Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности Советский патент 1986 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может .быть использовано в системах автоматического контроля профиля поверхности.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем обработки спекла сигналов лазерного излучения, отраженного от поверхности.

На чертеже показана функциональная схема лазерного измерителя сме- Ьгений поверхности,.

Устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, диафрагму 3, измерительный блок 4, блок 5. стабилизации, позизионно-чувствительный фотодетектор 6, блок 7 формирования управляющих сигналов,.блок 8 электромеханических регулировок, платформу 9, неподвижное основание 10, полупрозрачную пластину 11, оптическую формирующую систему 12, куб-призму 13, микрообъектив 14, пространственный фильтр 15, фотоприемную матрицу 16, блок 17 управления, вьгчЕислительцое устройство 18, самописец 19. ПозицИ ей 20 обозначена измеряемая поверх - ность.

Лазер 1 и коллиматор 2, установленные на платформе 9, а также диафрагма 3, измерительный блок 4 и блок 5 стабилизации установлены последовательно по ходу излучения лазера 1. Измерительньй блок 4 содержит полупрозрачную пластину 11, ориентированную накло нно относительно оси излучения лазера 1, установленные в ходе излучения, отраженного от пластины 11, формирующую опти- ческую систему 12 и куб-призму 13 с двумя оптическими выходами, а также последовательно установленные напротив одного из выходов микрообъектив 14, пространственный фильтр 15 и позиционно-чувствительный фотодетектор , выполненный в виде фотоприемной матрицы 16, подключенной к блоку 17 управления с синхронизирующим выходом.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 формируется коллиматором 2 и, проходя диафрагму направляется в измерительный блок 4 В измерительном блоке 4 излучение полупрозрачной пластиной 11 разделяетс на два световых потока. Один поток используется для облучения контроли -руемой поверхности, а второй - для создания опорного направления 21.

s

0

5

0

5

0

5

O

55

В результате воздействия окружающей среды на излучение лазера 1 оно отклоняется от опорного направления 21, осуществляя медленные флуктуации. Для стабилизации опорного направле- .. ния 21 в измеритель введен блок 5 стабилизации, который состоит из пози- ционно-чувствительного квадрантного фотодетектора 6 и блока 7 формирова- ния управляющих сигналов.

При смещении луча лазера 1 с опти- ч1еской оси фотодетектора 6 на выходах блока 7 формирования управляющих сигналов вьфабатываются напряжения, пропорциональные угловому рассогласованию. Эти напряжения поступают на блок 8 электромеханических регулировок, который ме-ханически связан с плат- орной 9, на которой установлены ла- зер 1 с коллиматором 2, и осуществляет перемещение оптической оси лазера 1 по углу места и азимуту до компенсации рассогласования. Позиционно-чувствительный фотодетектор 6 расположен на неподвижном относительно измеряемой поверхности 20 основания, 10.

Измерительный блок 4- 1федназначен для количественной оценки перемещений контролируемой поверхности 20 относительно опорного направления (линии) 21.

Полупрозрачная пластина 11, рас.по- ложенная в потоке излучения под углом отражает часть излучения, которое с помощью фокусирующей оптической системы 12 формируется на измеряемой поверхности в виде пятна с размерами, зависящими от диаметра и фокусного расстояния оптической системы 12. При этом отраженное от поверхности излучение в плоскости, параллельной поверхности объекта, имеет гранулярную структуру, назьгеае- мую спеклом. Параметры спекл-струк- туры зависят от диаметра пятна, сформированного на поверхности объекта, длины волны излучения, качества поверхности и ряда других факторов.

Наиболее существенное влияние на размеры элементов спекла оказывает диаметр пятна. С уменьшением диаметра пятна размер сечения элементов спекла увеличивается, и, наоборот, с ростом диаметра пятна размер элементов спекла уменьшается и увеличивается число элементов. Наибольших размеров элементы достигают, если поверхность расположена в фокусе оптической системы. Поэтому смещение измеряемой поверхности из точки фокуса приводит к уменьшению размеров элементов спекла. В то же время в пределах элемента спекла излучение сохраняет достаточную степень когерентности, чтобы осуществить гомо- динное преобразование его с опорным пучком. Это преобразование возможно только при согласовании фронтов двух или более взаимодействующих сигналов. Если один из сигналов принять за опорньш, а параметры другого изме- нять, то эти изменения преобразуются в изменения результирующего сиг- . нала в плоскости взаимодействую- щих фронтов. Для создания опорного сигнала и согласования его фронтои с отраженным от измеряемой поверхности сигналом в сформированный поток излучения введена куб-призма 13. Она выполнена так, что ее диагональная грань является полупрозрачной. Это позволяет в качестве опорного сигна- ла-использовать излучение, отраженное одной из боковых граней куб-призмы в сторону микрообъектива 14, распо- роженного перпендикулярно оптической оси. Отраженное от объекта 20 излучение с помощью куб-призмы 13 также направляется в сторону микрообъектива 14. При опорное излучение и излучение, отраженное от поверхности 20, пройдя пространственньй фильТр 15, согласуются фронтами в фокальной плоскости микрообъектива 14, а на поверхности фотодиодной матрицы 16, расположенной за пространственным фильтром 15, формируется интерференционная картина в виде концентрических колец с максимумом или минимумом излучения в центре. Размер центральной зоны зависит от положения поверхности относительно фокуса оптической системы 12, а изменение интенсивности в сторону максимума

или минимума - от направления ее смещения .

Поэлементный опрос фотодиодной матрицы осуществляется от блока 17 управления. Вычислительное устройство 18 на основе поступающей в него информации о размере центральной зоны интерференционной картины и расстояния между кольцами, а также интенсивности излучения в ее центре определяет величину и направление смещения поверхности и вьщает соответствующий сигнал на самописец.

10624

Применение в измерителе анализа

зернистой структуры (спекла) отраженного от диффузионной поверхности сфокусированного лазерного излучения реализует высокие пространственные характеристики последнего и тем самым .позволяет повысить точность измерения .

10

15

20

25

30

5

0

5

0

5 Формула изобретения

Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности, содержащий платформу, последовательно расположенные лазер-и коллиматор, установленные на платформе диафрагму, измерительный блок и блок стабилизации, измерительный блок выполнен в виде каретки, установленной с возможностью перемещения параллельно оси излучения лазера, и закрепленных на каретке полупрозрачной пластины, ориентированной на клонно относительно оси излучения, и позиционно-чувствительного фотодетектора, установленного в ходе излучения, отраженного от полупрозрачной пластины, блок стабилизации выполнен в виде последовательно под-, ключенных позиционно-чувствительного фотодетектора, закрепленного на неподвижным основании, блока формирования, управляющих сигналов и блока электромеханических регулировок, выход которого механически связан с платформой, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений, он снабжен размещенными между полупрозрачной пластиной и позиционно-чувствительным фотодетектором измерительного блока и установленными на каретке измерительного блока формирующей оптической системой, куб-призмой, выполненной с двумя оптическими выходами, один из которых предназначен для связи с контролируемой поверхностью, микрообъёктивом, расположенным напротив второго выхода куб-призмы, пространственным фильтром и вычислительным устройством, формирукщая оптическая система устанавливается относительно контролируемой поверхности на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию, куб-призма ориентирована так, что ее диагональная грань расположена относительно оптических осей фокусирующей оптической системы и микрообъектива под углами, при которых световые потоки согласованы фронтами, позиционно-чув. . 51241062ft ;

ствительиый детектор измерительноговыходам блЬка управления, а выходы

блока выполнен в виде фотЪматрицы ;подключены к первому входу вычислии блока управления с синхронизирую-тельного устройства, вторым входом

щим выходом, входы управления фото- jподключенного к синхронизирующему

матрицы подключены к соответствующим .выходу блока управления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений поверхности. Цель изобретения - повышение точности измерений путем анализа спекла, отраженного от диффузной поверхности лазерного излучения. Измеритель содержит лазер 1 и коллиматор 2, расположенные на платформе 9. Пройдя диафрагму 3, излучение разветвляется полупрозрачной пластиной 1 1 на две части. Одна часть, прошедшая пластину 4, формирует опорное направление 21, неизменность ко.торого поддерживает блок 5 стабилизации. Другая часть излучения направляется в сторону контролируемой поверхности 20 и фокусируется на ней в виде пятна, имеющего гранулярную структуру и называемого спеклом. Наибольших размеров элементы спекла достигают, если поверхность 20 расположена в фокусе оптической системы 12. С ростом диаметра пятна, т.е. при расфокусировкеj размер элементов спекла уменьшается и увеличивается количество элементов на микрообъектив 14, с помсщью куб-призмы 13 направляется два потока излучения: один - от поверхности 20, другой, опорный - от одной из боковых граней куб-призмы 13. За пространственным фильтром 15 на фотодиодной матрице 16 формируется интереференционная картина в виде концентрических колец. Блок 17 управления ведет поэлементный опрос матрицы, вычислительное устрой- . ство 18 определяет величину и направление смещения поверхности и вьщает сигнал на самописец 19. 1 ил. i (Л tvD 4;