Способ измерения шероховатости поверхности изделия Советский патент 1993 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим методам измерения шероховатости поверхности. .

Цель изобретения - повышение производительности измерений.

На фиг. 1 показано устройство, предназначенное для измерения шероховатости прозрачных изделий; на фиг. 2 и 3 устройства предназначены для измерения шероховатости изделий, отражающих оптическое излучение.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения (лазер), расширитель 2 пучка излучения, блок 3 для разделения излучения на два когерентных пучка, создания

между ними разности фаз и сведения пучков под углом друг к другу до пространственного пересечения, контролируемое изделие 4, апертурную диафрагму 5, фоторегистратор 6, блок 7 обработки фотоэлектрического сигнала, индикатор 8 результатов измерений. Устройства для измерения шероховатости отражающих изделий (фиг. 2 и 3) для регистрации отраженного излучения содержат, в качестве одного из возможных вариантов, полупрозрачное зеркало 9, помещенное между блоком 3 и контролируемым изделием 4. и объектив 10, используемый для переотображения исследуемого сечения рассеянного поля в плоскость диафрагмы 5.

00

о VJ

ел

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Лазерный пучок с помощью расширителя 2, нфример, коллиматора, расширяют до необходимого поперечного сечения и направляют в блок 3. В блоке 3 лазерный пучок разделяют на два когерентных пучка, создают между ними разность фаз, а затем сводят эти пучки под малым углом друг к другу до их пространственного пересечения и образования интерференционных полос, период которых определяется по формуле:

(1)

где Л- период интерференционных полос, А- длина волны лазерного излучения; а-угол между когерентными лазерными пучками.

В качестве .блока 3, например, можно использовать интерферометры Майкельсб- на или Маха-Цендера, или Жамена, или интерферометр какой-либо другой конструкции.. .

Вышедшие из блока 3 когерентные пучки, образующие интерференционные полосы, направляют на исследуемую шероховатую поверхность изделия 4: В прошедшем через контролируемое изделие 4 (фиг. 1) или отраженном от поверхности изделия (фиг. 2 и 3) излучении наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем. Устанавливают угол между когерентными пучками (например, путем изменения наклона зеркал в интерферометре блока 3) таким, чтобы период Л наблюдаемых интерференционных полос превышал поперечный размер спеклов 3 рассеянного поля. В рассеянном поле устанавливают апертурную диафрагму 5, размеры которой превышают поперечные размеры спеклов о и не превышают период интерференционных полос; в качестве такой диафрагмы при прямолинейных интерференционных полосах удобнее использовать щель, ориентированную длинной стороной вдоль полос. Прошедшее через диафрагму излучение поступает на фоторегистратор б (например, фотодиод), электрический сигнал которого при оговоренных выше соотношениях между размерами диафрагмы, поперечными размерами спеклов и периодом интерференционных полос пропорционален средней интенсивности спекл-модулированного рассеянного поля. Путем изменения во времени разности фаз между когерентными пучками создают подвижные интерференционные полосы. При этом в пределы диафрагмы 5 попеременно

попадают максимумы и минимумы интерференционных полос, которые возбуждают в фоторегистраторе 6 переменный сигнал с амплитудой, пропорциональной контрасту

интерференционных полос. Разность фаз между когерентными пучками в интерферометре блока 3 можно изменять во времени, например, путем смещения одного из зеркал интерферометра или путем сдвига частоты одного из пучков, например, с помощью движущейся дифракционной решетки или акустооптической ячейки.

С фоторегистратора 6 сигнал направляют в блок 7, где проводят обработку этого

сигнала таким образом, что на выходе блока 7 формируется сигнал, пропорциональный величине контраста интерференционных полос

20

и - & ивых - KV - -j- ,

1о

где ивых - сигнал на выходе блока 7,

К - коэффициент пропорциональности, V - контраст интерференционных полос,

Д| -амплитуда изменения средней интенсивности спекл-модулированного рассеянного поля,

То - среднее по времени значение средней интенсивности спекл-модулированного

рассеянного поля.

Сигнал с блока 7 измеряют с помощью индикатора 8 результатов измерения. По сигналу с блока 7 с помощью индикатора 8 судят -о шероховатости поверхности изделия 4.

Таким образом, предлагаемый способ измерения шероховатости поверхности ос-: нова.н на зависимости контраста интерференционных полос, наблюдаемых в

дифракционной картине рассеянного поля, от степени шероховатости поверхности. При этом установлено, что контраст полос существенным образом зависит не только от степени шероховатости поверхности, но

и от расстояния между рассеивающей поверхностью и плоскостью наблюдения, а также от периода интерференционных полос. Это позволяет управлять чувствительностью диапазона измерений по данному

способу измерения.

Для реализации данного способа необходимо, чтобы период Л интерференционных полос превышал поперечные размеры спеклов (71:

ЛХ71.

В противном случае, когда Л а, в рассе-. янном спекл-модулированном поле регулярные интерференционные полосы наблюдаются только в пределах отдельных

спеклов; при переходе от одного спекла к другому эти полосы хаотически ветвятся, изгибаются и испытывают поперечный сдвиг на случайную долю их периода. Поэтому регистрация интенсивности рассеянного поля возможна только в пределах одного спекла, и мы приходим к способу, описанному в прототипе.

Принимая во внимание соотношение (1), условие (2) запишем в виде

В то же время на величину периода Л интерференционных полос, а, следовательно, и на угол омежду когерентными пучками, необходимо установить условие, ограничивающее минимальное значение этого угла, необходимое для реализации данного способа измерения. Очевидно, что, если период полос Л будет превышать по- перечный размер D когерентных пучков, то способ не может быть реализован. Действительно, приЛ D все поперечное сечение когерентного пучка, направляемого на исследуемую поверхность, будет покрывать светлая или темная интерференционная полоса. Поэтому подвижные интерференцией- ные полосы будут приводить к одинаковому изменению интенсивности рассеянного поля вне зависимости от степени шероховато- сти. Таким образом, другое условие, ограничивающее возможные значения угла а, с учетом соотношения (1), имеет вид:

.«Из- «

Записывая совместно соотношения (3) и (4), получим полное необходимое условие реализации предлагаемого способа измерения,

.(5)

Отметим, что-при приближении значений угла о, к граничным, точность измерений будет уменьшаться. Поэтому угол а, следует устанавливать в середине интерва- ла, обусловленного соотношением (5).

Цель изобретения достигается за счет исключения необходимости механического перемещения исследуемого объекта и исключения процедуры статистической обра- ботки результатов измерения, поскольку по данному способу освещается достаточно

протяженный участок поверхности и операция усреднения, необходимая для получения средних статистических параметров поверхности, выполняется автоматически в оптическом тракуе при формм/ровании структуры рассеянного поля и при фотоэлектрической регистрации интенсивности поля фоторегистратором с протяженной диафрагмой. При этом в данном способе нет необходимости механического перемещения и самого фоторегистратора для измерения контраста интерференционных полос, поскольку создаются подвижные интерференционные полосы, максимумы и.минимумы которых последовательно попадают в апертурную диафрагму фоторегистратора. Формула изобретения Способ измерения шероховатости поверхности изделия, заключающийся в том, что разделяют когерентное излучение на два когерентных пучка, создают между ними разность фаз, сводят их под углом друг к ДРУУ АО пространственного пересечения на исследуемой поверхности, наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем, выбирают в качестве единичного элемента интерференционную полосу, измеряют изменение интенсивности в ней и по изменению интенсивности судят о шероховатости поверхностей изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности измерения, угол между когерентными пучками выбирают из соотношения

А-4.

где А- длина волны когерентного излучения;

D - размер поперечного сечения когерентных пучков;

а -угол между когерентными пучками; а - поперечный размер спеклов рассеянного спекл-модулированного поля, создают подвижные интерференционные полосы за счет изменения во времени р|з- ности фаз между когерентными пучками и измеряют изменение средней интенсивности спекл-модулированного поля в подвижных интерференционных полосах. t

ji , 8

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим методам измерения шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение производительности измерения за счет исключения механического сканирования и процедуры статистической обработки результатов измерений. Когерентное излучение разделяют на два когерентных пучка, устанавливая между ними угол, исходя из соотношения (J , где а - угол между когерентными пучками. Я - длина волны когерентного излучения, D - размер поперечного сечения когерентных пучков, ai - поперечный размер спеклов рассеянного спекл-модулированного поля. Наблюдают дифракционную картину в виде рассеянного спекл-модулированного поля и интерференционных полос в нем. Создают подвижные интерференционные полосы за счет изменения во времени разности фаз между когерентными пучками. Измеряют изменение усредненной по многим спеклам интенсивности спекл-модулированного поля в одной подвижной интерференционной полосе. По изменению интенсивности судят о степени шероховатости поверхности. 3 ил. ел С