close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 9881

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9881
(13) C1
(19)
G 01B 9/02
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
(21) Номер заявки: a 20050761
(22) 2005.07.25
(43) 2007.04.30
(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);
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.
RU 2158414 C1, 2000.
RU 2186336 C1, 2002.
RU 2006792 C1, 1994.
SU 1421990 A1, 1988.
BY 9881 C1 2007.10.30
(57)
Устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей, содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси источник лазерного излучения, телескоп,
Фиг. 1
BY 9881 C1 2007.10.30
систему формирования опорного и предметного световых пучков, систему регистрации
интерференционной картины, отличающееся тем, что содержит сферическую линзу, установленную таким образом, что в ее передней фокальной плоскости расположена система формирования опорного и предметного световых пучков, выполненная в виде
двухкольцевой диафрагмы, причем размер колец диафрагмы, фокусное расстояние F линзы и радиус R исследуемого объекта, располагаемого между линзой и системой регистрации интерференционной картины вдоль оси устройства, связаны соотношением:
r0( 2) − r0(1) ≥
r (1) 
λF  r0( 2 )

+ 0 ,
2R  ∆r (1) ∆r ( 2 ) 
где r0(1) и r0( 2) - средние радиусы первого и второго колец диафрагмы соответственно,
λ - длина световой волны,
∆r (1) и ∆r ( 2 ) - ширина первого и второго колец диафрагмы соответственно.
Устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей относится к области оптической метрологии и диагностики, и может быть использовано для качественного
и количественного контроля отклонений от формы цилиндрических объектов.
Известно, что для измерения профилей поверхностей наибольшее предпочтение отдается устройствам на основе интерферометров, так как они позволяют осуществлять количественную проверку качества всей поверхности за один прием. Однако устройства такого
типа, как правило, чувствительны к вибрациям, что сужает область применения и уменьшает разрешающую способность.
Например, известно устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей, включающее источник излучения, систему формирования пучка заданных геометрических размеров и систему регистрации света (A. Asungi. Novel Optical Sensors for Testing
and Measurement NDT. 2003, Vol. 9, No 09). В данном устройстве осуществляется пошаговое измерение отклонения образующей цилиндрической поверхности от геометрического
положения, а полный 360-градусный контроль занимает продолжительный период, что
ограничивает применение устройства в автоматизированных процессах. Кроме того, необходимость последовательного позиционирования при повороте объекта приводит к
уменьшению точности проводимых измерений.
Наиболее близким к предлагаемому является 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 (патент США № 5654798,
МПК G 01B 9/02, опубл.5 августа 1997 г., прототип). Наличие двух пространственно разделенных плеч с отдельными оптическими элементами в каждом снижает устойчивость
интерференционной картины, а разрешающая способность данного устройства является
постоянной величиной и определяется используемыми оптическими элементами.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для измерения профиля цилиндрической поверхности с устойчивой к вибрациям интерференционной картиной поверхности исследуемого объекта.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей, содержащее расположенные последовательно вдоль
оптической оси источник лазерного излучения, телескоп, систему формирования опорного
и предметного световых пучков, систему регистрации интерференционной картины,
2
BY 9881 C1 2007.10.30
включена сферическая линза, установленная таким образом, что в ее передней фокальной
плоскости расположена система формирования опорного и предметного световых пучков,
выполненная в виде двухкольцевой диафрагмы, причем размер колец диафрагмы, фокусное расстояние линзы и радиус исследуемого объекта, располагаемого между линзой и
системой регистрации интерференционной картины вдоль оси устройства, связаны
λF  r0( 2 )
r (1) 

