Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности

Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений поверхности . Цель изобретения - повышение точности измерений путем анализа спекла, отраженного от диффузной поверхности лазерного излучения. Измеритель содержит лазер 1 и коллиматор 2, расположенные на платформе 9. Пройдя диафрагму 3, излучение разветвляется полупрозрачной пластиной 1 1 на две части. Одна часть, прошедшая пластину 4, формирует опорное направление 21, неизменность ко .торого поддерживает блок 5 стабилизации . Другая часть излучения направляется в сторону контролируемой поверхности 20 и фокусируется на ней в виде пятна, имеющего гранулярную структуру и называемого спеклом. Наибольших размеров элементы спекла достигают , если поверхность 20 расположена в фокусе оптической системы 12. С ростом диаметра пятна, т.е. при расфокусировкеj размер элементов спекла уменьшается и увеличивается количество элементов на микрообъектив 14, с помсщью куб-призмы 13 направляется два потока излучения: один - от поверхности 20, другой, опорный - от одной из боковых граней куб-призмы 13. За пространственным фильтром 15 на фотодиодной матрице 16 формируется интереференционная картина в виде концентрических колец. Блок 17 управления ведет поэлементный опрос матрицы, вычислительное устрой- . ство 18 определяет величину и направление смещения поверхности и вьщает сигнал на самописец 19. 1 ил. i (Л tvD 4;

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ;

РЕСПУБЛИН. (59 4 G 01 В 11 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3757073/24-28 (22) 21.06.84 (46) 30.06.86. Бюл. И- 24 (71) Всесоюзный заочный машиностроительный институт (72) 0;А.Мамонтов (53) 531.717.2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 641274, . кл. С 01 В 11/70, 1973. (54) ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ (57) Изобретение. относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений поверхности. Цель изобретения — повышение точности измерений путем анализа спекла, отраженного от диффузной поверхности лазерного излучения.

Измеритель содержит лазер 1 и коллиматор 2, расположенные на платформе 9. Пройдя диафрагму 3, излучение разветвляется полупрозрачной пластиной 11 на две части. Одна часть, прошедшая пластину 4, формирует опорное направление 21, неизменность ко„SU„„1241062 . А 1.торого поддерживает блок 5 стабилизации. Другая часть излучения направляется в сторону контролируемой поверхности 20 и фокусируется на ней в виде пятна, имеющего гранулярную структуру и называемого спеклом. Наибольших размеров элементы спекла до. стигают, если поверхность 20 расположена в фокусе оптической системы 12;

С ростом диаметра пятна, т.е. при расфокусировке, размер элементов спекла уменьшается и увеличивается количество элементов на микрообъектив 14, с помощью куб-призмы 13 направляется два потока излучения: один — ат поверхности 20, другой, опорный — от одной из боковых граней куб-призмы 13. За пространственным фильтром 15 на фотодиодной матрице 16 формируется интереференционная картина в виде концентрических колец.

Блок 17 управления ведет поэлементный опрос матрицы, вычислительное устрой- . ство 18 определяет величину и направление смещения поверхности и выдает сигнал на самописец 19. 1 ил.

1 12

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля профиля поверхности.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем обработки спек ла сигналов лазерного излучения, отраженного от.поверхности.

На чертеже показана.функциональная схема лазерного измерителя смещений поверхности.

Устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, диафрагму 3, измерительный блок 4, блок 5. стабилизации, позизионно-чувствительный фотодетектор 6, блок 7 формирования управляющих сигналов,,-блок 8 электромеханических регулировок, платформу 9, неподвижное основание 10, полупрозрачную пластину 11, оптическую формирующую систему 12, куб-призму 13, микрообъектив 14, пространственный фильтр 15, фотоприемную матрицу 16, блок 17 управления, вычислительное устройство 18, самописец 19. Позици- ей 20 обозначена измеряемая поверхность.

Лазер 1 и коллиматор 2„ установленные на платформе 9, а также диафрагма 3., измерительный блок 4 и блок 5 стабилизации установлены последовательно по ходу излучения лазера 1. Измерительный блок 4 содержит полупрозрачную пластину 11, ориентированную наклонно относительно оси излучения лазера 1, установленные в ходе излучения, отраженного от пластины 11, формирующую оптическую систему 12 и куб-призму 13 с двумя оптическими выходами, а также последовательно установленные напротив одного из выходов микрообъектив 14, пространственный фильтр 15 и позиционно-чувствительный фотодетектор, выполненный в виде фотоприемной матрицы 16, подключенной к блоку 17 управления с синхронизирующнм выходом.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 формируется коллиматором 2 и, проходя диафрагму 3 направляется в измерительный блок 4.

В измерительном блоке 4 излучение по лупрозрачной пластиной 11 разделяется на два световых потока. Один поток используется для облучения контролируемой поверхности, а второй — для. создания опорного направления 21.

41062 2

В результате воздействия окружающей среды на излучение лазера 1 ано отклоняется от опорного направления 21, осуществляя медленные флуктуации.

Для стабилизации опорного направле- .ния 21 в измеритель введен блок 5 ста билизации, который состоит из позиционно-чувствительного квадрантного фотодетектора б и блока 7 формирования управляющих сигналов.

При смещении луча лазера 1 с оптической оси фотодетектора 6 на выходах блока 7 формирования управляющих сигналов вырабатываются напряжения, пропорциональные угловому рассогласованию. Эти напряжения поступают на блок 8 электромеханических регулировок, который механически связан с платфорной 9, на которой установлены ла- . зер 1 с коллиматором 2, и осуществляет перемещение оптической оси лазера 1 по углу места и азимуту до компенсации рассогласования. Позиционно-чувствительный фотодетектор 6 расположен на неподвижном относительно измеряемой поверхности 20 основа, !а.

Измерительный блок 4. предназначен для количественной оценки перемещений контролируемой поверхности 20 относительна опорного направления (линии) 21.

Полупрозрачная ппастина 11, распо. ложенная в потоке излучения под углом отражает часть излучения, которое с помощью фокусирующей оптической системы 12 формируется на измеряемой поверхности в виде пятна с размерами, зависящими от диаметра и фокусного расстояния оптической системы 12. При этом отраженное от поверхности излучение в плоскости, параллельной поверхности объекта, имеет гранулярную структуру, называемую спеклом. Параметры спекл-структуры зависят от диаметра пятна, сформированного на поверхности объекта, длины волны излучения, качества поверхности и ряда других факторов.

Наиболее существенное влияние на размеры элементов спекла оказывает диаметр пятна. С уменьшением диаметра пятна размер сечения элементов спекла увеличивается, и, наоборот, с ростом диаметра пятна размер эле55 ментов спекла уменьшается и увеличивается число элементов. Наибольших размеров элементы достигают, если поверхность расположена в фокусе оп1241062 рения.

3 тической системы. Поэтому смещение измеряемой поверхности из точки фокуса приводит к уменьшению размеров элементов спекла. В то же время в пределах элемента спекла излучение

5 сохраняет достаточную степень когерентности, чтобы осуществить гомодинное преобразование его с опорным пучком. Это преобразование возможно только при согласовании фронтов двух или более взаимодействующих сигналов.

Если один из сигналов принять за опорный, а параметры другого изме нять, то эти изменения преобразуются

:в изменения результирующего сиг- . нала в плоскости взаимодействую.щих фронтов. Для создания опорного сигнала и согласования его фронтои с отраженным от измеряемой поверхности сигналом в.сформированный поток излучения введена куб-призма 13. Она выполнена так, что ее диагональная грань является полупрозрачной. Это позволяет в качестве опорного сигна° ла -использовать излучение, отраженное одной из боковых граней куб-призмы в сторону микрообъектива 14, расположенного перпендикулярно оптической оси. Отраженное от объекта 20 излучение с помощью куб-призмы 13 также направляется в сторону микрообъектива 14. При этцм опорное излучение и излучение, отраженное от поверхности 20, пройдя пространственный фильтр 15, согласуются фронтами в фокальной плоскости микрообъектива 14, 35 а на поверхности фотодиодной матрицы 16, расположенной за пространственным фильтром 15, формируется интерференционная картина в виде концентрических колец с максимумом или минимумом излучения в центре. Размер центральной зоны зависит от положения поверхности относительно фокуса оптической системы 12, а изменение . интенсивности в сторону максимума или минимума — от направления ее смещения.

Поэлементный опрос фотодиодной матрицы осуществляется от блока 17 управления. Вычислительное устройство 18 на основе поступающей в него информации о размере центральной зоны интерференционной картины и расстояния между кольцами, а также интенсивности излучения в ее центре определяет величину и направление смещения поверхности и выдает соответствующий сигнал на самописец.

Применение в измерителе анализа зернистой структуры (спекла) отраженного от диффузионной поверхности сфокусированного лазерного излучения реализует высокие пространственные характеристики последнего и тем самым .позволяет повысить точность измеФормула изо бре1 ения

Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности, содержащий платформу, последовательно расположенные лазер -и коллиматор, установленные на платформе диафрагму, измерительный блок и блок стабилизации, измерительный блок выполнен в виде каретки, установленной с возможностью перемещения параллельно оси излучения лазера, и закрепленных на каретке полупрозрачной пластины, ориентированной наклонно относительно оси излучения, и позиционно-чувствительного фотодетектора, установленного в ходе излучения, отраженного от полупрозрачной пластины, блок стабилизации выполнен в виде последовательно под-. ключенных позиционно.-чувствительного фотодетектора, закрепленного на неподвижным основании, блока формирова" ния, управляющих сигналов и блока электромеханических регулировок, выход которого механически связан с платформой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен размещенными между полупрозрачной пластиной и позиционно-чувствительным фотодетектором измерительного блока и установленными на каретке измеритель. ного блока формирующей оптической системой, куб-призмой, выполненной с двумя оптическими выходами, один из которых предназначен для связи с контролируемой поверхностью, микрообъективом, расположенным напротив второго выхода куб-призмы, пространственным фильтром и вычислительным устройством, формирующая оптическая система устанавливается относительно контролируемой поверхнос л на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию, куб-призма ориентирована так, что ее диагональная грань расположена относительно оптических осей фокусирующей оптической системы и микрообъектива под углами, при которых световые потоки согласованы фронтами, позиционно-чув-.

1241062

Составитель C.Ãðà÷åâ

Редактор К.Волощук Техред Л.Олейник Корректор .ЛЛатай

Заказ 3478/35 Тираж 670 . Подписное .

ВНИИИИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Раушская наб. д. 4/5, Э Э Ф .Производственно-полиграфическое йредприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4 ствительный детектор измерительного блока выполнен в виде фотоматрицы и блока управления с синхронизирующнм выходом, входы управления фотоматрицы подключены к соответствующим выходам блока управления, а выходы подключены к первому входу вычислительного устройства, вторым входом подключенного к синхронизирующему выходу блока управления.