close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6564

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6564
(13) C1
(19)
7
(51) G 01B 11/12
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ОТВЕРСТИЙ
(21) Номер заявки: a 20011062
(22) 2001.12.12
(46) 2004.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт электроники
НАН Беларуси" (BY)
(72) Автор: Ильин Виктор Николаевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт электроники НАН Беларуси" (BY)
(57)
Способ измерения диаметра отверстий, включающий освещение отверстия коллимированным пучком монохроматического излучения одной длины волны λi, регистрацию
интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных по оси координат, отличающийся тем, что
дополнительно освещают отверстие коллимированным пучком монохроматического излучения другой длины волны λj, в дифракционной картине выделяют два дифракционных
максимума интенсивности одноименного порядка n, принадлежащих этим длинам волн,
фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка, а диаметр 2R
отверстия вычисляют в соответствии с выражением:
λ i λ j (2n − 1) ∆x i− j
,
R2 =
λi − λ j
BY 6564 C1
где ∆xi-j - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного порядка.
Фиг. 1
BY 6564 C1
(56)
Александров В.К. и др. // Автометрия. - № 3. - 1990. - С. 93-97.
RU 2037772 C1, 1995.
RU 2172470 C1, 2001.
WO 0122030 A1, 2001.
US 4687328 A, 1989.
JP 62115305 A, 1987.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для
контроля диаметров отверстий миллиметрового и микрометрового размеров.
Известен способ измерения диаметра отверстий, заключающийся в том, что освещают
коллимированным пучком монохроматического излучения контролируемое отверстие, регистрируют интенсивность излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, фиксируют координаты трех последовательных центральных минимумов интенсивности излучения в дифракционной картине, определяют диаметр отверстия с учетом зафиксированных координат [1].
Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений из-за необходимости
фиксации трех последовательных минимумов, имеющих разные порядки и, следовательно, разные радиусы минимумов, и измерения расстояний между ними. При этом среднеквадратические погрешности каждого измерения складываются, что увеличивает общую
суммарную погрешность.
Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение точности измерения диаметра отверстий за счет сокращения числа и величины измеряемых расстояний и формирования дифракционных максимумов для двух длин волн,
относящихся только к одноименным порядкам максимума интенсивности.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра
отверстий, заключающемся в освещении отверстия коллимированным пучком монохроматического излучения одной длиной волны λi, регистрации интенсивности излучения в
дифракционной картине вдоль оси пучка, и вычислении диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, дополнительно освещают отверстие коллимированным пучком монохроматического излучения другой длиной волны λj, в дифракционной картине
выделяют два дифракционных максимума интенсивности одноименного порядка n, принадлежащих этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка, а диаметр 2R отверстия вычисляют на основе выражения:
λ i λ j (2n − 1)(∆x i− j )
R2 =
,
(λ i − λ j )
где ∆xi-j - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного
порядка.
В предлагаемом способе уменьшается методическая погрешность, связанная с измерением только одного интервала и формированием дифракционных максимумов одного
порядка.
Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Измеряемое отверстие
диаметром 2R освещают коллимированным пучком монохроматического излучения,
имеющего длину волны λ1 и выделяют за отверстием дифракционное распределение с
максимумом интенсивности по оси заданного порядка n (например, n = 2) на расстоянии
S max , λ1 = R 2 / λ 1 (2n − 1) .
(1)
Координату его местоположения по оси фиксируют. Затем отверстие освещают излучением с длиной волны λ2, также выделяют по оси отверстия дифракционный максимум,
причем того же порядка n, что и для первой длины волны, на расстоянии
2
BY 6564 C1
S max , λ 2 = R 2 / λ 2 (2n − 1)
и фиксируют координату его местоположения по оси.
Расстояние ∆x1 между максимумами будет равно:
∆x 1 = S max , λ 2 −S max , λ1 ;
(2)
(3)
при условии, что λ1 > λ2, или для любой пары длин волн
∆x i− j = S max , λi −S max , λj .
(4)
Чем меньше λ, тем дальше от исследуемой диафрагмы находится дифракционный
максимум выделенного порядка.
Из (1), (2) и (3) находится аналитическое выражение
∆x 1λ 1λ 2 (2n − 1)
R2 =
,
(5)
(λ 1 − λ 2 )
по которому вычисляют искомый диаметр 2R с учетом значений полученных координат Smax, λ2 и Smax, λ1, n, λ1 и λ2.
Основная особенность предлагаемого способа заключается в том, что для определения
диаметра отверстия диафрагмы используется излучение, как минимум, с двумя длинами
волн λ1 и λ2, причем относящихся только к одноименным порядкам максимума интенсивности.
В общем случае для любой пары длин волн выражение (5) можно записать в следующем виде
λ i λ j (2n − 1)(∆x i− j )
R2 =
,
(6)
(λ i − λ j )
где ∆хi-j - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного
порядка.
Минимальная величина дисперсии ∆λi-j = λi - λj или расстояния между спектральными
линиями определяется разрешающей способностью фотодиодной линейки. В сравнении с
прототипом, где радиус отверстия находится по одной λ, и трем последовательным минимумов n, n+1, n+2 (или максимумов - формулы одинаковые), предложенный способ обеспечивают существенно более высокую точность измерения диаметра диафрагмы не только из-за того, что измеряется только один интервал ∆x1 вместо двух, но и за счет того, что
выделяемые порядки - одноименные и имеют одинаковый радиус rmax ≅ 0,61 R/(2n-1).
На фиг. 1 и 2 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа.
На фиг. 1 изображены: 1 - источник излучения, 2 - коллиматор, 3 - контролируемое
отверстие, 4 - каретка, 5 - первый объектив, 6 - экран, 7 - второй объектив, 8 - зеркало, 9 фотодиодная линейка; V - направление перемещения каретки, λ1 > λ2 > λ3 - плоскости
формирования максимумов второго порядка для заданных λ; пунктирными линиями обозначены новые положения экрана и каретки при ее перемещении.
На фиг. 2 схематично показано взаимное положение максимумов (продольный разрез)
для трех длин волн λ1 > λ2 > λ3, где S1, S2, S3 - расстояния от отверстия диафрагмы до максимумов второго порядка для указанных длин волн; 2rmax - диаметр максимума; ∆Smax протяженность максимума вдоль оси; n - номер порядка.
Способ реализован следующим образом. Монохроматическое излучение от источника
1 с длинной волны λ1 с помощью коллиматора 2 преобразуется в параллельный световой
пучок и освещает контролируемое отверстие 3. Каретку 4 перемещают в такое положение,
чтобы передняя фокальная плоскость первого объектива 5, установленного на каретке,
совпала с плоскостью дифракционного изображения, имеющего центральный максимум
второго порядка для λ1 (фиг. 2). Объектив 5 формирует дифракционное изображение максимума в плоскость экрана 6. Далее второй объектив 7 воспринимает изображение максимума с экрана 6 и передает его посредством зеркала 8 на фотокатод фотодиодной линейки
3
BY 6564 C1
9 в виде светлого пятна, где его координата фиксируется и определяется по числу и положению засвеченных пикселей. Объектив 7 расположен под углом триангуляции к оси отверстия 3, т.е. оптическая схема выполняет условия триангуляционного метода.
После этого источник 1 переключается на излучение с λ2 и все операции повторяются
как для излучением с λ1. При этом экран 6 займет новое положение, как показано пунктиром на фиг. 1, за счет перемещения каретки 4 вдоль оптической оси отверстия. Таким образом, каждому новому положению экрана 6 и, следовательно, изображению максимума
на нем, соответствует свое положение изображения светлого пятна на фотодиодной линейке, координата которого фиксируется и определяется по числу и положению засвеченных пикселей. Оптический отклик на фотокатоде описывается Гаусс-функцией, а фотоимпульс - дискретной функцией распределения. Для определения положения светового пятна на фотокатоде с помощью микропроцессора (на фиг. 1 не показан) находился центр
фотоимпульса по медианному методу.
Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1. Источник излучения 1 представляет собой гелевую трубку с дисперсионной призмой, применяемой в
интерферометре Кестерса. В исследованиях использовались наиболее яркие спектральные линии: (цвет красный) → λк = 0,6678184 мкм, (желтый) → λж = 0,587566 мкм, (зеленый) → λз =
= 0,5015702 мкм, (голубой) → λг = 0,4921954 мкм, (синий) → λс = 0,4713168 мкм, (фиолетовый) → λф = 0,44715 мкм.
Анализируемая диафрагма 3 последовательно освещалась от системы источник излучения
1, коллиматор 2, излучением различных длин волн, начиная с красной линии. За диафрагмой
формировалось дифракционное распределение для каждой λ. Выделялись только центральные
максимумы, расположенные на оси отверстия, имеющие n = 2. Для красной, желтой и голубой линий для Rном = 500,0 мкм находились Smax,λ1 ≅ 124784 мкм, Smax,λ2 ≅ 141828 мкм и
Smax, λ3 ≅ 169309 мкм. Следовательно, ∆x1 = 17044 мкм, ∆х2 = 27481 мкм.
При реализации способа выбирались более близкие спектральные линии с тем, чтобы
перемещения каретки не превышали единиц миллиметров, а изображение максимума на
фотокатоде находилось в пределах его длины в крайних точках. При соблюдении указанных условий удалось получить разрешение на уровне долей пикселя фотокатода, кроме
того, чем меньше диаметр исследуемой диафрагмы, тем больше должно быть расстояние
между спектральными линиями ∆λ.
Например, для Rном = 500,0 мкм следует брать следующие пары длин волн: вариант 1:
λз и λг; вариант 2: λг и λс. В первом случае ∆х ≅ 3 мм, а во втором ∆х ≅ 10 мм. Погрешность измерения по данному способу вычислялась согласно методике, изложенной в [1].
Анализ предложенного способа показывает, что погрешность определения диаметра
отверстия диафрагмы при условии, что интервалы ∆х находятся с погрешностями, распределенными по нормальному закону и с равными среднеквадратическими отклонениями, меньше в среднем на 30 %.
Источники информации:
1. Александров В.К., Галушко Е.В., Ильин В.Н. Размерный контроль ограничивающих
диафрагм по дифракции Френеля // Автометрия. - № 3. - 1990. - С. 93-97.
4
BY 6564 C1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
167 Кб
Теги
by6564, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа