Устройство для определения параметров шероховатости оптических поверхностей методом дифференциального светорассеяния

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и производительности определения параметров за счет непосредственного измерения интенсивности падающего излучения, автоматизации процесса измерений и обработки полученной информации. Путем дискретного вращения образца 26, расположенного по ходу зондирующего излучения лазера 1, осуществляемого в плоскости падающего и отраженного от поверхности образца 26 лучей, и фиксации интенсивности диффузно-отраженной компоненты излучения фотоэлектронным умножителем /ФЭУ/ 11 снимается спектр дифференциального светорассеяния, информация о котором поступает в блок 19 управления и обработки информации. Затем образец 26 удаляется из зоны взаимодействия с излучением, а по ходу падающего излучения устанавливается ФЭУ 11, который непосредственно измеряет интенсивность падающего излучения. По зависимости интенсивности диффузно-отраженного излучения от угла поворота образца 26 и интенсивности падающего излучения рассчитывается энергетическая спектральная плотность шероховатости, которая несет информацию о статических свойствах исследуемой поверхности образца 26 и используется для расчета с помощью известных соотношений параметров шероховатости. Образец 26 возвращается на прежнюю позицию, осуществляется последовательное сканирование его поверхности с заданным шагом по диаметру и по углу. В каждой фиксированной точке образца 26 повторяются все операции по снятию спектра дифференциального светорассеяния. Полученные результаты усредняются по всей исследуемой поверхности. Манипуляции с образцом 26 и ФЭУ 11 осуществляются с помощью соответствующих приводов 14, 15, 16 и 17. Управление процессом измерений и обработка полученных данных осуществляются автоматически блоком 19 управления и обработки информации, выполненным на основе ЭВМ. Непосредственное измерение интенсивности падающего излучения позволяет исключить использование в расчетах коэффициента зеркального отражения, зависящего от параметров шероховатости, и повысить точность их определения. Автоматизация процессов измерения и расчета параметров шероховатости повышает производительность определения этих параметров. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (I 9) (I I) (53)5 G 01 В 21!00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4639111/28 (22) 16.12.88 (46) 15.07.91. Бюл. М 26 (71) Московский авиационный технологический институт им. К.Э.Циолковского (72) П,Г,Вяткин, В.А.Киселев, И.Б.Куракин, А.Е.Лигачев, В.В.Панарин и Б.Н.Семенов (53) 531.7 (088.8) (56} Church Е L„Jenkinson Н.А., Zavada J.M.

Measurment of the finish of diamond-turned

metal surfaces by differential light scatterlng.—

Opticial Engineering, vol.16, 1977, М 4. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДОМ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СВЕТОРАССЕЯНИЯ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и производительности определения параметров за счет непосредственного измерения интенсивности падающего излучения, и автоматизации процесса измерений и обработки полученной информации. Путем дискретного вращения образца 26, расположенного по ходу зондирующего излучения лазера 1, осуществляемого в плоскости падающего и отраженного от поверхности образца 26 лучей, и фиксации интенсивности диффузноотраженной компоненты излучения фотозлектроннным умножителем (ФЭУ) 11 снимается спектр дифференциального светорассеяния. информация о котором поступает в блок 19 управления и обработки информации. Затем образец 26 удаляется из зоны взаимодействия сизлучением,,а по ходу падающего излучения устанавливается: ф

ФЭУ 11, который непосредственно измеряет интенсивность падающего излучения. По зависимости интенсивности диффузно-отраженного излучения от угла поворота об1663423 ния амплитудным преобразователем, вход которого соединен с первым выходом ком- 40 раэца 26 и интенсивности падающего излучения рассчитывается энергетическая спектральная плотность шероховатости, которая несет информацию о статистических свойствах исследуемой поверхности образца 26 и используется для рассчета с помощью известных соотношений параметров шероховатости. Образец 26 возвращается на прежнюю позицию, осуществляется последовательное сканирование его поверхности с заданным шагом по диаметру и по углу. В каждой фиксированной точке образца 26 повторяются все операции по снятию спектра дифференциального светорассеяния. Полученные результаты усредняются по всей исследуемой поверхности. МанипуИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в оптике. и других отраслях техники для контроля параметров шероховатости.

