Устройство для измерения геометрических параметров поверхности Советский патент 1987 года по МПК G01B21/00 

ческого излучения, второй фотоприемник 11 и схема обработки образуют измерительный канал регистрации сигнала в лазерном интерферометре, где фиксируется перемещение опорного зеркала 6 в каждом такте модуляции. Интерференционное поле анализируется в заданном числе сечений с помощью формирователя 33 отклоняющего напряжения и отклоняющей системы 12. ПокаИзобретение относится к измериельной технике и может быть, исполь- ован о для контроля качества поверхости и измерения толщины.

Цель изобретения - повышение точ- ости измерений за счет исключения лияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие организацию связи между двумя регистрирующими каналами.

Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, источник 3 монохроматического излучения, первый светоделитель А, через которьй источник 2 белого света и источник 3 монохроматического излучения оптически связаны с интерферометром 1, второй светоделитель.5, опорное зеркало 6, модулятор 7, жестко связанный с опорным зеркалом 6, поляризатор 8, оптический фильтр 9, первый фотоприемник 10, оптически связанный через поляризатор 8 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, второй фотоприемник 11, оптически связанный через фильтр 9 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, отклоняющую систему 12, жестко связанную с первым фотоприемником 10, генератор 13 модулирующего напряжения, выход которого связан с входом модулятора 7, формирователь 14 опорных сигналов, вход которого связан с выходом генератора 13 модулирующего напряжения.

зания из канала регистрации лазерного интерферометра вводятся в ЭВМ 32 .для накопления, усреднения и расчета лишь в моменты времени, когда достоверно известно, что автоподстройка произошла с заданной точностью по сигналу с формирователя 23 разрешающих импульсов. Результаты вычислений выводятся на дисплей 34 и графопостроитель 35. 3 ил.

омпаратор 15 максимального уровня, омпаратор 16 нулевого уровня, вход оторого связан с-входом компаратоа 15 максимального уровня и выходом первого фотоприемника 10, счетчик 17 импульсов, схему 18 совпадений, первый вход которой связан с входом счетчика 17 импульсов и выходом комаратора 15 максимального уровня,

арифметико-логический блок 19 (БАЛ), первый вход которого связан с выхоом счетчика 17 импульсов, второй вход - с выходом схемы 18 совпадений, третий вход - с вторым входом схемы

18 совпадений и выходом компаратора 16 нулевого уровня, четвертый вход - с выходом формирователя 14 опорных сигналов, формирователь 20 импульсов расстройки, первый вход

которого связан с выходом БАЛ 19, фор- формирователь 21 стробирующих импульсов, формирователь 22 реперных импульсов, вход которого связан, с выходом формирователя 14 опорных сигналов, а выход - с вторым входом форми-. рователя 20 импульсов расстройки и входом формирователя 21 стробирующих импульсов, формирователь 23 разрешающих импульсов, первый вход которого

связан с выходом формирователя 21

стробирующих импульсов, формирователь 24 компенсирующего Напряжения, вход которого связан с вьгходом формирователя 20 импульсов расстройки и в то

рым входом формирователя 23 разрешающих импульсов, а выход - с входом модулятора 7, генератор 25 счетных импульсов, формирователь 26 измеряе- мого временного интервала, формирователь 27 масштаба, первый вход которого связан с первым входом формиро3

вателя 26 измеряемого временного интервала и выходом второго- фотоприемника 11 , второй вход - с вторым входом формирователя 26 измеряемого временного интервала и выходом формирователя .14 опорных сигналов, счетчик 28 импульсов дробной доли полосы, первый вход которого связан с выходом формирователя 26 измеряемого временного интервала, счетчик 29 импульсов масштаба, первый вход которого связан с выходом формирователя .27 масштаба, второй вход - с выходом генератора 25 счетных импульсов и вторым входом счетчика 28. импульсов дробной доли полосы, формирователь 30 импульсов целых полос, счетчик 31 импульсов целых полос, вход которого связан с выходом формирователя 30 импульсов целых полос, электронно-вычислительную машину 32 (ЭВМ), формирователь 33 отклоняющего напряжения, вход которого связан с первым выходом ЭВМ 32, а выход - с входом отклоняющей системы 12, дисплей 34, вход которого связан с вторым выходом ЭВМ 32, графопостроитель 35, вход которого связан с третьим выходом ЭВМ 32, периферийный адаптер 36, первый вход которого связан с выходом формирователя 23 разрешающих импульсов, второй вход - с выходом счетчика 28 импульсов дробной доли полосы и входбм формирова- .теля 30 импульсов целых полос, третий вход - с выходом счетчика 3I импульсов целых полос, четвертый

вход - с выходом счетчика 29 импульсов масштаба, а выход - с входом ЭВМ 32.

Устройство работает следующим образом.

