игле и рычажному механизму (прочность, юстировка мест сопряжения деталей), что удоражает производство таких устройств. Кроме того, на этапах передачи информации от чувствительного элемента через преобразующий элемент в измерительную схему возникают различного рода искажения.

В качестве прототипа выбрано устройство копирования голограммы методом восстановления с предварительным увеличением, использующее восстановленное действительное изображение, содержащее светоделитель луча лазера, оптические преобразователи и регистрирующую среду - толстослойную эмульсию [2].

Недостатком данного устройства является недостаточная степень увеличения восстанавливаемого изображения, что не позволяет получить контурные карты микрорельефа исследуемой поверхности для последующей обработки данных.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении увеличения, точности и возможности измерений восстановленного голографического изображения микрорельефа контролируемого объекта.

Это достигается тем, что в профилографе, содержащем светоделители луча лазера, оптические преобразователи, регистрирующие среды - толстослойные эмульсии, увеличение трехмерной интерференционной картины осуществляется микроскопом при записи и копировании голографического изображения микрорельефа поверхности, а для измерений используется индикатор электромагнитного поля.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена схема записи пропускающей объемной голограммы с предварительным увеличением, на фиг. 2 - схема копирования голограммы методом восстановления с предварительным увеличением, на фиг.3 - схема восстановления действительного изображения.

Профилограф имеет схему записи, схему копирования голограмм и схему восстановления изображения голограммы-копии. Схема записи голограмм (фиг.1) содержит лазер 1, светоделитель 2 излучения лазера, оптические преобразователи в виде зеркал 3 и линз 4, объект измерений 5, микроскоп 6 и регистрирующую среду - толстослойную эмульсию 7. Схема копирования голограммы (фиг. 2) содержит лазер 8, светоделитель 9 излучения лазера, оптические преобразователи в виде зеркал 10 и линз 11, объект - действительное изображение 12, микроскоп 13, голограмму - оригинал 14, голограмму-копию 15. Схема восстановления изображения (фиг. 3) содержит лазер 16, линзу 17, голограмму-копию 18, действительное изображение 19 и сканирующий индикатор электромагнитного поля 20.

Профилограф работает следующим образом.

Предварительное увеличение применяется для того, чтобы получить высокое разрешение в небольшом поле зрения. Объектом для голограммы служит действительное увеличенное изображение объекта.

Пучок когерентного излучения лазера 1 (фиг.1) направляется на светоделитель 2, с помощью которого получают два пучка - объектный и опорный. Опорный пучок направляется системой зеркало 3, линза 4 и светоделитель 2 непосредственно на регистрирующую среду - толстослойную эмульсию 7. Объектный пучок падает на объект 5, голограмму которого регистрируют, отражается от него, проходит через микроскоп 6, попадает на регистрирующую среду 7. В результате интерференции волн опорного и объектного пучков, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения, т.е. создаются брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет.

Таким образом, в эмульсии регистрирующей среды 7 создается трехмерная интерференционная картина.

При восстановлении объемной голограммы образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга.

Точное формирование действительного изображения без итераций, изменения размеров требует выполнения двух условий. Первое условие - при записи и восстановлении голограммы используемый свет должен иметь одну и ту же длину волны. Второе условие - направление распространения и форма волнового фронта, падающего на голограмму, при восстановлении должны точно соответствовать комплексному сопряжению опорного пучка, использованного при записи.

Для обеспечения достаточной степени увеличения восстанавливаемого изображения в профилографе применяется схема копирования голограммы методом восстановления с предварительным увеличением, когда в качестве объекта используется восстановленное действительное изображение (фиг.2).

Пучок когерентного излучения лазера 8 (фиг.2) направляется на светоделитель 9, с помощью которого получают два пучка - восстанавливающий и опорный. Опорный пучок направляется системой зеркало 10, линза 11 на голограмму-копию.

Восстанавливающий пучок падает на голограмму-оригинал, при этом на каждой из совокупности записанных дифракционных решеток восстанавливается своя предметная волна, соответствующая определенной точке микрорельефа. Полученное действительное изображение микрорельефа увеличивается с помощью микроскопа.

Объектный пучок от действительного увеличенного изображения падает на голограмму-копию, где и формируют голографическую запись.

Действительное изображение, восстановленное с копии, будет непсевдоскопическим (ортоскопическим). Пучок когерентного излучения лазера 16 (фиг. 3), пройдя через линзу 17, падает на голограмму-копию 18 и восстанавливает увеличенное действительное изображение базового участка микрорельефа изучаемой поверхности.

Голографическая система, входящая в состав профилографа, должна обеспечить при восстановлении предэкранное изображение (изображение "висящее в воздухе") для последующего получения контурных карт микрорельефа исследуемой поверхности.

Для этой цели используется индикатор 20 электромагнитного поля. Индикатор представляет собой прибор зарядовой связи (ПЗС), применяемый в цифровой фотоаппаратуре.

Изображение микрорельефа представляет собой восстановленную электромагнитную волну, которая является идентичной в амплитудном и фазовом отношении волне, отраженной от снятого на голограмму участка поверхности. Под действием восстановленной электромагнитной волны каждый микроконденсатор ПЗС заряжается. Величина заряда определяется интенсивностью волны (яркостью изображения). Электроника профилографа последовательно снимает заряды с каждого конденсатора.

Информация о снятых контурных картах микрорельефа передается на персональный компьютер для последующей обработки данных.

В состав устройства профилографа входит кинематический блок (не показан), позволяющий посредством ПЗС снимать профиль микрорельефа в двух взаимно перпендикулярных направлениях, через заданный шаг Δх по оси Х и Δу по оси Y.

Точность восстановления профиля микрорельефа определяется размерами конденсаторов и увеличением микроскопа. Так, чтобы обеспечить восстановление профиля микрорельефа Ra = 0,001 мкм при условии, что линейный размер микроконденсатора Н = 200 мкм, следует выбрать в схеме записи голограммы микроскоп с увеличением N₁ = 2500, а в схеме копирования голограммы микроскоп с увеличением N₂ = 800, т.к. Н=N₁N₂ Ra.

Применение предлагаемого профилографа позволяет увеличить точность, число трасс ощупывания, снизить оперативное время регистрации шероховатости, исследовать реальную картину микрорельефа.

Источники информации
1. ГОСТ 19300-73. Аппаратура для измерения шероховатости поверхности профильным методом. Профилометры. Контактные системы. М., Типы, Основные параметры.

2. Ж. Априль, А. Арсено, Н. Баласубраманьян и др. Оптическая голография: Пер. с англ. /Под ред. Г. Колфилда. - М.: Мир, 1982. - Т.2 - C.622.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для контроля шероховатости. Изобретение основано на увеличении трехмерной интерференционной картины микроскопом, копировании предварительного голографического изображения микрорельефа поверхности, при этом при измерениях используется сканирующий индикатор электромагнитного поля. Технический результат: увеличение точности, увеличение числа трасс ощупывания, снижение оперативного времени регистрации, возможность исследования реальной картины микрорельефа. 3 ил.

Профилограф, содержащий светоделитель луча лазера, оптические преобразователи, регистрирующую среду - толстослойную эмульсию, отличающийся тем, что увеличение трехмерной интерференционной картины осуществляется микроскопом, путем копирования предварительного голографического изображения микрорельефа поверхности, а для измерений используется сканирующий индикатор электромагнитного поля.