Анализатор интерферограмм Советский патент 1991 года по МПК H04N7/18 G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля оптических деталей.

Цель изобретения - повышение точности, информативности и эргономических свойств анализатора.

На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого анализатора, на фиг,2 - блок памяти; на фиг 3 - блок-схема алгоритма работы анализатора; на фиг.4 - изменение геометрических искажений интерферограммы; на фиг.5 и фиг.б - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу анализатора.

Анализатор содержит телевизионную камеру 1, блок 2 памяти, сумматор 3, блок 4 индикации, блок 5 формирования временных интервалов, первый 6, второй 7 и третий 8 счетчики импульсов, делитель 9 частоты, формирователь 10 одиночного строба, блок 11 деления, коммутатор 12, первый управляющий вход 13, вход 14 счетных импульсов, вторые управляющие входы 15, вход 16 начальной установки и выходы 17 кода ошибки.

В качестве телевизионной (ТВ) камеры 1 целесообразно использовать камеры с ПЗС-приемниками, имеющие жесткий растр, т.е минимальные геометрические искажения.

Формирователь 5 временных интервалов содержит первый 18 и второй 19 генераторы пилообразного напряжения регулируемый биполярный усилитель 20, первый 21 и второй 22 делители частоты и элемент 23 сравнения

Коммутатор 12 выполнен на элементах И 24.

Блок 2 памяти содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 25, первый 26 и второй 27 счетчики импульсов, формирователь 28 импульса, элемент И 29, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 30, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 31, информационный вход 32, вход 33 кадрового синхроимпульса, вход 34 строчного

О

о

ю о

ю

синхроимпульса, тактовый вход 35 и управляющий вход 36.

Первый счетчик б формирует код периода Т штрихов интерферограммы на экране блока 4 индикации.

Второй счетчик 7 формирует код задержки Тз первого штриха по строке.

Третий счетчик 8 формирует код смещения штриха по строке, необходимого при измерениях геометрических искажений интерферограммы.

Делитель 9 частоты вырабатывает импульсы с периодом Т.

Формирователь 10 одиночного строба формирует импульс длительностью Тз, запрещающий работу делителя 9 частоты,

Блок 11 деления осуществляет деление величины смещения на величину периода и вырабатывает код ошибки (может быть в сегментном коде для выдачи на цифровой индикатор).

Первый генератор 18 формирует на первом выходе пилообразное напряжение кадровой развертки, а на втором выходе-такое же пилообразное напряжение меньшей амплитуды.

Второй генератор 19 формирует пилообразное напряжение строчной развертки. Биполярный усилитель 20 имеет ручную регулировку для изменения наклона пилообразного напряжения со второго выхода первого генератора 18 от положительного до отрицательного.

Делители 21 и 22 частоты служат для прореживания строк относительно стандартного телевизионного формата. При необходимости один из этих делителей 21 или 22 может быть исключен,

Первый счетчик 26 блрка 2 памяти формирует адрес элемента в строке.

Второй счетчик 27 формирует адрес строки.

Формирователь 28 совместно с элементом И 29 формирует импульсы записи в ОЗУ 30 в течение одного кадра.

На фиг.5 обозначены следующие сигналы:

а - кадровые синхроимпульсы; б - сигнал на выходе блока 2 памяти; в - пилообразное напряжение (кадровое) генератора 18;

г - импульсы на выходе делителя 9 частоты;

д- импульсы на выходе формирователя 10 одиночного строба;

е - сигналы на выходе сумматора 3. На фиг.6 обозначены следующие сигналы;

а - пилообразное напряжение (строчное) генератора 19;

б - сигналы на входах элемента 23 сравнения;

в,г - сигналы на выходе элемента 23 сравнения при разных наклонах сигнала с

выхода усилителя 20.

Анализатор работает следующим образом.

Перед включением анализатора осуществляют настройку оптического датчика ин0 терферограмм, например интерферометра (не показан). В результате настройки на оптическом входе телевизионной камеры 1 должно быть изображение интерферограммы, ориентированное так. чтобы направле5 ние полос было перпендикулярным направлению сканирования по строке ТВ- камеры 1(перпендикулярность контролируется визуально -- такой точности достаточно) - шаг 1 блок-схемы, изображенной на

