Устройство для определения смещений точек поверхности объекта Советский патент 1985 года по МПК G01B21/00 

1 изобретение относится к измерительной технике и может быть испол зовано для определения смещений то чек поверхности объекта. Известно устройство для определения смещений точек поверхности объекта 1 , содержащее источник к герентного излучения и спёкл-интерферограмму объекта.Устройство содержит также экран. Сущность измерения смещения заключается в определении шага и угл наклона интерференционных полос, получаемых на экране при освещении спекл-интерферограммы, записанной методом двух экспозиций, лучом когерентного источника. Смещение точек объекта определяют соотношением -ЙЬ М, Ur - I тпя та где - длина волны света; L - расстояние от спекл-интерферограммы до экрана; m - масштаб изображения исследуемого объекта на спеклинтерферрграмме;а - шаг интерференционных поло на экране. Недостатком известного устройст ва является трудоемкость и большое время расшифровки спекл-интерферограмм. Целью изобретения является повьш1ение производительности определ ния смещений. Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения смещений точек поверхности объ та, содержащее источник когерентно го излучения и спекл-интерферограм му объекта, снабжено двухкоординат ным фурье-анализатором распределения яркости интерференционных полос и блоком регистрации, выполненным в виде компаратора, счетчик импульсов с регулируемым временем счета, регистра смещения по коорди нате X, регистра смещения по коорд нате Y и коммутатора, спекл-интерферограмма объекта оптически связана с фурье-анализатором, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока ре гистрации, являющимися соответсФвенно входом компаратора и первым входом счетчика импульсов, 852 выход компаратора соединен с вторым входом счетчика импульсов, первый выход которого соединен с информационными входами соответственно регистра смещения по координате X и регистра смещения по координате Y, а второй выход - с входом коммутатора, первый выход коммутатора соединен с управляющим входом регистра смещения по координате X, второй выход - с управляющим входом регистра смещения по координате Y, а третий выход является выходом блока регистрации, соединенным с управляющим входом фурье-анализатора. .Кроме того, двухкоординатный фурье-анализатор содержит генератор перестраиваемой частоты,ключ, акусто-оптический дефлектор в виде пластины с пьезовозбудителями на двух смежных -гранях, фурье-объектив, фотоприемник и детектор, выход генератора перестраиваемой частоты соединен с входом ключа, один выход которого связан с первым пьезопреобразователем, а другой - с вторым пьезопреобразователем акусто-оптического дефлектора, акусто-оптический дефлектор, фурь е-объектив и фотоприемник оптически связаны, выход фотоприемника соединен с детектором, выходы детектора и генератора перестраиваемой частоты являются соответственно первым и вторым выходами фурье-анализатора, а второй вход ключа является управляющим входом фурье-анализатора. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для определения смещения точек поверхности объекта; на фиг.2 - фурье-спектр. Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, расположенную перед ним спекл-интерферограмму 2, оптически связанную с двухкоординатным фурье-анализатором 3 распределения яркости интерференционных полос оптически связанный со спеклинтерферограммой 2, блок 4 регистрации, причем два выхода фурье-анализатора 3 соединены соответственно с двзпу1Я входами блока 4 регистрации, а выход блока 4 регистрации соединен с управляющим входом фурье-анализатора 3. Спекл-интерферограмма 2 представляет .собой фотопластинку с записью методом двух экспозиций начальной и смещенной спекл-структур исследуемой поверхности.

Двухкоординатный фурье-анализатор 3 распределения, яркости интерференционных полос состоит из генератора 5 перестраиваемой частоты ключа 6, акусто-оптического дефлектора 7, имеющего форму пластины (выполненной из оптически прозрачного материала) с пьезовозбудителями на двух смежных гранях, фурьеобъектива 8, фотоприемника 9 и детектора 10, причем выход генератора 5 перестраиваемой частоты соединен с входом ключа 6, один выход которого связан с одним, пьезовозбудителем дефлектора 7, а другой выход - с вторым пьезовозбудителем дефлектора 7, выход дефлектора 7 оптически связан с фурье-объективом 8, выход которого оптически связан с фотоприемником 9, выход фотоприемника 9 соединен с входом детектора 10, вход акусто-оптического дефлектора 7 является оптическим входом фурье-анализатора 3, второй вход ключа 6 является управляющим входом фурье-анализатора 3, выходы детектора 10 и генератора 5 перестраиваемой частоты являются соответственно первым и вторым выходами фурье-анализатора.

