Бесконтактный интерференционный профилограф Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

00 СХ) 4ib СД

Х

IPLLI

Изобретение относится к контроль- но-измерительной технике и может быть использовано для измерения профиля полированных поверхностей.г

Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации акустических и механических вибраций базы интерферометра.

10

На фиг. t изображена функциональная схема бесконтактного интерференционного профилографа;/на фиг. 2 - временные диаграммы работы бескон- тактного интерференционного профиле- 5 графа, где а - сигнал модуляции разности хода световых лучей; б - электрический сигнал на выходе первого фотоприемника 11; в - электрический сигнал на выходе второго фотоприемни- 20 ка 13; г - временной интервал, про- порциональньй относительному сдвиг у сигналов бив.

Бесконтактный интерференционный 25 профилограф.содержит лазер 1, уЬта- новленньй по ходу излучения преобразователь 2 лазерного луча, предназначенный для направления луча на образец 3, эталонную пластину 4 и 30 (пьезокерамический) модулятор 5 разности кода, и столик 6, на котором размещается образец 3, установленные по ходу отраженного интерферометров излучения проектор 7, делительную пластину 8 и оптический дефлектор 9, канал диференциальной оценки сдвига интерференционных полос, состоящий из установленных по ходу отраженного .оптическим дефлектором 9 излучения Q первой диафрагмы 10 и первого фотоприемника 11, канал .интегральной оценки сдвига интерференционных полос, состоящий из делительной пластины 8 и установленных по хоДу отражен- .с ного ей излучения второй диафрагмы 12 и второго фотоприемника 13, измеритель 14 сдвига интерференционных полос, первьй и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого 11 и второго 13 фотоприемников, в ычислитель 15, вход которого соединен с выходом измерителя 14 сдвига интерференционных полос, а выход- с входом оптического дефлектора 9, и привод 16, вход которого соединен с другим выходом вычислителя 15. Привод 16 кинематически связан со столиком 6.

50

55

г

10

5 20

25 30 Q .с

0

5

Бесконтактный интерференционный профилограф работает следующим образом.

Оптическая схема профилографа (фиг. 1) построена на основе интерферометра с наклонным падением лучей, разность хода которого модулируется по синусоидальному закону. Принцип действия измерительной системы основан на измерении-относительного сдвига интерференционных полос путем измерения временного интервала между нулями электрических сигналов бив на линейном участке синусоиды а (фиг. 2). Эталонная пластина 4, уста- новле:нная на модуляторе 5, и образец 3 образуют интерферометр. Излучение одночастотного лазера 1 через прозрачную эталонную пластину 4 фокусируется преобразователем 2 лазерного луча на исследуемую поверхность образца 3. Эталонная пластинка 4 прикреплена к пьезокерамическому модулятору 5 разности хода. Лучи света, отраженные от внутренней поверхности эталонной пластины 4 и контролируемого образца 3, интерферируют в плос- кости изображения проектора 7, где расположен первьй фотоприемник 11, входная апертура которого ограничена первой диафрагмой 10. Часть излучения на выходе проектора 7 направляется на вторую диафрагму 12, ограничивающую входну апертуру второго фотоприемника 13. Столик 6 используется лишь для начальной установки образца 3, поэтому искажения, связанные с функционированием шагового привода 16j исключены. Сканирование изображения осуществляется оптическим дефлектором 9, управляемым вычислителем 15.

Измерение относительного сдвига интерференционных полос осуществляется измерителем 17 интерференционных полос. Управление профилографом осу ществляется вычислителем 15, где формируются сигналы управления приводом 16 столика 6 и оптическим дефлектором 9, а также производится передача сигналов из измерителя 17 сдвига интерференционных полос в вычислитель 15. Чтобы не возникала паразитная интерференция, обусловленная обратными отражениями св-ета, оптические элементы схемы установлены под небольшими углами к оптической оси, а эталонная пластина 4 имеет непараллельные поверхности. Этот прием позволяет достигнуть стопроцентной развязки лазера 1 и интерферометра без применения оптического вентиля. Про- ектор 7 сфокусирован на исследуемую поверхность образца 3, поэтому луч света, отраженный от этой поверхности, образует в плоскости изображения (на диафрагме 10) резкую картину по- верхности контрольного образца. Луч, отражеиньш от эталонной поверхности, также попадает в гшоскость изображения проектора 7, но дает слегка размытое изображение. Это обстоятельство позволяет снизить требования к эталонной поверхности, так как при наложении изображений контролируемой и эталонной поверхностей микронеровности последней не играют роли.

I

Наклонное падение лучей приводит

к потере резкости контролируемой поверхности по одной из координат (у) в плоскости, изображения, тогда как по другой координате (х) этого не происходит. Прецизионное сканирование изображения интерферограммы поверхности в пределах поля зрения проектора. 7 осуществляется в направлении X оптическим дефлектором 9 относи- тельно входной диафрагмы фотоприемника 11. Интерферометр, образованный контролируемым образцом 3 и эталонной пластинкой 4, установлен на столике 6 перемещение которого с помощью шаговых двигателей позволяет измерять ; волнистость и шероховатость образца в пределах его поверхности по координатам X и у. Диаметр светового пятна на контролируемой поверхности может быть изменен в широких пределах путем изменения коэффициента преобразования размера лазерного луча в преобразователе 2. Преобразователь 2 раз- мера лазерного луча представляет собой телескопическую систему для измерения диаметра лазерного луча. В зависимости от размера проверяемой детали и нормируемой длины L, соот- ветствукядей диаметру светового пятна на ее поверхности, выбирается коэффициент преобразователя 2. Для измерения микрошероховатости коэффициент преобразования выбирают меньше единицы, а для измерения неплоскостности - больше единицы. Соответственно и проектор в первом случае представляет собой проекционный микроскоп, а в

5 0

5 fl д ,

5

другом - уменьшающую проекционную систему.

Для выбора размеров первой 10 и второй 12 диафрагм могут быть использованы следующие условия: 4, А-К;

d 5:L-K,

где а, и d - размеры первой 10 и второй 12 диафрагм; А и К - разрешающая способность и коэффициент увеличения проектора соответственно;

L - нормируемая длина излучаемого профиля. Эти условия необходимы для того, чтобы обеспечить дифференциальную и интегральную оценку сдвига интерференционных полос в соответствующих каналах, при этом первый фотоприемник 11 регистрирует локальный сдвиг интерференционных полос в точке светового пятна на поверхности измеряемого профиля, а второй фотопри- емник 13 регистрирует усредненньй по площади светового пятна сдвиг С интерференционных полос.

Дестабилизирующие факторы - акустические и механические вибрации проводят к дополнительному сдвигу интерференционных полос одинаковому для каждого из фотоприемников 11 и 13.

Таким образом, сдвиг интерферен- ционных полос для первого и второго фотоприемника определяют по формулам

J 5 . - впер

Чтобы устранить влияние вибраций, вычтём из второго уравнения первое

/7- 1 - t/ 6

Процедура вычитания эквивалентна , измерению относительного сдвига интерференционных полос на линейном участке синусоиды (фиг. 2а - 2г).

Таким образом, относительный сдвиг интерференционных полос не содержит в себе вибраций, за счет этого повьш1ается точность измерения профиля поверхности.

Формула изобретения

Бесконтактный интерференционньй профилограф, содержащий лазер, установленные по ходу излучения преобразователь лазерного луча, столик для

размещения образца, модулятор разности хода, установленная на нем эталонная пластина, размещенная на модуляторе разности хода таким образом, что образует полость для установки образца, установленные по ходу отраженного интерферометром излучения проектор и оптический дефлектор, канал дифференциальной оценки сдвига интерференционных полос, состоящий из установленных по ходу отраженного оптическим дефлектором излучения ( первой диафрагмы и первого фотоприемника, измеритель сдвига интерференционных полос, первый вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, а выход - с входом модулятора разности хода, вычислитель, вход

5

которого соединен с другим выходом измерителя сдвига- интерференционных полос, а выход - с входом оптического дефлектора, и привод, подключенный к другому выходу вычислителя и кинематически связанньй со столиком, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности, он снабжен каналом интегральной оценки сдвига интерференционных полос, состоящим из делительной пластины, установленной по ходу излучения между проектором и дефлектором, и установленных по ходу излучения, отраженного делительной пластиной, второй диафрагмы и второго фотоприемника, выход которого соединен.с вторым входом измерителя сдвига интерференционных полос.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повьшение точности за счет компенсации акустических и механических вибраций базы интерферометра. Интерферометр образо- . ван образцом 3, эталонной пластиной 4 и модулятором 5, смонтированными на столике 6, В канале дифференциальной оценки, состоящем из первой диафрагмы 10 и Первого фотоприемника 11, регистрируется сдвиг интерференционных полос в локальной точке измеряемой поверхности, а в канале интегральной оценки, состоящем из делительной пластины 8, второй диафрагмы и второго фотоприемника 13, регистрируется усредненный по площади светового пятна сдвиг интерференционных полос. Дестабилизирующий эффект от вибраций базы (столик 6) интерферометра в одинаковой мере сказывается на результатах измерения сдвига интерференционных полос в обоих каналах. Компенсация осуществляется путем вычисления относительного сдвига интерференционных полос, что э .вивалентно выполнению операции вы- читания сдвига, измеренного в одном кана.пе по отношению к сдвигу, измеренному в другом. 2 ил. О S (Л

фуе. 2