0 фиг.З. Подачей сигнала на первый управляющий вход 13 (например, от кнопки) осуществляется запись изображения в блок 2 памяти - шаг 2 блок-схемы, изображенной фиг.З. Информация при записи прорежива5 ется (записываются строки, например, через три четвертая). Это необходимо, чтобы создался обьемный эффект изображения за счет отдельно различимых топограмм поверхности, а также чтобы исключить боль0 шую избыточность 100%-го изображения. Запоминание прореженного сюжета дает значительную экономию памяти (и, следовательно, аппаратных затрат) блока 2 памяти. Поскольку блок 2 памяти непрерывноскани5 руется как в кадре записи изображения, так и в остальных кадрах, то запомненное изображение сразу появляется на экране блока 4 индикации, Оператор оценивает качество съемки кадра - шаг 3 (фиг.З). Если произо0 шел смаз изображения из-за вибрации или поворот полос, запись (шаг 2 на фиг.З) проводится повторно. Если качество съемки кадра хорошее, начинается исследование топологии полос.

5Включив на блоке 4 индикации режим

увеличенного масштаба, оператор при необходимости доворачивает изображение до вертикального расположения полос - шаг 4 (фиг.З). Для этого регулируют наклон пи0 лообразного напряжения с помощью усилителя 20 блока 5 (вручную). Далее в режиме нормального, а затем увеличенного масштаба изображения блока 4 индикации устанавливают величину задержки Тз (фиг.4) - шаг

5 5 (фиг.З), Для этого на управляющие входы 15.3 и (или) 15.4 подают поочередно логические 1, открывающие соответствующие элементы И 24 в коммутаторе 12 для прохождения счетных импульсов со входа 14 анализатора на счетные входы второго счетчика 7. На экране блока 4 индикации наблюдают перемещение первого штриха. Его выводят на первую полосу изображения интерферограммы. Период штрихов в этот момент может быть произвольным.

После этого аналогична производят установку периода штрихов путем наведения их на центры всего ансамбля полос - шаг 6 (фиг.З). Здесь логические Г подают уже на управляющие входы 15.1 и (или) 15.2 также попеременно. Шаги 4, 5 и 6 (фиг.З) могут выполняться повторно для корректировки положения штрихов - шаг 7 (фиг.З). После наведения штрихов подают импульс на вход 16, который обнуляет третий счетчик 8 - шаг 8 (фиг.З). Затем перемещают штрих на точку максимального прогиба (из положения ai в положение аа на фиг.4б), подавая логические 1 на входы 15,3 и (или) 15.4 - шаг 9 (фиг.З). Эту операцию выполняют аналогично операциям шага 5. После вывода штриха на точку максимального прогиба в третьем счетчике 8 оказывается код, равный числу элементов разложения на отрезке перемещения (ai-az) в прямом или дополнительном коде (первый - при перемещении вправо, т.е. при инкременте счетчика , второй - при перемещении влево - при декременте).

Блок 11 деления делит смещение на период и выдает на выходы 17 результат деления, представляющий объективную характеристику искажения интерферограм- мы. При этом при Перемещении вправо код ошибки является прямым, при перемещении влево -дополнительным до 100% (если результат выводится в процентах), т.е. в последнем случае ошибка равна 100% минус число, соответствующее коду на выходах блока 11 деления. Это вычитание легко проводится в уме. Если же оператор этого делать не хочет, перемещение штриха осуществляют только вправо. При полосе, выгнутой влево, после шага 7 (фиг.З) перемещают штрих на точку максимального прогиба, т.е. уводят его влево, а затем обнуляют третий счетчик 8 и перемещают штрих в исходное положение (он двигается вправо и вычитать 100% полученный результат деления уже не потребуется - ошибка будет представлена в прямом виде). После получения кода ошибки можно продолжить измерения оставшихся участков изображения, при этом уже не требуется формировать код периода штрихов, что ускоряет работу.

Кадровый синхроимпульс (фиг.5а) с выхода ТВ-камеры 1 устанавливает адрес в блоке 2 памяти в нулевое состояние, подготавливая его к записи изображения. Кроме того, кадровый синхроимпульс запускает генератор 18, который начинает формировать 5 кадровую пилу (фиг.Бв) для развертки изображения по вертикали на экране блока 4 . индикации и для создания линейно меняющегося в течение кадра опорного напряжения для сравнения его со строчной пилой. 10 В моменты равенства элемент 23 сравнения блока 5 формирует импульсы (фиг.б в,г). Поскольку опорное напряжение линейно меняется, то меняется линейно и временная задержка импульсов относительно начала 5 строки. Эти импульсы запускают развертку блока 4 индикации. Благодаря этой задержке визуализация строки начинается не с ее начала, а с некоторой точки, положение которой меняется в большую или меньшую 0 сторону, т.е. происходит поворот изображения собственно влево или вправо. Блок 5 формирует меньшее число импульсов запуска, чем число строчных синхроимпульсов, выдаваемых ТВ-камерой 1, для того, чтобы 5 легко воспринималась графика аксонометрического изображения (чтобы линии не нэ- лезали друг на друга). При записи изображения после подачи импульса на вход 13 в блок 2 памяти в течение кадра 0 записывается очередная видеоинформация, а вывод предыдущей продолжается (так как при обращении к ОЗУ 30 для записи во время дешифрации адреса на выходах ОЗУ 30 появляется хранимая в нем информация). 5 Таким образом, смена сюжетов происходит без пропуска кадров, без мельканий. С помощью сумматора 3 в видеосигнал, принимаемый с блока 2 памяти (фиг,5-6), замешиваются напряжение развертки по 0 кадру и импульсы штрихов. Штрихи отображаются в виде коротких всплесков на линии топографического сечения (фиг.бе). В целом, на изображении с большим числом таких линий всплески сливаются в четкие 5 вертикальные штрихи, которые повторяют изменения поверхности интерферограммы без ее искажения. Благодаря своей вертикальности штрихи не прикрывают от наблюдения элементы рельефа изображения, т.е. они не поворачиваются вместе с изображе- 0 нием при регулировании усилителя 20 (иначе штрихи смотрелись бы, как тонкий гребень при взгляде сбоку, прикрывающий собой расположенные за ним элементы рельефа). Процедура измерений заключа- 5 ется в повороте изображения до соосности штрихов л гребней и впадин (т.е. полос) интерферограммы, выявление среднего периода полос по всему ансамблю полос (таким способом значение периода выявляется точнее, т.е. возрастает общая точность измерений). Импульсы штрихов формирует делитель 9 частоты (фиг.бг), который осуществляет деление частоты тактовых импульсов, формируемых ТВ-камерой 1, в соответствии с кодом, набранным в счетчи- ке 6, В каждой строки делитель 9 частоты блокируется сигналом с выхода формирователя 10, который формирует одиночный импульс, начало которого определяет внешний импульс запуска, а |длительность - кодом, поступающим извне (фиг.бд). Этот одиночный импульс блокирует делитель 9 частоты. Длительность блокировки задается кодом, набранным в счетчике 7, и определяет положение перво- го штриха. После вывода первого штриха на первую полосу положение его при регулировке периода штрихов не меняется, т.е. он служит как опора для зрения. Формирователь 10 запускается с началом каждой стро- ки строчным синхроимпульсом. Если есть необходимость убрать из изображения штрихи, их можно просто увести за пределы экрана, задав длительность импульсов для формирователя 10 больше, чем длитель- Юность строки. Величины начальной задержки, периода и стрелки прогиба измеряются в количестве элементов разложения (тактовых импульсов с выхода ТВ-камеры 1). Величину стрелки прогиба определяют с помощью счетчика 8, работающего одинаково со счетчиком 7 (за исключением начальной установки). После установки периода штрихов с помощью счетчика 7 весь ансамбль штрихов сдвигае гея на необходимое расстояние. Величина этого расстояния окажется в счетчике 8, если его перед сдвигом обнулить.

Блок 2 памяти включает ОЗУ 30, непрерывно сканируемое счетчиками 26 и 27. Что- бы осуществить запись прореженной информации не используются один или несколько младших разрядов счетчика 27 (адреса строки) в коде адреса ОЗУ 30. В результате код номера строки меняется ре- же, чем происходит поступление строчных синхроимпульсов. Таким образом, производится прореживание видеоинформации по строкам без использования внешних (дополнительных) сигналов. При этом коэффи- циент деления процесса прореживания должен быть равен или превышать коэффициент деления делителя 22 частоты в блоке 5. Например, при запоминании 32 строк на экран блока 4 индикации можно вывести 32 строки или 64 строки (во втором случае каждая строка дублируется). На практике в большинстве случаев достаточно запомнить 16 строк, для прецизионных измерений - 32 строки. При визуализации оптимально выводить 32 строки - топография поверхности в этом случае наиболее наглядна.