На входе интерферометра 1 первый светоделитель 4 совмещает на одной оси два пучка света - белого от источника 2 и монохроматического 3 от лазера. На выходе интерферометра второй светоделитель 5 разделяет выходной пучок снова на два , которые попадают на первый и второй фотоприемники 10 и 11 соответственно. Поляризатор 8 устанавливается ортогонально плоскости поляризации лазерного излучения, таким образом первый фотоприемник 10 регистрирует интерференционную картину только в белом свете. Второй фотоприемник 11 через оптический фильтр, пропускаю504984

щий только лазерное излучение, ре- гистрируг т интерференционную картину в монохроматическом свете. В качест- .. ве первого фотоприемника 10 в канале регистрации белого света используют диссекторный ФЭУ, снабженный отклоняющей системой 12, обеспечивающей сканирование интерференционного поля в

1Q одном направлении. Второй фотоприемник 11 в канале лазерного интерферометра регистрирует изменение интерференционной картины в одной и той же точке интерференционного поля. Ге15 нерат-ор 13 модулирующего напряжения формирует синусоидальный сигнал с заданной частотой (например, 5.00 Гц) и амплитудой (фиг. 2, диаграмма 37), который приводит в возвратно-посту2Q пательное движение модулятор 7 и закрепленное на нем опорное зеркало 6-. ; мплитуда модулирующего напряжения должна вызывать изменение разности хода плеч интерферометра большее,

25 чем диапазон измеряемых величин, на- . пример 3-5 мкм. Регистрируемые при .модуляции сигналы в каналах интерферометра белого света и лазерного интерферометра представлены на фиг. 2 диаграммы 39 и 40 соответственно. .Формирователь 14 опорных сигналов формирует в каждом такте модуляции четыре опорных импульса А,-А, (фиг. 2, диаграмма 38), соответствующих нулю (Aj, А), минимуму А, и максимуму А 4 модулирующего напряжения. Участок А рабочий ход, ; здесь регистрируется фотоэлектрический сигнал, участок А -А ., - обратный ход, на этом участке идет обработка сигнала.

В БАЛ 19, на входы которого подключены компаратор 15 максимального уровня, компаратор 16 нулевого уров45 ня, счетчик 17 импульсов и схема 18 совпадений, в каждом такте модуляции фиксируется временное положение центра ахроматической полосы относительно опорного импульса Aj в виде вреQ менного интервала, длительность которого .Т (фиг. 2, диаграмма 39), и, если в этом такте число импульсов, регистрируемое счетчиком 17, равно 1, то на обратном ходе на выходе БАЛ 19,

начиная с момента времени А, формируется импульс, длительность которого также равна Т, (фиг. 2, диаграмма 43). Формирователь 22 реперных импульсов формирует импульс постоян30

35

40

51

iioii nJiii i f. jibHocTH T, , Harrpii i(::p от Л до Aj (фиг. 2, диаграмма , Формирователь 20 импульсов расстройки формирует импульс Тр, раврсый разности Тр-Т (фиг. 2, диаграмма 45), Импульс расстройки подается на формирователь 24 компенсирующего напряжения, где формируется постоянное напряжение, уровень которого пропорционален длительности импульса расстройки. Компенсирующее напряжение подается на модулятор 7, что приводит к смещению опорного зеркала 6. Зеркало 6 перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с импульсом А, в этом случае длительность временного интервала Т равна длительности реперного импульса Т, Тр, длительность импульса расстройки равна нулю и автоподстройка пре- К1 атится.

Величина смещения опорного зеркала 6, необходимая для того, чтобы центр ахроматической полосы совпал с импульсом А, является мерой отклонения положения ахроматической полосы от .начального.

Измерение смещения опорного зеркала 6 производится в канале регистрации лазерного интерферометра. В. каждом такте модуляции в формирователе 26 измеряемого временного интервала измеряется промежуток времени (временной интервал) между импульсом А;- и ближайшим к нему нулем сигнала второго фотоприемника 11 (фиг. 2, диаграмма 41) и временной интервал между этим нулем и следующим в формирователе- 27 масштаба (фиг. 2, диаграмма 42). Эти временные интервалы заполняются счетными импульсами высокой частоты от генератора 25 счетных импульсов и число четных импульсов, заполняющих вреенные интервалы, считается в счетчие 28 импульсов дробной доли полосы счетчике 29 импульсов масштаба. мещ-ение опорного зеркала 6 за один акт может быть вычислено как

.,. f

N

м

где eL - смещение

опорного зеркала 6, А - длина волны излучения источника 3, N - приращение в счетчике 28 импульсов дроб- Hofj доли полосы за один такт, М - число, записанное в счетчике 29 им- nyjiFiCoB масштаба в данном такте. Па3504986

раметры формиромателя 24 компенсиру- ющег о напряжения иыбираются так, чтобы смещение опорног-о зеркала 6 за один такт было бы малым по сравнению с длиной волны источника 3 J L Л/2 и J N v М, если же в данном такте зафиксировано I г- ,

10

это означает, что произошел переход

5

0

0

5

через полосу, при этом формирователь

30импульсов целых полос записывает в счетчик 31 импульсов целых полос соответственно + 1 или - 1 в зависи5 мости от знака приращения jN. Текущее на данном такте показание в канале лазерного интерферометра может

быть вычислено как L ;:- (К+-).

