Способ определения положения границы объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение,быстродействия и точности определения положения границы объекуа, за счет устранения погрешностей сканирования. Способ определения положения границы объекта заключается в том:, .что сходящийся оптический луч: 1 пропускают через акустооптический модулятор 2, на выходе которого формируется набор световых волн - дифракционных порядков. Объект 3 вводят в область интерференции дифракционных поря'дков, расположенную вблиаи их фокальной плоскости, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал. Об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы электрического сигнала. 1.ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

1 (21) 4745540/28 (22) 10.08;89 (46) 23.02.92. Бюл. N 7 (71) Московский станкоинструментальный институт (72) В,И,Телешевский и Н,Н.Абдикаримов (53) 531.7 (088.8) (56) Автометрия, 1981, N 1, с, 55.

Патент США

N 3907439, кл. G 01 В 21/00, 1976. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повы шение, быстродействия и точности ori Ж „, 1714359 А1 ределения положения границы объекта за счет устранения погрешностей сканирования. Способ определения положения границы объекта заключается в том, что сходящийся оптический луч: 1 пропускают через акустооптический модулятор 2, на выходе которого формируется набор световых волн — дифракционных порядков. Объект 3 вводят в область интерференции дифРакционных порядков, расположенную вблизи.их фокальной плоскости, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал. Об изменении положения границы объекта судят по изме-, нению фазы электрического сигнала. 1 ил.

1714359

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения границы объекта, необходимым для измерения размеров объектов и параметров их движения в пространстве.

Известен способ, включающий формирование интерференционного поля двумя пересекающимися когерентными пучками света, ввод объекта в интерференционное поле, регистрацию в отдельности когерентной и некогерентной составляющих результирующего поля, которое представляет собой суперпозицию световых волн, рассеянных передней и задней кромками микрообъекта, определение размера микрообъекта, осуществляемое подсчетом числа полос в пределах его теневого изображения посредством их фотоэлектрической регистрации.

Однако известный способ измерения .геометрических размеров имеет недостаточную точность определения положения границы объекта, так как о положении границы объекта судят по уровню интенсивности оптического сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является время — импульсный способ, согласно которому объект вводят в световой луч, состоящий из тонкого пучка, распространяющегося параллельно оптической оси системы и быстро перемещающегося посредством электромеханического сканирования в перпендикулярном направлении, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал, по параметрам которого судят о поло жении границы объекта.

Недостатками известного способа являются: высокие требования к точности изготовления механического сканатора: относительно большая инерционность и ограниченная скорость сканирования, связанная с необходимостью перемещения механических масс, что ограничивает быстродействие и управляемость измерительной системы; нелинейность сканирования, вызывающая неравномерность развертки вследствие преобразования движения сканатора в линейное перемещение луча, что ограничивает точность измерения; прерывистость измерения, обусловленная вращением многогранного зеркального барабана, что ограничивает точность и быстродействие.

Целью изобретения является повышение чувствительности и быстродействия определения положения границы путем устранения погрешностей сканирования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в том, что формируют луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению рас5 пространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта; в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают аку10 стооптической модуляции, получают набор .световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференциидифракционных порядков, расположенную вблизи их фокальной плоскости, об измене- .

15 нии положения границы объекта судят по изменению фазы электрического сигнала, На чертеже дана схема, поясняющая способ, Сущность предлагаемого способа за20 ключается в следующем.

Монохроматическая световая волна 1 Е =

= Еpexp (-i в t) после прохождения акустооптического модулятора 2 (АОМ) описывается следующим выражением

25 Евых = (Е T(x)) = Еоехр (-i г«) t) x х exp (- а cos (Кх — Q t)), (1) где Т(х) — функция пропускания акустооптического модулятора;

К вЂ” волновое число УЗВ.

30 Спектр дифракции света на УЗВ описывается преобразованием Фурье световой волны Евых и равен„, A (u) F (Essex) = Ep ). Im (а) (- i) х

m = — «© х ехр (- (го+ m Q t) д (u — m —. ), (2)

1 где F{E) — пространственное Фурье-преобразование;

Im(a) — функция Бесселя 1-ro рода m-го

40 порядка; а — амплитуда фазовой модуляции света на УЗВ:

u — пространственная частота.