Оценим влияние поворота на результаты измерений. Если интерферограмма (фиг.4а) имеет стрелку прогиба полосы, равную А см, то после поворота (фиг.4б).новая стрелка прогиба, равная А см, будет отличаться от истинной враз, где а - угол

Ои 5 1л

поворота. Визуальная ошибка определения вертикали равна 0,2°. Пусть у оператора будет десятикратный запас в определении отклонения интерферограммы от вертикали (чтобы уменьшить нагрузку на зрение), т.е. ±2°. Это значит, что оператор считает интерферограммы пригодными для продолжения измерений, если после съема и запоминания их в блоке 2 памяти их ориентировка находится в секторе, равном 4°. Осуществив поворот при увеличенном масштабе, т.е. практически очень точно достигнув вертикали, оператор исказит стрелку прогиба в:

11

cos 2° 0,999391

1.0006093

раз.

Таким образом, на абсолютную величину стрелки прогиба поворот сказывается очень мало (даже при 10-градусном повороте полос интерферограммы произойдет искажение в 1,0154263 раза. т.е. чуть более 1,5%).(А отношение стрелки прогиба, равной А см, к периоду Т1 вообще не изменится по сравнению с отношением истинных значений А см и Т, так как и стрелка прогиба и период при повороте изменяются в

1

раз, т.е. Ошибка Ошибка .

cos a

Оценим общую точность анализатора. Пусть экран блока 4 индикации имеет 40 делений (5 делений на 8 клеток). При наблюдении гребня (или впадины) полосы можно увеличить масштаб изображения, чтобы гребень (или впадина) занимали весь экран, т.е. половина периода Т индицировалась бы на экране с 40 делениями, Поскольку период Т соответствует X. /2, где А- длина волны, то на одно деление экрана приходится в этом случае К /160. Это число можно принять за потенциальную точность. Для ее полной реализации необходима соответствующая разрядность:

блок 2 памяти - 32 строки по 512 6-разрядных слов;

счетчики 6-8 - 8-11 разрядов;

формирователь 10 - 6-8 разрядов;

блок 11 деления - два входа по 8-9 разрядов, выход-2-3 тетрады двоично-десятичного или 2-3 слова семисегментного кода.

Методика определения ошибки соответствует стандарту.

Изображение на фиг.4 дано в соответствии с этим стандартом, а не в аксонометрическом, топографическом виде из-за сложности его графического исполнения.

От этой частоты смены кодов зависит скорость перемещения штрихов на экране блока 4 индикации. Она не может быть высокой, так как оператор должен иметь возможность как непрерывного изменения кода (например, при удержании кнопки), так и изменения кода на один дискрет (короткий удар по кнопке). Для этого оптимальная частота смены кодов на используемых выходах счетчиков 6-8 должна быть порядка 10-12 Гц (если не используются два младших разряда счетчиков, смена кадров происходит в четыре раза реже и при использовании счетных импульсов в 50 Гц - смена кодов будет происходить примерно 12 раз в секунду).

Визуализация изображения осуществляется в объемном, аксонометрическом виде. Это позволяет оператору значительно точнее оценивать искажения интерферог- раммы, при этом у него появляется возможность наблюдать не только изгибы полос, т.е. макроотклонения, но и искажение небольших участков поверхности (микроискажения), даже если гребни полос не пригнуты. Для лучшего iизучения, дефектов оператор может исследовать их при различных ракурсах, а также в увеличенном масштабе. Анализатор обеспечивает получение количественных характеристик искажений геометрии в полном соответствии со стандартом, что дает обьективность в процедуре контроля, возможность распределения изделий по группам качества без грубого деления годен-не годен. Работе на анализаторе не мешают повороты изображений интерферограмм, которые принципиально не устранимы как в производственных, так и в лабораторных условиях из-за невозможности абсолютной ликвидации вибраций, турбулентности воз- .духа и так далее, приводящих к высокой подвижности изображения интерферограмм. Важно, что относительные искажения интерферограммы, измеренные с помощью осциллографа в качестве блока 4 индикации, не зависят от угла отклонения полос от вертикали. Период полос определяют не по паре полос, а по всему их ансамблю, что увеличивает точность измерений. Геометрическое объемное представление изображений уменьшает нагрузку на зрение.

