Способ и устройство для определения шероховатости поверхности

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Пастухов Михаил Иванович Кондратенко Владимир Иванович Тихова Елена Леонидовна Сытько Владимир Владимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Способ определения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что освещают поверхность под прямым углом к ней широкоапертурным параллельным когерентным пучком света, разлагают отраженное поверхностью излучение в спектр пространственных частот, регистрируют интенсивность отраженного излучения на оси оптической системы, по которой судят об интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте, отличающийся тем, что дополнительно широкоапертурный параллельный когерентный пучок света подвергают пространственной модуляции с изменением амплитуды и фазы по закону косинуса,разлагают промодулированное отраженное поверхностью излучение в спектр пространственных частот и регистрируют интенсивность промодулированного излучения на оси оптической системы, по которой судят об интегральной интенсивности промодулированного отраженного излучения на заданной пространственной частоте, а о шероховатости поверхности судят по средней квадратической высоте микронеровностей на поверхности, которую определяют по отношению интегральной интенсивности промодулированного отраженного излучения на заданной пространственной частоте к интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте. 6158 1 2. Устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, последовательно установленный по ходу лазерного излучения расширитель лазерного пучка,полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 к оптической оси устройства, фокусирующую линзу и фотоприемник, расположенный в ее фокусе на оптической оси и электрически соединенный с измерительным блоком, отличающееся тем, что включает пространственный модулятор света для изменения амплитуды и фазы по закону косинуса и коллиматор, последовательно установленные между расширителем лазерного пучка и полупрозрачным зеркалом, причем пространственный модулятор света установлен с возможностью перемещения поперек оптической оси устройства.(56)3232885 1, 1984.02036416 1, 1995.1829570 1, 1996.0534288 1, 1993. Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к способам и устройствам для измерения шероховатости поверхности оптическими методами и может быть использовано для измерения среднеквадратической высоты микронеровностей с помощью широкоапертерных пучков света по методу рассеянного света. Известен способ измерения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что освещают поверхность изделия параллельным пучком монохроматического излучения,определяют интенсивности излучения, отраженного от поверхности изделия в зеркальном направлении и в направлении, отличном от зеркального, и определяют среднеквадратическое отклонение высот неровностей по отношению измеренных интенсивностей 1. Известный способ применяют при определении шероховатости сверхгладких полированных поверхностей. Однако при наличии на контролируемой поверхности анизотропии обработки точность и достоверность оценки шероховатости оказывается низкой, поскольку при наличии анизотропии существенно изменяется интенсивность зеркальной и отличной от зеркальной компонент отраженного излучения, результаты измерения отношения интенсивностей существенно зависят от ориентации контролируемой поверхности относительно фотоприемников. Различия в диапазонах измерений (достигающая для сверхгладких поверхностей более чем на порядок) порождают проблему согласования чувствительности фотоприемников. Известно устройство для измерения высоты микронеровностей поверхности, содержащая лазер, коллимирующую систему, полупрозрачное стекло, фокусирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположен фотоэлемент 2. В известном устройстве параллельный пучок света от лазера падает на исследуемую поверхность и отразившись от нее и снова пройдя через полупрозрачное зеркало, фокусируется в фокальной плоскости линзы-преобразователя Фурье. В результате этого фотоприемник регистрирует интенсивность излучения на нулевой пространственной частоте, по величине которой определяют высоту микронеровностей. Однако интенсивность излучения на нулевой пространственной частоте в значительной степени зависит от химического состава, физического состояния поверхности, наличия анизотропии обработки, что существенно снижает точность и достоверность определения шероховатости поверхности, особенно такого ее параметра,как среднеквадратичное отклонение профиля. Известен способ определения шероховатости поверхности, согласно которому исследуемую поверхность освещают когерентным пучком света, разлагают отраженное излучение в спектр пространственных частот, регистрируют интегральную интенсивность отраженного излучения на заданной пространственной частоте и интенсивность отражен 2 6158 1 ного излучения на нулевой пространственной частоте, по отношению которых судят о шероховатости поверхности 3. Согласно известному способу регистрируют интенсивность отраженного излучения на нулевой пространственной частоте путем измерения интенсивности зеркальной компоненты отраженного излучения, интегральную интенсивность отраженного излучения на заданной пространственной частоте регистрируют по интенсивности излучения в кольцевой плоскости осветительного конуса. Кольцевая плоскость осветительного конуса центрирована относительно зеркального отражения. Интенсивность зеркальной компоненты оценивают с помощью световода и фотоприемника, а интегральную интенсивность в кольцевой плоскости - с помощью световодного конуса и фотоприемника. В силу этого известный способ можно рассматривать как попытку определения шероховатости поверхности по отношению интегральной интенсивности излучения на заданной пространственной частотепри аксиальной (осевой) симметрии спектра пространственных частот и интенсивность излучения на нулевой пространственной частоте. В способе используется узкий лазерный пучок (лазерный луч), что позволяет разделить нулевую и заданную пространственные частоты только за счет удаления системы регистрации от контролируемой поверхности. Однако малость зоны контроля автоматически снижает достоверность определения шероховатости поверхности, особенно для сферических поверхностей, для которых автокорреляционная длинавелика, в то время как необходимым условием корректности применения оптических методов является требование, накладываемое на размер выборки, роль которой в настоящем случае играет размер зоны контроля , при статистической обработке параметров. Если же размер неоднородности достаточно велик, т.е. поверхность обладает определенной структурой, узкоапертурные измерения при помощи зондирующего светового пучка вообще теряет смысл, так как не будет выполняться условие зеркальности относительно средней линии профиля для зеркальной компоненты отраженного излучения. В известном способе применена оптическая система обработки информации, включающая световодный конус и световод, при этом лучи, соответствующие одной и той же пространственной частоте, но приходящие из разных точек контролируемой поверхности,пересекают фокальную плоскость регистрации под различными углами и, следовательно,при использовании интегрирующего конуса аппаратная функция прибора зависит от вида спектра и не может быть учтена при измерениях. При отражении средней квадратичной высоты микронеровностей анизотропных поверхностей влияние мертвых зон между фотоэлементами на достоверность измерения интегральной интенсивности на заданной пространственной частоте возрастает и вместо высоты микронеровностей выявляется дефект обработки поверхности. Наиболее близким к заявляемому является способ определения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверхность под прямым углом к ней широкоапертурным параллельным пучком когерентного света, разлагают отраженное поверхностью излучение в спектр пространственных частот, регистрируют интегральную интенсивность отраженного излучения на заданной пространственной частоте и интенсивность отраженного излучения на нулевой пространственной частоте по измерению интенсивности отраженного излучения на оси оптической системы 4. Известный способ обеспечивает определение качества поверхности путем выявления дефектов обработки, либо по измерению интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте 0, либо по измерению интегральной интенсивности на заданной пространственной частоте. При этом интегральную интенсивность отраженного излучения на заданной пространственной частоте определяют путем дискретной регистрации интенсивностей отраженного излучения кольцевой матрицей фотоприемников с последующим суммированием сигналов аппаратным методом (измерительным блоком), что 3 6158 1 обусловливает снижение точности регистрации интегральной интенсивности за счет погрешностей дискретизации. Целесообразное увеличение апертуры зондирующего пучка не реализуется устройством для реализации известного способа, поскольку увеличение ширины пучка приводит к значительному увеличению габаритов устройства, необходимому для разделения пространственных частот. С другой стороны, ограничение габаритов приводит к низкому разрешению пространственных частот. Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, установленные последовательно по ходу лазерного излучения расширитель светового пучка, полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 к оптической оси устройства, фокусирующую линзу и расположенный в ее фокусе фотоприемник, электрически соединенный с измерительным блоком 4. Использование кольцевой матрицы фотоприемников для регистрации интегральной интенсивности отраженного излучения на заданной пространственной частоте не позволяет повысить точность регистрации указанного параметра в виду возникновения погрешности дискретизации регистрации интенсивности, причем для анизотропных поверхностей названная оценка может быть недостоверной. Кроме того, индивидуальность чувствительности каждого отдельного фотоприемника, неидентичность изменения их параметров при старении вносят дополнительные инструментальные погрешности в оценку указанной интегральной интенсивности. Заявляемые способ и устройство решают задачу измерения среднеквадратичной высоты микронеровностей по методу рассеянного света. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении достоверности и точности определения среднеквадратичной высоты микронеровностей. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что способ определения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что освещают поверхность под прямым углом к ней широкоапертурным параллельным когерентным пучком света,разлагают отраженное поверхностью излучение в спектр пространственных частот, регистрируют интенсивность отраженного излучения на оси оптической системы, по которой судят об интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте,дополнительно широкоапертурный параллельный когерентный пучок света подвергают пространственной модуляции с изменением амплитуды и фазы по закону косинуса, разлагают промодулированное отраженное поверхностью излучение в спектр пространственных частот и регистрируют интенсивность промодулированного излучения на оси оптической системы, по которой судят об интегральной интенсивности промодулированного отраженного излучения на заданной пространственной частоте, а о шероховатости поверхности судят по средней квадратической высоте микронеровностей на поверхности,которую определяют по отношению интегральной интенсивности промодулированного отраженного излучения на заданной пространственной частоте к интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте. Способ реализуется с помощью устройства. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, последовательно установленный по ходу лазерного излучения расширитель лазерного пучка, полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 к оптической оси устройства, фокусирующую линзу и фотоприемник, расположенный в ее фокусе на оптической оси и электрически соединенный с измерительным блоком, включает пространственный модулятор света для изменения амплитуды и фазы по закону косинуса и коллиматор, последовательно установленные между расширителем лазерного пучка и полупрозрачным зеркалом, причем пространственный модулятор света установлен с возможностью перемещения поперек оптической оси устройства. 6158 1 Согласно заявляемому способу, в качестве освещающих (зондирующих) пучков когерентного света используют широкоапертурные параллельные пучки, нормально падающие на исследуемую поверхность. Широкоапертурность пучков предполагает разложение отраженного поверхностью излучения в спектры пространственных частот. В одном случае зондирующий пучок пространственно модулируют по амплитуде и фазе по закону косинуса, а в другом - нет. В обоих случаях регистрацию интенсивности отраженного и разложенного в спектр пространственных частот излучения осуществляют на оптической оси одним фотоприемником, расположенным на оптической оси в фокусе фокусирующей линзы, осуществляющей разложение отраженных излучений в спектры Фурье пространственных частот. В случае разложения в спектр немодулированного и отраженного поверхностью излучения на оптической оси в фокусе линзы локализуется нулевая пространственная частота спектра, интенсивность которой измеряется фотоприемником. В случае разложения в спектр промодулированного по закону косинуса и отраженного от поверхности излучения на оптической оси в фокусе фокусирующей линзы локализуется заданная пространственная частота, интегральная интенсивность которой регистрируется тем же фотоприемником. Рассмотрим влияние пространственной модуляции на изменение спектра пространственных частот, отраженного поверхностью когерентного излучения. Пусть освещающий пучок модулируется по закону косинусного пропускания, т.е. когда амплитуда и фаза пропускания связаны с ней зависимостью Т(х)- пропускание после прохождения пространственного модулятора в плоскости,перпендикулярной оптической оси 0 - пространственная частота модуляции- период (шаг) модуляции, конструктивно задаваемый пространственным модулятором. Отраженное от поверхности излучение также будет промодулировано в соответствии с выражением (1). Пусть- распределение поля в плоскости образца,спектр функции . Тогда поле дальней зоны (угловой спектр) запишется как Фурье - преобразование от произведения исходной функциина функцию пропускания модулятора Т(х), т.е.( 0 )как нетрудно показать, последний интеграл может быть сведен к виду(0)(-). Таким образом, результатом воздействия пространственной модуляции будет смещение спектральных составляющих на величину 0, т.е. нулевая пространственная частота окажется размытой по кольцу радиусом 0, а текущая частота в спектре сдвинется к центру на величину 0 и при сохранении аксиального характера спектра локализуется на оптической оси, т.е. в центре спектра. При этом интенсивность локализованного излучения на оси излучения будет соответствовать интенсивности излучения, рассеянного под острым углом 00 и 2 проинтегрированного по азимутальному углу, где 0 - пространственная частота, задаваемая косинусной модуляцией (косинусным пропусканием) в соответствии с выражением (2). При этом нулевая пространственная частота окажется локализованной на кольцевой поверхности,вокруг оптической оси, отстоящей от оси на уголв фокальной плоскости фокусирующей линзы. Интенсивность нулевой пространственной частоты, локализованной по кольцу, будет 5 6158 1 соответствовать интенсивности нулевой пространственной частоты, локализованной на оптической оси в фокусе линзы, но без пространственной модуляции пучка. Интенсивность излучения, проинтегрированного по азимутальному углу и рассеянного под углом , локализованного на оптической оси в результате действия модулятора и фокусирующей линзы, является интегральной интенсивностью отраженного излучения на заданной пространственной частоте. При отсутствии модуляции пучка нулевая пространственная частота локализуется на оптической оси в фокусе фокусирующей линзы и сохраняется аксиальный характер спектра пространственных частот в фокальной плоскости линзы. Следует иметь в виду, что при наличии анизотропии обработки шаг ,значит и 0 могут быть выбраны таким образом, что пространственные частоты, соответствующие анизотропии, не совпадут с 0, а значит не локализуются на оптической оси в фокальной плоскости линзы, что позволяет избежать погрешностей измерения интегральной интенсивности на заданной пространственной частоте, обусловленных анизотропией обработки. Интегрирование по азимутальному углу осуществляется аналогичным путем в результате разложения в спектр Фурье промодулированного по закону косинуса отраженного поверхностного излучения. Интенсивности на пространственных частотах и нулевой пространственной частоте (т.е. с модуляцией и без нее) регистрируются одним и тем же фотоприемником, расположенным в фокусе линзы. Нормальное падение освещающих пучков обеспечивает симметричность (аксиальность) спектров до и после модуляции и возможность локализации излучения на оптической оси в фокальной плоскости. Указанные факторы способствуют получению достоверной и более точной оценки интенсивности отраженного излучения на нулевой пространственной частоте и интегральной интенсивности на заданной пространственной частоте. Оценки среднеквадратичной высоты микронеровностей определяют по отношению интегральной интенсивности отраженного излучения на заданной пространственной частоте (0 ) к интегральной интенсивности нулевой пространственной частоты (3), измеренной без модуляции, т.е. где- шаг или период модуляции- автокорреляционный радиус- длина волны зондирующего излучения. Поскольку формула (3) справедлива для Гауссовой статистики, то при произвольной статистике явного выражения не будет, однако однозначность зависимости позволяет произвести калибровку устройства и получить эмпирическую зависимость.0 На фигуре 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства для определения шероховатости поверхности. Фигура 2 иллюстрирует вариант выполнения пространственного модулятора. 6 6158 1 Устройство содержит лазер 1, последовательно установленные по ходу лазерного излучения расширитель лазерного пучка 2, пространственный модулятор света 3, коллиматор 4, полупрозрачное плоское зеркало 5, установленное под углом в 45 к оптической оси, фокусирующую линзу 6, фотоприемник 7, электрически связанный с измерительным блоком (на фигуре не показан). Исследуемая поверхность 8 установлена в передней фокальной плоскости линзы 6, а фотоприемник 7 установлен на оптической оси в фокусе линзы 6. Перед фотоприемником 7 установлена диафрагма 9 в форме отверстия. Полупрозрачное зеркало 5 установлено под углом 45 к оптической оси, проходящей через лазер 1, расширитель 2, модулятор 3, коллиматор 4 и под углом 45 к оптической оси, проходящей через фокусирующую линзу 5 и фотоприемник 7. Коллиматор 4 выполнен в виде конфокально установленных линз. Пространственный модулятор света 3 установлен с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси (направлению распространения - отмечено стрелкой). Модулятор 3 закреплен в обойме (на фигуре не показана), связанной механизмом перемещения (на фигуре не показан), который обеспечивает перемещение модулятора 3 в два крайних положения по центру лазерного пучка и вне лазерного пучка. Пространственный модулятор света 3 выполнен (см. фиг. 2) в виде комбинации полуволновой фазовой пластины 10 и амплитудного плоского транспаранта 11, причем последний выполнен в виде чередующихся с шагомпрозрачных и непрозрачных концентрических кольцевых полос и центрального прозрачного диаметром , а 4 пропускание амплитудной пластины изменяется по закону . Фазовая пластина 10 выполнена в виде набора концентрических полуволновых пластинок равной ширины, расположенных в одной плоскости таким образом, что максимальное изменение фазы совпадает с максимумом пропускания, а минимум - с минимумом пропускания. Возможны и другие варианты выполнения пространственного модулятора света, например, методом машинного (численного) синтеза изображений, либо с привлечением средств когерентной оптики и голографии. В начальном положении центр амплитудного транспаранта совпадает с осью лазерного пучка. Устройство работает следующим образом. Лазерный пучок от лазера 1, расширяется расширителем 2 до размеров модулятора 3, проходя последний, пространственно модулируется по закону косинусного пропускания Т 0. Коллиматор 4 формирует на контролируемой поверхности 8 параллельный широкоапертурный пучок света, сохраняя косинусный закон пропускания, направляет пучок на полупрозрачное плоское зеркало 5,которое направляет пучок по нормали на контролируемую поверхность 8. Отраженное от поверхности 8 излучение промодулировано по закону косинусного пропускания. Оно попадает на Фурье преобразующую линзу 6, которая разлагает его в спектр пространственных частот, подвергая преобразованию Фурье. Интегральная интенсивность (0),соответствующая пространственной частоте 0 и локализованная линзой 6 на фотоприемнике 7, регистрируется и измерительным блоком. Перемещают модулятор 3 в плоскости,перпендикулярной оптической оси лазерного пучка, выводя его тем самым из последнего. В этом случае зондирующий пучок не подвергается пространственной модуляции. Отраженное от контролируемой поверхности излучение подвергается разложению в спектр пространственных частот линзой 6, а интенсивность отраженного излучения на нулевой пространственной частоте 3 регистрируется фотоприемником 7 и измерительным блоком.0, а по нему - величину среднеквадратичной высоПоследний определяет отношение 3 ты микронеровностей . Благодаря модулятору 3 и линзе 6 при пространственной модуляции пучка происходит непрерывное аналоговое интегрирование и регистрация интенсивности отраженного 7 6158 1 излучения на частоте 0, причем измерение компонент излучения с модуляцией и без нее осуществляют одним и тем же фотоприемником 7. Благодаря указанным особенностям регистрации, устраняются методическая погрешность измерения интегральной интенсивности света на заданной пространственной частоте 0, обусловленная дискретизацией расположения фотоприемников в известном решении,и инструментальные погрешности, связанные с неидентичностью свойств фотоприемников. При наличии нескольких пространственных модуляторов 3, изготовленных для нескольких пространственных частот 01, 02 модуляторы можно заменить в объеме, что позволяет установить требуемую (заданную) пространственную частоту, в наибольшей степени соответствующую диапазону микронеровностей и наличию анизотропии обработки. В этих случаях диафрагма обеспечивает возможность согласования чувствительности фотоприемника 7 для разных диапазонов, что также способствует повышению точности. В результате повышается точность и достоверность определения среднеквадратичной высоты микронеровностей. Источники информации 1. А.с. СССР 815492, МПК 01 В 11/30, 1981. 2. Заявка Японии 58-13842, МПК 0111/06,01 21/41, 1983. 3. Заявка ЕПВ 0101375, МПК 01 11/30, 1984. 4. Заявка ФРГ 3232885, МПК 01 11/30, 1984 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8