Блок 4 регистрации содержит компаратор 11, счетчик 12 импульсов с регулируемым временем счета, регистр 13 смещения по координате X и регистр 14 смещения по координате Y, коммутатор 15, причем первьй вход блока 4 регистрации является входом компаратора 11, а второй входом счетчика 12 импульсов, один выход счетчика 12 импульсов соедине с информационными входами регистров 13 и 14 смещения по координатам X . и Y второй - с входом коммутатора 15, первый и второй выходы коммутатора 15 соединены с управляющими входами регистров 13 и 14 смещения по координатам X и Y третий выход коммутатора 15 является выходом блока 4 регистрации.

Устройство работает следующим образом.

Лучом источни :а 1 (лазера) освещают спекл-интерферограмму 2 в точке изображения объекта, в которо необходимо определить смещение. В

658854

результате дифракции света на первоначальной и смещенной спеклструктурах при смещении или деформации объекта между двумя экспозициями на экране в плоскости, расположенной за спекл-интерферограммой, на расстоянии L наблюдаются полосы Юнга. Смещение точек поверхности объекта с точностью до знака оп0 ределяют по формуле (1).

Дифракционная картина проецируется в плоскость акустооптическбго дефлектора 6. В прозрачной пластине акусто-оптического дсгЬлек15 тора с помощью пьезопреобразователей возбуждается акустическая волна. Благодаря эффекту фотоупругости она создает периодическое изменение . показателя преломления в материале 20 бегущую фазовую решетку, на которой дифрагирует спроецированная на дефлектор 6 интерференционная картина.

При поочередном возбуждении пьезопреобразователей производят сканирование по выбранному направлению X или Y. Переключение направления сканирования осуществляют сигналом управления, поступающим с блока 4 регистрации на управляющий вход 0 фурье-анализатора 3.

При модуляции мощности приложенного к пьезопреобразователю сигнала дифракционная эффективность решетки изменяется вдоль апертуры дефлектора 6 по закону

2.ucoJ-(Vvt)1

(2)

-

где - дифракционная эффективностьJ

V - скорость распространения звука в материале дефлектора 6; 42 - круговая частота модуляции

акустической мощности, - координата (X или Y). В результате этого отклоненная картина оказьшается промодулированной по апертуре гармонической функцией с Пространственной частотой

,-.(3)

...

Тогда интенсивность дифрагировавшей волны описывается выражением

tUbI()Ucos 2ir;)(-Vt)5,

(4)

где 1(Ю - распределение-интенсивности в ицтерфереционной

картине.

Весь отклоненный дефлектором световой поток Фурье-объективом 8 направляется на фотоприемник 9. Фурьеобъектив 8 и фотоприемник 9 интегрируют световой поток по всей апертуре. Тогда переменная составляющая выходного сигнала J(-) фотоприемника 9 представляет собой фурьеспектр интерференционной картины.

1 lUVco 2ir( /

.Де К - постоянный коэффициент.

Она имеет вид трех спектральных , Средний пичок соответствует постоянной составляющей в интерференцй5нной картине, а два боковые частоте интерференционных полос -) по выбранному направлению X или Y. Спектральные пички имеют симметричную форму, а их .ширина определяется числом регистрируемых полос.

Так как шаг интерференционных полос ау и частота интерференционных полос -) « по выбранному направлеVнию связаны соотношением

ig

то -смещение точек объекта исходя из выражения (1) можно представить в виде

М

(6)

ЛЕ

im

Таким образом, измерив частоты по двум ортогональным направле-; ниям 9 и Si ц определяют смещение в выбранной точке объектива по координатам X и Y.

Сигнал с фотоприемника 9 детектируется детектором 10 и поступает с выхода фурье-анализатора 3 на вход компаратора 11 блока 4 регистрации, причем уровень срабатывания компаратора подбирают экспериментально в зависимости от качества спекл-интерферограммы. Компаратор 11 срабатывает в момент времени, когда частота полос в интерференционной картине совпадает с частотой модуляции акустической волны дефлектора 7.

Частота модуляции акустической волны связана с частотой модуляции генератора 5 перестраиваемой частоты соотношением (3). Таким образом, измерив частоту модуляции генератора 5 в момент срабатьгаания компаратора 11, определяют смещение

точки поверхности объекта. Из выражений (3) и (6) получают

-

(7)

SlTrnV

Число импульсов сигнала модуляции гнератора 5 перестраиваемой частоты, поступившего на первый вход счетчика 12 импульсов с регулируемым -Бременем счета, измеряется в момент прихода импульса с компаратора

11на его второй вход. Время измерения заранее вводится оператором так чтобы показания регистров 13 и 14 равнялись проекциям смещения точки объекта в соответствии с формулой (7). Это время определяется только геометрическими параметрами оптической схемы записи и восстановления спекл-интерферограммы.

Коммутатор 15 управляет режимом работы блока 4 регистрации. Б начальный момент он выдает со своего первого выхода разрешающий сигна на регистр X, т.е. запись информации производится регистром X 13. Одновременно с его третьего выхода подается на управляющий вход ключа б фурье-анализатора 3 управляющий сигнал, разрешающий прохождение возбуждающего сигнала с генератора 5 перестраиваемой частоты на пьезопреобразователь дефлектора 7 осуществляющий сканирование по координате X. После того, как счетчик

12импульсов произведет измерение смещения по координате X, с его выхода на вход коммутатора 15 поступит сигнал конца преобразования и коммутатор 15 изменяет свои выходны сигналы таким образом, что сканирование теперь производится по координате У , иинформация о величине проекции смещения запишется в регистру

Таким образом, в течение одного цикла измерений получают значения проекций смещения в заранее выбранной точке поверхности объекта по двум ортогональным направлениям например, по координатам X и У.Для определения смещения в другой точке объекта оператор производит смещение спекл-интерферограммы, после чего цикл измерения повторяют.

Устройство позволяет автоматизировать процесс измерения смещений точек поверхности объекта, и ускорить и упростить процесс, что повышает производительность.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СМЕВЩНИЙ ТОЧЕК ПОВЕРХНОСТИ .ОБЪЕКТА, содержащее источник когерентного излучения и спекл-интерферограмму объекта, отличаюс я тем, что, с целью повыщ е е производительности, оно снаб.шения жено двухкоординатным Лурье-анализатором распределения яркости интерференционных полос и блоком регистрации, выполненным в виде компаратора, счетчика импульсов с регулируемым временем счета, регистра смещения по координате X, регистра смещения по координате Y и коммутатора, спекл-интерферограмма объекта оптически связана с двухкоординатным фурье-анализатором, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока регистрации, являющимися соответственно входом компаратора и первым входом счетчика импульсов, выход компаратора соединен с вторым входом счетчика, импульсов, первый выход которого соединен с информационными входами соответственно регистра смещения по координате X и регистра смещения по координате Y,a второй выход - с входом коммутатора, первый выход коммутатора соединен с управляющим входом регистра смещения по координате X, второй выход - с управляющим входом регистра смещения по координате Y,a третий выход является выходом блока регистрации, соединенным с управляющим входом фурье-анализатора. 2. Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что двухкоординатный Фурье-анализатор содержит генератор перестраиваемой частоты, (Л ключ, акусто-оптический дефлектор в виде тшасткны с пьезовозбудителями на двух смежных гранях, фурье-объектив, фототгриемник и де.тектор, выход генератора перестраиваемой частоты соединен с входом ключа, один выход которого связан Од с первым пьезопреобразователем, СП а другой - с вторым пьезопреобразо00 СХ) вателем акусто-оптического дефлектора, акусто-оптический дефлектор, фурье-объектив и фотоприемник сд оптически связаны, выход фотоприемника соединен с детектором, выходы детектора и генератора перестраиваемой частоты являются соответственно первым и вторым выходами фурьеанализатора, а второй вход ключа является управляющим входом фурьеанализатора.