RU2148790C1 - Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей - Google Patents
Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2148790C1 RU2148790C1 RU93052884A RU93052884A RU2148790C1 RU 2148790 C1 RU2148790 C1 RU 2148790C1 RU 93052884 A RU93052884 A RU 93052884A RU 93052884 A RU93052884 A RU 93052884A RU 2148790 C1 RU2148790 C1 RU 2148790C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angle
- scattered
- light beam
- directed
- reflected light
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптических измерений, прежде всего шероховатости поверхностей. Изобретение использует метод триангуляции, при котором регулируют угол между поверхностью и измерительным лучом, создаваемым лазером. Образованное на поверхности световое пятно должно быть тем меньше, чем точнее должно быть разрешение. На практике в этих диапазонах возникают явления интерференции, которые в виде пятнышек искажают измеряемый сигнал посредством шумов. Изобретение значительно улучшает обрабатываемость полученных сигналов за счет того, что рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагается в зависимости от угла на два частичных пучка приблизительно с одинаковым распределение поверхностей интенсивности перпендикулярно направлению излучения и что оба световых пучка детектируют затем фотодиодами и по сигналам определяют параметры шероховатости. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к способу высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля методом триангуляции.
Подобный способ и устройство известны из заявки ФРГ N 3435033, согласно которой способ измерения высот или расстояний осуществляют в плоскости измеряемого объекта без необходимости фокусирования при этом проекционной оптики, если устройство отвечает условиям правила Шаймпфлуга. За счет этого можно улучшить прежде всего точность определения при смещении светового пятна на фотоприемнике. Выдерживаемое как можно меньшим световое пятно создается при этом кромкой, проецируемой на измеряемой поверхности и фокусируемой оттуда на фотоприемник. При использовании лазера в качестве источника света у шероховатых поверхностей происходит слишком сильный шум измеренных значений прежде всего из-за так называемой пятнистости отображенного на фотоприемнике светового пятна. Обусловленный этим шум тем сильнее, чем меньше световое пятно на измеряемой поверхности. При измерениях шероховатости диаметр составляет несколько мкм (мт), вот почему следует использовать лазерное излучение. С другой стороны, однако, образование острой кромки ограничено малостью светового пятна.
Из патента ФРГ N 2945251 известно, что триангуляционным методом можно очень точно измерить изменения удаления и тем самым поверхностные профили. Для этого лазерный луч направляют наклонно на измеряемую поверхность. С помощью оптики, расположенной перпендикулярно поверхности, световое пятно проецируют на позиционно-чувствительном фотоприемнике. Спроецированное на фотоприемнике световое пятно смещается пропорционально изменению удаления пробы (объекта). С помощью дифференциального фотодиода или фотодиодной линейки в качестве фотоприемника, например, электронным путем определяют смещение светового пятна и тем самым изменение удаления измеряемой поверхности. Главный недостаток этого способа состоит в том, что при использовании лазерного излучения и измерении шероховатости поверхностей световое пятно распадается на множество отдельных пятнышек, что здесь также приводит к сильному шуму измеренных значений.
Задача предлагаемого изобретения состоит в создании такого способа и устройства для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей, с помощью которых уменьшаются лазерные шумы, а также шумы пятнышек, измеренных значений при триангуляционном методе таким образом, чтобы даже при очень маленьких диаметрах светового пятна можно было измерять изменения расстояний с высокой точностью. Таким образом, должна быть прежде всего создана возможность определения шероховатости с помощью такого рода измерений.
Эта задача решается благодаря тому, что в способе высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, при котором на поверхность направляют измерительный луч лазера и рассеянный или отраженный световой пучок фокусируют при помощи проекционной оптики, а также детектируют фотодиодами, причем угол между поверхностью и измерительным лучом можно регулировать в пределах от 0 до 180 градусов, рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагают на два световых пучка приблизительно с одинаковым распределением поверхностной интенсивности перпендикулярно направлению излучения, а детектируемые фотодиодами сигналы подают к дифференциальному усилителю.
В этих условиях приходят к соотношению интенсивностей обоих пучков, которое зависит от направления основного излучения рассеянного или отраженного от поверхности светового пучка. И согласно изобретению следует, что один или оба частичных пучка детектируют фотодиодами и результаты обрабатывают в качестве меры шероховатости.
Согласно одному из предпочтительных вариантов рассеянный или отраженный световой пучок подвергают разложению подачей на плоскую границу раздела к оптически менее плотной диэлектрической среде вблизи угла полного отражения и отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют ко второму фотоприемнику.
Сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным путем изменения интенсивности измерительного луча, а сигнал с другого фотодиода индицируют.
Рассеянный или отраженный световой пучок после разложения светоделителем направляют на границу раздела с переходом стекло/воздух вблизи угла полного отражения и границы раздела обоих переходов стекло/воздух располагают под углом друг к другу, который самое большее равен сумме их углов полного отражения в дополнение к углу расходимости частичных пучков.
Кроме того, указанная задача решается благодаря тому, что в устройстве для высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, содержащем лазер, проекционную оптику и устройство с фотодиодной линейкой для детектирования отраженного или рассеянного светового пучка, а также регулировочное устройство для регулирования угла между измерительным пучком и поверхностью от 0 до 180 градусов, для распространения рассеянного или отраженного светового пучка предусмотрено отклоняющее тело, которое установлено в ход лучей для обеспечения попадания рассеянного или отраженного светового пучка на поверхность отклоняющего тела под углом вблизи угла полного отражения и для каждого частичного пучка предусмотрен фотоприемник, сигналы с которых подаются на дифференциальный усилитель. Причем в качестве отклоняющего тела предусмотрена отклоняющая призма, на поверхность гипотенузы которой рассеянный или отраженный световой пучок направлен под углом вблизи угла полного отражения. Согласно другому варианту в качестве отклоняющего тела предусмотрен светоделитель, за выходной стороной которого установлены друг за другом две призмы, на поверхности гипотенуз которых частичные пучки направлены под углом падения, приближающимся к углу полного отражения, и оба отраженных по два раза частичных пучка направлены к одной линзе и к одному фотодиоду.
Для наглядности изобретения производится ссылка на более подробно поясняющие его примеры выполнения на чертежах, на которых показано:
фиг. 1: первый пример выполнения изобретения с отклоняющей призмой для зависимого от угла разложения,
фиг. 2: второй пример выполнения изобретения с двумя работающими в противотакте отклоняющими призмами и дифференциальным усилителем, присоединенным к обоим последовательно включенным фотоприемникам.
фиг. 1: первый пример выполнения изобретения с отклоняющей призмой для зависимого от угла разложения,
фиг. 2: второй пример выполнения изобретения с двумя работающими в противотакте отклоняющими призмами и дифференциальным усилителем, присоединенным к обоим последовательно включенным фотоприемникам.
На фиг. 1 показан лазерный диод 1, коллимированный лазерный луч 2 которого направляют проекционной оптикой 3 на измеряемую поверхность 4 пробы (объекта). Рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок 5 преобразуется затем коллиматором 6 в почти параллельный световой пучок 7. Этот пучок 7 попадает на отклоняющую призму 8, разлагающую его на два частичных пучка 9, 10 приблизительно с одинаковым поверхностным распределением интенсивности перпендикулярно направлению излучения. Если смотреть в направлении излучения пучка 7, то угол падения на поверхность гипотенузы призмы 8 лежит предпочтительно на переходе к полному отражению. Соотношение общих интенсивностей (соответственно суммированных по сечению) обоих пучков 9, 10 зависит тогда только от угла падения, т.е. от направления излучения рассеянного или отраженного от поверхности пучка 5. После этого отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют ко второму фотоприемнику. Электрические сигналы обоих фотоприемников 11, 12 (при этом речь идет, например, о двух фотодиодах) могут быть использованы таким образом, что сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным, например, путем изменения интенсивности измерительного луча лазерного диода 1, а сигнал с другого фотодиода индицируют. Таким образом можно регулировать изменения отражения поверхности 4. Другая возможность состоит в том, чтобы поддерживать постоянной сумму обоих фотодиодов и индицировать разность.
На фиг. 2 также показан лазерный диод 1, коллимированный лазерный луч 2 которого направляют проекционной оптикой 3 на измеряемую поверхность 4 пробы, а рассеянный/отраженный световой пучок 5 преобразуется коллиматором 6 в почти параллельный световой пучок 7. Этот пучок 7 разлагается затем светоделителем 13 на два одинаковых частичных пучка, которые отклоняются соответственно на поверхностях гипотенуз двух последовательно установленных призм 14, 15 и 16, 17. Углы падения на поверхности гипотенуз призм лежат предпочтительно на переходе к полному отражению. Призмы 14, 15 и 16, 17 регулируют так, что при изменении угла пучка 7 углы падения одного пучка приближаются к углам полного отражения, в то время как углы падения другого пучка удаляются от углов полного отражения. Оба отраженных по два раза пучка направляют затем через линзу 18, 19 к фотодиоду 20, 21, а пропущенные доли здесь не используются. Обработка сигналов происходит как и в случае примера выполнения 1. Свободный выбор рабочей точки на кривой пропускания-отражения, достигнутый за счет регулируемости призм, обеспечивает оптимальное использование чувствительности способа.