Формула изобретения

1. Анализатор интерферограмм, содержащий телевизионную камеру, первый счет- 5 чик импульсов, коммутатор и сумматор, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности, информативности и эргономических свойств, в анализатор введены второй и третий счетчики импульсов, блок

10 памяти, блок формирования временных интервалов, делитель частоты, формирователь одиночного строба, блок деления и блок индикации, информационный выход телевизионной камеры соединен с информационным

5 входом блока памяти, управляющий вход которого является первым управляющим входом анализатора, выход кадрового синхроимпульса телевизионной камеры подключен к одноименным входам блока памяти и

0 блока формирования временных интервалов, первый выход которого и выход блока памяти соединены с первым и вторым входами cVMMaTopa, выход строчного синхроимпульса телевизионной камеры подключен к

5 одноименным входам блока памяти и блока формирования временных интервалов и входу запуска формирователя одиночного строба, выход которого соединен с „запрещающим входом делителя частоты, выход

0 тактовых импульсов телевизионной камеры подключен к тактовым входам блока памяти, делителя частоты и формирователя одиночного строба, информационный вход коммутатора является входом счетных им5 пульсов анализатора, управляющие входы коммутатора являются вторыми управляющими входами анализатора, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с суммирующим и вычитаю0 щим входами первого счетчика импульсов, выходы которого подключены к первым входам блока деления и информационным входам делителя частоты, выход которого соединен с третьим входом сумматора,вы5 ход которого подключен к первому входу блока индикации, третий и четвертый выходы коммутатора соединены соответственно с суммирующими и вычитающими входами второго и третьего счетчиков импульсов, вы0 ходы второго счетчика импульсов подключе- ны к информационным входам формирователя одиночного строба, вход обнуления третьего счетчика импульсов является входом начальной установки

5 анализатора, выходы третьего счетчика соединены с вторыми входами блока деления, выходы которого являются выходами кода ошибки анализатора, второй выход блока формирования временных интервалов подключен к второму входу блока индикации.

2.Анализатор по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок формирования временных интервалов содержит генераторы пилообразного напряжения, делители частоты, регулируемый биполярный усилитель и элемент сравнения, вход первого генератора пилообразного напряжения является входом кадрового синхроимпульса блока, первый выход первого генератора пилообразного напряжения является первым выходом блока, второй выход первого генератора пилообразного напряжения через регулируемый биполярный усилитель соединен с первым входом элемента сравнения, вход первого депителя частоты является входом строчного . синхроимпульса, блока, выход первого депителя частоты подключен к входу второго генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с вторым входом элемента сравнения, выход которого подключен к входу второго делителя частоты, выход которого является вторым выходом блока,

3.Анализатор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок памяти содержит первый и второй счетчики импульсов, оперативное запоминающее устройство, формирователь импульса, элемент И, цифроаналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом блока, вход обнуления первого счетчика импульсов объединен с тактовым входом формирователя импульса и является входом кадрового синхроимпульса блока, счетный вход первого и вход обнуления второго счетчиков импульсов объединены и являются входом строчного синхроимпульса блока,

тактовый вход аналого-цифрового преобразователя объединен со счетным входом второго счетчика импульсов и первым входом элемента И и является тактовым входом блока, вход запуска формирователя импульса является управляющим входом блока, выходы первого и второго счетчиков импульсов соединены с соответствующими адресными входами оперативного запоминающего устройства, выход формирователя

импульса подключен к второму входу элемента И, выход которого соединен с входом разрешения записи оперативного запоминающего устройства, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к

информационным входам оперативного запоминающего устройства, выходы которого соединены с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока.

Изобретение относится к измерительной технике, к анализатору интерферограмм. Его использование в системах контроля оптических деталей позволяет повысить точность, информативность и эргономические свойства. Положительный эффект достигается благодаря прореженному выводу штрихов интерферограммы на экран блока индикации и обеспечению возможности поворота полученного изображения на любой угол и сдвига его на требуемую величину вдоль строки. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Фиг.1

Фаг. 2

G а ч а л о ) У

Настройка оптического датчика интерферограмм, например, интерферометра

Запись изображения интерферограммы в блок 2

памяти

неприемлемое

Оценка

качества запомненное го изображения

Корректировка ориентации полос (поворот изображения)

I

Установка величины задержки Оположения первого штриха) Т3

Установка величины периода Т (расстояния между штрихами) соответственно шагу полос в интерферограмме

„I

Корректировка (при необходимости) ориентации полос и положения штрихов (блоки 4-6)

Обнуление счетчика 8 (кода смещения)

Вывод штриха на точку максимального прогиба (формирование кода смещения А см)

Формирование кода ошибки (относительной стрелки прогиба полосы)

I

f продолжение измерений искажений

/ других полос или запись очередного изобраI жения интерферограммы или конец

хорошее

„I

8

.j

ЮФиг„3

а

Строка

г з

ОшиЬко. - Ошибка JL

Q,Q2

Фиг