Автоколлимационное устройство для бесконтактного контроля профиля полированных поверхностей Советский патент 1987 года по МПК G01B11/245 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бескоитактног О контроля формы поверхности оптических деталей, в том числе асферических.

Цель изобретения - повышение точности и производительности измерения путем исключения сложных кинематических схем перемещения фотоэлектрического автоколлиматора относительно контролируемой поверхности в процессе измерения и использования дискретного определения отклонения контролируемой поверхности от образцовой.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - , схема регистрации сигналов; на фиг. 3 - структуры сечений зондируюпдих пучков.

Устройство содержит столик, предназначенный для размещения на нем контролируемого объекта (не показаны), первый 1 и второй 2 фотоэлектрические автоколлиматоры, N полупрозрачных пластинок 3-8 и N шторок 9-14 с механизмами перемещения (не показаны).

Первый фотоэлектрический автоколлиматор 1 (фиг. 1) состоит из четырех источников излучения 15-18, зеркальной пирамиды 19, первого 20 и второго 21 светоделителей, объектива 22 и двух фотоприемников 23 и 24.

Второй автоколлиматор 2 выполнен в виде четырех источников 25,-28 излучения, зеркальной пирамиды 29, первого 30 и второго 31 светоделителей, первого 32 и второго 33 объективов и двух фотоприемников 34 и 35.

На фиг. 1 также обозначена контролируемая поверхность 36.

На фиг. 2 показаны блоки 37-40 питания, усилители 41-44, и фазовые дискриминаторы 45 и 46.

Источники модулированного излучения, например светодиоды, установлены в каждом автоколлиматоре вдоль двух взаимно перендикулярных направлений навстречу друг другу, и точка пересечения их осей совпадает с вершиной зеркальной пирамиды. Источники 15, 16 и 17, 18 излучения попарно подключены к блокам 39 и 40 питания, которые обеспечивают излучение каждой пары светодиодов на собственных частотах соответственно f, и fi, при этом в каждой паре источники 15 и 16, 17 и 18 излучают в про- тивофазе. К выходам фотоприемников 34 и 35 подключены узкополосные усилители 41 и 42, настроенные соотвенно на частоты из- .лучения з и 4.

Во втором автоколлиматоре расположение элементов и их связи аналогичны описанному.

Оптические оси объективов 32 и 33 (фиг. ) взаимно перпендикулярны и лежат п одной плоскости, совпадающей с плоскостью измеряемого профиля контролируемой поверхности 36. При этом ось объектива 32 расположена вертикально и в процессе измерения совпадает с осью столика, на котором размещена контролируемая поверхность 36, вдоль оси объектива 33 расположена система полупрозрачных пластин 3-8. Пластины 3-8 установлены неподвижно, однако с целью обеспечения настройки прибора имеют возможность вращения вокруг осей (не показаны), пересекающих оптическую ось объектива 33 и перпендикулярных плоскости измеряемого профиля контролируемой поверхности 36, кроме того, возможно переме- щение зеркал вдоль оптической оси объектива 33 по направляющим (не показаны). Перед каждой из полупрозрачных пластин 3-8 установлены непрозрачные шторки 9- 14, имеющие возможность ввода и вывода из

5 поля зрения автоколлиматоров 1 и 2.

Конструкции автоколлиматоров 1 и 2 обеспечивают формирование в излучаемых ими параллельных пучках равносигналь- ных зон за счет того, что источники 15 и 16, 17 и 18, 25 и 26, 27 и 28 в каждой паре из0 лучают в противофазе и, кроме того, каждая пара источников излучает на собственной частоте соответственно fi, fg, fa, 4.

В результате каждый пучок оказывается разделенным на четыре зоны с разными

5 свойствами оптического излучения. При это.м границей между зонами, ширина которой определяется в основном дифракцией, является оптическая ось. Противоположные зоны переносят энергию излучения на одной из частот fi , fi, fj. но в противофазе

0 Ф 0° Ф 180°. Сечения пучков авто- коллиматоров 1 и 2 соответственно представлены на фиг. За и б.

Устройство работает следующим образом. Перед началом измерений на место де5 тали с контролируемой поверхностью 36 устанавливают деталь с образцовой поверхностью. Включают блоки 37-40 питания. Вводят перед полупрозрачными пластинами 3-8 непрозрачные экраны 9-14. В результате от автоколлиматора 2 идет только один

световой пучок, оптическую ось которого совмещают с оптической осью образцовой поверхности, для чего перемещают эту поверхность по двум взаимно перпендикулярным направлениям при помощи коор-динатс но-измерительного столика, обеспечивая совпадение осей отраженного пучка с оптической осью объектива 32, о чем судят по нулевым сигналам на выходе фазового дискриминатора 45, Таким образом фиксируют положение оптической оси образцо0 вой поверхности, а следовательно, нормали к поверхности вершинной точки А.

Затем последовательно выводят из поля зрения шторку 9, что обеспечивает попадание на полупрозрачную пластину 3 светового пучка, вышедшего из объектива 33. Световой

5 пучок частично проходит пластину 3 и частично отражается от нее в сторону образцовой поверхности (не показана), отразившись от которой через светоделительные элементы 30 и 31, поступает на фотодиоды 34 и 35.

При смещении оси пучка с центра фотоприемника с него снимают сигнал, величина которого пропорциональна величине смещения. Фазовые дискриминаторы 45 и 46 обеспечивают определение знака смещения. Механизмы регистрации и селекции сигналов в обоих автоколлиматорах 1 и 2 одинаковы и могут быть пояснены на примере работы автоколлиматора 2.

Пучок света, вернувц ийся в автоколлиматор 2, например, через объектив 33, делится на светоделительном элементе 31 и попадает на фотоприемники 34 и 35. Так как фотоприемники 34 и 35 (фотодиоды) подключены к усилителям 41-44, настроенным на разные частоты fi и f2,сигналы на выходе усилителей 41 и 42 равны О, это условие соблюдается при совпадении осей пучков с центрами фотодиодов 34 и 35. В противном случае сигналы с выходов усилителей 41-44 отличны от 0. В фазовом дискриминаторе 45 определяется знак смещений осей пучков с центров фотодиодов 34 и 35.

Разворотом пластинки 3 вокруг оси получают нулевой сигнал с фотоприемников 34 и 35, обеспечивая совпадение осей падающего и отраженного пучков. Затем осуществляют поиск положения нормалей к образцовой поверхности в ряде других точек С, D, Е, F, G, для чего аналогично описанному последовательно убирают щторки 10-14 и производят развороты полупрозрачных пластинок 3-8 до появления нулевых сигналов на выходе фазовых дискриминаторов 45 и 46.

Настроив таким образом устройство, убирают деталь с образцовой поверхностью и на ее место устанавливают деталь с подлежащей контролю поверхностью 36.

Если измеряемый профиль контролируемой поверхности 36 не отличается от профиля образцовой поверхности, всезондиру- ющие пучки проходят к поверхности по ее нормалям.

Формула изобретения

Автоколли.мационное устройство для бесконтактного контроля профиля иолирован- 5 ных поверхностей деталей, содержащее столик, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и предназначенный для размещения на нем контролируемой детали, и фотоэлектрический автокол лиматор, включающий четыре источника излучения, два блока питания, каждый из которых соединен с соответствующими двумя источниками, и последовательно расположенные по направлению излучения источников зеркальную четырехгранную пирами5 ду, два светоделителя и объектив и в обратном направлении излучения от детали два фотоприемника, каждый из которых установлен за соответствующим светоделителем, два узкополосных усилителя, каждый из которых электрически связан с соответст вующим фотоприемником, и фазовый дискриминатор, соединенный с усилителями, пирамида установлена таким образом, что ее верщина совмещена с фокусом объектива, а источники излучения установлены попарно

5 вдоль взаимно перпендикулярных направлений, отличающееся тем, что, с целью повы- щения точности и производительности измерения, оно снабжено вторым аналогичным фотоэлектрическим автоколлиматором, объективом, установленным во втором авто0 коллиматоре перпендикулярно его оптической оси по ходу излучения от светоделителя, N полупрозрачными пластинками и N непрозрачными щторками с механизмами их перемещения, второй автоколлиматор установлен таким образом, что оптическая ось

5 первого объектива совмещена с осью вращения столика, а ось второго перпендикулярна оптической оси первого автоколлиматора, полупрозрачные пластинки установлены последовательно вдоль оптических осей обоих

Q автоколлиматоров с возможностью перемещения в направлении этих осей и поворота вокруг осей, им перпендикулярных, а каждая из непрозрачных шторок установлена перед соответствующей полупрозрачной пластинкой.

Изобретение может использоваться для бесконтактного контроля формы поверхности оптических деталей. Целью изобретения является повышение точности и производительности измерения путем исключения сложных кинематических схем перемещения фотоэлектрического автоколлиматора. Формируют зону автоколлиматорами 1 и 2, направляют пучки с помощью N пластинок 3-8 по нормали к контролируемой поверхности 36 в N точках, принимают отраженные от поверхности 36 пучки фотоприемниками 23, 24 и 30, 31. Узкополосными усилителями сигналы усиливают и подают в каждом автоколлиматоре на фазовые дискриминаторы, где определяется величина и знак смещения осей пучков с центров фотоприемников 34 и 35. В случае отступления профиля поверхности 36 от профиля образцовой поверхности оси в местах дефектов поверхности не совпадают с нормалями к ней, о чем судят по появлению отличных от нуля сигналов на выходе дискриминаторов. 3 ил. 0) со ГчЭ О О5 О5