2 М

0

где К - число, записанное в счетчике

31импульсов целых полос.

Связь между каналами регистрации интерферометра белого света и лазер- 5 ного интерферометра устанавливается следующим образом. Пусть в К-м сечении интерференционного поля, т.е. на К-м шаге развертки, задаваемом формирователем 33 отклоняющего напря- 0 жения, измеренное значение высоты профиля LJ, а на К+1 шаге должно быть измерено значение L (фиг, 3, диаграмма 47), В процессе измерения, как только фотоприемник 10 начинает регистрировать интерференционную картину в белом свете в К+1 сечении, в канале регистрации интерферометра белого света формирователь 20 импульсов расстройки начинает формировать импульсы большой длительности (фиг. 3, диаграмма 48), импульсы расстройки подаются на формирователь 24 компенсирующего напряжения, т.е. включается цепь автоподстройки, опор- g ное зеркало 6 начинает постепенно перемещаться в том направлении, чтобы длительность импульса расстройки уменьшалась, и перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с положением, принятым за начальное. При этом длительность импульса расстройки должна быть минимальной. Одновременно в канале регистрации лазерного интерферометра в каждом такте модуляции регистрируется текущее положение опорного зеркала 6. Отсчеты, получаемые в канале регистрации лазерного интерферометра за каждый такт, показаны точками

фиг. 3, диаграмма 47. Из фиг. 3 видно, что отсчеты, получаемые в стадии переходного процесса автоподстройки, когда зеркало 6 опорного плеча перемещается, не соответствуют истинной высоте профиля. Поэтому для дальнейшей обработки отбираются лишь те отсчеты, которые с заданной погрешностью соответствуют значению L. Для этого формирователь 21 стробиру- 1бщих импульсов формирует короткие импульсы допустимой расстройки от A4-лt до A + At (фиг. 2, диаграмма 46) длительность стробирующего импульса допустимой расстройки может регулироваться.

Для тех тактов модуляции, для которых длительность импульса расстройки (Т-Т,) 7 2 At (фиг. 3 диаграмма 49), формирователь 23 разрешающих импульсов формирует разрешающий сигнал, которьй подается на управляющий .вход периферийного адаптера 36. Поскольку на другие входы периферийного адаптера 36 подключены счетчик 28 импульсов дробных полос, счетчик 31 импульсов делых полос и счетчик 29 импульсов масштаба, то сигнал формирователя 23 разрешающих импульсов разрешает передачу в соответствующем такте модуляции информации из канала регистрации лазерного излучения в ЭВМ 32. При этом в память ЭВМ 32 записываются три. числа К, N, М.

Предварительно перед началом измерений в ЭВМ 32 вводятся три числа: число шагов, определяющее в скольких сечениях будут производиться измерения, число уг ,еднения, определяющее сколько отсчетов должно сниматься на каждом шаге, и время ожидания. Как следует из изложенного, информация из канала регистрации лазерного интерферометра вводится в ЭВМ 32 лишь по сигналу разрешения из канала регистрации интерферометра белого света в тех случаях, когда сигнал расстройки мал по сравнению с длительностью стробирующего импульса. Тем самым-, из обработки исключаются отсчеты, связанные с переходными процессами при автоподстройке и вибрациями интерферометра. После накопления на каждом шаге I ра.зрешенных отсчетов в ЭВМ вычисляется текущая координата профиля по формуле

-f (,. M.

l-iJ

с погрешностью, меньшей чем

V

4L ---- , где V - скорость движения опорного зеркала вблизи точки А.

После вычисления L ЭВМ 32 дает команду на формирователь 33 отклоняющего напряжения для перехода на следующий шаг измерений, при этом изме - няется напряжение отклоняющей системы 12 первого фотоприемника 10.

Если на каком-то шаге по каким-то причинам, например вследствие наличия дефектов на исследуемой поверхности, фотоэлектрический сигнал в канале регистрации интерферометра белого света деформируется и разрешающий сигнал не формируется, то по истечении заданного времени ожидания для данного шага в память ЭВМ 32 записываются нули и ЭВМ 32 дает команду к переходу к измерениям на следующем шаге.

После проведения измерений в требуемом числе сечений - пройдено заданное число шагов, ЭВМ 32 переходит в режим обработки информации. При этом нулевые значения заменяются экстраполированными по соседним точкам, затем по заданной программе ведется обработка массива чисел L- и вычисляются требуемые параметры исследуемой поверхности, например, вычисление параметров шероховатости поверхности или толщины пленочных покрытий.

После окончания обработки данных ЭВМ 32 выдает результат измерений: цифровые данные на дисплей 34, а графическая информация в виде про- филограммы выводится на графопостроитель 35.

Формула изобретения

Устройство для измерения геометрических параметров поверхности, соержащее оптически связанные источник белого света, интерферометр и первый фотоприемник, компаратор максимального уровня, компаратор нулевого уровня, вход которого связан с входом компаратора максимального уровня и выходом первого фотоприемника, счетчик импульсов, схему совпадения, первый вход которой связан с входом счетчика импульсов и выходом компаратора максимального уровня, арифметико-логический блок, первый вход которого связан с вькодом счетчика импульсов, .второй вход - с выходом схемы совпадения, третий вход- с вторым входом схемы совпадения и выходом компаратора нулевого уровня, формирователь опорных сигналов, выход которого связан с четвертым входом арифметико-логического блока генератор модулирующего напряжения и модулятор, жестко связанный с опорным зеркалом интерферометра, вход которого связан с входом формирователя опорных сигналов и выходом генератора модулирующего напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено первым светоделителем-, установленным между источником белого света и интерферометром, источником монохроматического излучения, оптически связанным через первый светоделитель с интерферометром, вторым светоделителем, установленным между интерферометром и первым фотоприемником, поляризатором, установленным между вторым светоделителем и первым фотоприемником, оптическим фильтром, вторым фотоприемником, оптически связанным через оптический фильтр и второй светоделитель с интерферометром, последовательно соединенными формирователем реперных импульсов, формирователем стробирующих импульсов формирователем разрешающих импульсов и периферийным адаптером, последовательно соединенными формирователем импульсов рас- , стройки и формирователем компенсирующего напряжения, выход которого связан с входом модулятора, первый вход формирователя импульсов расстройки связан с выходом арифметико-логического блока, второй вход с выходом формирователя реперных импульсов, а выход - с вторым входом формирователя разрешающих импуль- сов, формирователем измеряемого временного интервала, формирователем масштаба, первый вход которого связан с первым входом формирователя измеряемого временного интервала и вы- ходом второго фотоприемника, второй вход - с вторым входом формирователя измеряемого временного интервала, входом формирователя реперных импуль- сов и выходом формирователя опорных 5 сигналов, генератором счетных импульсов, счетчиком импульсов дробной доли полосы, первый вход которого связан с выходом формирователя измеряемого -временного интервала, счет- 2Q чиком Импульсов масштаба, первый вход которого связан с вых одом формирователя масштаба, второй вход - - с вторым входом счетчика импульсов дробной доли полосы и выходом генера- 25 тора счетных импульсов, последовательно соединенными формирователем импульсов целых полос, вход которого связан с выходом счетчика импульсов дробной доли полосы и вторым входом 3Q периферийного адаптера, и счетчиком импульсов целых полос, выход которого связан с третьим входом периферийного адаптера, четвертый вход которого связан с выходом с-четчика импульсов масштаба, злектронно-вычис- лительной машиной, вход которой связан с выходом Периферийного адаптера, формирователем отклоняющего напряжения, отклоняющей системой, жестко связанной с первым фотоприемником, вход которой связан с выходом формирователя отклоняющего напряжения, вход которого связан- с первым выходом электронно-вычислительной машины, дисплеем, вход которого связан с вторым выходом электронно-вычислительной машины, и графопостроителем, вход которого связан с третьим выходом электронно-вычислительной машины.

35

40

45

37

r

J

1

4иФиг. 2

41

Изобретение относится к йзмери- . тельной технике. Целью изобретения является повьппение точности измерений за счет исключения влияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений. Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, который с первым фотоприемником 10 и схемой обработки образует управляющий канал регистрации сигнала в интерферометре белого света-. Канал регистрации сигнала в интерферйметре белого света замкнут в цепь автоподстройки так, что в каждом периоде модуляции модулятора 7 с помощью арифметико-логического блока 19 измеряется положение ахроматической полосы и формирователем 20 формируется сигнал расстройки, пропорциональный отклонению положения центра ахроматической пблосы от положения, принятого за начальное, и опорное зеркало 6 подстраивается до тех пор, пока положение центра ахроматической полосы с заданной точностью не совместится ,с начальным положением. Источник 3 монохроматиi (О со ел о 4 со 00 Фиг.}

9

Hllh. ., iillll llll.

JJIL

jrpi:::::::mpz

Составитель С.Конюхов Редактор С.Патрушева Техред Л.Олийнык Корректор М-Максимишинец

Заказ 3249/40

Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

t

iTTTT-rt

... ...

Щ1 f {