Целью изобретения является повышение точности и производительности

onределения параметров за счет непосредственного измерения интенсивности падающего излучения и автоматизации процесса измерений и обработки полученной информации.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 — структурная схема компрессора выходного сигнала фотоэлектронного умножителя.

Устройство содер>кит (фиг,1) лазер 1 с подключенным к нему блоком 2 питания и цепью стабилизации мощности лазера 1, выполненной, например, в виде светоделителя 3, установленного по ходу лазерного луча, и последовательно соединенных фотодатчика 4, установленного походу отклоненного светоделителем 3 луча, и блока 5 стабилизации мощности лазера, выходом подключен ного к управляющему входу 2 блока питания, установленные по ходу падающего лазерного луча амплитудный преобразователь 6, поляризатор 7, первый пространственный фильтр 8 и держатель

9 образца, установленные по ходу отраженного (от образца) лазерного луча, перпендикулярно падающему, второй пространственный фильтр 10 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11, компрессор 12 выходного сигнала ФЭУ, вход которого соединен с выходом ФЭУ 1 1, блок 13 управле10

35 ляции с образцом 26 и ФЭУ 11 осуществляются с помощью соответствующих приводов 14 — 17. Управление процессом измерений и обработка полученных данных осуществляются автоматически блоком 19, управления и обработки информации,выполненным на основе 3ВМ.Непосредственное измерение интенсивности падающего излучения позволяет исключить использование в расчетах коэффициента зеркального отражения, зависящего от параметров шероховатости, и повысить точность их определения, Автоматизация процессов измерения и расчета параметров шероховатости повышает производительность определения этих параметров. 2 ил. прессора 12, а выход — с управляющим входом амплитудного преобразователя 6, привод 14 вращения держателя с образцом в плоскости падающего и отраженного лучей, привод 15 азимутального вращения держателя с образцом, привод 16 линейного перемещения держателя с образцом, привод 17 азимутального перемещения ФЭУ, датчик 18 регистрации угла поворота держателя с образцом в плоскости падающего и отраженного лучей и блок 19 управления и обработки информации, входы которого соединены соответственно с выходами компрессора 12 и датчика 18, а управляющие выходы соединены соответственно с входами приводов 14 — 17.

Держатель 9 образца установлен с возможностью вращения в плоскости падающего и отраженного лучей, азимутального вращения и линейного перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости падающего и отраженного лучей, и кинематически связан с приводами 14, 15 и 16, которые предназначены соответственно для осуществления указанных вращательных и линейного перемещений. Второй пространственный фильтр 10 и ФЭУ 11 установлены с возможностью азимутального перемещения в плоскости падающего и отраженного лучей на угол 90 относительно точки падения луча на образец до расположения их вдоль оси падающего луча, для осуществления которого предназначен привод 17. Держатель 9 предназначен для закрепления на нем образца таким образом, чтобы исследуемая поверхность образца была расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости падающего и отраженного лучей, а кинематические связи держателя 9 с приводами 14, 15 и 16 выполнены с обеспечени 66 142 ем сохранения расположенил исследуемой поверхности (образца) в указанной плоскости в процессе всех перемещений.

Привод 16 выполнен так, чтобы обеспечиваемый им диапазон линейных перемещений был достаточным для пол ног0 удаления держателя 9 с образцом из зоны взаимодействия образца с лазерным лучом и возвращения его в зту зону.

Компрессор 12 выходного сигнала ФЭУ (фиг.2) состоит из последовательно соединенных повторителя 20 выходного сигнала

ФЭУ, входом соединенного с выходом ФЭУ

11, и резонансного усилительного каскада

21, последовательно соединенных регулируемого источника 22 напряжения смещения, входом соединенного с выходом каскада 21, входного резистора 23 источника питания. ФЭУ и высоковольтного управляемого источника 24 питанил ФЭУ, выходом соединенного с анодом ФЭУ 11 и нагрузочного резистора 25, подклlо енного к,вы ходу Ф Э У 11.

Исследуемый образец обозначен позицией 26.

Устройство работает следующим образом (фиг,1).

Часть излучения лазера 1 отклонена светоделителем 3 на фотодатчик 4. напряжение с которого подаетсл на блок 5 стабилизации мощности лазера. Управляющий сигнал с блока 5 стабилизации мощности поступает на управляющий вход блока питания лазера 1, Часть излучения, прошедшая светоделитель 3 в направлении оси лазера 1 (падающий луч), пройдя последовательно через амплитуцный преобразователь 6, поллризэтор 7, первый пространственный фильтр 8, падает под углом C4aq на образец 26, укрепленный в держателе 9. Часть отраженного излучения, проходя через второй пространственный фильтр 10, регистрируетсл ФЭУ

11, при этом сумма углов Ирег регистрации излучения и Oha!E падения постоянна и равна 90О. Напряжение с ФЭУ 11 (с нагрузочного резистора 25, фиг.2) поступает на компрессор 12 выходного сигнала ФЭУ и далее на вход блока 19 управления и обработки информации и вход блока 13 управления амплитудным г1 реобразо вателем.

По сигналу с блока 19 управления и обработки информации привод 14 осуществляет непрерывное вращение держателя 9 с образцом 26 в плоскости падающего и отраженного лучей до регистрации максимальной интенсивности отраженного иэлученил (зеркально отраженного луча). При этом датчик 18 фиксирует угол поворота образца 26, 5

2 l

55 э комп0ессор 12 выходного с!1Г ал 1 ФЭ>

Г1одае1,!a aнод ФЭУ 11 миниl,aëüнсе рабочее наг.ря Kение. В этом Г оложенин угол регистрации излучени1 рэВQII углу IagjcHI ,,Г-О

Ьр =- O!. == 45 .

По сигналу с блока 19 при од 14 поворачи ахает держатель 9 с обрэзцо«. 26 в обО ратном нэг|равлении i:,a 45 (В этом поло>кении угол регистрации -=.1„, ранен 90 ).

Затем с блока 19 поступают управляющие сигналь,, п0 которы;л привод 14, осуществляет дискретное Врэ.цение держателя 9 с образцом 26 нэ заданный угол. Отсчет угла производится датчиком 16 регистрации угла поворота образца 26. > каждом дискретном положении образца 26 инстенсивность диффузно-Oiра>кенной компоненты излучения, соответству ощей углу В,Г регистрируется Ф ЭУ 11 ll соотВетствующал инфор - ацил через компрессор 12 поступает В блок 19. Держэтель 9 с Образцом 26 поворачивается на 90, а результате чего снимается полный спектр дифференциального сваторэссеяния, данные о котором заносятся в блок 19, При этом компpoccÎp 12 меняет по определенному закону напряжение на анода ФЭУ 11 В зависимости от интенсивности регистрируеl îãî излучения, а блок 13 управления амплитуды преобразователем Выдает управляющий сигнал на амплитудный преобразователь 6, в результате чего происходит Выделение полезного сигнала. После снятия спектра дифференциального светорассеяния по сигналу с блока .19 привод 16 осуьцествляет линейное перемещение держателя 9 с образцом 26 до полного их удаленил из эоны Взаимодействия образца 26 с лазерным излучением, а привод 17 производит эзимутальный разворот второго просранственного фильтра 10 и

ФЭУ 11 в плоскости пэдэ ощего и отраженного лучей на 90 относительно точки падения луча на обрззец 26 до расположения их вдоль оси падающего луча для осуществления прямого измерения интенсивности падающего излучения.

По зависимости интенсивности 1дчф. диффузно-отраженного излучения от угла поворота Oper Образца 26 Il Il! ITGHc aHocTè падающего излучения 1;л в блоке 19 рассчитывается энергстическая спектральная плотносить шероховатости Р (р, q), которая несет в себе v!lôoðìàöèþ о статисти .еских свойствах исследуемой шероховатости поверхности образца 26, при этом среднеквадратичное отклонение профиля поверхности GR и среднеквадратичный наклон граней поверхности m определяютсл путем интегрирования функции W(p, q):

1663423

30

+ao +oo

0R- f dp f 4q W(p,q) +oo +oo

m - f 4рf dqг W(р,q), где Р=р +q р и q — волновые числа, определяемые конкретной геометрией, рассеяния.

При этом длина корреляции высот микронеровностей S определяется через oh u

m следующим образом:

$= 2 #ой/m .

После расчета параметров шероховатости erg, m, $ для данной зондируемой точки образца 26 по сигналу с блока 19 привод 13 осуществляет линейное перемещение держателя 9 образцом 26 на определенный шаг Л1. Вслед за этим повторяются описанные операции снятия спектра дифференциального светорассеяния и расчет параметров шероховатости для другой точки образца. После того, как образец 26 будет просканирован по его диаметру с шагом Ь1, по сигналу с блока 19 привод 15 осущеетвляет азимутальное вращение держателя 9 с образцом 26 вокруг своей оси на определенный угол ha, после чего повторяются все перечисленные операции по снятию спектра дифференциального светорассеяния в различных точках образца по диаметру с шагом Л1.

После определенного числа шагов сканирования и поворота образца 26 блок 19 содержит информацию о параметрах шероховатости многих точек поверхности образца 26, что позволяет усреднить результаты измерений по всей поверхности и построить товограмму распределения шероховатости исследуемой поверхности.

Таким образом, осуществление непосредственного измерения интенсивности падающего излучения позволяет избежать использования в расчетах параметров шероховатости коэффициента зеркального отражения, который сам зависит от этих параметров, и обеспечить, тем самым, повышение точности определения параметров шероховатости. Автоматизация процесса измерений и обработки(полученной в результате измерений информации, осуществляемая с помощью блока 19 управления и обработки информации, выполненного на омюве современных средств вычислительиай техники (ЭВМ), позволяет повысить производительность определения параметров шероховатости.

Формула изобретения

Устройство для определения параметров шероховатости оптических поверхностей методом:. дифференциального светорассеяния, содержащее лазер, установленные по ходу падающего лазерного луча поляризатор, первый пространственный фильтр и держатель образца с приводом вращения в плоскости падающего и отраженного лучей и датчиком регистрации угла поворота, установленные по ходу отраженного лазерного луча, перпендикулярноre падающему, второй пространственный фильтр и фотоэлектронный умножитель с компрессором выходного сигнала, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности и производительности определения параметров, оно снабжено приводом аэимутального вращения держателя с образцом. привод линейного перемещения держателя с образцом в плоскости, перпендикулярной плоскости падающего и отраженного лучей. с возможностью удаления держателя с образцом из зоны взаимодействия образца с лазерным лучом и возвращения его в эту зону, привод азимутального перемещения фотоэлектронного умножителя в плоскости падающего и отраженного лучей относительно точки падения луча на .образец, амплитудным преобразователем, установленным по ходу падающего луча перед поляризатором, блоком управления амплитудным преобразователем, вход которого соединен.с пер" вым выходом компрессора. а выход — с управляющим входом амплитудного преобразователя, и блоком управления и обработки информации, управляющие выходы которого соединены. соответственно с входами приводов, входы соединены соответственно с выходами компрессора и датчика регистрации угла поворота, а компрессор выполнен с резонансным усилительным каскадом.

1663423

Составитель О. Смирнов

Редактор К. Крупкина Техред M.Mîðãåíòàë Корректор M. Демчик

Заказ 2257 Тираж 385 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101