+ 0  , где r0(1) и r0(2) - средние радиусы первого и второго колец
r0( 2) − r0(1) ≥
2R  ∆r (1) ∆r ( 2) 
диафрагмы, ∆r(1) и ∆r{2) - ширина первого и второго колец диафрагмы соответственно, F фокусное расстояние линзы, λ - длина световой волны, R - радиус исследуемого объекта.
Схема заявляемого устройства для измерения профиля цилиндрических поверхностей
представлена на фиг. 1. Здесь также указан ход лучей, поясняющих принцип действия
устройства. Работа устройства возможна в недифференциальном и дифференциальном
режимах. Недифференциальный режим реализуется когда опорный световой пучок не попадает на поверхность исследуемого объекта, дифференциальный - когда "опорный" световой пучок падает на объект.
На фиг. 2 представлена часть оптической схемы, обеспечивающая реализацию недифференциального оптического устройства.
На фиг. 3 представлена часть оптической схемы, обеспечивающая реализацию дифференциального оптического устройства.
На фиг. 4 показана интерференционная картина цилиндрической поверхности исследуемого объекта, реализованная предлагаемой схемой в варианте недифференциального
оптического устройства.
Фиг. 5 поясняет расчет длины засветки исследуемого цилиндрического объекта радиусом R, а фиг. 6 иллюстрирует продольное распределение интенсивности от двухкольцевой диафрагмы.
Предлагаемое устройство для измерения профиля цилиндрических поверхностей
(фиг. 1) содержит источник света 1, расширитель пучка (телескоп) 2, двухкольцевую диафрагму 3, сферическую линзу 4, которые формируют опорный и предметный световые
конические пучки, систему регистрации 5. Двухкольцевая диафрагма 3 со средним диаметром D1 малого кольца и сферической линзой 4 формирует предметный пучок. Диафрагма со средним диаметром D2 большого кольца и той же линзой 4 образует опорный
пучок. Исследуемый цилиндрический объект 6 помещается вдоль оси устройства за сферической линзой. В зависимости от соотношения геометрических параметров оптической
схемы и исследуемого объекта реализуются недифференциальный (фиг. 2) или дифференциальный (фиг. 3) режим работы предлагаемого устройства.
Второй режим работы устройства реализуется когда два конических пучка отражаются объектом. Так как данные пучки в общем случае продольно смещены и имеют различные углы падения, то их интерференция в отраженном свете несет информацию о
различии формы поверхности в продольно смещенных сечениях. Следовательно, такое
устройство является дифференциальным. Если же конические пучки пространственно
разделяются в области объекта, то реализуется схема недифференциального устройства.
Условие реализации данной схемы можно записать в виде z1( 2) ≥ z (21) (фиг. 5), где верхний
индекс нумерует диафрагмы.
Фиг. 2 иллюстрирует реализацию режима работы недифференциального устройства,
когда проводится измерение абсолютного отклонения от формы цилиндрической поверхности. Для наглядности, предметный световой пучок до объекта отображен лучами 7-8 и
7"-8" - после объекта. Опорный пучок 9-10 проходит схему, не задевая исследуемый объект.
В области наложения пучков формируется интерференционная картина "поверхности"
объекта. Когда опорный пучок 9-10, также как и предметный, попадает на исследуемую
поверхность, то отраженные опорный 9"-10" и предметный 7"-8" пучки (фиг. 3) формиру3
BY 9881 C1 2007.10.30
ют интерференционную картину от двух соседних областей поверхности исследуемого
объекта, реализуя режим работы дифференциального устройства, т.е. производится сравнение отклонений между двумя точками исследуемой поверхности, смещенными вдоль
оси цилиндра.
Регистрация интерференционной картины в схеме проводится фотодетектором 5 на
основе ПЗС-матрицы с высокой разрешающей способностью и низкими собственными
шумами. Используется автоматизированный контроль и обработка получаемой информации с помощью компьютера.
Устройство для измерения цилиндрических поверхностей работает следующим образом. Пучок монохроматического света от источника 1 (например He-Ne лазер) после предварительного расширения телескопом 2, направляется на двухкольцевую диафрагму 3, где
разделяется на две части: предметную 7-8, которая формируется малым кольцом; и опорную 9-10, формируемую большим кольцом. Для эффективного использования светового
потока рекомендуется использовать лазер с кольцевой модой TEM01*, так чтобы до 80 %
излучения проходило через малое кольцо диафрагмы.
Численный расчет интенсивности поля за линзой (фиг. 1) в параболическом приближении показал, что в окрестности фокальной плоскости оно достаточно хорошо описывается Бессель-гауссовым (БГ) приближением вида:
2
 2ρ2 
 µr k ρ 
I(ρ, z) = I0 (z)J 0  0 0  exp  − 2 ,
 F 
 ρ0 
(1)
где ρ0 ≈ 0,37Fλ/∆r, r0 = (r1, + r2)/2 и ∆r = (r2-r1)/2 - средний радиус и ширина кольца диафрагмы соответственно, r1 и r2 - радиусы, ограничивающие ширину кольца. Параметр
µ ≈ 1 при условии ∆r << r0 и уменьшается при возрастании отношения ∆r/r0. Функция I0(z)
описывает продольное распределение интенсивности на оси пучка. Данное распределение
содержит основной максимум и несколько вторичных. Максимальная относительная величина второго максимума равна приблизительно 5 %. Нули основного максимум продольного
распределения интенсивности располагается в области z1 < z < z2, где координаты z1 и z2
определяются соотношениями:


∆γ1F 
∆γ 2 F 
 , z 2 = F1 +
 ,
z1 ≈ F1 −
 µr0 − ∆r 
 µr0 + ∆r 
(2)
где F - фокусное расстояние линзы, ∆γ1,2 = ρ1,2λ/2∆r - углы дифракции (фиг. 2). Параметры
ρ1,2 ≈ 1 для узких колец, когда ∆r << r0, а в общем случае удовлетворяют приближенному
соотношению р1 + р2 ≈ 2. Неравенство углов ∆γ1 и ∆γ2 указывает на асимметрию дифракции на кольцевой диафрагме. Как следует из (1), эффективный угол конуса БГ пучка определяется выражением γbg = µr0/F и меньше геометрически среднего угла γ0 = r0/F, когда
параметр µ < 1. Отметим, что в параболическом приближении углы дифракции считаются
малыми и тогда sin(γ) ≈ γ.
Из (2) находим продольный размер засветки на оси пучка (фиг. 2)
 ∆γ1
∆γ 2 
L = z 2 − z1 ≈ F
,
+
 γ − ∆γ γ + ∆γ 
bg
bg


где ∆γ = ∆r/F.
При условии ∆r << r0 имеем ∆γ1,2 ≈ λ/2∆r, µ ≈ 1. Тогда
λ
L≈
.
γ 0 ∆γ
(3)
(4)
Для расчета освещения коническим пучком цилиндрического объекта фиг. 1 формулы
(3) и (4) должны быть несколько скорректированы, а именно учтена зависимость области
4
BY 9881 C1 2007.10.30
засветки от радиуса цилиндра. Данную зависимость определим методом геометрической
оптики, используя полученные выше формулы.
Из фиг. 5 следует соотношение (r4-R)/z2R = r2/F. Откуда z2R = F(r2 + ∆γ2F-R)/r2. Сравнивая с (2), получим z2R = z2-FR/(µr0 + ∆r).
Аналогично z1R = z1-FR/(µr0-∆r). Тогда
2R∆γ
.
LR = L −
(5)
γ eff
Как следует из формулы (5), увеличение радиуса цилиндра приводит к уменьшению
длины засветки. Это связано с фокусирующим действием линзы. В случае, когда ширина
кольца уменьшается, угол ∆γ стремится к нулю и LR → L, т.е. за линзой формируется коллимированный конический пучок. Предел его коллимации накладывается дифракцией на
апертуре линзы, вследствие возрастания углов дифракции ∆γ1,2 при уменьшении ширины
кольца.
Рассмотрим простейший случай узких диафрагм, для которых когда ∆r << r0. Тогда
используя (2), получим неравенство:
r02 − r0(1) ≥
λF  r0( 2)
r (1) 

+ 0 
2R  ∆r (1) ∆r ( 2) 
(6)
Пример продольного распределения интенсивности поля, создаваемого двумя кольцевыми диафрагмами, показан на фиг. 6. Для набора параметров, соответствующих этому
рисунку, левая часть неравенства (6) равна 2 мм, а правая равна 2,1 мм, т.е. практически
имеет место равенство. Как видно из фиг. 6, перекрытие областей засветки минимальное.
Цилиндрический объект здесь может занимать область ∆z ≈ (0 ÷ F/2), т.е. иметь длину, не
превышающую 20 см.
При параметрах, соответствующих эксперименту: r0(1) = 4,75 мм; r0(2) = 7,75 мм; ∆r(1) = 1 мм;
(2)
∆r = 1 мм; R = 2,5 мм; λ = 0,63 мкм; F = 0,3 м левая часть неравенства (6) равна 3 мм, а
правая - 0,47 мм, т.е. условие реализации режима работы дифференциального устройства
выполнено. При указанных параметрах экспериментально получена интерференционная
картина от исследуемой цилиндрической поверхности объекта, возникающая в плоскости
регистрации предлагаемого устройства. Так как уменьшение площади фигуры приводит к
снижению контраста и разрешения (отдельные интерференционные полосы сливаются в
одну широкую), то на фиг. 4 приводится только фрагмент этой картины. Полная картина
представляет собой область чередующихся светлых и темных полос в виде колец, степень
отклонения которых от идеальной окружности характеризует качество цилиндрической
поверхности. Светлая полоса с большим диаметром 11 является результатом интерференции лучей опорного пучка и лучей предметного пучка, отраженных от передней части
объекта 6. Светлая интерференционная полоса 12 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:
(7)
∆z = λ/2sinα,
где α - угол схождения предметного и опорного пучков. Как видно из (7), разрешающая
способность устройства определяется не только длиной волны источника излучения, но и
углом схождения двух световых пучков, который в свою очередь определяется параметрами двухкольцевой диафрагмы.
5
BY 9881 C1 2007.10.30
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:
(8)
∆h = λ/2sinϑ,
где ϑ - угол падения предметного пучка на объект.
Предлагаемое устройство имеет следующие достоинства:
минимальное количество оптических элементов;
высокую устойчивость к вибрациям;
линейность и малые размеры оптической схемы.
Высокая устойчивость интерференционной картины при диагностировании объекта,
достигнутая нами благодаря схемотехническому решению, может расширить область
применения предлагаемого устройства в условиях производства.
Источники информации:
1. Asungi A. Novel Optical Sensors for Testing and Measurement NDT. 2003. - Vol. 9. - No 09.
2. Патент США № 5654798, МПК G 01B 9/02, опубл. 5 августа 1997 г.
Фиг. 2
Фиг. 3
6
BY 9881 C1 2007.10.30
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 115 Кб
Теги
9881, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа