RU2165073C1

RU2165073C1 - Method checking horizontal position of surface

Info

Publication number: RU2165073C1
Application number: RU2000107137/28A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Безуглый; А.А. Федорец
Original assignee: Тюменский государственный университет
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: optical methods of control of horizontal position of surfaces. SUBSTANCE: thermocapillary convective vortex is excited in layer of low-viscosity clear liquid placed on radiation absorbing substrate by laser beam in agreement with invention. Free surface of liquid is deformed, deformation having shape of recess. Interference picture is observed on screen that is positioned in cross-section of caustic of laser beam reflected from recess. Horizontal position of surface is checked by form and distribution of intensity in interference picture. EFFECT: enhanced accuracy of check of horizontal position of surface. 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим способам контроля горизонтальности поверхности. The invention relates to optical methods for controlling the horizontal surface.

Известны наклономеры [1, 2, 3], принцип работы которых основан на применении маятников различных модификаций. При разработке таких приборов приходится учитывать два противоречивых требования. С одной стороны, для высокой чувствительности необходимо, чтобы трение при смещении маятника было минимальным (например, с этой целью в [1] под маятником создают воздушную подушку), с другой стороны, для гашения вибраций, толчков и сокращения времени установления маятника его необходимо демпфировать [2, 3]. Отсюда сложность оптимизации измерений в устройствах этого типа. Known tiltmeters [1, 2, 3], the principle of which is based on the use of pendulums of various modifications. When developing such devices, two conflicting requirements have to be taken into account. On the one hand, for high sensitivity, it is necessary that the friction when the pendulum is displaced is minimal (for example, for this purpose an air cushion is created under the pendulum in [1]), on the other hand, to damp vibrations, shocks and reduce the time it takes to establish the pendulum [2, 3]. Hence the difficulty of optimizing measurements in devices of this type.

Известен датчик угла наклона объекта [4], в котором внутри сферического корпуса, заполненного поглощающей излучение жидкостью, размещен световод. Между двумя полусферами световода расположен источник, поток оптического излучения которого проходит без ослабления лишь в зоне расположения пузырька газа, содержащегося в жидкости. Пройдя через щелевую диафрагму, поток попадает на закрепленные на ней приемники оптического излучения, вырабатывающие электрический позиционный сигнал. Недостатком способа измерения, применяемого в этом устройстве, является ограничение чувствительности, связанное с размерами газового пузырька и дискретностью расположения фотоприемников. A known sensor angle of inclination of the object [4], in which a fiber is placed inside a spherical body filled with radiation absorbing liquid. A source is located between the two hemispheres of the fiber, the optical radiation flux of which passes without attenuation only in the zone of the gas bubble contained in the liquid. Having passed through the slotted diaphragm, the flow enters the optical radiation receivers fixed on it, generating an electric positional signal. The disadvantage of the measurement method used in this device is the sensitivity limit associated with the size of the gas bubble and the discreteness of the location of the photodetectors.

Предлагаемый способ позволяет повысить чувствительность и упростить процесс контроля горизонтальности поверхности. The proposed method allows to increase sensitivity and simplify the process of controlling the horizontal surface.

Способ состоит в том, что лазерным пучком в слое маловязкой прозрачной жидкости на поглощающей излучение подложке индуцируют термокапиллярный (ТК) конвективный вихрь, приводящий к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления [5,6,7]. Горизонтальность поверхности контролируют по форме интерференционной картины (ТК отклика [6,7]) и распределению интенсивности в ней, наблюдая это на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера. The method consists in the fact that a laser beam in a layer of a low-viscosity transparent liquid is induced on a radiation-absorbing substrate by a thermocapillary (TC) convective vortex, which leads to dynamic deformation of the free surface of the liquid in the form of a recess [5,6,7]. The horizontal surface is controlled by the shape of the interference pattern (TC response [6,7]) and the intensity distribution in it, observing this on a screen placed in the cross section of the caustic of the laser beam reflected from the recess.

Пример. На фиг. 1 показана серия фотографий ТК отклика, полученная при облучении пучком He-Ne лазера (мощностью 1 мВт) слоя октана на эбонитовой подложке. Снимки расположены в порядке возрастания угла α наклона плоскости подложки к горизонтальной плоскости, но при постоянной толщине (200 мкм) слоя в центре индуцирующего конвекцию лазерного пучка. (Для устранения сильной неоднородности по яркости в ТК откликах при печати снимков (нижний ряд, начиная со второго) применялась техника каширования). Example. In FIG. Figure 1 shows a series of photos of the TC response obtained by irradiating an He-Ne laser (1 mW power) with an octane layer on an ebonite substrate. The images are arranged in increasing order of the angle α of inclination of the substrate plane to the horizontal plane, but with a constant thickness (200 μm) of the layer in the center of the convection-inducing laser beam. (To eliminate strong heterogeneity in brightness in the TC responses when printing images (bottom row, starting from the second), the technique of lamination was used).

