Дифракционный способ измерения линейного размера объекта Российский патент 2023 года по МПК G01B11/02 G01B11/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейного (поперечного) размера (от 10λ, где λ - длина волны излучения лазера) различных объектов и изделий с микронными размерами, например, микропроволоки или волокна, зазоров или щелей, микроотверстий и экранов, а также взвесей микрочастиц или биологических взвесей.

Известен дифракционный способ измерения линейного размера изделия, заключающийся в том, что облучают измеряемый объект когерентным излучением, получают дифракционную картину Фраунгофера, интенсивность максимумов которой сглаживают, осуществляют растровую модуляцию полученного пространственного сигнала последовательно изменяющейся частотой, изменение амплитуды которой после взаимодействия с периодическим пространственным сигналом описывает частотный спектр амплитуд пространственного сигнала, фиксируют значение частоты модуляции в момент максимума амплитуды, соответствующее основной гармонике пространственного сигнала, о размере контролируемого изделия судят по значению зафиксированной частоты модуляции. (Евсеенко Н.И., Козачок А.Г., Солодкин Ю.Н., Анализ дифракционных способов измерения линейных размеров. Метрология, 1984, №2, с.17-23).

Недостатком данного дифракционного способа измерения является зависимость результата измерения от качества амплитудной пространственной фильтрации сигнала (операции сглаживания интенсивности дифракционных максимумов), что ведет к видоизменению Фурье - образа сигнала.

Известен дифракционный способ измерения линейного размера изделия, заключающийся в том, что направляют на изделие когерентный пучок света, формируют от изделия дифракционную картину, сканируют дифракционную картину с одновременным преобразованием распределения интенсивности дифракционной картины в электрический сигнал, амплитуду максимумов которого поддерживают постоянной, изменяя интенсивность пучка света, направленного на изделие, измеряют период электрического сигнала, по которому судят о линейном размере изделия. (Фефилов Г.Д. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления. А.с. № 1357701, БИ. 1987, № 45).

Недостатком данного дифракционного способа измерения является погрешность измерения, возникающая из-за неодинакового смещения особых точек сигнала (экстремальных точек и точек перегиба сигнала, которые используются для измерения его периода), при не корректном выравнивании амплитуды сигнала.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения рассматривается дифракционный способ измерения линейного размера изделия, заключающийся в том, что облучают измеряемый объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным выравниванием интенсивности дифракционных максимумов и преобразованием полученного измерительного сигнала в гармонический электрический сигнал, который трижды последовательно дифференцируют, измеряют в заданный момент времени значения амплитуды после первого и третьего дифференцирования, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к первой производных регистрируемого сигнала. О размере измеряемого изделия судят по результату извлечения корня квадратного из отношения значений амплитуд третьей и первой производных (Соколов В.И., Фефилов Г.Д. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления. А.с. № 1469352, БИ, 1989, №12).

Недостатком данного дифракционного способа измерения является зависимость результата измерения от неравномерности амплитуды формируемого измерительного сигнала (после функционального преобразования дифракционной картины сигнал не становится гармоническим).

В основу данного дифракционного способа измерения размера микрообъекта положена зависимость для любой точки гармонического сигнала , кроме экстремальных, в которых нечетные производные гармонического сигнала равны нулю.

В прототипе использовано представление гармонического колебания на фазовой плоскости, где фазовыми координатами служат первая и третья производные сигнала (Фефилов Г.Д. Геометрическое представление сигнала, основанное на понятии о фазовом пространстве, в лазерной дифрактометрии микрообъектов. Изв. ВУЗОВ. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 10, стр. 30-35).

Фазовое изображение гармонического сигнала на фазовой плоскости, координатами которой являются его третья производная и первая производная , представляет собой отрезок прямой линии, проходящей через начало координат (Фиг. 1). Длина отрезка прямой линии зависит от амплитуды А сигнала и размера контролируемого объекта , угол наклона прямой зависит только от размера контролируемого объекта , начальное положение изображающей точки от начальной фазы сигнала . Размер контролируемого объекта вычисляется по формуле:

где - измеряемый размер микрообъекта, К - коэффициент пропорциональности, λ - длина волны излучения, t - время.

Преобразование регистрируемой дифракционной картины Фраунгофера во временной гармонический сигнал возможно, если полагать, что форма контролируемого объекта идеальная, дифракционная картина сформирована без искажений, а ее сканирование и функциональное преобразование выполняются точно. На практике, из-за несогласованности регистрируемой дифракционной картины Фраунгофера и амплитудного фильтра, и других причин происходит искажение сигнала , в итоге вместо операции выравнивания происходит сглаживание амплитуды сигнала.

