close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10548

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.04.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01B 9/021
G 01B 11/14
G 01B 11/24
G 01B 11/26
G 01B 11/30
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА И/ИЛИ ПРОФИЛЯ
ЕГО ПОВЕРХНОСТИ
(21) Номер заявки: a 20060769
(22) 2006.07.24
(43) 2008.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Ильин Виктор Николаевич;
Дубешко Александр Викторович;
Михаевич Денис Александрович (BY)
BY 10548 C1 2008.04.30
BY (11) 10548
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) US 4708483, 1987.
BY 3616 C1, 2000.
RU 2223462 C2, 2004.
SU 1569529 A1, 1990.
US 4937445, 1990.
(57)
Устройство для измерения перемещения исследуемого объекта и/или профиля его поверхности, содержащее оптически связанные лазерный источник коллимированного пучка
света, оптическое устройство разделения пучка света, оптически связываемое через поверхность исследуемого объекта с воспроизводящей линзой, устройство обнаружения,
выполненное в виде фотодиодной матрицы, электрически связанное с устройством вычисления центра видеоимпульса, выход которого соединен с устройством индикации, отличающееся тем, что оптическое устройство разделения пучка света выполнено из оптически связанных синусоидальной дифракционной решетки и преломляющей призмы,
установленной за синусоидальной дифракционной решеткой на расстоянии:
g = d л tg arcsin (λ ω) ,
Фиг. 1
BY 10548 C1 2008.04.30
где dл - диаметр пучка света,
λ - длина волны света,
ω - период синусоидальной дифракционной решетки;
при этом преломляющая призма выполнена в виде склейки четырех прямоугольных
призм, первая и третья из которых обеспечивают направление одноименных пучков света
перпендикулярно поверхности измеряемого объекта, а четвертая и вторая - под углами
интерференции соответственно к первому и третьему пучкам света, высота каждой призмы равна половине диаметра пучка света, причем угол между плоскостью триангуляции, в
которой лежит оптическая ось воспроизводящей линзы, и плоскостью, в которой лежат
освещающие поверхность исследуемого объекта пучки света, равен 45˚.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения величины перемещения технических объектов, имеющих, в частности, поверхности со сложным профилем.
Известно устройство измерения перемещений объектов [1], включающее источник
света, оптическое устройство разделения пучка, измеряемый объект, воспроизводящую
линзу, устройство обнаружения в виде фотодиодной матрицы, устройство вычисления
центра видеоимпульса, включающее регистр сдвига, схему выборки-хранения, схему синхронизации, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, устройство индикации.
Данное устройство не обеспечивает требуемой точности измерений из-за невозможности получения равных по амплитуде освещающих пучков, особенно в трехпучковой схеме
освещения поверхности. Разные амплитуды импульсов при одинаковом уровне их дискриминации приведут к неравенству их длительностей и, следовательно, к дополнительным ошибкам измерения. К ошибкам приводит уширение пятна света на поверхности
объекта при его наклоне, так как импульс теряет свою симметричность и его действительный центр смещается относительно вычисляемого.
Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение, - повышение точности измерения величины перемещения объекта с одновременным расширением
функциональных возможностей.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве измерения перемещения исследуемого объекта и/или профиля его поверхности, содержащем оптически
связанные лазерный источник коллимированного пучка света, оптическое устройство разделения пучка света, оптически связываемое через поверхность исследуемого объекта с
воспроизводящей линзой, устройство обнаружения, выполненное в виде фотодиодной
матрицы, электрически связанное с устройством вычисления центра видеоимпульса, выход которого соединен с устройством индикации, оптическое устройство разделения пучка света выполнено из оптически связанных синусоидальной дифракционной решетки и
преломляющей призмы, установленной за синусоидальной дифракционной решеткой на
расстоянии:
g = d л / tg arcsin(λ / ω),
где d л - диаметр пучка света,
λ - длина волны света,
ω - период синусоидальной дифракционной решетки;
при этом преломляющая призма выполнена в виде склейки четырех прямоугольных
призм, первая и третья из которых обеспечивают направление одноименных пучков света
перпендикулярно поверхности измеряемого объекта, а четвертая и вторая - под углами
интерференции соответственно к первому и третьему пучкам света, высота каждой призмы равна половине диаметра пучка света, причем угол между плоскостью триангуляции, в
которой лежит оптическая ось воспроизводящей линзы, и плоскостью, в которой лежат
освещающие поверхность исследуемого объекта пучки света, равен 45°.
2
BY 10548 C1 2008.04.30
Совокупность указанных признаков обеспечивает возможность измерения линейных
перемещений объектов и/или профиля его поверхности при существенно более высокой
точности за счет формирования равных амплитуд освещающих пучков света и исключения уширения пучка при наклонах поверхности измеряемого объекта, а также обеспечения измерения наклонов поверхности измеряемого объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью только двух освещающих пучков света.
