Устройство для измерения геометрических параметров поверхности

Устройство для измерения геометрических параметров поверхности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к йзмери- . тельной технике. Целью изобретения является повьппение точности измерений за счет исключения влияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений. Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, который с первым фотоприемником 10 и схемой обработки образует управляющий канал регистрации сигнала в интерферометре белого света-. Канал регистрации сигнала в интерферйметре белого света замкнут в цепь автоподстройки так, что в каждом периоде модуляции модулятора 7 с помощью арифметико-логического блока 19 измеряется положение ахроматической полосы и формирователем 20 формируется сигнал расстройки, пропорциональный отклонению положения центра ахроматической пблосы от положения, принятого за начальное, и опорное зеркало 6 подстраивается до тех пор, пока положение центра ахроматической полосы с заданной точностью не совместится ,с начальным положением. Источник 3 монохроматиi (О со ел о 4 со 00 Фиг.}

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1350498 А 1 (5g 4 С 01 В 21/00

Х

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4083716/24 — 28 (22) 19.05.86 (46) 07.11.87. Бюл, N - 41 (71) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (72) В.П, Бабенко, В,А. Горбаренко, Н,Н. Евтихиев, Г.P. Левинсон н А.А. Кучин (53) 531 .7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 972210, кл, G 01 B 9/02, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ (57) Изобретение относится к измери- . тельной технике, Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений. Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, который с первым фотоприемником 10 и схемой обработки образует управляющий канал регистрации сигнала в интерферометре белого света. Канал регистрации сигнала в интерфербметре белого света замкнут в цепь автоподстройки так, что в каждом периоде модуляции модулятора

7 с помощью арифметико-логического блока 19 измеряется положение ахроматической полосы и формирователем

20 формируется сигнал расстройки, пропорциональный отклонению положения центра ахроматической пОлосы от положения, принятого за начальное, и опорное зеркало 6 подстраивается до тех пор, пока положение центра ахроматической полосы с заданной точностью не совместится с начальным положением. Источник 3 монохромати-!

1350498 ческого излучения, второй фотоприем- зания иэ канала регистрации лазерноник 11 и схема обработки образуют го интерферометра вводятся в ЭВМ 32 измерительный канал регистрации сиг- для накопления, усреднения и расчета нала в лазерном интерферометре, где лишь в моменты времени, когда достофиксируется перемещение опорного верно известно, что автоподстройка зеркала 6 в каждом такте модуляции. произошла с заданной точностью по

Интерференционное поле анализируется сигналу с формирователя 23 разрешаюв заданном числе сечений с помощью щих импульсов. Результаты вычислений формирователя 33 отклоняющего напря- выводятся на дисплей 34 и графопожения и отклоняющей системы 12. Пока- строитель 35. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества поверхности и измерения толщины. Цель изобретения †. повышение точ.ности измерений за счет исключения влияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, на фиг, 2 — временные диаграммы работы устройства; на фиг. 3 — временные диаграммы, иллюстрирующие организацию связи между двумя регистрирующими каналами.

Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, источник 3 монохроматического излучения, первый светоделитель 4, через который источник 2 белого света и источник 3 монохроматического излучения оптически связаны с интерферометром 1, второй светоделитель .5, опорное зеркало 6, модулятор 7, жестко связанный с опорным зеркалом 6, поляризатор 8, оптический фильтр 9, первый фотоприемник

10, оптически связанный через поляризатор 8 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, второй фотоприемник 11, оптически связанный через фильтр 9 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, отклоняющую систему 12, жестко связанную с первым фотоприемником 10, генератор 13 модулирующего напряжения, выход которого связан с входом модулятора 7, формирователь 14 опорных сигналов, вход которого связан с выходом генератора 13 модулирующего напряжения, компаратор 15 максимального уровня, компаратор 16 нулевого уровня, вход которого связан с входом компаратора 15 максимального уровня и выходом

6 первого фотоприемника 10, счетчик

17 импульсов, схему 18 совпадений, первый вход которой связан с входом счетчика 17 импульсов и выходом компаратора 15 максимального уровня, 1О арифметико-логический блок 19 (БАЛ), первый вход которого связан с выходом счетчика 17 импульсов, второй вход — с выходом схемы 18 совпадений, третий вхбд — с вторым входом схемы

18 совпадений и выходом компаратора 16 нулевого уровня, четвертый вход — с выходом формирователя 14 опорных сигналов, формирователь 20 импульсов расстройки, первый вход

20 которого связан с выходом БАЛ 19, форформирователь 21 стробирующих импульсов, формирователь 22 реперных импульсов, вход которого связан с выходом формирователя 14 опорных сигна2б лов, а выход †с вторым входом формирователя 20 импульсов расстройки и входом формирователя 21 стробирующих импульсов, формирователь 23 разрешающих импульсов, первый вход которого

30 связан с выходом формирователя 21 стробирующих импульсов, формирователь

24 компенсирующего напряжения, вход которого связан с выходом формирователя 20 импульсов расстройки и вто

З рым входом формирователя 23 разрешающих импульсов, а выход — с входом модулятора 7, генератор 25 счетных импульсов, формирователь 26 измеряемого временного интервала, формиро,10 ватель 27 масштаба, первый вход которого связан с первым входом формиро1350498 вателя 26 измеряемого временного интервала и выходом второго фотоприемника 11, второй вход — с вторым входом формирователя 26 измеряемого временного интервала и выходом формирователя 14 опорных сигналов, счетчик

28 импульсов дробной доли полосы, первый вход которого связан с выходом формирователя 26 измеряемого временного интервала, счетчик 29 импульсов масштаба, первый вход которого связан с выходом формирователя .27 масштаба, второй вход — с выходом генератора 25 счетных импульсов и вторым входом счетчика 28,импульсов дробной доли полосы, формирователь 30 импульсов целых полос, счетчик 31 импульсов целых полос, вход которого связан с выходом формирователя 30 импульсов целых полос, электронно-вычислительную машину 32 (ЭВМ), формирователь 33 отклоняющего напряжения, вход которого связан с первым выходом ЭВМ 32, а выход — с входом отклоняющей системы 12, дисплей 34, вход которого связан с вторым выходом ЭВМ 32, графопостроитель 35, вход которого связан с третьим выходом ЭВМ 32, периферийный адаптер 36, первый вход которого связан с выходом формирователя 23 разрешающих импульсов, второй вход — с выходом счетчика 28 импульсов дробной доли полосы и входОм формирова.теля 30 импульсов целых полос, третий вход — с выходом счетчика 31 импульсов целых полос, четвертый вход — с выходом счетчика 29 импульсов масштаба, а выход — с входом

ЭВМ 32.

Устройство работает следующим образом.

На входе интерферометра 1 первый светоделитель 4 совмещает на одной оси два пучка света — белого от источника 2 и монохроматического 3 от лазера. На выходе интерферометра второй светоделитель 5 разделяет выходной пучок снова на два пучка, которые попадают на первый и второй фотоприемники 10 и 11 соответственно.

Поляризатор 8 устанавливается ортогонально плоскости поляризации лазерного излучения, таким образом первый фотоприемник 10 регистрирует интерференционную картину только в белом свете, Второй фотоприемник 11 через оптический фильтр, пропускаю45

В БАЛ 19, на входы которого подключены компаратор 15 максимального уровня, компаратор 16 нулевого уровня, счетчик 17 импульсов и схема 18 совпадений, в каждом такте модуляции фиксируется временное положение центра ахроматической полосы относительно опорного импульса А в виде вре3 менного интервала, длительность которого T (фиг. 2, диаграмма 39), и, если в этом такте число импульсов, регистрируемое счетчиком 17 равно 1, то на обратном ходе на выходе БАЛ 19, начиная с момента времени. А, формируется импульс, длительность которого также равна Т, (фиг. 2, диаграмма 43). Формирователь 22 реперных импульсов формирует импульс постоянщий только лазерное излучение, ре1 гистриру"т интерференционную картину в монохроматическом свете. В качестве первого фотоприемника 10 в канале

В регистрации белого света используют диссекторный ФЭУ, снабженный отклоняющей системой 12, обеспечивающей сканирование интерференционного поля в одном направлении, Второй фотоприемник 11 в канале лазерного интерферометра регистрирует изменение интерференционной картины в одной и той же точке интерференционного поля. Генератор 13 модулирующего напряжения формирует синусоидальный сигнал с заданной частотой (например, 500 Гц) и амплитудой (фиг. 2, диаграмма 37), который приводит в возвратно-поступательное движение модулятор 7 и закрепленное на нем опорное зеркало 6.

Амплитуда модулирующего напряжения должна вызывать изменение разности хода плеч интерферометра большее, чем диапазон измеряемых величин, например 3-5 мкм. Регистрируемые при .модуляции сигналы в каналах интерферометра белого света и лазерного ин-. терферометра представлены на фиг. 2 диаграммы 39 и 40 соответственно. . Формирователь 14 опорных сигналов формирует в каждом такте модуляции четыре опорных импульса А,-А (фиг. 2, диаграмма 38), соответствующих нулю (A„ A ), минимуму А, и

35 максимуму А модулирующего напряжения. Участок А, — Аз — рабочий ход, здесь регистрируется фотоэлектрический сигнал, участок А -А „ — обратный

40 ход, на этом участке идет обработка сигнала, 133<.)< »98 пой !

Т,-T (фиг. 2, диаграмма 45) . Импульс расстройки подается на формирователь

24 компенсирующего напряжения, где формируется постоянное напряжение, уровень которого пропорционален длительности импульса расстройки, Компенсирующее напряжение подается на модулятор 7, что приводит к смещению опорного зеркала 6. Зеркало 6 перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с импульсом А., в этом случае длительность временного интервала Т равна длительности реперного импульса Т„, Т, длительность импульса расстройки равна нулю и автоподстройка прекратится.

Величина смещения опорного зеркала 6, необходимая для того, чтобы центр ахроматической полосы совпал с импульсом Л„, является мерой отклонения положения ахроматической полосы от .начального.

Измерение смещения опорного зеркала 6 производится в канале регистрации лазерного интерферометра. В. каждом такте модуляции в формирователе 26 измеряемого временного ин35

»И

JL = —,— --- где дŠ— смещение

2 М опорного зеркала 6, 1 — длина волны излучения источника 3, <1»1 — приращение в счетчике 28 импульсов дробной доли полосы за один такт, М число, записанное в счетчике 29 импульс >в масштаба в данном такте. Па55 тервала измеряется промежуток времени (временной интервал) между импульсом А,, и ближайшим к нему нулем сигнала второго фотоприемника 11 (фиг. 2, диаграмма 41) и временной интервал между этим нулем и следующим в формирователе. 27 масштаба (фиг. 2, диаграмма 42). Эти временные интервалы заполняются счетными импульсами высокой частоты от генератора 2э счетных импульсов и число

I счетных импульсов, заполняющих вре- 45 менные интервалы, считается в счетчике 28 импульсов дробной доли полосы и счетчике 29 импульсов масштаба.

Смещение опорного зеркала 6 за один такт может быть вычислено как 50 раметры Формиро»»;»толя 24 компен< ирующего напряжения «ыбираются так, чтобы смещение опорного зеркала Ь за один такт было бы малым по сравнению с длиной волны исто »ника 3

dL .- Л/2 и »N М, если же в данМ ном такте зафиксировано »»1»1 -2 это означает, что произошел переход через полосу, при этом формирователь

30 импульсов целых полос записывает в счетчик 31 импульсов целых полос соответственно + 1 или — 1 в зависимости от знака приращения д К. Текущее на данном такте показание в канале лазерного интерферометра может

N быть вычислена как L = -- (К+--)

2 М

1 где К вЂ” число, записанное в счетчике

31 импульсов целых полос.

Связь между каналами регистрации интерферометра белого света и лазерного интерферометра устанавливается следующим образом. Пусть в К-м сечении интерференционного поля, т.е. на К-м шаге развертки, задаваемом формирователем 33 отклоняющего напряжения, измеренное значение высоты профиля L, а на К+1 шаге должно .1 быть измерено значение . (фиг. 3, диаграмма 47). В процессе измерения, как только фотоприемник 10 начинает регистрировать интерференционную картину в белом свете в К+1 сечении, в канале регистрации интерферометра белого света формирователь 20 импульсов расстройки начинает формировать импульсы большой длительности (фиг. 3, диаграмма 48), импульсы расстройки подаются на формирователь

24 компенсирующего напряжения, т,е, включается цепь автоподстройки, опорное зеркало 6 начинает постепенно перемещаться в том направлении, чтобы длительность импульса расстройки уменьшалась, и перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с положением, принятым за начальное, При этом длительность импульса расстройки должна быть минимальной. Одновременно в канале регистрации лазерного интерферометра в каждом такте модуляции регистрируется текущее положение опорного зеркала 6. Отсчеты, получаемые в канале регистрации лазерного интерферометра за каждый такт, показаны точками на

1350498 фиг. 3, диаграмма 47. Из фиг. 3 видно, что отсчеты, получаемые в стадии переходного процесса автоподстройки, когда зеркало 6 опорного плеча пере5 мещается, не соответствуют истинной высоте профиля. Поэтому для дальнейшей обработки отбираются лишь те отСчеты, которые с заданной погрешностью соответствуют значению L „.

Для этого формирователь 21 стробирующих импульсов формирует короткие импульсы допустимой расстройки от

А -at до А +at (фиг. 2, диаграмма 46), длительность стробирующего импульса .15 допустимой расстройки может регулироваться.

Для тех тактов модуляции, для которых длительность импульса расстройки (Т-Т ) 2 at (фиг. 3 диаграмма 49), формирователь 23 разрешающих импульсов формирует разрешающий сигнал, который подается на управляющий вход периферийного адаптера 36. Поскольку на другие входы 25 периферийного адаптера 36 подключены счетчик 28 импульсов дробных полос, счетчик 31 импульсов целых полос и счетчик 29 импульсов масштаба, то сигнал формирователя 23 разрешаю- О щих импульсов разрешает передачу в соответствующем такте модуляции информации из канала регистрации лазерного излучения в ЭВМ 32. При этом в память ЭВМ 32 записываются три числа К, N, М.

Предварительно перед началом измерений в ЭВМ 32 вводятся три числа: число шагов, определяющее в скольких 40 сечениях будут производиться измерения, число yr,åäíåíèÿ, определяющее сколько отсчетов должно сниматься на каждом шаге, и время ожидания.

Как следует из изложенного, информация из канала регистрации лазерного интерферометра вводится в ЭВМ 32

I лишь по сигналу разрешения из канала регистрации интерферометра белого света в тех случаях, когда сигнал расс. тройки мал по сравнению с длительностью стробирующего импульса.

Тем самым, из обработки исключаются отсчеты, связанные с переходными процессами при автоподстройке и вибрациями интерферометра ° После накопления на каждом шаге I разрешенных отсчетов в ЭВМ вычисляется текущая координата профиля по формуле

? =-- (- .- к+

2 1

1 о

=о с погрешностью, меньшей чем

М

Д1. = ††-- где V — скорость двиQt ГГ жения опорного зеркала вблизи точки Л

После вычисления Е ЭВМ 32 дает

3 команду на формирователь 33 отклоняющего напряжения для перехода на следующий шаг измерений, при этом изменяется напряжение отклоняющей системы 12 первого фотоприемника 10.

Если на каком-то шаге по каким-то

Формул а изобретения

Устройство для измерения геометрических параметров поверхности, содержащее оптически связанные источник белого света, интерферометр и первый фотоприемник, компаратор максимального уровня, компаратор нулевого уровня, вход которого связан с входом компаратора максимального уровня и выходом первого фотоприемнипричинам, например вследствие наличия дефектов на исследуемой поверхности, фотоэлектрический сигнал в канале регистрации интерферометра белого света деформируется и разрешающий сигнал не формируется, то по истечении заданного времени ожидания для данного шага в память 3BI 32 записываются нули и ЭВМ 32 дает команду к переходу к измерениям на следующем шаге °

После пвоведения измерений в требуемом числе сечений — пройдено заданное число шагов, ЭВМ 32 переходит в режим обработки информации.

При этом нулевые значения заменяются экстраполированными по соседним точкам, затем по заданной программе ведется обработка массива чисел L

J и вычисляются требуемые параметры исследуемой поверхности, например, вычисление параметров шероховатости поверхности или толщины пленочных покрытий, После окончания обработки данных

ЭВМ 32 выдает результат измерений: цифровые данные на дисплей 34, а графическая информация в виде профилограммы выводится на графопостроитель 35.

1350498

10 ка, счетчик импульсов, схему совпадения, первый вход которой связан с входом счетчика импульсов и выходом компаратора максимального уровня, арифметико-логический блок, первый вход которого связан с выходом счетчика импульсов, второй вход — с выходом схемы совпадения, третий вхад— с вторым входом схемы совпадения и ð выходом компаратора нулевого уровня, 4 формирователь опорных сигналов, выход которого связан с четвертым входом арифметико-логического блока генератор модулирующего напряжения и модулятор, жестко связанный с опорным зеркалом интерферометра, вход которого связан с входом формирователя опорных сигналов и выходом генератора модулирующего напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено первым светоделителем, установленным между источником белого света и интерферометром, ис- 2ц точником монохроматического излучения, оптически связанным через первый светоделитель с интерферометром, вторым светоделителем, установленным между интерферометром и первым фото- Зо приемником, поляризатором, установленным между вторым светоделителем и первым фотоприемником, оптическим фильтром, вторым фотоприемником, оптически связанным через оптический

35 фильтр и второй светоделитель с интерферометром, последовательно соединенными формирователем реперных импульсов, формирователем стробирую- щих импульсов, формирователем разрешающих импульсов и периферийным адаптером, последОвательно соединенными формирователем импульсов расстройки и формирователем компенсирующего напряжения, выход которого свя45 зан с входом модулятора, первый вход формирователя импульсов расстройки связан с выходом арифметико-логического блока, второй вход— с выходом формирователя реперных импульсов, а выход — с вторым входом формирователя разрешающих импульсов, формирователем измеряемого временного интервала, формирователем масштаба, первый вход которого связан с первым входом формирователя измеряемого временного интервала и выходом второго фотоприемника, второй вход — с вторым входом формирователя измеряемого временного интервала, входом формирователя реперных импульсов и выходом формирователя опорных сигналов, генератором счетных импульсов, счетчиком импульсов дробной доли полосы, первый вход которого связан с выходом формирователя измеряемого временного интервала, счетчиком импульсов масштаба, первый вход которого связан с выходом формирователя масштаба, второй вход— с вторым входом счетчика импульсов дробной доли полосы и выходом генератора счетных импульсов, последовательно соединенными формирователем импульсов целых полос, вход которого связан с выходом счетчика импульсов дробной доли полосы и вторым входом периферийного адаптера, и счетчиком импульсов целых полос, выход которого связан с третьим входом периферийного адаптера, четвертый вход которого связан с выходом счетчика импульсов масштаба, электронно-вычислительной машиной, вход которой связан с выходом периферийного адаптера, формирователем отклоняющего напряжения, отклоняющей системой, жестко связанной с первым фотоприемником, вход которой связан с выходом формирователя отклоняющего напряжения, вход которого связан с первым выходом электронно-вычислительной машины, дисплеем, вход которого связан с вторым выходом электронно-вычислительной машины, и графопостроителем, вход которого связан с третьим выходом электронно-вычислительной машины.

1350498

Риа 2

1350498

Тираж 677 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5249/40

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель С.Конюхов

Редактор С.Патрушева Техред Л,Олийнык Корректор М.Максимишинец