Способ измерения диаметра отверстий

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ОТВЕРСТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(72) Автор Ильин Виктор Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(57) Способ измерения диаметра отверстий, включающий освещение отверстия коллимированным пучком монохроматического излучения одной длины волны , регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных по оси координат, отличающийся тем, что дополнительно освещают отверстие коллимированным пучком монохроматического излучения другой длины волны , в дифракционной картине выделяют два дифракционных максимума интенсивности одноименного порядка , принадлежащих этим длинам волн,фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка, а диаметр 2 отверстия вычисляют в соответствии с выражением(21) где - - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного порядка.(56) Александров В.К. и др. // Автометрия. -3. - 1990. - С. 93-97.2037772 1, 1995.2172470 1, 2001.0122030 1, 2001.4687328 , 1989.62115305 , 1987. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля диаметров отверстий миллиметрового и микрометрового размеров. Известен способ измерения диаметра отверстий, заключающийся в том, что освещают коллимированным пучком монохроматического излучения контролируемое отверстие, регистрируют интенсивность излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, фиксируют координаты трех последовательных центральных минимумов интенсивности излучения в дифракционной картине, определяют диаметр отверстия с учетом зафиксированных координат 1. Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений из-за необходимости фиксации трех последовательных минимумов, имеющих разные порядки и, следовательно, разные радиусы минимумов, и измерения расстояний между ними. При этом среднеквадратические погрешности каждого измерения складываются, что увеличивает общую суммарную погрешность. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение точности измерения диаметра отверстий за счет сокращения числа и величины измеряемых расстояний и формирования дифракционных максимумов для двух длин волн,относящихся только к одноименным порядкам максимума интенсивности. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра отверстий, заключающемся в освещении отверстия коллимированным пучком монохроматического излучения одной длиной волны , регистрации интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, и вычислении диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, дополнительно освещают отверстие коллимированным пучком монохроматического излучения другой длиной волны , в дифракционной картине выделяют два дифракционных максимума интенсивности одноименного порядка , принадлежащих этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка, а диаметр 2 отверстия вычисляют на основе выражения(21) 2, где - - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного порядка. В предлагаемом способе уменьшается методическая погрешность, связанная с измерением только одного интервала и формированием дифракционных максимумов одного порядка. Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Измеряемое отверстие диаметром 2 освещают коллимированным пучком монохроматического излучения,имеющего длину волны 1 и выделяют за отверстием дифракционное распределение с максимумом интенсивности по оси заданного порядка(например,2) на расстоянии, 12 /1 (21) .(1) Координату его местоположения по оси фиксируют. Затем отверстие освещают излучением с длиной волны 2, также выделяют по оси отверстия дифракционный максимум,причем того же порядка , что и для первой длины волны, на расстоянии 2 6564 1,22 /2 (21) и фиксируют координату его местоположения по оси. Расстояние 1 между максимумами будет равно 1,2, 1 при условии, что 12, или для любой пары длин волн,,.(4) Чем меньше , тем дальше от исследуемой диафрагмы находится дифракционный максимум выделенного порядка. Из (1), (2) и (3) находится аналитическое выражение 1 1 2 (21) 2( 12 ) по которому вычисляют искомый диаметр 2 с учетом значений полученных координат , 2 и , 1, , 1 и 2. Основная особенность предлагаемого способа заключается в том, что для определения диаметра отверстия диафрагмы используется излучение, как минимум, с двумя длинами волн 1 и 2, причем относящихся только к одноименным порядкам максимума интенсивности. В общем случае для любой пары длин волн выражение (5) можно записать в следующем виде(21) 2 где х- - расстояние между дифракционными максимумами интенсивности выделенного порядка. Минимальная величина дисперсии --или расстояния между спектральными линиями определяется разрешающей способностью фотодиодной линейки. В сравнении с прототипом, где радиус отверстия находится по одной , и трем последовательным минимумов , 1, 2 (или максимумов - формулы одинаковые), предложенный способ обеспечивают существенно более высокую точность измерения диаметра диафрагмы не только из-за того, что измеряется только один интервал 1 вместо двух, но и за счет того, что выделяемые порядки - одноименные и имеют одинаковый радиус 0,61 /(2-1). На фиг. 1 и 2 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа. На фиг. 1 изображены 1 - источник излучения, 2 - коллиматор, 3 - контролируемое отверстие, 4 - каретка, 5 - первый объектив, 6 - экран, 7 - второй объектив, 8 - зеркало, 9 фотодиодная линейка- направление перемещения каретки, 123 - плоскости формирования максимумов второго порядка для заданныхпунктирными линиями обозначены новые положения экрана и каретки при ее перемещении. На фиг. 2 схематично показано взаимное положение максимумов (продольный разрез) для трех длин волн 123, где 1, 2, 3 - расстояния от отверстия диафрагмы до максимумов второго порядка для указанных длин волн 2 - диаметр максимумапротяженность максимума вдоль оси- номер порядка. Способ реализован следующим образом. Монохроматическое излучение от источника 1 с длинной волны 1 с помощью коллиматора 2 преобразуется в параллельный световой пучок и освещает контролируемое отверстие 3. Каретку 4 перемещают в такое положение,чтобы передняя фокальная плоскость первого объектива 5, установленного на каретке,совпала с плоскостью дифракционного изображения, имеющего центральный максимум второго порядка для 1 (фиг. 2). Объектив 5 формирует дифракционное изображение максимума в плоскость экрана 6. Далее второй объектив 7 воспринимает изображение максимума с экрана 6 и передает его посредством зеркала 8 на фотокатод фотодиодной линейки 3 6564 1 9 в виде светлого пятна, где его координата фиксируется и определяется по числу и положению засвеченных пикселей. Объектив 7 расположен под углом триангуляции к оси отверстия 3, т.е. оптическая схема выполняет условия триангуляционного метода. После этого источник 1 переключается на излучение с 2 и все операции повторяются как для излучением с 1. При этом экран 6 займет новое положение, как показано пунктиром на фиг. 1, за счет перемещения каретки 4 вдоль оптической оси отверстия. Таким образом, каждому новому положению экрана 6 и, следовательно, изображению максимума на нем, соответствует свое положение изображения светлого пятна на фотодиодной линейке, координата которого фиксируется и определяется по числу и положению засвеченных пикселей. Оптический отклик на фотокатоде описывается Гаусс-функцией, а фотоимпульс - дискретной функцией распределения. Для определения положения светового пятна на фотокатоде с помощью микропроцессора (на фиг. 1 не показан) находился центр фотоимпульса по медианному методу. Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1. Источник излучения 1 представляет собой гелевую трубку с дисперсионной призмой, применяемой в интерферометре Кестерса. В исследованиях использовались наиболее яркие спектральные линии (цвет красный)к 0,6678184 мкм, (желтый)ж 0,587566 мкм, (зеленый)з 0,5015702 мкм, (голубой)г 0,4921954 мкм, (синий)с 0,4713168 мкм, (фиолетовый)ф 0,44715 мкм. Анализируемая диафрагма 3 последовательно освещалась от системы источник излучения 1, коллиматор 2, излучением различных длин волн, начиная с красной линии. За диафрагмой формировалось дифракционное распределение для каждой . Выделялись только центральные максимумы, расположенные на оси отверстия, имеющие 2. Для красной, желтой и голубой линий для ном 500,0 мкм находились ,1124784 мкм, ,2141828 мкм и, 3169309 мкм. Следовательно, 117044 мкм, х 227481 мкм. При реализации способа выбирались более близкие спектральные линии с тем, чтобы перемещения каретки не превышали единиц миллиметров, а изображение максимума на фотокатоде находилось в пределах его длины в крайних точках. При соблюдении указанных условий удалось получить разрешение на уровне долей пикселя фотокатода, кроме того, чем меньше диаметр исследуемой диафрагмы, тем больше должно быть расстояние между спектральными линиями . Например, для ном 500,0 мкм следует брать следующие пары длин волн вариант 1 з и г вариант 2 г и с. В первом случае х 3 мм, а во втором х 10 мм. Погрешность измерения по данному способу вычислялась согласно методике, изложенной в 1. Анализ предложенного способа показывает, что погрешность определения диаметра отверстия диафрагмы при условии, что интервалы х находятся с погрешностями, распределенными по нормальному закону и с равными среднеквадратическими отклонениями, меньше в среднем на 30 . Источники информации 1. Александров В.К., Галушко Е.В., Ильин В.Н. Размерный контроль ограничивающих диафрагм по дифракции Френеля // Автометрия. -3. - 1990. - С. 93-97. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5