Оптический способ измерения высоты шероховатости поверхности объекта Советский патент 1983 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее.к косвенным бесконтактным оптическим методам измерения высоты шероховатости поверхности, обладающим интерференционной чувствительностью, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известен оптический способ измерения высоты шероховатости поверхности, основанный на связи -распределения интенсивности в пятнистой интерференционной картине, образующейся при рассеянии когерентного света, с распределением высоты неровностей на рассеивакицей поверх- .

ностй

однако применение известного способа определения высоты шероховатости по контрасту интерференционной картины к сверхгладким поверхностям ограничено снижением контраста с уменьшением высоты неровностей.

Наиболее близким к изобретению является оптический способ измерения высоты шероховатости пове рхности объекта, заключающийся в том, что фокусируют когерентное излучение на исследуемую поверхность, получают дифракционную фигуру рассеяния и

интерференционную картину, перемещают объект в поперечном отнооительно излучения направлении, регистрируют изменение интенсивности интерг ференционной картины в области дифракционной фигуры рассеяния, по которому находят контраст интерференционной картины, связанный корреляционной зависимостью, с высотой

10 шероховатости поверхности объекта. Оптическая ось светового пучка является нормалью к исследуемой, поверхности, изменение интенсивности в интерференционной картине регист15рируют в проходящем свете, в области плоского волнового фронта, в центре дифракционной фигуры рассеяния С23Однако в известном способе за счет регистрации изменения интен20сивности- интерференционной .картины в проходящем свете исключена возможность исследования непрозрачных объектов.

Кроме того, способ дает возмож25ность измерения минимального значения среднекватоэатичного отклонения высоты шероховатости от средней линии профиля dp 0,032 мкм при длине волны когерентного света 0,63 мкм.

30 Минимальная измеряемая высота шероховатости ограничена малой величиной контраста интерференционной картины Таким образом, известный способ имее низкую чувствительность к высоте шероховатости, меньшей 0,1 длины волны когерентного излучения. Цель изобретения - повышение чув ствительности к высоте шероховатости, меньшей 0,1 длины волны когерент ного излучения. Поставленная цеЛь достигается те что согласно способу измерения высоты шероховатости поверхности объекта, заключающемуся в том, что фокусируют когерентное излучение на исследуемую поверхность, получают дифрак ционную фигуру рассеяния и интерференционную картину, перемещают объект в поперечном относительно из лучения направлении, регистрируют изменение интенсивности интерференционной картины в области дифракцио ной фигуры рассеяния, по которому находят .контраст интерференционной картины, связанный корреляционной з висимостьою с высотой шероховатости поверхности объекта, фокусируют когерентное излучение под углом i 20 к исследуемой поверхности, а изменение интерференционной картины регистрируют в отраженном от исследуе мой поверхности излучения в области сферического фронта волны на краю дифракционной фигуры рассеяния. На чертеже представлена принципи сшьная схема устройства для реализа ции предлагаемого способа Устройство содержит последовательно расположенные гелий-неоновый лазер 1, сменные калиброванные светофи91ьтры 2, объектив 3, а также непрозрачный экран 4 и приемную сие тему, включакицую последовательно расположенные объектив 5, диафрагил 6 и 7, отрицательную линзу 8, ма товое стекло 9 и фотоэлектронный умножитель 10. Способ осуществляется следующим образом. Излучение гелий-неонового лазера 1, работающего в одномодовом режиме с длиной волны 0,63 мкм, поляризованное в плоскости падения, объективом 3 фокусируют на поверхность исследуемого объекта 11 в пятно диа метром 100 мкм. Угол i/g падения излучения на объект 11 срставляет 14° Отраженный от объекта 11 световой поток регистрируют приемной системо в области сферического фронта волны Измерение интенсивности производят на краю дифракционной фигуры рассеяния, для чего получают индика рису отражения путем вращения прием ной системы вокруг исследуемого объ та 11. Регистрацию .изменения интенсивности отраженного потока осуществляют при фиксированном положеНИИ приемной системы при линейном перемещении исследуемого объекта 11 с сохранением положения нормали в плоскости падения. Статистическую обработку сигнала с фотоэлектронного умножителя 10, пропорциональгг: ного изменению интенсивности в ийтерференционной картине при сканировании объекта 11 лучом лазера 1, производят с помощью ЭВМ. , I Измерения 51роводят в отраженном свете. Связь между среднеквадратическим отклонением высоты шероховатости от средней линии профиля поверхности о. и дисперсией фазы световой волны (Эф, при взаимодействии ее с поверхностью можно описать выраже ниями Г2К эсо5 о при отражении - (1) () при пропускании - (2) где /Q - угол падения излучения на объект; - волновое число; п ,п л - показатели преломления материала объекта и окружающей среды соответственно. Отсюда следует, что стеклянная пластина в воздухе при малом угле падения излучения вызывает изменение фазы световой волны Ц примерно в .4 раза большее при отражении по сравнению с пропусканием. Измерения проводят при угле падения fg излучения на объект . 20Р. На основании выражения (1) увеличение угла 0 падения света приводи к уменьшению фазового отклика на шероховатость поверхности, пропорциональному , cos 20° 0,94. Дальнейшее увеличение угла % приводит к снижению чувствительности способа, в связи с чем- введено ограничение по углу 1$ 20 Кроме того, увеличение угла падения вызывает, увеличение размера светового пятна на поверхности образца, пропорциональное l/cosfo- Увеличение светового пятна приводит к возрастанию числа рассеивающих центров, .участвующих в образовании пятнистой структуры, что влечет за собой снижение контраста, т.е. также уменьшает чувствительность способа. Условие повышения чувствительности за счет измерения на краю центрального кружка дифракционной фигуры рассеяния найдено экспериментальным путем. Переход к сферическому волновому фронту позволяет увеличить чувствительность способа. Таким образом, предложенный способ обладает чувствительностью к высоте шероховатости сверхгладких поверхностей. При этом его реализация