close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9654

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9654
(13) C1
(19)
G 01B 9/02
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
И КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
(21) Номер заявки: a 20050262
(22) 2005.03.21
(43) 2006.11.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной
академии наук Беларуси " (BY)
(72) Авторы: Белый Владимир Николаевич (BY); Казак Николай Станиславович (BY); Кренинг Михаель (DE);
Мащенко Александр Георгиевич
(BY); Ропот Петр Иосифович (BY);
Хило Николай Анатольевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси " (BY)
(56) US 5654798 A, 1997.
SU 1383969 A1, 1997.
SU 1712778 A1, 1992.
SU 1714343 A1, 1992.
GB 1460861 A, 1977.
DE 4416786 A1, 1995.
BY 9654 C1 2007.08.30
(57)
Устройство измерения профиля цилиндрических и конических поверхностей, содержащее источник светового пучка, систему регистрации интерференционной картины, два
оптических элемента, двухплечевой интерферометр Маха-Цендера, в предметном плече
Фиг. 1
BY 9654 C1 2007.08.30
которого последовательно установлены первый оптический элемент с возможностью перемещения вдоль оси плеча и исследуемый объект, отличающееся тем, что содержит телескопическую систему, включающую, по меньшей мере, две положительные сферические линзовые компоненты и установленную в предметном плече интерферометра так,
что первый оптический элемент находится между компонентами телескопической системы, при этом второй оптический элемент установлен в опорном плече интерферометра с
возможностью перемещения вдоль оси плеча, причем первый и второй оптические элементы выполнены в виде конических линз.
Устройство измерения профиля цилиндрических и конических поверхностей относится к области оптической метрологии и может быть использовано для контроля и количественных измерений отклонения от формы аксиально-симметричных объектов. Полное и
почти мгновенное представление о качестве поверхности трехмерного объекта является
очень важным для многих промышленных приложений, таких как трехмерное моделирование, трехмерное зрение в робототехнике, контроль качества, биостериометрия, при автоматизированной обработке деталей на заводах-автоматах.
Для измерения профилей поверхностей наибольшее предпочтение имеют устройства
на основе интерферометров, так как они позволяют осуществить количественную проверку качества всей поверхности за один прием, в то время как, например, координатноизмерительные приборы [1] позволяют проводить поточечный контроль поверхности.
Известно устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей, включающее устройство излучения и систему регистрации света [2]. В данном устройстве осуществляется пошаговое измерение отклонения образующей цилиндрической поверхности
от геометрического положения, а для полного 360-градусного сбора данных об объекте
требуется продолжительный период, что ограничивает применение устройства в автоматизированных процессах изготовления деталей цилиндрической формы. Кроме того, необходимость последовательного позиционирования при повороте объекта уменьшает точность проводимых измерений.
Устранить указанные недостатки позволило устройство для измерения профиля поверхностей при скользящем падении света, которое включает источник и средство регистрации светового пучка, интерферометр и два оптических элемента для формирования конических световых пучков. Опорное и предметное плечи интерферометра образованы
первым светоделителем, отражателями света и вторым светоделителем. В предметном плече последовательно установлены два оптических элемента с возможностью перемещения
вдоль оси плеча и исследуемый объект между ними [3]. Разрешающая способность данного
устройства является постоянной величиной и определяется используемыми оптическими
элементами. Однако в ряде случаев (например, при переходе от одного сортамента деталей
к другому, или деление партии на группы качества) при измерении профиля поверхностей
объектов возникает необходимость в получении количественных результатов с переменным разрешением.
Задачей данного изобретения является создание устройства с регулируемым разрешением для измерения и контроля профиля цилиндрических и конических поверхностей.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройство измерения профиля цилиндрических и конических поверхностей содержащее, источник светового пучка, систему регистрации интерференционной картины, два оптических элемента, двухплечевой интерферометр Маха-Цендера, в предметном плече которого последовательно установлены
первый оптический элемент с возможностью перемещения вдоль оси плеча, и исследуемый объект, дополнительно в предметное плечо интерферометра внесена телескопическая
система включающая, по крайней мере, две положительные сферические линзовые компоненты, первый оптический находится между компонентами телескопической системы,
второй оптический элемент установлен в опорном плече с возможностью перемещения
вдоль оси плеча, причем первый и второй оптические элементы выполнены в виде кони2
BY 9654 C1 2007.08.30
ческих линз. Существенными отличительными особенностями предлагаемой схемы являются:
а) использование конических оптических (рефракционных) элементов (аксиконов);
б) помещение первого конического оптического элемента внутрь телескопической
системы, состоящей как минимум из двух положительных сферических линз с возможностью перемещения элемента вдоль оси системы;
в) помещение второго конического оптического элемента в опорное плечо (в прототипе элемент находится в предметном плече) с возможностью перемещения вдоль оси. Указанные особенности заявляемой схемы обеспечивают регулировку разрешения без смены
оптических элементов.
На фиг. 1 изображена оптическая схема заявляемого устройства для измерения и контроля профиля цилиндрических и конических поверхностей.
На фиг. 2 представлена оптическая схема фокусирования светового пучка конической
линзой.
На фиг. 3 представлена оптическая схема фокусирования светового пучка компонентами телескопической системы и конической линзы.
На фиг. 4 показана интерференционная картина цилиндрической поверхности "идеального" объекта.
На фиг. 5 приведена интерференционная картина цилиндрической поверхности детали, реализованная предлагаемой схемой.
Предлагаемое устройство для измерения и контроля профиля цилиндрических и конических поверхностей (фиг. 1) содержит источник света 1, первый светоделитель 2, первое
светоотражающее устройство 3 и второй светоделитель 4, которые образуют опорное плечо интерферометра. Первый светоделитель 2, второе светоотражающее устройство 5 и
второй светоделитель 4 образуют предметное плечо интерферометра. Светоделители 2 и 4
и светоотражающие устройства 3 и 5 образуют интерферометр, выполненный по известной схеме Маха-Цендера, у которого в предпочтительном варианте исполнения отражающие покрытия светоделителей 2 и 4 и светоотражающих устройств 3 и 5 установлены параллельно друг другу и ориентированы под углом 45° к направлению распространения
световых пучков. В опорном плече интерферометра установлен оптический элемент 6,
выполненный в виде конической линзы и предназначенный для формирования конического светового пучка. В предметном плече последовательно установлены телескопическая
система, содержащая две линзовые (сферические) компоненты 7 и 8 и исследуемый объект 9. Между линзовыми компонентами 7 и 8 установлен оптический конический элемент
10, который может перемещаться вдоль оси телескопической системы. Для регистрации
интерференционной картины в схему включен фотодетектор 11 на основе ПЗС- матрицы с
высокой разрешающей способностью и низкими собственными шумами. Для регулировки
разрешения оптические конические элементы 6 и 10 имеют возможность перемещаться
вдоль оси опорного и предметного плеча интерферометра. Лучами 12-14 и 13'-14' обозначен световой пучок в опорном плече интерферометра. Лучами 15-17 и 15'-17' обозначен
световой пучок в предметном плече интерферометра.
Фиг. 2 иллюстрирует картину формирования конического светового пучка с помощью
оптического элемента 6, который установлен в опорном плече интерферометра. Пучок
света для наглядности представлен лучами 12 -14 и 12'-14'. Угол между плоской поверхностью конической линзы и ее образующей конической поверхностью равен δ. Угол α угол конусности светового пучка. ОО - ось опорного плеча интерферометра.
На фиг. 3 изображена схема расположения оптического конического элемента 10 и
линзовых компонент 7 и 8 телескопической системы в заявляемом варианте устройства,
установленными в предметном плече интерферометра. Лучами 15-17 и 15'-17', для наглядности, показан пучок света в предметном плече интерферометра. На фиг. 3 введены обозначения: О'О' - ось предметного плеча интерферометра; f1 - фокусное расстояние линзовой компоненты 7 телескопической системы; f2 - фокусное расстояние линзовой компоненты 8; L - расстояние от точки общего фокуса сферических компонент 7 и 8 до кониче3
BY 9654 C1 2007.08.30
ской линзы 10; µ - угол между плоской поверхностью конической линзы и образующей ее
конусной поверхностью; θ - угол конусности плоскопараллельного светового пучка последовательно прошедшего через компонент 7 телескопической системы коническую линзу 10 и компонент 8 телескопической системы.
На фиг. 4 представлена интерференционная картина, получаемая в результате интерференции световых пучков, прошедших через опорное и предметное плечо интерферометра при измерении профиля "идеальной" цилиндрической поверхности. Интерференционная полоса в виде кольца 18 соответствует интерференции лучей, прошедших через
опорное плечо интерферометра и отраженных от передней части цилиндрической поверхности объекта. Интерференционная полоса 19 - результат интерференции опорного светового пучка и лучей, отраженных от задней части объекта.
На фиг. 5 показана интерференционная картина, полученная при измерении профиля
поверхности реального объекта.
Устройство для измерения и контроля цилиндрических и конических поверхностей
работает следующим образом. Пучок монохроматического света от источника 1 (например Не-Ne лазер) направляется на светоделитель 2 интерферометра, где разделяется на две
части. Для эффективного использования деление светового потока проводят с учетом отражательной способности исследуемого объекта. После светоделителя один из пучков,
обозначенный лучами 12 - 14, распространяется в опорном, второй, обозначенный лучами
14 - 17, в предметном плече интерферометра. Пучок света в опорном плече направляется
на оптический конический элемент 6, формирующий конический световой пучок, лучи
12'-14' которого симметрично направлены под углом α к оси OO опорного плеча интерферометра (фиг. 2). Угол конусности α находится из соотношения
(1)
sin(δ + α) = n sinδ,
где δ-угол при основании первого конического элемента, n - показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический конический элемент [4]. В случае малости
угла δ при основании конической линзы, что имеет место во многих практических применениях, можно ограничиться параксиальным приближением. Тогда угол конусности светового пучка равен
(2)
α = (n-1)δ.
В сечении (в дальней зоне) профиль пучка представляет собой кольцо, диаметр которого изменяется по мере распространения пучка вдоль оси опорного плеча интерферометра. Данный конический пучок с помощью средства отражения света 3 и светоделителя 4
направляется на систему регистрации света.
Пучок света в предметном плече интерферометра, обозначенный лучами 15-17, после
отражения на отражателе света 5, направляется на телескопическую систему с компонентами 7 и 8, между которыми установлен второй оптический конический элемент 10. Данная оптическая система формирует конический световой пучок с углом конусности θ
(фиг. 3), обозначенный лучами 15'-17'. Угол конусности светового пучка в предметном
плече интерферометра на выходе телескопической системы определяется углом преломления µ конической линзы 10 и зависит от оптической силы компонент 7 и 8 телескопической системы
1
1 
 tgν,
tgθ = (L + f 2 )  −
(3)
 f2 L + f2 
где ν = (n1-1)µ - угол конусности светового пучка в отсутствие телескопической системы,
µ - угол при основании второго конического элемента, n1 - показатель преломления материала, из которого изготовлена коническая линза 10, L - расстояние от конической линзы
10 до общего фокуса телескопической системы. В случае параксиального приближения
угол конусности пучка θ в предметном плече интерферометра равен
L
θ = ν.
(4)
f2
4
BY 9654 C1 2007.08.30
В сечении профиль пучка обозначенной лучами 15'-17' после преломления на компоненте 7 телескопической системы, конической линзе 10 и компоненте телескопической
системы 8 представляет собой кольцо. Лучи 15' и 17' обозначают внешнюю сторону кольца, а лучи 16' внутреннюю.
В соответствии с (3) и (4) величина угла конусности θ светового пучка в предметном
плече интерферометра зависит от отрезка L и, следовательно, углом конусности данного
пучка можно управлять путем перемещения оптического элемента 10.
