Способ измерения геометрических параметров поверхности объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использ /вано для высокоточного бесконтактного измерения отклонений формы и размеров объектов с зеркальной отражающей поверхностью, например прецизионных линз.

Цель изобретения - повышение точности определения геометрических параметров поверхности объекта.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 излучения с коллиматором 2, светоделитель 3, образцовую поверхность 4, установленную по обратному ходу лучей на выходе светоделителя 3, оптическую систему 5, фоточувствительный регистриртующий блок 6, вычислительный блок 7, при этом источник 1 излучения выполнен с изменяемыми известными значениями длины волны А), светоделитель 3 выполнен в виде блока формирования пространственно разнесенных световых пучков 8-12, в частности, в виде последовательно расположенных полупрозрачных зеркал 13-17, образцовая поверхность А представляет собой совокупность п отражателей 18-22, являющихся опорными отражателями и одновременно светоделителями для световых пучков 8-12, оптическая система 5 выполнена в виде п объективов 23-27, фоточувствительный регистрирующий блок б выполнен в виде п многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28-32, причем многоэлементные фотоэлектрические преобразователи 28-32 расположены на выходах оптической системы 5, входы вычислительного блока 7 подключены к выходам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28-32.

Предлагаемый способ реализуют с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

При помощи источника 1 с коллиматором 2 формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны при помощи отражателей 18-22, освещают поверхность объекта измерительной волной, а образцовую поверхность, образованную отражателями 18-22, предварительно аттестуют и освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн при помощи фоточувствительного регистрирующего блока 6 и вычислительного блока 7. Математическое описание вычислений приведено в приложении. При этом поверхность объекта и образцовую поверхность 4 освещают совокупностью п пространственно разнесенных световых пучков, сформированных при помощи полупрозрачных зеркал 13-17 светоделителя 3, при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны AJ источника 1, предварительно аттестуя расположение геометрических осей п пучков 8-12, а разность фаз интерферирующих волн определяют вдоль осей световых пучков 8-12 на выходах п объективов 28-32 оптической системы 5 по. фотоэлектрическим интерференционным сигналам п многоэлементных фотоэлектрических преобразователей 28-32.

Конкретными примерами отдельных

злэментов устройства являются следующие. Источник излучения 1 может быть выполнен в виде спектральной лампы, снабженной монохроматором, набора лазеров с длинами волн А) 0,63 мкм (Л ГН-302, ЛГН303), 0,61 мкм (модификация ЛГН-303), 0.55 мкм (Монолог) и т.п., а также с помощью перестраиваемого лазера с широким диапазоном длин волн (лазер на красителях). В качестве коллиматора 2 можно использовать обратную телескопическую систему с увеличением 10Х-20Х.

Элементы 13-17 блока светоделителя 3 представляют собой полупрозрачные зеркала или светоделительные кубики, причем их

расположение не обязательно является последовательным.

Опорные отражатели 18-22 представляют собой достаточно тонкие стеклянные пластинки с углом клина 0,3 -1° и небольшим световым диаметром в несколько миллиметров, причем пластинки установлены на стабильных котировочных подставках с фиксацией положения.

Объективы 23-27 оптической системы 5

представляют собой телескопические объективы с малым световым диаметром и увеличением 5Х-10Х.

Многоэлементные фотоэлектрические преобразователи 28-32 представляют собой приборы с зарядовой связью, например, типов К1200ЦЛ2, К1200ЦМ7, снабженные встроенными блоками управления и АЦП на выходе.

Вычислительный блок 7 может быть реализован на базе персональных микроЭВМ, например, типа ДВК или семейства IBM.

Световые пучки 8-12 могут быть непараллельными, расположенными под некоторыми углами друг к другу для расширения

области измерений поверхности объекта.

Аттестация образцовой поверхности 4 может быть предварительно проведена с использованием меры плоскостности (аттестация расположения отражателей 18-22

вдоль осей световых пучков 8-12) и меры круглости (аттестация ориентации отражателей 18-22 по углу).

Мера плоскостности реализуется, например, в виде оптического клина круглой

формы (по диаметру объекта в вертикальной плоскости), причем одна из поверхностей меры выполняется с высокой плоскостью и аттестуется. Расстояние от аттестованной плоскости до отражателей 18-22 предварительно определяют по интерференции для волн источника 1.

Мера крутости может быть выполнена в виде цилиндра,-сегмента цилиндра или сферы, ранее аттестованных по абсолютно- му значению радиуса кривизны. Угловую ориентацию отражателей 18-22 предварительно определяют, например, по положению центров интерференционных картин типа колец Ньютона, наблюдаемых на выхо- дах оптической системы 5.

Аттестацию расположения геометрических осей световых пучков 8-12 выполняют, например, при помощи штриховой меры длины, причем регистрацию положения штрихов осуществляют с помощью одновременно п многозлементных фотоэлектрических преобразователей 28-32.

Следовательно, в предлагаемом решении геометрическое расположение всех элементов аттестовано вплоть до фотоэлектрических интерференционных сигналов, что обеспечивает реализацию абсолютных измерений и позволяет по сравнению с известными решениями повысить точность определения геометрических параметров поверхности объекта.

Совокупность световых пучков 8-12 может быть сформирована также с рэсположе- нием геометрических осей в виде двумерной структуры, по двум координатам. Число п определяется видом поверхности объекта с учетом зоны чувствительности (см. Приложение) и соображений экономической целесообразности. Соответственно расположению геометрических осей световых пучков 8-12 используют двумерную штриховую меры, рисунок которой в этом случае должен быть предварительно аттестован по значениям шага штрихов по двум координатам.

Измеряемый объект может иметь как выпуклую, так и вогнутую поверхность.

В предлагаемом устройстве используют п пространственно разнесенных световых пучков, что позволяет устранить присущую известному решению необходимость в выполнении операций фокусировки единственного пучка и перемещения образца.

Используя в опорной ветви образцовую поверхность в виде от дельных участков плоской поверхности, в предлагаемом решении повышают точность измерений за счет более точного изготовления малогабаритных опорных отражателей при обесш ,ениивоз- можности их расположения под различными ракурсами по отношению к объекту, что расширяет зону регистрации параметров поверхности, Малые значения зазоров между опорными отражателями и поверхностью объекта обеспечивают высокую помехозащищенность устройства.

Регулируя и аттестуя геометрическое расположение оптических элементов устройства, добиваются реализации принципа абсолютных измерений геометрических параметров поверхности.

Используя п многоэлементных фотоэлектрических преобразователей, достигают заметного увеличения разрешающей способности устройства по фронту интерферирующих волн, п том числе в расширенной зоне регистрации параметров поверхности.

Использование опорных отражателей малой толщины позволяет практически устранить погрешности хроматизма при использовании источника оптического излучения с произвольно устанавливаемой длиной волны.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает существенное снижение как случайной, так и систематической составляющей погрешности и тем самым обеспечивает по сравнению с известными решениями существенное повышение точности определения геометрических параметров поверхности объекта.

Использование в предлагаемом техническом решении рассмотренных операций, а также аттестации геометрического расположения элементов устройства, в том числе после юстировки, непосредственно по фотоэлектрическим сигналам, устраняет систематические погрешности измерений и подтверждает достоверность достижения поставленной цели - повышения точности определения геометрических параметров поверхности объекта.

Формула изобретения

1. Способ измерения геометрических параметров поверхности объекта, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны, освещают поверхность объекта измерительной волной, а аттестованную образцовую поверхность освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн, по значениям которой судят о геометрических параметрах поверхности объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения геометрических параметров поверхности объекта, формируют аттестованные по расположению геометрических осей световые пучки, поверхность объекта и образцовую поверхность освещают совокупностью сформированных пространственно разнесенных световых

пучков при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волньсиэ- лучения, а разность фаз интерферирующих волн определяют вдоль осей световых пучков.

2. Устройство для измерения геометрических параметров поверхности объекта, содержащее источник излучения, последовательно установленные по ходу излучения коллиматор, светоделитель, образцовую поверхность, установленную по обратному ходу лучей на выходе светоделителя оптическую систему и фоточувствительный регистрирующий блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения геометрических параметров

0

поверхности обьекта, оно снабжено вычислительным блоком, источник излучения выполнен с изменяемыми значениями длины волны, светоделитель выполнен в виде блока формирования п пространственно разнесенных световых пучков, образцовая поверхность представляет собой совокупность п отражателей, оптическая система выполнена в виде объективов, фоточувствительный регистрирующий блок выполнен в виде п многоэлементных фотоэлектрических преобразователей, многоэлементные фотоэлектрические преобразователи расположены на выходах оптической системы, а входы вычислительного блока подключены к выходам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного измерения отклонений формы и размеров объектов с зеркальной отражающей поверхностью, например прецизионных линз. Цель изобретения - повышение точности измерений. При помощи источника излучения с коллиматором формируют монохроматическое излучение, разделяют его на измерительную и опорную волны при помощи п полупрозрачных отражателей, освещают поверхность объекта измерительной волной, а образцовую поверхность, образованную упомянутыми отражателями, предварительно аттестуют и освещают опорной волной, измеряют разность фаз интерферирующих измерительной и опорной волн при помощи фоточувствительного регистрирующего блока, содержащего п многозлементных фотоэлектрических преобразователей, и вычислительного блока, входы которого подключены к выходам фоточувствительного регистрирующего блока. При этом поверхность обьекта и образцовую поверхность освещают совокупностью п пространственно разнесенных световых пучков-, сформированных при помощи светоделителя, состоящего из полупрозрачных зеркал и установленного по ходу излучения после коллиматора. Измерения выполняют при нескольких последовательно устанавливаемых значениях длины волны излучения, предварительно аттестуя расположение геометрических осей п пучков, а разность фаз интерферирующих волн определяют вдоль осей упомянутых световых пучков на выходах объективов оптической системы, установленной на выходе светоделителя, по фотоэлектрическим интерференционным сигналам многоэлементных фотоэлектрических преобразователей. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. ы Ё 00 ю ел ю VJ 00

Јыход