БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к области приборостроения и лазерной техники и может быть использовано для бесконтактного определения качества изделий, имеющих повышенные классы чистоты обрабатываемых поверхностей (например, оптических элементов).

Известны бесконтактные способы определения качества поверхности, основанные на измерении интенсивности зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта излучения [1,2].

Их недостатком является отсутствие учета нестабильности источника излучения во времени, что понижает точность измерения качества поверхности.

Известен бесконтактный способ измерения качества поверхности, основанный на подаче монохроматического светового пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, преобразование отраженных от поверхности объекта зеркальной и диффузной компонент светового излучения в фототоки, их подачи для последующей обработки на устройство преобразования светового излучения в фототок.

Недостатком данного технического решения является пониженная точность измерения, обусловленная отсутствием компенсации нестабильности интенсивности зондирующего излучения во времени.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля качества поверхности, включающий подачу монохроматического светового пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, получение световых импульсов равной длительности из полученных компонент, формирование опорных световых импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, попарно поочередное преобразование каждого светового импульса, полученного из зеркальной и диффузной компоненты отраженного от поверхности объекта светового излучения с соответствующим опорным световым импульсом, в фототоки и последующее определение по ним качества поверхности объекта с учетом корректировки интенсивностей световых импульсов, полученных из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, по интенсивностям соответствующих им опорных световых импульсов.

Устройство для реализации способа содержит источник монохроматического пучка светового излучения, подаваемого на поверхность объекта, светоделительную пластину, установленную на выходе источника монохроматического пучка светового излучения, зеркало в виде параболоида вращения с входным и выходным отверстиями, фокус которого расположен на оптической оси пучка светового излучения и совмещен с поверхностью объекта, фокусирующую систему, установленную напротив отражающей поверхности зеркала, первое фотоприемное устройство, размещенное напротив фокусирующей системы, выход которого подключен к блоку управления и обработки информации, первый обтюратор с окном и зеркальной зоной на поверхности вращающегося диска, установленный перед первым фотоприемным устройством и подключенный к блоку управления и обработки информации, и первое и второе зеркала, при этом зеркальная компонента отраженного от объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через выходное отверстие зеркала в виде параболоида вращения, первое и второе зеркала и зеркальную зону вращающегося диска первого обтюратора, а диффузная компонента отраженного от поверхности объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через отражающую поверхность зеркала в виде параболоида вращения, фокусирующую систему и окно вращающегося диска первого обтюратора [3].

Недостатком вышеприведенного технического решения является пониженная точность контроля качества поверхности, обусловленная тем, что импульсы зеркальной и диффузной составляющих отраженного от объекта излучения и соответствующие им опорные импульсы для корректировки интенсивностей выделяются из различных участков “кривой” изменения интенсивности светового излучения источника во времени (изменение интенсивности в реальных условиях имеет не линейный характер, что ведет к возникновению больших погрешностей при корректировке интенсивностей).

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении точности измерений.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного контроля качества поверхности, включающем подачу монохроматического светового пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, получение световых импульсов равной длительности из полученных компонент, формирование опорных световых импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, попарно поочередное преобразование каждого светового импульса, полученного из зеркальной и диффузной компоненты отраженного от поверхности объекта светового излучения с соответствующим опорным световым импульсом, в фототоки и последующее определение по ним качества поверхности объекта с учетом корректировки интенсивностей световых импульсов, полученных из зеркальной и диффузных компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, по интенсивностям соответствующих им опорных импульсов, получение световых импульсов из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения осуществляют путем выделения световых импульсов равной длительности из монохроматического светового пучка перед его подачей на поверхность объекта, а формирование опорных световых импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент, производят посредством отделения части светового потока из вышеуказанных выделенных импульсов.

В устройстве для бесконтактного контроля качества поверхности, содержащем источник монохроматического пучка светового излучения, подаваемого на поверхность объекта, светоделительную пластину, установленную на выходе источника монохроматического пучка светового излучения, зеркало в виде параболоида вращения с входным и выходным отверстиями, фокус которого расположен на оптической оси пучка монохроматического светового излучения и совмещен с поверхностью объекта, фокусирующую систему, установленную напротив отражающей поверхности вышеуказанного зеркала, первое фотоприемное устройство, размещенное напротив фокусирующей системы, выход которого подключен к блоку управления и обработки информации, первый обтюратор с окном и зеркальной зоной на поверхности вращающегося диска, установленный перед первым фотоприемным устройством и подключенный к блоку управления и обработки информации, и первое и второе зеркала, при этом зеркальная компонента отраженного от поверхности объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через выходное отверстие зеркала в виде параболоида вращения, первое и второе зеркала и зеркальную зону вращающегося диска первого обтюратора, а диффузная компонента отраженного от поверхности объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через отражающую поверхность зеркала в виде параболоида вращения, фокусирующую систему и окно вращающегося диска первого обтюратора, дополнительно содержится второй обтюратор с парой идентичных окон на вращающемся диске и второе фотоприемное устройство, при этом источник монохроматического пучка светового излучения размещен напротив входного отверстия зеркала в виде параболоида вращения, второй обтюратор установлен перед светоделительной пластиной и подключен к блоку управления и обработки информации, а второе фотоприемное устройство размещено напротив светоделительной пластины, его вход оптически сопряжен со светоотражающей поверхностью последней, а выход подключен к блоку управления и обработки информации, причем вращение диска с парой окон второго обтюратора синхронизировано по углу и фазе с вращением диска с окном и зеркальной зоной первого обтюратора.

Кроме того, пара окон вращающегося диска второго обтюратора и окно и зеркальная зона вращающегося диска первого обтюратора выполнены зеркально-симметрично относительно осей вращения дисков.

Кроме того, ширина пары окон вращающегося диска второго обтюратора выполнена меньше ширины окна и зеркальной зоны вращающегося диска первого обтюратора по “следу” оптической оси светового излучения на дисках обтюраторов.

Кроме того, на вращающемся диске первого обтюратора предусмотрены два дополнительных окна, причем имеющееся окно и дополнительные окна равномерно расположены на диске.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для реализации способа в момент приема импульса диффузной компоненты светового излучения, отраженного от исследуемой поверхности объекта, на фиг.2 - то же, в момент приема импульса зеркальной компоненты, на фиг.3, фиг.4 - вращающиеся диски обтюраторов.

Устройство содержит источник монохроматического светового пучка (лазер) - 1, последовательно установленные на выходе источника - 1 обтюратор - 2 с вращающимся диском - 3, подключенный к блоку управления и обработки информации (в графических материалах условно не показан), и светоделительную пластину - 4 (полупрозрачное зеркало). На диске - 3 обтюратора - 2 выполнены зеркально-симметрично (диаметрально противоположно) относительно оси его вращения пара окон - 5 и 6 идентичной конфигурации (см. фиг.3) для получения световых импульсов - I₁ и I₂ (см. фиг.1, фиг.2) равной длительности из монохроматического светового пучка источника - 1.

Напротив пластины - 4 установлено фотоприемное устройство – 7, оптически сопряженное с отражающей поверхностью последней (для приема импульсов - I_1oп.и I_2oп.) и подключенное выходом к блоку управления и обработки информации.

Устройство содержит также параболическое зеркало – 8 с входным отверстием - 9 для подачи светового излучения в виде импульсов - (I₁-I_1oп.) и (I₂-I_2oп.) (здесь и далее потери на поглощение световой энергии оптическими элементами учитываться не будут ввиду их систематического характера) на исследуемую поверхность объекта -10 для формирования импульсов зеркальной и диффузной компонент - I_з и I_д отраженного от поверхности объекта - 10 светового излучения (см. фиг.1, фиг.2). Фокус - “F” зеркала - 8 находится на оптической оси подаваемого светового излучения и совмещен с исследуемой поверхностью объекта - 10.

Напротив отражающей поверхности зеркала - 8 размещена фокусирующая система - 11 и фотоприемное устройство - 12 с обтюратором - 13, имеющим вращающийся диск - 14 с окном - 15 и зеркальной зоной - 16, расположенными зеркально-симметрично относительно оси вращения диска - 14 (см. фиг.4). Выход фотоприемного устройства - 12 и обтюратор - 13 подключены к блоку управления и обработки информации, причем зеркальная компонента - I_з отраженного от объекта - 10 светового излучения оптически сопряжена через выходное отверстие - 17 зеркала - 8, зеркала – 18, 19 и зеркальную зону - 16 диска - 14 со входом фотоприемного устройства - 12 (фиг.2), а диффузная компонента - I_д отраженного от поверхности объекта - 10 светового излучения оптически сопряжена со входом фотоприемного устройства - 12 через фокусирующую систему - 11 и окно -15 диска - 14 обтюратора - 13 (фиг.1).

Для обеспечения вышеуказанных оптических сопряжений скорости вращения (ω) диска - 3 с окнами - 5 и 6 и диска - 14 с окном - 15 и зеркальной зоной - 16 синхронизированы по углу и фазе через блок управления и обработки информации.

Для компенсации погрешностей изготовления составных элементов устройства и погрешности синхронизации ширина - B₁ окон - 5 и 6 диска - 3 выполнена меньше ширины - B₂ окна - 15 и зеркальной зоны - 16 диска - 14 (см. фиг.3, фиг.4) по “следу” - А оптической оси светового излучения на поверхности дисков - 3 и 14, а для исключения дисбаланса на диске - 14 предусмотрены два дополнительных окна - 20 и 21, расположенные под углом 120° к окну - 15.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа согласно приведенным графическим материалам.

Сформированный монохроматический пучок от источника - 1 (см. фиг.1) подают на диск - 3 обтюратора - 2, окном - 6 которого из пучка “вырезается” световой импульс - I₁, с помощью светоделительной пластины - 4 из импульса - I₁ отделяют часть светового потока и в виде светового импульса - I_1oп (опорный импульс, соответствующий основному импульсу - I₁), который подают на вход фотоприемного устройства - 7 для преобразования в фототок и дальнейшего измерения его интенсивности в блоке управления и обработки информации.

Часть излучения, прошедшую пластину - 4, в виде импульса - (I₁-I_1oп) через входное отверстие - 9 параболического зеркала - 8 направляют на исследуемую поверхность объекта - 10, в результате отражения от которой формируется импульс I_д диффузной компоненты отраженного от объекта светового излучения и, соответственно, импульс - I_з зеркальной компоненты.

Импульс - I_д, отраженный от зеркала - 8, в виде параллельного пучка фокусируют системой - 11 и через окно - 15 диска - 14 обтюратора - 13 подают на вход фотоприемного устройства - 12 для преобразования в фототок и дальнейшего измерения его интенсивности в блоке управления и обработки информации. При этом импульс зеркальной компоненты - I_з через отверстие - 17 зеркала - 8, посредством зеркал - 18 и 19 свободно проходит через окно - 15 диска - 14.

При развороте диска - 3 обтюратора - 2 на угол “π” (см. фиг.2) из монохроматического пучка вырезают посредством окна -5 световой импульс - I₂ (равный по длительности импульсу - I₁), из которого также с помощью пластины - 4 отделяют часть светового потока в виде импульса - I_2oп (опорный импульс, соответствующий основному импульсу -I₂) для подачи на вход фотоприемника - 7 и дальнейшей обработки аналогичного - I_1oп. Излучение в виде импульса - (I₂-I_2oп), прошедшее через отверстие - 9 зеркала - 8, подают на поверхность объекта - 10, в результате отражения от которой формируются импульсы диффузной - I_д и зеркальной - I_з компонент отраженного от поверхности объекта - 10 излучения.

Импульс - I_з, пройдя через выходное отверстие - 17 зеркала - 8, посредством зеркал - 18, 19 и зеркальной зоны - 16 диска - 14 подается на вход фотоприемного устройства - 12 для преобразования в фототок и дальнейшей обработки аналогично обработке импульса - I_д.

При этом попадание импульса - I_д диффузной компоненты на вход фотоприемного устройства - 12 блокируется диском - 14 обтюратора - 13.

Из соотношения величин импульсов диффузной и зеркальной компонент отраженного от поверхности объекта излучения и соответствующих величин опорных импульсов в блоке управления и обработки информации определяют значение параметра шероховатости R_q согласно формуле (см. [4]):

R_q - среднее квадратическое отклонение профиля;

Р_д - коэффициент диффузного отражения;

Р_з - коэффициент зеркального отражения;

λ - длина волны зондирующего излучения,

или, с учетом корректировки (для учета нестабильности источника света во времени) диффузной и зеркальных компонент по соответствующим им опорным импульсам и выражением Р_д и Р_з через соответствующие интенсивности импульсов по формуле:

R_q - среднее квадратическое отклонение профиля;

N_д - интенсивность в импульсе диффузной компоненты светового излучения, отраженного от поверхности объекта;

N_з - интенсивность в импульсе зеркальной компоненты светового излучения, отраженного от поверхности объекта;

N_од - интенсивность в импульсе опорного пучка, соответствующего импульсу диффузной компоненты;

N_oз - интенсивность в импульсе опорного пучка, соответствующего импульсу зеркальной компоненты;

λ - длина волны зондирующего излучения.

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущество по сравнению с известным, а именно повышается точность определения качества поверхности объекта, т.к. опорные импульсы и соответствующие им импульсы диффузной и зеркальной компонент вырезаются из одной и той же области “кривой” изменения интенсивности источника светового излучения во времени (т.е. “корректировка” интенсивностей будет справедлива для любого закона изменения интенсивности источника во времени, а не только для линейного).

Следовательно, предложенное техническое решение при использовании дает положительный технический результат - повышает точность измерения качества поверхности исследуемого объекта.

Источники информации

1. US 3771880 A, 13.11.1973.

2. DE 3626724 A, 11.02.1988.

3. RU 2104480 C1, 10.02.1998.

4. Дж.М.Беннетт, Л.Маттсон. “Шероховатость поверхности и рассеяние”, “Оптическое общество Америки”, 1993.

5. RU 2165612 C1, 20.04.2001.

Способ определения качества поверхности заключатся в получении зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, получении импульсов равной длительности из полученных компонент, формировании опорных импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, попарном поочередном преобразовании каждого импульса, полученного из зеркальной и диффузной компоненты, в фототоки и определении по ним качества поверхности объекта. Получение импульсов из зеркальной и диффузной компонент осуществляют выделением импульсов равной длительности из монохроматического пучка перед его подачей на поверхность объекта, а формирование опорных импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент, производят посредством отделения части светового потока из вышеуказанных выделенных световых импульсов. Устройство для реализации способа содержит источник монохроматического пучка светового излучения, светоделительную пластину, зеркало в виде параболоида вращения, фокусирующую систему, первое фотоприемное устройство, блок управления и обработки информации, первый обтюратор с окном и зеркальной зоной на поверхности вращающегося диска, блок управления и обработки информации. Также содержит второй обтюратор с парой идентичных окон на вращающемся диске и второе фотоприемное устройство. Технический результат - повышение точности и качества контроля. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Бесконтактный способ контроля качества поверхности, включающий подачу монохроматического светового пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, получение световых импульсов равной длительности из полученных компонент, формирование опорных световых импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, попарно поочередное преобразование каждого светового импульса, полученного из зеркальной и диффузной компоненты отраженного от поверхности объекта светового излучения с соответствующим опорным световым импульсом, в фототоки и последующее определение по ним качества поверхности объекта с учетом корректировки интенсивностей световых импульсов, полученных из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхностей объекта светового излучения по интенсивностям соответствующих им опорных световых импульсов, отличающийся тем, что получение световых импульсов из зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения осуществляют путем выделения световых импульсов равной длительности из монохроматического светового пучка перед его подачей на поверхность объекта, а формирование опорных световых импульсов, соответствующих импульсам, полученным из зеркальной и диффузной компонент, производят посредством отделения части светового потока из вышеуказанных выделенных световых импульсов.2. Устройство для бесконтактного контроля качества поверхности объекта, содержащее источник монохроматического пучка светового излучения, подаваемого на поверхность объекта, светоделительную пластину, установленную на выходе источника монохроматического пучка светового излучения, зеркало в виде параболоида вращения с входным и выходным отверстиями, фокус которого расположен на оптической оси пучка монохроматического светового излучения и совмещен с поверхностью объекта, фокусирующую систему, установленную напротив отражающей поверхности вышеуказанного зеркала, первое фотоприемное устройство, размещенное напротив фокусирующей системы, выход которого подключен к блоку управления и обработки информации, первый обтюратор с окном и зеркальной зоной на поверхности вращающегося диска, установленный перед первым фотоприемным устройством и подключенный к блоку управления и обработки информации, и первое и второе зеркала, при этом зеркальная компонента отраженного от поверхности объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через выходное отверстие зеркала в виде параболоида вращения, первое и второе зеркала и зеркальную зону вращающегося диска первого обтюратора, а диффузная компонента отраженного от поверхности объекта светового излучения оптически сопряжена со входом первого фотоприемного устройства через отражающую поверхность зеркала в виде параболоида вращения, фокусирующую систему и окно вращающегося диска первого обтюратора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй обтюратор с парой идентичных окон на вращающемся диске и второе фотоприемное устройство, при этом источник монохроматического пучка светового излучения размещен напротив входного отверстия зеркала в виде параболоида вращения, второй обтюратор установлен перед светоделительной пластиной и подключен к блоку управления и обработки информации, а второе фотоприемное устройство размещено напротив светоделительной пластины, его вход оптически сопряжен со светоотражающей поверхностью последней, а выход подключен к блоку управления и обработки информации, причем вращение диска с парой окон второго обтюратора синхронизировано по углу и фазе с вращением диска с окном и зеркальной зоной первого обтюратора.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пара окон вращающегося диска второго обтюратора и окно и зеркальная зона вращающегося диска первого обтюратора выполнены зеркально-симметрично относительно осей вращения дисков.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что ширина пары окон вращающегося диска второго обтюратора выполнена меньше ширины окна и зеркальной зоны вращающегося диска первого обтюратора по “следу” оптической оси светового излучения на дисках обтюраторов.5. Устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что на вращающемся диске первого обтюратора предусмотрены два дополнительных окна, причем имеющееся окно и два дополнительных окна равномерно расположены на вращающемся диске.