Claims (7)
1. Способ высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, при котором на поверхность направляют измерительный луч лазера и рассеянный или отраженный световой пучок фокусируют при помощи проекционной оптики, а также детектируют фотодиодами, причем угол между поверхностью и измерительным лучом можно регулировать в пределах 0 - 180o, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный от поверхности световой пучок оптически разлагают на два световых пучка приблизительно с одинаковым распределением поверхностной интенсивности перпендикулярно направлению излучения, а детектируемые фотодиодами сигналы подают к дифференциальному усилителю.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный световой пучок подвергают разложению подачей на плоскую границу раздела к оптически менее плотной диэлектрической среде вблизи угла полного отражения и отраженный световой пучок направляют к первому фотоприемнику и/или пропущенный световой пучок направляют к второму фотоприемнику.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что сигнал с одного из фотодиодов поддерживают постоянным путем изменения интенсивности измерительного луча, а сигнал с другого фотодиода индицируют.
4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рассеянный или отраженный световой пучок после разложения в светоделителе направляют на границу раздела с переходом стекло/воздух вблизи угла полного отражения и границы раздела обоих переходов стекло/воздух располагают под углом друг к другу, который самое большее равен сумме их углов полного отражения в дополнение к углу расходимости частичных пучков.
5. Устройство высокоточного бесконтактного измерения расстояний для определения профиля, в частности шероховатости поверхностей, методом триангуляции, содержащее лазер, проекционную оптику и устройство с фотодиодной линейкой для детектирования отраженного или рассеянного светового пучка, а также регулировочное устройство для регулирования угла между измерительным лучом и поверхностью от 0 до 180o, отличающееся тем, что для распространения рассеянного или отраженного светового пучка предусмотрено отклоняющее тело, которое установлено в ход лучей для обеспечения попадания рассеянного или отраженного светового пучка на поверхность отклоняющего тела под углом, вблизи угла полного отражения, и для каждого частичного пучка предусмотрен фотоприемник, сигнал с которого подается на дифференциальный усилитель.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве отклоняющего тела предусмотрена отклоняющая призма, на поверхность гипотенузы которой рассеянный или отраженный световой пучок направлен под углом, вблизи угла полного отражения.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве отклоняющего тела предусмотрен светоделитель, за выходной стороной которого установлены друг за другом две призмы, на поверхности гипотенуз которых частичные пучки направлены под углом падения, приближающимся к углу полного отражения, и оба отраженных по два раза частичных пучка направлены к одной линзе и к одному фотодиоду.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93052884A RU2148790C1 (ru) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93052884A RU2148790C1 (ru) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93052884A RU93052884A (ru) | 1996-05-20 |
RU2148790C1 true RU2148790C1 (ru) | 2000-05-10 |
Family
ID=20149510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93052884A RU2148790C1 (ru) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2148790C1 (ru) |
-
1993
- 1993-11-12 RU RU93052884A patent/RU2148790C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Комраков Б.Б. и др. Измерение параметров оптических покрытий. - М.: Машиностроение, 1986, с.39. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4660980A (en) | Apparatus for measuring thickness of object transparent to light utilizing interferometric method | |
EP0279347B1 (en) | Optical axis displacement sensor | |
GB2144537A (en) | Profile measuring instrument | |
JP2529691B2 (ja) | 光学式距離測定装置及び支持部材上の部品の位置を決定する装置 | |
US3815998A (en) | Surface contrast system and method | |
JPH0363001B2 (ru) | ||
JPH0652170B2 (ja) | 光結像式非接触位置測定装置 | |
EP0792438B1 (en) | Method and device for determining the thickness of a layer applied to an optical fiber | |
JP4130236B2 (ja) | 物体表面形状測定方法及び装置 | |
US5870199A (en) | Method and apparatus for highly accurate distance measurement with respect to surfaces | |
US4952816A (en) | Focus detection system with zero crossing detection for use in optical measuring systems | |
US5124563A (en) | Optical scanning method and device for measuring the width of lines | |
JP2533514B2 (ja) | 凹部深さ・膜厚測定装置 | |
RU2148790C1 (ru) | Способ и устройство для высокоточного бесконтактного измерения расстояний поверхностей | |
Wang | Long-range optical triangulation utilising collimated probe beam | |
ATE453851T1 (de) | Optischer sensor zur messung des abstands und der neigung einer fläche | |
JPS58169008A (ja) | 光学式位置測定装置 | |
JPS60243583A (ja) | レ−ザドツプラ速度計 | |
JP2859359B2 (ja) | 微小寸法測定方法 | |
Kohno | On a few functions of HIPOSS (high precision optical surface sensor) and their applications | |
JPS6236502A (ja) | 微小変位測定顕微鏡 | |
JPH0231103A (ja) | パターン立体形状検知装置 | |
JPS6199806A (ja) | 溝の深さ測定装置 | |
JPS63153442A (ja) | ビ−ムスプリツタの光学特性測定装置 | |
JPH0560557A (ja) | 光学式微小変位測定方法及び装置 |