Спектр (2) представляет собой симмет-45 ричный набор световых волн дифракционных порядков, имеющих частоты (g)+ m Q где

m = О, + 1, + 2..., — номер дифракционного порядка. Свободное пространство действует на распространяющееся по оси Zl свето50 все поле как линейный фильтр пространственных частот с передаточной функцией

H (ul= exp (i K zq 6 — «Л„), где Z> — расстояние ат АОМ до плоскости

55 ввода контролируемого объекта.

Умножая A(u) на передаточную функцию свободного пространства и.осуществляя обратное преобразование Фурье, получаем . выражение комплексной амплитуды оптиче1714359

15

45 ского поля во френелевской зоне дифракции

Е (X; Z, t) = Ео ехр (— i (в t — К Z)) х

+ оо х g ° Im (а) (- i) ехр (im (К Х вЂ” Q t)) х

m=pp хехр(-i m л 21), 2 2 (3)

° где К вЂ” волновое число световой волны;

А- длина световой волны;

Z — направление распространения света.

Вводим в область перекрытия дифракционных порядков в плоскости контролируемь(й объект с функцией и ро пуска н ия

1, npln X» Хо, Тоб = 1 (Х вЂ” Хо) =

О, при Х< Хо где Хо — координата границы объекта;

1 (Х - Хо) — функция Хевисайда. Принимая во внимание известное свойство функции Хевисайда, а также учитывая расстояние от модулятора до плоскости ввода Z, получают выражение спектра A2(u) после контролируемого объекта

Ae(uI ° $ Е,х,хф((х-x,1åxð(-i Þ Idx j Е(х.г,ф (4)

xexp(-i âèxIpIxÅ,ехр(-i(0 -kzl)+3 (о1(-ij expx ее-Орр

I (+х,-atja p(- z, у(и,x,p, где Y(u, хо) — дифракционный множитель;

К = g/f — коэффициент, учитывающий расстоя ние от модулятора до.плоскости ввода объекта при освещении модулятора сходящимся световым пучком;

f -фокусное расстояние.

Для простоты рассуждений примем некоторые приближения, Во-первых, для плоских объектов дифракционный множитель

Y(u, хо) при значении пространственных частот u = О стремится к единице. Во-вторых, при малой интенсивности ультразвука (а <

< 0,1) дифракционными порядками выше первого можно принебречь. В-третьих, множитель, учитывающий фазовый набег в свободном пространстве по оптической оси Z>. можно принять равным ехр(-i л Й(Я/ ) 2 = г

=1, так какА <<Д, Zl =О, m =О, +1: С учетом приближений комплексная амплитуда светового поля перекрытия Z2 имеет вид

Ег (Х, Z, t) = Ео ехр (— 1(«, т - К 7)) {11(а) i x х ехр (- i (г- хо — Qт)) Т Ip (а)+ Iq (а) (--i) х х ехр (i (+ — Qt))}. (5)

Интенсивность волнового поля получим, умножив (5) на комплексносопряженную величину

1 = Ep {1о (а) + 2 1 (а) + 4 1о (а) 11 (а) х

Х Sin (+ХАЯt) — 21jl(а) COS (2 (ф Хо— — Q t). (6)

Как следует из выражения (6), изменение положения границы объекта приводит к изменению фазы электрического измерительного сигнала. От выбора значения коэффициента к зависит чувствительность способа определения положения границы объекта.

Например, при значении коэффициента к= g/f = 0,5, где f расстояние от модулятора до фокуса сходящегося пучка, g — расстояние от фокуса до точки плоскости ввода обьекта. Из выражения (6) видим, что при смещении границы объекта на величину Х = фаза измерительного сигнала изменяется на величину

1 = (К/K) Хо = 2 2E/(7 к) . Хо = 4 л, что вдвое больше, чем при значении коэффициента к = 1, т,.е. при вводе контролируемого объекта в параллельный световой поток, В общем случае, изменяя коэффициент путем подбора соотношения между g u

f при к «1, получаем более существенное увеличение чувствительности в 1/K раз.

B целом способ преобразует изменение положения границы объекта в изменение фазы измерительного электрического сигнала, р

Использование способа в автоматизированном контроле линейных размеров и координат деталей позволяет оперативно и с более высокой точностью осуществить контроль качества (((х изготоаления на различных этапах технологического процесса.

Формула изобретения

Способ определения положения границы объекта, заключающийся в том, что формируют световой луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению распространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности и быстродействия определения положения границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область ин. терференции дифракционных порядков, расположенную вблизи их фокальной плоскости, об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы электрического сигнала.