Способ измерения диаметра протяженных отверстий

(51)01 11/12 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОТЯЖЕННЫХ ОТВЕРСТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(72) Авторы Ильин Виктор Николаевич Дубешко Александр Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(57) Способ измерения диаметра протяженных отверстий, включающий освещение отверстия монохроматическим пучком длиной волны 1, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, отличающийся тем, что модулируют монохроматический пучок длиной волны 1, преобразуют его в сходящийся, освещают им входную плоскость отверстия, создают второй монохроматический пучок с другой длиной волны 2, причем 21, модулируют его в противофазе к первому пучку, преобразуют в расходящийся и освещают им выходную плоскость отверстия, формируют за отверстием на одной плоскости одноименные дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности порядка , принадлежащими этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка вдоль оптической оси, а диаметр отверстиявычисляют с учетом величин , 1, 2 по формуле,12 где- номинальное расстояние между максимумами интенсивности выделенного порядка для протяженного отверстия 7225 1 2005.09.30 х - смещение между максимумами интенсивности выделенного порядка при погрешности изготовления отверстия. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения диаметров отверстий миллиметрового и микрометрового размеров. Известен способ измерения диаметра отверстий 1, заключающийся в том, что освещают коллимированным пучком монохроматического излучения измеряемое отверстие,регистрируют интенсивность излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, фиксируют координаты трех последовательных центральных минимумов/максимумов интенсивности излучения в дифракционной картине, определяют диаметр отверстия с учетом зафиксированных координат. Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений из-за значительной методической погрешности при измерении отверстий, имеющих протяженность. Это связано с существенным снижением контрастности суммарного дифракционного распределения, которое формируется за отверстием от его входной и выходной плоскостей с различным фазовым сдвигом. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение, - повышение точности измерения диаметра протяженных отверстий за счет улучшения контрастности одноименных дифракционных изображений, полученных от входной и выходной плоскостей отверстия для двух разных длин волн. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра протяженных отверстий, включающем освещение отверстия монохроматическим пучком длиной волны 1, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, модулируют монохроматический пучок длиной волны 1, преобразуют его в сходящийся, освещают им входную плоскость отверстия, создают второй монохроматический пучок с другой длиной волны 2, причем 21, модулируют его в противофазе к первому пучку,преобразуют в расходящийся и освещают им выходную плоскость отверстия, формируют за отверстием на одной плоскости одноименные дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности порядка , принадлежащим этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка вдоль оптической оси, а диаметр отверстиявычисляют с учетом величин , 1, 2 по формуле,где- номинальное расстояние между максимумами интенсивности выделенного порядка для протяженного отверстия х - смещение между максимумами интенсивности выделенного порядка при погрешности изготовления отверстия. Совокупность указанных признаков обеспечивает более высокую точность измерения диаметра протяженных отверстий за счет повышения контрастности дифракционных максимумов и исключения влияния дифракции от входной плоскости на выходную, использования двух разных длин волн и выделения максимумов с одноименными порядками,имеющими одинаковый радиус и протяженность. Кроме того, существенно повысилась производительность способа за счет сокращения диапазона перемещения зеркала и времени обработки видеоимпульсов микропроцессором вследствие модуляции излучений лазеров в противофазе и формирования дифракционных изображений в одной плоскости. Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Формируют два монохроматических пучка света с разной длиной волны 1 и 2, причем 21. Модулируют оба пучка в противофазе и преобразуют первый в сходящийся, а второй в расходящийся пучки. После этого попеременно, т.е. со сдвигом по фазе на 180, 2 7225 1 2005.09.30 освещают измеряемое протяженное отверстие на входной плоскости сходящимся монохроматическим пучком, имеющим длину волны 1, и на выходной плоскости - расходящимся монохроматическим пучком с длиной волны 2. Затем формируют за отверстием на одной плоскости дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности по оси одного и того же порядка(например,5), после чего фиксируют координату их местоположения по оси. По значению полученных координат с учетом , 1 и 2 вычисляют искомый диаметр отверстия. На фиг. 1 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где обозначены 1 - микропроцессор, 2 - первый источник излучения, 3 - первая телескопическая система, 4 - светоделительная пластина, 5 - контролируемое протяженное отверстие,6 - базовая плоскость, 7 - подвижное зеркало, 8 - привод, 9 - объектив, 10 - фотодиодная линейка, 11 - второй источник излучения, 12 - вторая телескопическая система 1 2 3 соответственно направление перемещения линз телескопических систем 3, 12 и зеркала 71, ,2 - максимумы заданного порядка для выбранных длин волн 1 и 2 пунктирными линиями обозначены новые положения зеркала при его перемещении. На фиг. 2 схематично показано продольное сечение протяженного отверстия и способ его освещения, где А, В - входная и выходная плоскости протяженного отверстия 1, 2 - освещающие пучки , ХВ - область геометрической тени,- диаметры на входной и выходной плоскостях отверстия 2 - средний диаметр- длина (протяженность) отверстия ,1, ,2 - дифракционные максимумы ,1, ,2 - расстояния от плоскостей отверстия до дифракционных максимумов для различных длин волн. На фиг. 3 а,б схематично показаны продольные сечения дифракционных максимумов(ДМ) для двух длин волн от входной и выходной плоскостей отверстия а) максимумы сформировались в одной плоскости - погрешность радиуса отверстия 0 б) максимумы сформировались в разных плоскостях на расстоянии Х - погрешность радиуса отверстия 0- протяженность максимума на уровне 0,75 А (максимальной амплитуды) 3 - величина перемещения зеркала 7. Способ реализован следующим образом (фиг. 1). Микропроцессор 1 управляет включением первого 2 и второго 11 лазеров попеременно, т.е. модулируя их излучение в противофазе. Лазер 2 генерирует монохроматическое излучение с длиной волны 1, которое посредством первой телескопической системы 3 преобразуется в сходящийся пучок за счет юстировочного движения линзы 1. Сформированный пучок 1 (фиг. 2) проходит светоделитель 4 и освещает на входной плоскостиизмеряемое отверстие 5, установ ленное на базовой плоскости 6. На выходной плоскости при этом образуется область геометрической тени Х, размер которой определяется из соотношения протяженности и радиуса отверстия. В противофазе первому пучку излучение от второго источника 11 с длиной волны 2 с помощью второй телескопической системы 12 преобразуется в расходящийся световой пучок 2, проходит светоделитель 4 и освещает измеряемое отверстие 5 на выходной плоскости. При этом на входной плоскостиобразуется области геомет рической тени , размер которой также определяется из соотношения протяженности и радиуса отверстия. За протяженным отверстием 5 для каждой длины волны на расстояниях ,1 и ,2 формируются центральные дифракционные максимумы ,1 и ,2. Взаимное расположение подвижного зеркала 7 и объектива 9 таково, что фокальная плоскость объектива находится в крайнем расчетном положении 1, которое соответствует началу максимума на уровне 0,5 его амплитуды. Этому положению также соответствует изображение максимума на фотодиодной линейке 10 точка 1. Далее зеркало 7 посредством привода 8, управляемого микропроцессором, смещается вдоль оптической оси во второе крайнее положение 2, соответствующее окончанию дифракционного максимума. Этому положению бу 3 7225 1 2005.09.30 дет соответствовать изображение на фотодиодной линейке 3. Зеркало 7 совершает несколько возвратно-поступательных перемещений между точками 1 и 2 с целью последующего вычисления среднего значения диаметра по нескольким измерениям. Микропроцессор 10 по заданной программе осуществляет управление лазерами 2 и 11,обеспечивая включение и временное разделение сигналов, управление фотодиодной линейкой 10, осуществляя съем и обработку фотоимпульсов, а также управление приводом 8, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение зеркала 7. Строгая геометрия периодической решетки пикселей фотокатода фотодиодной линейки 10 позволяет определять местоположение центра видеоимпульса (точка 2) с погрешностью не хуже 1 мкм. Покажем, что существует аналитическая связь между диаметром 2 протяженного отверстия и положением дифракционных максимумов для 1 и 2, если. Протяженное отверстие на входной плоскости освещается сходящимся пучком 1,диаметр которого превышает величину(фиг. 2). Угол сходимости 1 пучка 1 задает ся таким, чтобы на выходной плоскости сформировалась область геометрической тени(1)ном 1. Отверстие на выходной плоскости освещается расходящимся пучком 2, диаметр которого меньше, а угол расходимости 2 задается таким, чтобы сформировалась об ласть геометрической тени , а в плоскости В диаметр пучка должен быть больше диаметра отверстия с плюсовым предельным отклонением. В частном случае Х и 12. Известно 3,что расстояния от отверстия до дифракционного максимума для разных длин волн равны(3) 22/(,1-) (2-1) с тем, чтобы выделяемые максимумы сформировались на одной плоскости за отверстием. Для тонкого отверстия, не имеющего протяженности, расстояние 1 между максимумами будет равно(12 ) Для протяженного отверстия, когда максимумы формируются в одной плоскости(фиг. 3 а), 1 Н. Номинальное значение Н заносится в память микропроцессора и используется при вычислении номинального диаметра 2 по формуле (5). Если отверстие имеет погрешность изготовления , то максимумы сформируются в разных плоскостях (фиг. 3 б) и появится смещение . В формулу (5) подставляется значение 1(Н), т.е.( 12 ) Величину диаметра протяженного отверстия вычисляют по (6). Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1. Источник излучения 2 и 11 представляет собой полупроводниковые лазеры Л-3, имеющие длину волны 650 нм и 670 нм со встроенными телескопическими системами 3 и 12. Частота переключения лазеров в противофазном режиме - 10 кГц. За счет изменения по 4 7225 1 2005.09.30 ложения одной из линз телескопической системы осуществлялась перестройка пучка либо в сходящийся, либо расходящийся. Зеркало 7 устанавливалось на подвижную каретку,управляемую линейным приводом. Диапазон перемещения каретки составлял, например,при контроле отверстий протяженностью 10 мм и диаметром 10,01 мм около 6,0 мм. Основным элементом микропроцессорного устройства является микроконтроллер 902313 фирмы , а фотодиодная линейка - 703 А - фирмы . 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.