Устройство для бесконтактного высокоточного измерения физико-технических параметров объекта

Устройство для бесконтактного высокоточного измерения физико-технических параметров объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в машиностроении для бесконтактного, высокоточного измерения линейных перемещений, угла наклона, профиля и вибрации поверхности исследуемых объектов и дефектоскопии их материала. Изобретение также может быть использовано в медицинской технике, в частности в томографической аппаратуре.

Известны оптические двухлучевые и многолучевые интерферометры типа Майкельсона с параллельными пучками света в рабочем и опорном оптических каналах, предназначенные для бесконтактного измерения линейного перемещения и профиля поверхности объекта с точностью до 0,05 мкм (Коломийцов Ю. В. Интерферометры: основы инженерной теории и применение. - Л.: Машиностроение, 1976).

Их недостатком является требование, чтобы шероховатость поверхности объекта была менее 0,01 мкм и не была покрыта пленкой из светорассеивающего или светопоглощающего материала. Также с их помощью невозможно измерять параметры объекта с углом наклона поверхности относительно оси рабочего канала более 20 секунд. В этом случае картина интерференции не поддается обработке, т.к. она изменяется даже при незначительном плоскопараллельном смещении или повороте объекта. В силу этих причин данные оптические интерферометры имеют узкоспециализированное применение.

Для бесконтактного измерения параметров объекта с шероховатостью поверхности более 0,1 мкм, а также для дефектоскопии оптически непрозрачных материалов используются акустические устройства типа эхолокаторов, дефектоскопов, томографов (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957). В этих устройствах расстояние до исследуемого объекта определяется как произведение заданной скорости звука в среде на половину времени распространения звука до объекта и обратно. Данное время определяется путем измерения интервала времени между посылкой и приемом импульсного звукового сигнала или разностной частоты между моментами посылки и приема непрерывно излучаемого звукового сигнала с линейно изменяющейся частотой.

В высокоточных акустических устройствах для измерения линейных перемещений с точностью до 1,0 мкм можно использовать импульсно-фазовый способ, применяемый при измерении скорости звука в твердой или жидкой среде (Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: изд. Стандартов, 1970, с.62-70). В основу данного способа положен принцип противофазной суперпозиции двух импульсов ультразвука, бегущих в сторону буферного стержня в источнике ультразвука после их отражения от объекта, расположенного на фиксированном расстоянии от буферного стержня. Совмещение импульсов в пространстве и во времени осуществляется путем прецизионного управления моментами их возбуждения в источнике ультразвука. При этом к моменту их наложения первый импульс должен двукратно отразиться от объекта и однократно от торца буферного стержня, а второй импульс однократно отразиться от объекта.

Для обеспечения высокой точности совмещения ультразвуковых импульсов необходимо, чтобы в пространстве между буферным стержнем и объектом они распространялись с плоским волновым фронтом. Этому препятствуют явления дифракции и рассеяния ультразвуковых волн. В силу этого конструкция и параметры источника ультразвука, включающего пластину пьезокристалла и буферный стержень, должны удовлетворять весьма жестким условиям: пьезо- и упругие свойства пластины пьезокристалла должны быть очень однородны, чистота ее поверхности - не ниже 12 класса, поперечные размеры - не менее 25 длин волн Λ ультразвука при непараллельности рабочих поверхностей не более 10 секунд. Поперечные размеры буферного стержня должны составлять не менее 40 Λ, длина буферного стержня должна обеспечивать затухание многократно отраженных от его торцов эхоимпульсов к моменту возбуждения в нем следующего импульса, непараллельность торцов буферного стержня, а также отражающей поверхности исследуемого объекта, не должна превышать 20-30 секунд. При использовании дегазированной, дистиллированной воды в качестве звукопроводящей среды частота излучаемого звукового сигнала должна быть в пределах 1-60 МГц, а уровень мощности не более 0,25 Вт/см², чтобы не сказывалось затухание звука под действием нелинейных эффектов и не возникала кавитация жидкости. Звуковой сигнал должен быть в виде коротких, прямоугольных импульсов с частотой следования 50-100 Гц, чтобы обеспечивалось затухание всех эхоимпульсов к моменту возбуждения в пьезокристалле очередной серии импульсов.

Данный способ измерения используется в изобретении для определения расстояния до исследуемого объекта, но при этом устранены его основные недостатки.

Аналогичные требования накладываются на конструкцию и рабочие параметры точных ультразвуковых дефектоскопов и томографов, работающих на принципах просвечивающих и отраженных импульсов. Но даже при выполнении всех требований разрешающая способность дефектоскопов при обнаружении в непрозрачной среде небольших объектов с большой кривизной поверхности, например металлических шариков и проволочек в пластмассе и жидкости, не превышает 0,1 мм² из-за их сильного рассеивающего действия. В ультразвуковых томографах разрешающая способность при эхографической визуализации мягких тканей организма значительно меньше, чем в дефектоскопах. Это связано с тем, что неоднородности в тканях организма мало отличаются по плотности и скорости звука, хотя могут иметь большую кривизну поверхности. Например, кровеносные капилляры, лимфатические протоки и железы в коже, мускулах и внутренних органах. При этом ультразвуковой зонд должен быть ориентированным строго перпендикулярно кожному покрову и контактировать с ним через слой масла или вазелина. При движении зонда по коже между ними не должен попадать воздух, т.к. воздушная прослойка толщиной даже в 0,001 мм не пропускает ультразвуковые волны. Поэтому в томографах используются медленные и сложные механические системы сканирования, а в вычислительном устройстве - сложные алгоритмы послойного построения двумерного изображения тканей с использованием статистических методов обработки эхограмм и пространственных координат. И несмотря на это в современных томографах получают достаточно грубые изображения тканей организма (см., например, патент RU 2203622 С2, 20.09.2000, МПК А61В 8/14).

Использование предлагаемого устройства в дефектоскопах и томографах позволяет устранить их основные недостатки.

Отметим, что требование, чтобы источник и приемник ультразвука располагались вместе с объектом в объеме жидкости или устанавливались на поверхности объекта с использованием пленки вязкой жидкости для обеспечения между ними акустического контакта, является серьезным недостатком акустических устройств. В силу приведенных выше основных недостатков известные акустические измерительные устройства имеют узкоспециализированное применение и не обеспечивают высокую точность.

Большую часть жестких требований к конструкции и параметрам акустических и оптических измерительных устройств можно устранить, если, во-первых, пучок звуковых или световых волн сфокусировать в точку на поверхности (или внутри) исследуемого объекта с помощью соответствующей линзы. Благодаря усилению этих волн по амплитуде в области фокуса, а также тому, что в центре этой области они имеют плоский фронт, влияние дифракционных явлений на амплитуду и фазу отраженной волны из-за рассеивающего действия шероховатости и криволинейности поверхности объекта существенно уменьшается. Кроме этого, если звуковые или световые волны до прохождения линзы движутся с плоским фронтом параллельно ее оси, то после отражения от поверхности объекта данные волны, пройдя линзу в обратном направлении, движутся опять с плоским фронтом параллельно ее оси. Это выполняется также в случае, когда поверхность объекта расположена под небольшим углом к падающей волне. Во-вторых, если между измеряемым устройством и объектом распространение звуковых или световых волн осуществлять через проточную жидкость, характеризующейся незначительным поглощением этих волн и имеющей низкую стоимость, то измерение физико-технических параметров можно производить как неподвижного, так и движущегося объекта. Причем излучение и прием этих волн можно производить под достаточно большим углом к поверхности объекта. В-третьих, если в акустическом устройстве вместо пьезоэлектрического приемника ультразвуковых волн использовать акустооптическую систему, формирующую оптический образ звукового пучка (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985), то можно более простыми, но точными средствами реализовать наблюдение интерференции и измерение пространственных параметров, по крайней мере, двух пространственно разнесенных звуковых пучков. В этом случае также можно повысить чувствительность и расширить динамический диапазон измерения отраженного звукового сигнала. В-четвертых, если для измерения величины перемещения функциональных узлов и элементов, например акустических и оптических линз, вместо контактных механических индикаторов использовать бесконтактную оптическую измерительную систему белого света (Фотева И.И. и др. Измерение толщины полупроводниковых пленок интерферометрическим методом. - «ОМП», 1975, №1, с.62), то можно существенно повысить точность, надежность и производительность данных измерений.

Известны устройства и способы, в которых акустооптическая система применяется для измерения физико-технических параметров объекта. Например, известен способ оптического контроля шероховатости поверхности путем анализа зависимости интенсивности света от угла его рассеяния поверхностью объекта, который основан на эффекте угловой селекции интенсивности диафрагмированного светового пучка при пропускании расходящегося пучка света через звуковую волну, бегущую в активной акустооптической среде (патент RU №2217696 С2, 2002 г., МПК G01B 11/30).

Известны устройства и способы, в которых для измерения физико-технических параметров объекта используется оптическая измерительная система белого света. Например, данная система используется в контактном оптическом устройстве для прецизионного измерения размеров деталей (а.с. СССР №1052856 А, 1982 г., МПК G01B 11/02).

Для проведения бесконтактного высокоточного измерения линейного перемещения объекта, а также профиля его поверхности при шероховатости менее 0,01 мкм в предлагаемое измерительное устройство включены основные элементы двухлучевого оптического интерферометра типа Захарьевского-Миро, в котором используется фокусировка пучка света в рабочем и опорном каналах (Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998. с.80). Интерферометр содержит монохроматический, когерентный источник света, включающий излучатель света и коллиматор в виде линзы, формирующей свет излучателя в параллельный пучок света, первое светоделительное зеркало, расположенное на пересечении оптической оси устройства и оси коллиматора под углом 45° к ним, фокусирующую линзу, установленную на оптической оси устройства между светоделительным зеркалом и объектом, второе светоделительное зеркало, установленное на оптической оси устройства под углом 45° между фокусирующей линзой и объектом, которое часть светового потока направляет на опорное зеркало, расположенное на оси, пересекающей перпендикулярно оптическую ось устройства, матрицу фотоэлементов, установленную на оптической оси устройства перед первым светоделительным зеркалом. На поверхности матрицы фотоэлементов интерферируют рабочий и опорный световые пучки, отраженные от поверхности объекта и опорного зеркала. С матрицей фотоэлементов соединено вычислительное устройство, с помощью которого определяются геометрические параметры поверхности исследуемого объекта в окрестности фокусной точки. Данный интерферометр позволяет проводить высокоточные измерения геометрических параметров объекта с плоской поверхностью.

Недостатками являются требования, чтобы, во-первых, угол между пучком света, падающим на поверхность исследуемого объекта, и пучком света, отраженным от объекта, не превышал 30 секунд, потому что опорное зеркало плоское и неподвижно. Во-вторых, настройка фокуса на поверхности исследуемого объекта осуществляется путем линейного перемещения объекта вдоль оптической оси устройства, потому что фокусирующая линза и опорное зеркало неподвижны. Для контроля перемещения используется измерительное устройство, например, контактного типа, обеспечивающее меньшую точность по сравнению с интерферометром. В заявляемом изобретении эти недостатки устранены.

По совокупности общих признаков наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является акустическое устройство для дефектоскопии листовых материалов с помощью просвечивающих звуковых импульсов (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957). В данном устройстве излучатель и приемник ультразвука имеют идентичную конструкцию. В их корпусе в виде металлической трубы расположены ввод и вывод для проточной жидкости, высокочастотный пьезоэлектрический преобразователь в виде кварцевой пластины, закрепленной на торце буферного стержня. К электродам на кварцевой пластине подведено переменное напряжение от внешнего генератора. В приемнике снимаемое с кварцевой пластины переменное напряжение подается на внешний индикатор. Объект в виде листового материала располагается между выводами для проточной жидкости излучателя и приемника. Ультразвуковая связь между ними осуществляется через проточную жидкость. Для устранения в пространстве между буферным стержнем и объектом эффекта стоячей звуковой волны в генераторе переменное напряжение с частотой 1 МГц модулируется по амплитуде с частотой 100 Гц.

Недостатком данного дефектоскопа является небольшая разрешающая способность, не превышающая 5 мм², потому что он работает в режиме просвечивающих импульсов с относительно низкой несущей частотой и в нем отсутствует фокусировка ультразвукового пучка. В принципе, с помощью данного устройства можно измерять линейные перемещения объекта, используя, например, описанный выше импульсно-фазовый способ для измерения времени прохождения звука от источника до объекта. Но в этом случае на конструкцию и рабочие параметры устройства необходимо накладывать жесткие требования, описанные выше. Эти недостатки устранены в заявляемом изобретении.

Задачей изобретения является создание устройства бесконтактного высокоточного измерения комплекса физико-технических параметров исследуемого объекта.

Техническим результатом является возможность измерения с помощью одного устройства линейного перемещения объекта, его угла наклона, шероховатости и вибрации поверхности, а также эхографическую визуализацию структуры его материала на основе интерференции ультразвукового и светового сигнала.

Поставленная задача решается тем, что заявляемое устройство, содержащее корпус с вводом и выводом для проточной жидкости и расположенный в нем высокочастотный ультразвуковой излучатель, включающий буферный стержень и закрепленную на нем пьезоэлектрическую пластину с электродами для соединения с внешним высокочастотным генератором, согласно техническому решению дополнительно содержит акустическую линзу, расположенную в корпусе и выполненную с возможностью перемещения вдоль ее оси для фокусировки звукового сигнала на объекте, акустооптический формирователь оптического образа звуковых сигналов с двумя акустооптическими каналами, измеритель перемещения акустической линзы, вычислительное устройство, при этом акустооптический формирователь оптического образа звуковых сигналов включает источник монохроматического когерентного излучения, первую оптическую систему, состоящую из линз и зеркал для формирования в акустооптических каналах рабочих световых пучков, у которых оси расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу и проходят между буферным стержнем и акустической линзой через область распространения звуковых сигналов для генерации диафрагмированных световых пучков, вторую оптическую систему, состоящую из зеркал для разделения диафрагмированных световых пучков рабочего светового пучка в каждом акустооптическом канале на первый и второй диафрагмированные световые потоки, сферических линз для интегрирования каждого первого диафрагмированного светового потока в фокусные точки и цилиндрических линз для интегрирования каждого второго диафрагмированного светового потока в фокусные линии, фотоприемники, установленные за сферическими и цилиндрическими линзами соответственно, при этом фотоприемники и измеритель перемещения акустической линзы соединены с вычислительным устройством, а объем корпуса разделен на две изолированные полости, первая из которых расположена между буферным стержнем и акустической линзой, а вторая - между акустической линзой и выводом для проточной жидкости, при этом первая полость предназначена для заполнения жидкостью с высоким коэффициентом акустооптического качества, а вторая - для заполнения проточной жидкостью.

Благодаря данным отличиям, с помощью предлагаемого устройства можно измерять расстояние до объекта не только когда звуковой импульс отражается от объекта в том же направлении, в каком он падал на него, но также когда он отражается под углом. Эта возможность реализуется за счет фокусировки звуковых волн на поверхности объекта, для чего используется перемещающаяся вдоль своей оси жидкостная акустическая линза в виде оболочки сферической формы, расположенная между буферным стержнем и выводом для проточной жидкости. В заполняющей акустическую линзу жидкости звуковые импульсы движутся с плоским фронтом параллельно ее оси как по направлению к объекту, так и при отражении от него, включая случай, когда звук отражается от объекта под углом. Но в этом случае волны плотности прямого и отраженного звукового импульса накладываются друг на друга лишь частично, в силу чего произвести их совмещение одновременно во времени и пространстве невозможно.

В изобретении производится совмещение одновременно во времени и пространстве их оптических образов, формируемых с помощью явления акустооптической дифракции Римана-Ната (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985). Для этого между акустической линзой и буферным стержнем введена акустооптическая система, содержащая два акустооптических канала. В данной акустооптической системе излучение монохроматического когерентного источника света с помощью первой оптической системы, состоящей из линз и зеркал, направляется в оба акустооптических канала в виде ленточных рабочих световых пучков, которые затем пропускаются через жидкость, заполняющую пространство между акустической линзой и буферным стержнем. Оба акустооптических канала расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу, а также перпендикулярно оси акустической линзы, и проходят через область распространения звуковых сигналов. В этой области в результате акустооптического взаимодействия звуковых волн и света в каждом акустооптическом канале генерируются диафрагмированные пучки света, амплитуда и фаза светового поля которых описывают амплитудно-фазовые характеристики звуковой волны. В изобретении используются диафрагмированные пучки первого порядка.

Для наблюдения в каждом акустооптическом канале интерференции и пространственного положения диафрагмированных световых пучков, несущих оптический образ прямого и отраженного звуковых пучков, используется вторая оптическая система, содержащая зеркала для разделения диафрагмированных пучков рабочего светового пучка в каждом акустооптическом канале на два световых потока. Первый световой поток используется для наблюдения интерференции оптических образов звуковых волн с помощью явления дифракции Фраунгофера, для чего используются сферические оптические линзы. Линзы интегрируют световые поля диафрагмированных пучков первого порядка в побочных фокусных точках, в которых расположены фотоприемники. С их помощью в обоих акустооптических каналах определяется момент во времени, когда в результате интерференции подавят друг друга оптические образы падающего и отраженного от объекта звуковых импульсов. Второй световой поток используется для регистрации пространственного положения звуковых пучков относительно оси акустической линзы. Для этого данный световой поток фокусируется цилиндрическими оптическими линзами в побочных фокусных линиях, вдоль которых расположены линейки фотоприемников. С помощью линеек фотоприемников в обоих акустооптических каналах отображаются данные о поперечных размерах оптических образов звуковых пучков и расстоянии между их осями по двум перпендикулярным направлениям. Число фотодиодов в линейках выбирается из условия достижения максимальной точности при определении размеров оптических образов звуковых пучков.

В изобретении, чтобы использовать импульсно-фазовый способ измерения расстояния до объекта, необходимо иметь данные о расстоянии между акустической линзой и буферным стержнем. Для определения этого расстояния с высокой точностью в изобретение используется известный способ (Фотева И.И. и др. Измерение толщины полупроводниковых пленок интерферометрическим методом. - «ОМП», 1975, №1, с.62), основанный на резонансном прохождении белого света через расположенные последовательно опорный и рабочий интерферометры Фабри-Перо. Для этого необходимо, чтобы произошло совмещение основного максимума спектрограммы белого света, формируемой в рабочем интерферометре Фабри-Перо, с основным или первым побочным максимумом спектрограммы белого света, формируемой в опорном интерферометре Фабри-Перо. Эти условия выполняются, когда опорный и рабочий интерферометры Фабри-Перо заполнены одинаковой оптической средой и когда расстояние между светоделительными зеркалами в опорном интерферометре Фабри-Перо равно или в два раза больше расстояния между светоделительными зеркалами в рабочем интерферометре Фабри-Перо.

Данный способ определения расстояния между акустической линзой и буферным стержнем используется в первой измерительной системе белого света. В рабочем интерферометре этой измерительной системы подвижное зеркало установлено на акустической линзе. Измерение расстояния между зеркалами в рабочем интерферометре осуществляют в два этапа. Сначала расстояние между зеркалами опорного интерферометра изменяется до величины, равной расстоянию между зеркалами в рабочем интерферометре, что фиксируется по моменту совмещения основных максимумов спектрограмм белого света, формируемых в опорном и рабочем интерферометрах. Затем расстояние между зеркалами опорного интерферометра изменяют на удвоенную величину, что фиксируется по моменту совмещения первого побочного максимума спектрограммы белого света, формируемой в опорном интерферометре, с основным максимумом спектрограммы белого света, формируемой в рабочем интерферометре. Одновременно производится подсчет числа полуволн биения, возникающих при интерференции света в измерительном интерферометре монохроматического света Фабри-Перо, т.к. расстояние между его зеркалами изменяют синхронно с изменением расстояния L_op между зеркалами опорного интерферометра белого света. В силу этого расстояние между зеркалами в опорном интерферометре равно L_op=n λ/2, где n - число полуволн биения в измерительном интерферометре монохроматического света Фабри-Перо.

В вычислительном устройстве обрабатываются данные с фотоприемников на выходе рабочего интерферометра белого света и измерительного интерферометра монохроматического света, а также данные с линеек фотоприемников в акустооптической системе формирования оптического образа звукового пучка. По результатам обработки определяются расстояние между акустической линзой и поверхностью исследуемого объекта, а также угол наклона поверхности объекта относительно направления падающего на него звукового пучка.

В предлагаемом устройстве имеется возможность динамично сканировать в двух перпендикулярных направлениях излучение и прием ультразвуковых волн, что существенно расширяет возможности при измерении геометрических параметров объекта и дефектоскопии его материала, а также при использовании в медицинских томографах для эхографической визуализации тканей организма. С этой целью в устройство во вторую полость корпуса введено акустическое зеркало, расположенное между акустической линзой и выводом для проточной жидкости. Зеркало может качаться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей: первая ось вращения совпадает с осью акустической фокусирующей линзы, а вторая ось вращения перпендикулярна к первой оси.

Предлагаемое устройство позволяет через струю проточной жидкости измерять частоту и амплитуду вибрации поверхности объекта. Используя высокочастотный источник ультразвука, работающий в диапазоне 1-60 МГц, данные измерения можно проводить двумя способами. Первый способ заключается в измерении времени прохождения звука от акустической линзы до объекта и обратно описанным выше импульсно-фазовым способом, т.к. это время меняется в такт с частотой вибрации и зависит от ее амплитуды. Этот способ применим для измерения низкочастотных вибраций. Второй способ заключается в измерении спектра частот биений при интерференции отраженного и излучаемого звуковых сигналов, т.к. за счет эффекта Доплера частота отраженного сигнала сдвинута относительно частоты излучаемого сигнала на частоту вибрации. Этот способ применим для измерения высокочастотных вибраций. В обоих случаях используется акустооптическая система для трансформации амплитудно-фазовых параметров звуковых пучков в амплитудно-фазовые параметры диафрагмированных пучков света.

Однако при шероховатости поверхности объекта более Λ/8 происходит интенсивное рассеяние отраженного звукового сигнала, что сильно влияет на точность измерения параметров вибрации. Поэтому эти измерения в изобретении проводятся на более низких звуковых частотах, т.к. в этом случае Λ значительно больше шероховатости и, кроме того, в проточной жидкости начинают преимущественно распространяться не продольные, а объемные звуковые волны, эффективно передающие низкочастотную вибрацию. Однако на этих частотах теряются фокусирующие свойства акустической линзы и направляющие свойства акустического зеркала. Поэтому в предлагаемое устройство во вторую полость корпуса между акустическим зеркалом и выводом проточной жидкости введен низкочастотный звуковой излучатель-приемник, работающий в диапазоне от единиц Гц до 100 кГц. Данный звуковой излучатель-приемник может быть выполнен из высокоэффективного пьезоэлектрического материала в виде пластины, цилиндра или фокусирующего зеркала, в центре которых имеется отверстие. Размер отверстия обеспечивает прохождение высокочастотных звуковых волн как по направлении к объекту, так и отраженных от него. Низкочастотный звуковой излучатель-приемник соединен через коммутатор со звуковым генератором и индикатором.

С помощью низкочастотного звукового излучателя-приемника можно в случае необходимости реализовывать кавитацию проточной жидкости, например воды. В частности, при совместной работе высокочастотного и низкочастотного излучателей под действием звуковых волн низкой и высокой частоты можно реализовать стимулированную кавитацию проточной жидкости в области фокуса акустической линзы в непосредственной близости от поверхности объекта. Образующиеся при этом газовые и вакуумные пузырьки, заполняя пространство между шероховатостями поверхности объекта, будут как бы выравнивать ее и тем самым уменьшать рассеяние отраженного высокочастотного звукового сигнала. Благодаря этому можно проводить точные измерения размеров объекта даже при шероховатости поверхности более Λ/8.

Используемый в изобретение акустический способ измерения линейных перемещений объекта применяется при шероховатости его поверхности более 0,1 мкм. Когда же шероховатость меньше 0,1 мкм и требуется прецизионно анализировать профиль поверхности объекта, включая случай, когда поверхность расположена под углом к падающему на нее пучку света, в предлагаемом устройстве применяется более точный оптический способ измерения. Он основан на интерференции двух монохроматических световых пучков, один из которых фокусируется на поверхности исследуемого объекта, а другой - на опорной поверхности. При этом опорная поверхность расположена на том расстоянии и с тем же углом наклона, что и исследуемая поверхность объекта. Для реализации данного способа измерения предлагаемое устройство содержит измерительную оптическую систему типа интерферометра Захарьевского-Миро (Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998, с.80). Данная измерительная оптическая система включает первое светоделительное зеркало и матрицу фотоэлементов, расположенные за пределами корпуса, второе светоделительное зеркало и опорное зеркало, расположенные во второй полости корпуса в проточной жидкости, оптическую фокусирующую систему, встроенную в стенку второй полости корпуса. При этом первое и второе светоделительные зеркала и расположенная между ними оптическая фокусирующая система образуют рабочий оптический канал, ось которого проходит через акустическое зеркало и вывод для проточной жидкости, в котором данные зеркала установлены под углом 45° к оси. Второе светоделительное зеркало и опорное зеркало образуют опорный оптический канал, ось которого перпендикулярна оси рабочего оптического канала. Так как рабочий и опорный оптические каналы располагаются в проточной жидкости, в них обеспечиваются одинаковые условия для распространения световых пучков. Второе светоделительное зеркало, опорное зеркало и оптическая фокусирующая система выполнены подвижными. Возможность перемещения оптической фокусирующей системы вдоль оси рабочего оптического канала обеспечивает настройку оптического фокуса на поверхности объекта или внутри его, когда материал оптически прозрачен. Второе светоделительное зеркало имеет на поверхности три участка с прозрачным, светоделительным и зеркальным покрытием. Возможность движения этого зеркала перпендикулярно оси рабочего оптического канала обеспечивает дискретное переключение его коэффициента отражения. Опорное зеркало выполнено с возможностью перемещения вдоль оси опорного оптического канала, вращения вокруг данной оси, а также вращения вокруг оси, перпендикулярной оси опорного оптического канала. Благодаря этому поверхность опорного зеркала можно расположить на том же расстоянии и с тем же углом наклона, что и поверхность объекта. Так как акустическое зеркало расположено на оси рабочего оптического канала, оно выполнено из оптически прозрачного материала, чтобы свет проходил через него.

Излучение источника монохроматического света направляется по рабочему оптическому каналу на исследуемый объект, а по опорному оптическому каналу на опорное зеркало. Световые пучки, отраженные от объекта и опорного зеркала, интерферируют на поверхности второго светоделительного зеркала, а затем направляются первым светоделительным зеркалом на двумерную матрицу фотоэлементов, подключенную к вычислительному устройству.

Измерение величины перемещения оптической фокусирующей системы производится с помощью введенной в устройство второй измерительной системы белого света. Для этого подвижное светоделительное зеркало в составе рабочего интерферометра белого света этой измерительной системы установлено на оптической фокусирующей системе. Принцип работы данной измерительной системы белого света рассмотрен выше.

Необходимым условием точного измерения микропрофиля поверхности объекта способом интерференции двух монохроматических световых пучков, отраженных из фокусных точек на поверхности объекта и опорного зеркала, является требование, чтобы длины светового пути вдоль опорного и рабочего оптических каналов были равными. Измерение длины светового пути вдоль этих каналов производится с помощью введенной в устройство третьей измерительной системы белого света. В рабочем интерферометре белого света этой измерительной системы в качестве зеркала поочередно используются поверхность объекта и опорное зеркало. Для переключения света на опорный или рабочий оптический канал используется второе светоделительное зеркало, обладающее свойствами зеркала с дискретно меняющимся коэффициентом отражения, которое можно двигать поперек рабочей оптической оси.

Если в качестве второго светоделительного зеркала используется акустическое зеркало, то ось опорного канала совпадает с осью акустической линзы. Акустическое зеркало в данном случае имеет на поверхности три участка с прозрачным, отражающим и светоделительным покрытием, т.е. исполняет роль зеркала с дискретно меняющимся коэффициентом отражения. Совмещение этих участков с рабочим оптическим каналом производится путем движения акустического зеркала вдоль его второй оси вращения.

Когда по рабочему оптическому каналу пропускается белый свет, на втором светоделительном зеркале устанавливается либо прозрачный участок, либо участок с покрытием в виде отражающего зеркала. В первом случае измеряется длина светового пути в рабочем оптическом канале. С этой целью в третьей измерительной системе белого света производится последовательное совмещение соответствующих максимумов спектрограмм белого света опорного и рабочего интерферометров белого света, в котором в данном случае в качестве одного из зеркал используется поверхность объекта. Во втором случае измеряется длина светового пути в опорном оптическом канале. Тогда в рабочем интерферометре белого света в качестве одного из зеркал используется опорное зеркало. В обоих случаях для измерения длины светового одновременно с совмещением соответствующих максимумов спектрограмм белого света проводится подсчет числа полуволн биения в измерительном интерферометре монохроматического света, расположенном в третьей измерительной системе белого света, который синхронно перемещается с опорным интерферометром белого света этой измерительной системы.

Если поверхность объекта расположена под углом к оси рабочего оптического канала, то требуется выполнить условие равенства углов, определяющих наклон опорного зеркала к оси опорного оптического канала и наклон поверхности объекта к оси рабочего оптического канала, что достигается за счет движения и вращения опорного зеркала.

В изобретении с помощью оптического интерференционного способа можно достаточно точно измерять геометрические параметры поверхности объекта, если ее шероховатость более 0,05 мкм, а также в случае, когда поверхность объекта покрыта пленкой из светорассеивающего или светопоглощающего материала. Пленку из светорассеивающего или светопоглощающего материала, например масляную, в процессе измерения можно удалять или утончать до размера меньше λ/4 с помощью струи проточной жидкости, в которую по необходимости вводятся активные добавки, например щелочь, кислота, соль. Для усиления их воздействия может применяться явление кавитации жидкости под действием ультразвуковых волн, возбуждаемых низкочастотным звуковым излучателем. Для уменьшения рассеивающего действия шероховатости пространство между микронеровностями поверхности объекта можно временно заполнить электропроводным материалом. Для этого в проточную жидкость вводится суспензия из электропроводных частиц, например наночастиц металла или графита. В этом случае акустическую линзу и фокусирующую оптическую систему фокусируют в одной точке на поверхности объекта. Тогда под действием звука низкой и высокой частот за счет