На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства для измерения перемещения объекта и/или профиля его поверхности, где: 1 - лазерный источник коллимированного пучка
света; 2 - оптическое устройство разделения пучка света, 3 - синусоидальная дифракционная решетка; 4 - преломляющая призма; 5 - измеряемый объект, 6 - воспроизводящая
линза; 7 - устройство обнаружения; 8 - устройство вычисления; 9 - устройство индикации;
"А" - первый дифракционный порядок; "В" - второй дифракционный порядок; "А'" и "А''" фронтальные половинки первого дифракционного порядка; "В'" и "В''" - фронтальные половинки второго дифракционного порядка; "А''В'" и "А'В''" - световые пятна на поверхности объекта; С - линия, на которой лежат световые пятна; D - оптическая ось воспроизводящей линзы.
На фиг. 2 представлена преломляющая призма, состоящая из склейки прямоугольных
призм 41, 42, 43 и 44 с преломляющими углами θ1, θ2, θ3 и θ4 соответственно.
Устройство содержит оптически связанные лазерный источник коллимированного
пучка света 1, оптическое устройство разделения пучка света 2, включающее синусоидальную дифракционную решетку 3 и преломляющую призму 4, установленную за синусоидальной дифракционной решеткой на расстоянии:
g = d л / tg arcsin(λ / ω),
где dл - диаметр пучка света, λ - длина волны света, ω - период синусоидальной дифракционной решетки.
Преломляющая призма 4 выполнена в виде склейки четырех прямоугольных призм 41,
2
4 , 43 и 44. Первая 41 и третья 43 прямоугольные призмы обеспечивают направление проходящим пучкам света, перпендикулярное поверхности измеряемого объекта 5. Четвертая
44 и вторая 42 прямоугольные призмы обеспечивают направление проходящим пучкам
света под углами интерференции соответственно к первому и третьему пучкам света. Высота каждой прямоугольной призмы равна половине диаметра пучка света.
Преломляющая призма 4 оптически связана с измеряемым объектом 5, воспроизводящей линзой 6 и устройством обнаружения 7, выполненного в виде фотодиодной матрицы.
Устройство обнаружения 7 электрически связано с устройством вычисления центра видеоимпульса 8, выход которого соединен с устройством индикации 9. Плоскость триангуляции, в которой лежит оптическая ось воспроизводящей линзы, расположена под углом
45° к плоскости, в которой лежат освещающие измеряемый объект пучки света.
Устройство работает следующим образом.
Параллельный монохроматический пучок от лазерного источника коллимированного
пучка света 1 падает на синусоидальную дифракционную решетку 3, которая расщепляет
его на два равных по амплитуде дифракционных порядка "А" и "В". Угол дифракции определяется из формулы:
ϕ = arcsin(mλ / ω),
где ω - период синусоидальной дифракционной решетки, ϕ - угол дифракции, m = 0, ±1,
±2,… - порядок дифракции, λ - длина волны света.
Основное свойство синусоидальной дифракционной решетки заключается в том, что
она расщепляет падающий пучок света только на два первых порядка равной амплитуды,
т.е. m = ±1, поэтому формула для вычисления номинального периода синусоидальной дифракционной решетки запишется следующим образом:
ω = λ/sin ϕ.
3
BY 10548 C1 2008.04.30
Дифракционные порядки далее падают на преломляющую призму 4, которая установлена на расстоянии g от синусоидальной дифракционной решетки 3 в месте, где порядки
полностью расходятся и не накладываются друг на друга, т.е.:
g = d л / tg arcsin(λ / ω),
где dл - диаметр пучка света.
Преломляющая призма 4 (фиг. 1 и фиг. 2) представляет собой склейку из четырех прямоугольных призм 41 ,42 ,43 и 44, имеющих преломляющие углы θ1-4.
Прямоугольные призмы установлены так, что их вершины с преломляющими углами
θ1 и θ2, θ3 и θ4 направлены относительно центральной оптической оси к соответствующим
краям синусоидальной дифракционной решетки 3. При этом прошедший через каждую
призму пучок света будет отклоняться на угол:
Ω = (n-1)θ,
где n - показатель преломления стекла,
к центру синусоидальной дифракционной решетки 3, т.е. в сторону уменьшения угла дифракции ϕ.
Высота каждой прямоугольной призмы равна половине диаметра пучка света дифракционного порядка "А" или "В", поэтому после преломляющей призмы 4 дифракционные
порядки разделяются на четыре самостоятельных половинных пучка света, идущих под
разными углами к центральной оптической оси.
Преломляющие углы θ1 и θ3 рассчитывают так, что половинки пучков света А'' и В''
идут параллельно центральной оптической оси и падают на поверхность измеряемого
объекта 5, образуя на ней два пятна света. Преломляющие углы θ2 и θ4 рассчитывают так,
что половинки пучков света А' и В' распространяются под углом интерференции соответственно к половинкам пучков света В'' и А'', образуя интерферирующие пары А''В' и А'В''
на поверхности измеряемого объекта 5, т.е. пятна света структурированы интерференционными полосами.
Интерференционные полосы в пятнах света располагаются параллельно штрихам
синусоидальной дифракционной решетки 3 или, что то же, перпендикулярно оси "X"
(фиг. 1). Оба световых пятна А''В' и А'В'' лежат на линии "С" (фиг. 1) и передаются воспроизводящей линзой 6 в плоскость устройства обнаружения 7. Оптическая ось "D" воспроизводящей линзы 6 лежит в плоскости триангуляции, которая расположена под углом
45° к плоскости, в которой лежат на линии "С" освещающие объект пучки света.
Структурирование пятен света по оси Y осуществляется программным путем, исходя
из количества интерференционных полос в пятне и величины их периода по оси X, т.е.
вид структуры по оси X адекватно переносится на ось Y.
Оба световых пятна А''В' и А'В'' отображаются на катодах устройства обнаружения 7 в
виде соответствующих изображений. Распределение амплитуды света в изображениях, в
виду наличия интерференции, имеет периодический характер, при этом период интерференционных полос определяется из выражения:
λ
T=
,
2 sin(α / 2)
где α - угол интерференции.
С устройства обнаружения 7 снимается структурированный в направлении оси "Х"
видеоимпульс. В интерференционной картине информативным является только размер
светлых полос. Чем меньше ширина изображения пятна, тем точнее определяется центр
видеоимпульса и, следовательно, более точно находится его центр массы и положение на
фотокатоде устройства обнаружения 7.
По оси "Y" структурирование пучка осуществляется электронным способом, адекватно структуре пятна по оси "Х". Т.е., если в пятне пять полос, то и по оси "Y" пятно будет
разбито на 5 частей.
4
BY 10548 C1 2008.04.30
При наличии рельефа на поверхности измеряемого объекта 5 в процессе его движения
в направлении оси "X" и согласно принципу оптической триангуляции произойдет смещение изображения в новое положение, по величине которого в устройстве вычисления
центра видеоимпульса 8, связанного с выходом устройства обнаружения 7, вычисляется
профиль поверхности объекта или его линейное смещение вдоль зондирующих пучков.
Результат вычисления отображается устройством индикации 9.
В случае наклона поверхности измеряемого объекта 5 по линии "С", кроме смещения
изображения в новое положение, происходит сужение пятна света на поверхности объекта
в силу того, что пучки расходятся, и область интерференции становится меньше. При этом
уменьшается число регистрируемых полос, что только способствует более точному определению центра видеоимпульса.
При наклоне поверхности измеряемого объекта 5 по оси Y изображение пятна света
расширяется в направлении этой оси или, что то же, вдоль интерференционных полос, но
так как пятно света структурировано в том же соотношении, что и по оси "X", то обрабатываться оно будет не по всей ширине, а только по ширине, равной периоду интерференционной полосы.
Реализация устройства осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1.
Источник излучения 1 представляет собой полупроводниковый лазер МЛН-3, мощностью
5 млВт, с длиной волны излучения 670 нм. Синусоидальная дифракционная решетка 3
имеет шаг 5 мкм. Преломляющая призма 4 представляет собой склейку из четырех прямоугольных призм, имеющих преломляющие углы θ1 = θ3 = 15°, θ2 = 17,5° и θ4 = 22°. Воспроизводящая линза 6 выполнена в виде склейки с фокусным расстоянием 22 мм. Устройство обнаружения 7 включает фотодиодную матрицу - CMOS-матрицу IBISS-1300 с
разрешением 1280×1024, позволяющую без дополнительных алгоритмов обработки получать погрешность измерения 0,5 % от измерительного диапазона. Основным элементом
устройства вычисления 8, осуществляющего управление и обработку видеопотока с устройства обнаружения 7 (CMOS-матрицы), является двуядерный процессор ADSP-BF561.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает измерение величины перемещения объекта, его профиля поверхности и наклонов по двум ортогональным направлениям с помощью только двух зондирующих пучков, структурированных интерференционной полосой, при существенно более высокой точности измерения.
Источники информации:
1. Патент США 4708483, МПК G 01B 11/14, НКИ 356/376; 356/1; 356/375, 1987 (прототип).
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
102 Кб
Теги
by10548, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа