Способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей Советский патент 1992 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к технике бесконтактных оптических измерений свойств шероховатых поверхностей и может быть использовано для контроля качества поверхностей деталей после механической обработки в машиностроении и оптическом приборостроении, а так же для исследования фазовых шумов пространственных модуляторов света.

Известен способ исследования вероятных свойств рельефа шероховатых поверхностей, заключающийся в измерении профиля поверхности с помощью профилографа, преобразования полученных отсчетов в цифровую форму с последующим построением гистограмм распределения плотности вероятности рельефа поверхности с помощью ЭВМ.

Недостаток этого способа заключается в его сложности и больших затратах времени, включающих время на измерение профилог- рамм и машинное время, затрачиваемое на построение гистограмм. В особенности этот недостаток проявления, когда необходимо исследовать свойства рельефа поверхности, как функции двух пространственных координат, а не только на некоторой линии на

V| VJ

00

о N ю

поверхности, вдоль которой измерена профилогрэмма.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатой поверхности, в частности уровня фазовых шумов фототермопластических носителей информации, заключающийся в освещении исследуемого образца сходящейся монохроматической сферической волной, изме- рении светового потока PL рассеянного при прохождении через исследуемый образец, и нерассеянного светового потока Ро и вычислении дисперсии поля фазовых флуктуации по формуле

of ln(1+Pi/P0).

Используя соотношение между диспер- сией Оу поля фазовых флуктуации и дисперсией ап2 поля деформации поверхности

a, (n-1)2 an2 .

где А - длина волны зондирующего излучения;

п - показатель преломления исследуе- мого образца,

можно определить среднеквадратическое значение деформаций поверхности

1

(1+р1/р°)Данный способ позволяет измерить усредненное по некоторой (освещаемой) области поверхности исследуемого образца значение величины деформации при условии, если известно, что профиль поверхности имеет гауссову плотность вероятности.

Целью изобретения является дополнительное определение характеристической функции рельефа шероховатостей поверхности.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей, соответствующая случаю проведения измерений путем отражения световой волны от исследуемой поверхности; на фиг.2 - схема устройства, соответствующая случаю проведения измерений путем пропускания световой волны через испытуемый образец; на фиг.З - график расчетной характеристической функции Э(а) образца с бинарным рельефом

0

5

0

5

(сплошная кривая) и экспериментальные данные (показаны кружочками), полученные согласно данному способу.

Устройство состоит из источника 1 белого света, конденсора 2, диафрагмы 3, объектива А. монохроматора 5, Фурье-объектива 6, испытуемого образца 7. зеркала 8 с отверстием в центральной части, фотоприемника 9 для измерения нерассеянного светового потока, объектива 10 и фотоприемника 11. измеряющего рассеянный световой поток.

Способ реализуется следующим образом.

Сходящаяся волна монохроматического света от источника 1, сформированная с помощью конденсора 2, диафрагмы 3, монохроматора 5 и объективов 4 и 6. освещает испытуемый образец 7. При отражении от образца 7 (или при прохождении через образец) световая волна претерпевает случайные фазовые возмущения, которые можно описать с помощью комплексного коэффициента отражения t(x,y) (пропускания) испытуемого образца 7.

t(x,y) h(x,y),

(1)

где h(x, у) - случайный рельеф испытуемой поверхности;

j - мнимая единица; а - коэффициент пропускания, при испытании на отражение

а А я/А(2)

а при испытании на пропускание

а 2 л (п-1)/ А ,(3)

где А- длина волны освещающего излучения

п - показатель преломления испытуемого образца.

Среднее значение комплексного коэффициента отражения t (х, у) (или t ) в общем случае отлично от нуля, поэтому энергетический спектр F( vx,Vy) случайной функции (1) имеет вид

F(vx ,vy)l t I2 d(vx,vy) + G (vx,Vy).

(4)

где vx . f у - пространственная частота;

t - статическое среднее поле t(x, у); 5(VxiVy) -дельта-функция;

G (Vx.Vy) - флуктуационная компонента энергетического спектра.

Множитель перед д (vx , vy ) в выражении (4) означает относительную долю нерассеянного света в общем световом потоке отраженном (прошедшем) от испытуемого образца. Тогда если Р, Р0 и Pi - соответственно отраженный (прошедший), нерассеянный и рассеянный световые потоки, можно записать, что

Ро I t I2 Р Pl + Po P.

при других значениях длин волн освещенности излучения Я .

Способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей проверяли при определении характеристической функции кварцевой пластинки с вытравленным бинарным (прямоугольным) рельефом поверхности. Рельеф h такой поверхности является одной из возможных

реализаций случайного поля, принимающего значения п0 и -Ь0 с равной вероятностью. Тогда плотность вероятности о (h) испытуемого рельефа имеет вид

Использование: техника бесконтактных оптических измерений свойств шероховатых поверхностей, контроль качества поверхностей в машиностроении, оптическом 2 приборостроении, микроэлектронике, а также исследование фазовых шумов пространственных модуляторов света. Сущность изобретения: исследуемую поверхность освещает монохроматической сходящейся волной, измеряют рассеянный световой поток Pi и световой поток Р0, оставшийся нерассеянным, причем измерения проводят для не менее чем двух длин волн Я освещающего светового пучка, после чего строят кривую модуля характеристической функции ©, определяя значение 0из уравнения I0(a)l Р0/(Р 1 +Ро) , а соответствующее значение аргумента характеристической функции а из уравнения а 4 тг/А , если измерения приводят путем отражения световой волны от поверхности испытуемого образца, или а 2 л (п-1)/А , если измерения проводят путем пропускания световой волны через прозрачный испытуемый образец с показателем преломления п. 3 ил. Ј

откуда следует, что

К t I -fpTTTPi PT)

С другой стороны среднее значение функции t(x, у) по определению может быть записано в следующем виде

оо

t / (h)dh,

- 00

где ft) (h) - плотность вероятности случайного рельефа h(x, у) поверхности испытуемого образца.

Из (6) видно, что t как функция параметра а представляет собой преобразование Фурье от плотности вероятности а (h), то есть характеристическую функцию 0(а)

©(а) t

Таким образом, для определения модуля характеристической функции измеряют световой поток Р0, которому пропорционален выходной сигнал фотоприемника 9, на вход которого поступает нерассеянная световая волна, прошедшая через отверстие в зеркале 8, которое расположено в точке схода освещающей световой волны. Кроме этого измеряют рассеянный световой поток PL которому пропорционален выходной сигнал фотоприемника 11, на входе которого объективом 10 собирается отраженная от зеркала 8 рассеянная на испытуемом образце световая волна. После чего значение модуля характеристической функции, учитывая (7) и (5), вычисляется по формуле

0(a)(Pi + Po).

а соответствующий ему аргумент соответственно по формуле (2) или (3). Для получения остальных точек характеристической функции повторяют измерения и вычисления

15

(5)

o)(h) д (h-ho) (fn-ho).

где д (h-h0), д (h+h0) - дельта-функции, а соответствующая характеристическая 20 функция

(6)

;«) cos(2 л:h0 a)

(8)

Для экспериментального определения

25 характеристической функции использовали устройство по схеме фиг.2. В качестве моно- хроматора использовали модернизированный монохроматор от спектрофотометра СФ-26. Модернизация заключалась в заме30 не источника излучения на галогенную лампу мощностью 100 Вт. установка дополнительной конденсорной линзы и ди- . афрагмы, пропускающей лишь небольшую часть изображения спирали лампы. В каче35 стве фотоприемников использовали фотоприемники, входящие в комплект СФ-26. Результаты измерений приведены на фиг.З, где таюке показана рассчитанная по (8) кривая модуля характеристической функции.

40 Способ отличается от известных тем, что позволяет бесконтактно и быстро получать данные о характеристической функции (следовательно и о распределении плотности вероятности) рельефа шерохова45 той поверхности, причем характеристическая функция определяется сразу для некоторой двумерной области шероховатой поверхности, которая освещается световой волной, а не для ограниченной выборки

50 рельефа поверхности вдоль линии, по которой измерена профилограмма. Способ не требует затрат машинного времени и может быть использован при контроле качества обработанных поверхностей в машинострое55 нии, оптическом приборостроении, контроле качества подложек в микроэлектронике, а тахже для исследования фазовых шумов пространственных модуляторов света.

Формула изобретения Способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей, заключающийся в освещении поверхности испытуемого образца, монохроматическим сходящимся световым пучком, измерении рассеянного Pi и нерассеянного Р0 поверхностью световых пучков, отличающийся тем, что с целью дополнительного определения характеристической функции рельефа шероховатой поверхности, измерения проводят не менее, чем для двух значений длины волны освещающего светового пучка, и для каждой длины волны А освещающего светового пучка рассчитывают значение модуля характеристической функФиг f

Qiorned.j

ции 10(м)1 рельефа шероховатостей поверхности по соотношению

10(«)|Ф0/(),

где а - значение аргумента характеристической функции рельефа шероховатой поверхности, причем а 4я/Я - если измеряют отраженный от шероховатой поверхности световой пучок и а. 2 л (п1)/А - если измеряют прошедший через шероховатую поверхность световой пучок; п - показатель преломления испытуемого образца, и по рассчитанным величинам строят кривую характеристической функции

рельефа шероховатой поверхности,

or HMKMJ