Способ измерения профиля поверхности и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности объекта.

Известны интерферометрические способы измерения формы поверхности, заключающиеся в формировании изображения поверхности, формировании картины интерференции излучения в плоскости : изображения и опорного излучения и определении формы поверхности по сформированной картине интерференции.

Известны такие устройства, содержание источник когерентного излучения, интерферометр, координатно-чувствительный фотоприемник и вычислительный блок.

К недостаткам указанных способов и устройств можно отнести следующее:

повышенную чувствительность к вибрациям; .

данными способами и устройствами может быть получена информация только о тех изменениях рельефа, характерный размер которых разрешается системой формирования, т.е. данными способами и устройства- . ми не может быть получена информация о параметрах микрогеометрии поверхности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения формы поверхности по полутонам, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверхXJ

Ю CJ

го о ю

ность, регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству (прототипом), является устройство определения формы поверхности (средней поверхности), содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок.

Недостатками данного способа и устройства являются высокая точность, связанная с тем, что задача восстановления формы поверхности является некорректной математической задачей,следовательно,результаты ее решения сильно зависят от шумов регистрации интенсивности; низкая информативность, связанная с тем, что данный способ и устройство не позволяют оценивать параметры микрогеометрии поверхности. .. .

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения влияния адаптивных шумов регистрации интенсивности изображений и расширение информативности способа, измерение параметров шероховатости поверхности.

Для этого в способе, заключающемся в том, что освещают контролируемую поверхность, формируют ее изображение и регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения, освещение поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределений интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещения, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности.....

Для достижения поставленной цели устройство, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, снабжено по крайней мере тремя дополнительными источниками излучениями и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников излучения и одному из входов вычислительного блока.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.

: Устройство состоит из источников 1-4 освещения, оптически связанных системы 5 формирования изображения и координатно-чувствительного фотоприемника 6, выполненного в виде фотоприемника со сканируемым растром, блока 7 коммутации, первые четыре выхода которого подключены к входам источников 1-4, и вычислительного блока 8, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника 6, а второй вход - к пятому выходу блока 7. В качестве вычислительного блока 8 может быть использована любая универсальная ЭВМ с адаптером видеокамеры либо специализированная ЭВМ для обработки изображений (см. например, Л.Рабинер, Б.Гоулд.Теорияи применение цифровой обработки сигналов,- М., Мир, с. 696-697, проспект фирмы humelec, Perlcolor ЭВМ типа СВИТ разработки ИКИ АН СССР и т.д.). При этом блок 8 должен быть запрограммирован в соответствии с алгоритмом, изложенным далее, а именно блок 8 должен осуществлять следующие действия:

1. По сигналам от блока 7 заносить в память распределение интенсивностей ji(X5.

2. Решать систему уравнений (1), изло- женную ниже. Алгоритмы и программы решения такого рода систем уравнений являются широко известными и описаны, например, в кн. Дж. Деннис, Р.Шнабель. Численные методы безусловной оптимиза- ции и решения нелинейных уравнений. М., Мир, 1988г. .

3. По вектору градиента высоты поверхности вычислять профиль поверхности, например, интегрированием.

Способ с помощью устройства осуществляется следующим образом.

По сигналам от блока 7 коммутации осуществляется последовательный подсвет объекта 9 с различных направлений. Изображение объекта формируется на фотоприемнике 6 системой 5. По сигналам с пятого выхода блока 7 коммутации распределения интенсивности, зарегистрированные фотоприемником 6, вводятся в память блока 8 в

моменты времени, соответствующие работе соответствующего источника 1-4. В памяти блока 8 содержится также информация об угловом положении источников 1-4 относительно оптической оси системы 5 формирования изображения. Распределения интёнсивностей изображений описываются выражением

l,((x exp{-IM + 2|fl (1)

I4/(x) J

где х - координата в предметной плоскости системы 5;

К(х}- распределение коэффициента отражения на поверхности объекта 9;

g (xj- градиент высоты средней поверности объекта над предметной плоскотью;

у (х} среднеквадратичный наклон шероховатостей;г 5

nt - проекция единичного вектора, параллельного направлению подсвета на . предметную плоскость;

i - порядковый номер изображения. Выражение (1) представляет собой систему 10 их четырех уравнений с четырьмя неизвестными, а именно неизвестными являются две проекции вектора д(х, у (х)) и К(х}. Данная система уравнений решается в блоке 8. Легко показать, что данная система уравнений 15 имеет единственное решение при соблюде- нии условия, заключающегося в том, что ранг матрицы. : .

Mdml2-Inil2). (nix-nix).(niy-hiy)|| (2) не меньше 3.

В условия шумов целесообразно формировать более чем четыре изображения, так как при этом, организуя в блоке 8 вычисление упомянутых неизвестных в соответствии с алгоритмом, заключающемся в нахождении точки минимума функционала

s 2 ii$H«(3l2,

можно уменьшить влияние шумов.

20

25

30

5

0 5 : .

0

5

0

Профиль средней поверхности вычисляется в блоке 8 путем интегрирования.

Необходимо отметить, что условие (2) не является существенным для способа, так как справедливо только при организации подсвета объекта 9 параллельными пучками источников 1-4. Если фронт излучения источников 1-4 не является плоским, то как выражение (1J, так и условие (2) не будет справедливым. В этом случае, используя общую методику вычисления интенсивности изображения, примененную в 5, можно получить иные чем (1) выражения для интен- сивностей изображений и соответственно иные условия на направление подсвета.

Из изложенного следует, что предложенный способ и устройство обладают по сравнению с известными повышенной точностью с условиях измерений с шумовыми помехами. Математическое моделирование процесса измерения профиля средней поверхности при уровне сигнал/шум 10 по четырем изображениям показало, что ошибка может быть уменьшена в 3,7 раза. Также предложенный способ и устройство позволяют измерить профиль средней поверхности с переменным коэффициентом отражения, а также определять среднеквадратичный наклон шероховатостей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьше-ния влияния адаптивных шумов регистрации интенсивности изображений, расширение информативности способа за счет обеспечения, возможности измерения для поверхностей с переменным коэффициентом отражения и одновременного определения- параметров шероховатости поверхности. Способ заключается в формировании по крайней мере четырех изображений поверхности, полученных при подсвете с различных направлений, регистрации распределений интенсивностей изображений и определении профиля поверхности по зарегистрированным распределениям интенсивностей. Устройство, реализующее способ, состоит из четырех источников освещения, системы формирования изображения контролируемой поверхности, координатно-чувстви- тельного фотоприемника и вычислительного блока. 2 п.ф-лы, 1 ил. ел С

Формула изобретения 1. Способ измерения профиля поверхности, заключающийся в том,.что освещают контролируемую поверхность, формируют ее изображение, регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения информативности способа за счет измерения еще и параметров шероховатости поверхности, освещение контролируемой поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределения интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещения, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности.

2. Устройство для измерения профиля поверхности, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения поверхности и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере тремя источниками освещения и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников освещения и одному из входов вычислительного блока,