Далее конический световой пучок, обозначенный лучами 15'-17', направляется на объект 9. Отраженный от объекта 9 световой пучок направляется на систему регистрации света 11, куда попадает и конический световой пучок из опорного плеча. В области перекрытия световых пучков, прошедших через опорное и предметное плечи интерферометра
происходит их интерференция. Возникающая при этом в плоскости совпадения пусков по
сечению интерференционная картина (фиг. 4, фиг. 5) регистрируется с помощью системы
регистрации 11 и обрабатывается компьютером. Совмещение пучков света в плоскости
регистрации осуществляется посредством перемещения оптического конического элемента 6 вдоль оси опорного плеча интерферометра.
Приведенная на фиг. 4 интерференционная картина иллюстрирует расположение интерференционных полос, возникающих в плоскости регистрации в случае, когда объект
представляет "идеальную" цилиндрическую поверхность. Картина представляет собой область чередующихся светлых и темных полос в виде окружностей, ограниченную полосами 18 и 19. Светлая полоса с большим диаметром 18 является результатом интерференции
лучей света прошедших через опорное плечо интерферометра и лучей света, прошедших
через предметное плечо интерферометра и отраженных от переднего края объекта 9.
Светлая интерференционная полоса 19 с меньшим диаметром соответствует лучам света,
отраженным от другого (заднего) края объекта. Таким образом, каждой точке цилиндрической поверхности объекта можно сопоставить соответствующую точку на интерференционной картине. Осевое перемещение вдоль объекта измерения соответствует радиальному перемещению на интерференционной картине. При этом перемещение в радиальном
направлении в интерференционной картине на одну полосу соответствует осевому смещению вдоль объекта
λ
∆z =
,
(5)
2 sin (α + θ)
где λ - длина волны источника света 1. Как видно из (5), разрешающая способность устройства определяется не только длиной волны источника излучения, но и углами конусности двух световых пучков.
В выражении (5) для разрешающей способности ∆z устройства присутствует зависимость от угла конусности θ предметного пучка, величина которого зависит от расстояния
L. Таким образом, с помощью перемещения конической линзы 10 внутри телескопической
системы можно регулировать разрешающую способность устройства.
Наряду с этим, при изменении угла падения светового пучка на объект изменяется такая характеристика устройства, как чувствительность. Отклонения точек цилиндрической
поверхности по высоте от идеальной поверхности приводит к возникновению разности
фаз лучей при отражении в соответствующих точках на интерференционной картине. Величина неоднородностей ∆h, которая смещает интерференционную картину на одну полосу, равна
(6)
∆h = λ/2 sinθ.
Таким образом, при регулировке разрешающей способности заявляемого устройства
изменяется его чувствительность.
Расчеты показывают, что при использовании в оптической схеме предлагаемого устройства двух конических линз с одинаковым углом преломления δ и показателем прелом-
5
BY 9654 C1 2007.08.30
ления n = 1,5 в параксиальном приближении ∆z = λ/δ(1-L/f2). При δ = 2° и отношении
f1/f2 = 4 минимальное и максимальное разрешение устройства равно ∆zmin = 6 мкм и
∆zmax = ∞ соответственно.
Работоспособность заявляемого устройства подтверждает одна из интерференционных картин (фиг. 5), полученных по предлагаемой методике для реального цилиндрического объекта.
Источники информации:
1. Духопел И.И., Константиновская Н.В., Федина Л.Г. Методы контроля асферических
поверхностей вращения. - 1975. - № 7. - С. 64-74.
2. Asungi A. Novel Optical Sensors for Testing and Measurement NDT. - 2003.-Vol. 9. No 09.
3. Патент США 5.654.798, МПК G 01B 9/02, 1997.
4. Herman R.M., Wiggins T.A. Production and user of diffractionless beams. J. Opt. Soc.
Am. A/Vol. 8. - No. 6. - June 1991. - P. 932-942.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
767 Кб
Теги
патент, by9654
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа