Устройство для непрерывного измерения толщины протяженных объектов Советский патент 1983 года по МПК G01B11/10 

J 5 . 10 10 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к сред ствам для измерения тонких протяженных объектов оптическими методами, и может быть использовано для непрерывно го неразрушающего контроля неподвижных и движущихся оптических волокон, тонких нитей,проволоки микронных и субмикронных размеров. Известно устройство для измерения толщины протяженных объектов, содержащее источник коллимированного моно хроматического света, диафрагму, собирающую линзу, регистратор. Объект освещают сходящимся пучком света, а получаемая при этом дифракционная картина записывается регистратором. Толщину объекта определяют путем сравнения полученной дифракционной картины с эталонной 1. Ввиду необходимости пересчета или сравнения с эталоном данное устройст во не обладает высокой точностью измерения и, кроме того, не может обес печить непрерывный контроль толщины движущихся протяженных объектов. . Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство для непрерывного измерения толщины протяженныхобъектов, содержаще последовательно расположенные на одной оптической оси источник коллимиро ванного света, расширитель луча, цилиндрическую линзу, сканирующее зеркало, первую и вторую сканирующие линзы и фотоприемник 21. Недостатком известного устройства является большая погрешность, возникающая при измерении толщины микронных и субмикронных объектов, т.е. объектов, поперечные размеры которых порядка нескольких десятков микромет ров и меньше. Действительно, при пересечении в измерительной зоне скани рующим лучом протяженного цилиндрического объекта, диаметр которого со измерим с высотой луча (и меньше ее) , световой импульс сканирования уже не разрывается, а становится бимодаль ным, на его вершине образуется провал , форма которого имеет вид перевернутой гауссовской кривой (так как распределение плотности мощности в пучке лазера-источника коллимированного света подчинено нормальному рас пределению) . Глубина провала для микронных цилиндрических объектов соета.вляет сотую (и менее) часть высоты всего импульса сканирования, пропорциональна мощности, приходящейся на контур объекта, и в первом приближении - площади, являющейся общей для сечения луча лазера в измерительной зоне и контура объекта. Эта площадь зависит от угла между осью симметрии объекта и большой осью эллиптического сечения, что является источником высокой погрешности. Таким образом, большая погрешность измерения, низкая разрешающая способность (зависимость амплитуды импульса от диаметра объекта имеет малую крутизну) делают устройство практически неприменимым для измерения тонких цилиндрических объектов диаметром, например, менее 50 мкм. Кроме того, в устройстве сечение луча света на сканирующем зеркале меньше сечения луча в измерительной зоне (в 5-8 раз),а следовательно, во столько же раз интенсивность излучения в сечении сканирующего зеркала больше, чем интенсивность в измерительной зоне. Следовательно, на сканирующем зеркале образуется вторая чувствительная зона с наибольшей интенсивностью света в сечении, восприимчивой к посторонним частицам, что приводит к региртрации ложных сигналов, соответствующих размерам этих частиц, и также к снижению точности измерения. Цель изобретения - повышение точности измерения толщины микронных и субмикронных протяженных объектов. Поставленная цель достигается тем, что устройство для непрерывного измерения толщины протяженных объектов снабжено диафрагмой, расположенной между сканирующим зеркалом и задней фокальной плоскостью первой сканирующей линзы, и заградительным фильтром, .установленным между этой плоскостью и фотоприемником и пропускающим рассеянный на объекте свет. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для непрерывного измерения толщины протяженных объектов; на фиг. 2 - вид сверху на фиг.1. Устройство содержит источник 1 коллимированного света, мотор 2 для вращения сканирующего зеркала 3, расположенного в фокусе первой сканирующей линзы 4, диафрагму 5, направляющее приспособление б, предназначенное для размещения неподвижного или перемещающегося в осевом направлении измеряемого объекта 7 в задней фокальйой плоскости 8 линзы 4, являющейся одновременно плоскостью симметрии измерительной зоны. Заградительный фильтр 9 установлен перед второй сканирующей линзой 10, собирающей рассеянный на объекте 7 свет на фотоприемник 11. Диафрагма 5 расположена в промежутке между сканирующим зеркалом.3 и задней фокальной плоскостью 8 первой сканирующей линзы 4, а загради-тельный фильтр 9 - в промежутке между фокальной плоскостью8 и фотоприемником 11. Устройство работает следующим образом. Источник 1 (фиг. 1) коллимированного монохроматического света направляет луч на сканирующее зеркало 3, находящееся в фокусе первой сканирующей (сферической) линзы 4. Отрахсенньй от сканирующего зеркала 3 луч света фокусируется линзой 4 в зоне измерения в пятно диаметром , превышающим толщину измеряемого микронного объекja 7. Данное условие необходимо для получения интенсивного рассеяния света на измеряемом протяженном объекте 7, проходящем ерез геометрический центр измерительной зоны. Направляющее приспособление 6 фиксирует положение неподвижного или перемещающегося в осевом направлении объекта 7 в задней фокальной плоскости 8 линзы-4 Эта плоскость является одновременно плоскостью симметрии измерительной зоны. Мотор 2 вращает сканирующее зеркало 3 так, что. луч, сфокусированный в круглое пятно, осуществляет повторяющуюся развертку в зоне измерения по линии, перпендикулярной направлению движения исследуемого объек та 7. Световой импульс рассеяния, об разуемый при пересечении луча света тонкого протяженного объекта 7,несет информацию о толщине объекта 7 в точ ке пересечения. Рассеянный рается линзой 10 на фотоприемник 11. Заградительный фильтр 9 прямоугольно формы, высота которого определяется углом расходимости луча, а длина диапазоном сканирования, не допускает прямого попадания на фотоприемник 11 сканирующего луча. Диафрагма 5 ограничивает диапазон сканирования луча до величины, соизмеримой с возможными отклонениями протяженного.объекта 7 от геометрического центра измерительной зоны, возникающими в процессе движения объекта 7. В связи с установкой заградительного фильтра и диафрагмы фотоприемник регистрирует только рассеянный на объекте измерения свет. Вследствие этого резко возрастает крутизна функциональной зависимости регистрируемого сигнала от тол1ф1Ны микронных и субмикронных протяженных объектов, а следовательно, и точность измерения. Увеличение точности измерения толщины микронных и субмикронных протяженных объектов достигается также исключением цилиндрической линзы и расширителя, так как в-результате изменения профиля сканирующего луча уменьшается вероятность измерения постороннего микрообъекта,а на результате измерения не сказЁаваются возможные отклонения угла между геометрической осью объекта и направлением сканирования луча.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОШР ПРОТЯЖЁННЫХ ОБ1} КТОВ« содержащее последовательно раепоЛоженнЕяе на оптической оси нсточник коллимировгшнЬго света, сканирующее зеркало, первую и вторую сканирующие линзы и фотоприемник, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышений точности измерения MHKPOHH&IX и субмикронных протяженных объектов, оноснабжено диафрагмой, расположенной между сканирукщим зеркалом и задней фокальной плоскостью первой сканирующей линзы, и заградктельньвл фильтром, установленнь м между этой плоскостью и фотоприемнйксм и пропускающим рассеян1ШЙ на объекте свет.