Сигнал , возникающий на выходе фильтра, представляет собой колебания с плавно меняющейся амплитудой (затухающей или возрастающей), его фазовое изображение имеет вид (соответственно свертывающейся или развертывающейся) спирали (Фиг. 2). Продольный размах спирали зависит от амплитуды А сигнала и размера контролируемого объекта , а поперечный размах спирали зависит от неравномерности амплитуды сигнала . При увеличении неравномерности амплитуды сигнала увеличивается поперечный размах спирали, соответственно увеличивается погрешность измерения размера контролируемого объекта рассматриваемым способом.

Отношение для сигнала не является константой, вследствие чего возникает погрешность измерения размера контролируемого объекта.

Совмещение в единой системе координат фазового изображения гармонического сигнала (Фиг. 1) и фазового изображения сигнала с затухающей или возрастающей амплитудой (Фиг. 2) одного аргумента, показывает, что прямая линия и спираль имеют точки пересечения (1, 2, 3 и т.д.), показано на (Фиг. 3). В течение каждого условного периода сигнала с неравномерной амплитудой имеются две такие точки.

В точках (1, 2 и 3) спирального фазового изображения сигнала с неравномерной амплитудой величина значений амплитуды его третьей производной и амплитуды первой производной , а, соответственно, и частное от деления их величин такие же, как в гармоническом сигнале .

Точки (1, 2 и 3) на фазовом изображении сигнала с неравномерной амплитудой , соответствуют значениям независимой текущей переменной , при которых амплитуда первой производной сигнала с неравномерной амплитудой равна амплитуде его второй производной . Показано на (Фиг. 4), соответственно точки (1, 2 и 3).

Измерение величины амплитуды третьей и амплитуды первой производных сигнала , с последующим вычислением их отношения, в момент равенства амплитуд его первой и второй производных, исключает погрешность измерения размера объекта, которая возникает из-за неравномерности амплитуды в сигнале.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является обеспечение максимальной точности измерения размера контролируемого объекта.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в исключении влияния неравномерности амплитуды сигнала на результат измерения размера контролируемого объекта.

Данный технический результат достигается тем, что дифракционный способ измерения линейного размера объекта, заключающийся в том, что облучают измеряемый объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным выравниванием интенсивности дифракционных максимумов и преобразованием полученного измерительного сигнала в электрический, который трижды последовательно дифференцируют, измеряют в заданный момент времени значения амплитуды после первого и третьего дифференцирования, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к первой производных регистрируемого сигнала, о размере измеряемого изделия судят по результату извлечения корня квадратного из отношения значений амплитуд третьей и первой производных, отличающийся тем, что значения амплитуды третьей и первой производных сигнала измеряют в момент равенства значений амплитуд первой и второй производных сигнала.

Изобретение может быть использовано для измерения линейного (поперечного) размера различных изделий, например, микропроволоки или волокна, зазоров или щелей с микронными размерами, микроотверстий и экранов круглой формы, а также взвесей микрочастиц или биологических взвесей. Дифракционный способ измерения линейного размера объекта заключается в том, что облучают измеряемый объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным выравниванием интенсивности дифракционных максимумов и преобразованием полученного измерительного сигнала в электрический, который трижды последовательно дифференцируют, измеряют значения амплитуды после первого и третьего дифференцирования, в момент равенства значений амплитуд первой и второй производных сигнала, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к первой производной регистрируемого сигнала, о размере измеряемого изделия судят по результату извлечения корня квадратного из отношения значений амплитуд третьей и первой производных. Технический результат – повышение точности измерения размера контролируемого объекта, за счет исключения влияния неравномерности амплитуды сигнала, возникающего после функционального преобразования дифракционной картины. 4 ил.

Дифракционный способ измерения линейного размера объекта, заключающийся в том, что облучают измеряемый объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным выравниванием интенсивности дифракционных максимумов и преобразованием полученного измерительного сигнала в электрический, который трижды последовательно дифференцируют, измеряют в заданный момент времени значения амплитуды после первого и третьего дифференцирования, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к первой производных регистрируемого сигнала, о размере измеряемого изделия судят по результату извлечения корня квадратного из отношения значений амплитуд третьей и первой производных, отличающийся тем, что значения амплитуды третьей и первой производных сигнала измеряют в момент равенства значений амплитуд первой и второй производных сигнала.