Схема эксперимента показана на фиг. 2. Здесь: 1 - индуцирующий конвекцию лазерный пучок; 2 - поглощающая излучение подложка, угол α может изменяться путем ее вращения вокруг оси 3, благодаря чему толщина слоя жидкости 4 в сечении плоскости оси вращения подложки остается равной толщине слоя жидкости при горизонтальном положении подложки и не зависит от угла наклона подложки. ТК отклик фотографировали зеркальным фотоаппаратом 5 (без объектива) путем прямого проецирования на фотопленку. The experimental design is shown in FIG. 2. Here: 1 - convection-inducing laser beam; 2 - radiation-absorbing substrate, the angle α can be changed by rotating it around axis 3, so that the thickness of the liquid layer 4 in the section of the plane of the axis of rotation of the substrate remains equal to the thickness of the liquid layer in the horizontal position of the substrate and does not depend on the angle of inclination of the substrate. The response TC was photographed with an SLR camera 5 (without a lens) by direct projection onto photographic film.

Эллиптичность ТК отклика при α = 0^° обусловлена эллиптичной формой пучка используемого лазера. Видно, что уже при α = 0^° наблюдается небольшая асимметрия распределения интенсивности в ТК отклике. Это объясняется тем, что угол наклона подложки выставлялся с точностью ±0,05^o и неоднородность распределения связана с негоризонтальностью подложки в пределах погрешности эксперимента.The ellipticity of the TC response at α = 0 ^° is due to the elliptical shape of the beam of the laser used. It can be seen that even at α = 0 ^° , a slight asymmetry of the intensity distribution in the TC response is observed. This is because the angle of inclination of the substrate was set with an accuracy of ± 0.05 ^o and the heterogeneity of the distribution is associated with the non-horizontalness of the substrate within the experimental error.

В случае негоризонтальности подложки ТК отклик можно охарактеризовать двумя взаимно перпендикулярными сечениями, (фиг. 1, нижний, крайний правый снимок). Размер ТК отклика и распределение интенсивности в нем для одного из сечений (на фотографиях сечение ВВ') не зависят от угла наклона подложки и определяются толщиной слоя жидкости в центральной точке лазерного пучка. Вдоль другого сечения (на фотографиях АА') увеличение угла α приводит к увеличению размера ТК отклика и усилению неоднородности распределения интенсивности, по которым можно судить о величине и направлении отклонения от горизонтальности подложки, фиг. 3. Здесь, 1 - лазерный пучок с гауссовым распределением интенсивности, индуцирующий ТК конвекцию в неоднородном по толщине из-за негоризонтальности подложки 3 слое жидкости 4. Часть лазерного излучения, отраженная от свободной поверхности жидкости, проецируется на экран 5. На экране наблюдается ТК отклик, причем его внешние размеры определяются лучами 2, отраженными от тонкой кольцевой области, в которой изменяется знак кривизны поверхности ТК углубления (линии перегиба). Как показано на фиг. 3, более темная (а также, при больших углах, вытянутая) часть ТК отклика отвечает части углубления, формируемой в утонченном (из-за негоризонтальности подложки) слое жидкости. Такой характер деформации ТК отклика объясняется тем, что в более тонком слое жидкости конвективный процесс протекает интенсивнее, в результате в части ТК углубления, формируемой в утонченном слое (фиг. 3) на линии перегиба угол β между касательной к поверхности ТК углубления и горизонтальной к поверхности углубления и горизонтальной плоскостью больше, чем аналогичный угол на противоположной части ТК углубления (это приводит к вытягиванию ТК отклика), а сама линия перегиба смещена на периферию пучка, из-за чего происходит перераспределение интенсивности в ТК отклике. If the TC substrate is not horizontal, the response can be characterized by two mutually perpendicular sections (Fig. 1, lower, rightmost image). The size of the response TC and the intensity distribution in it for one of the cross sections (in the photographs the BB 'section) are independent of the angle of inclination of the substrate and are determined by the thickness of the liquid layer at the center point of the laser beam. Along another cross section (in photographs AA '), an increase in the angle α leads to an increase in the size of the response TC and to an increase in the heterogeneity of the intensity distribution, which can be used to judge the magnitude and direction of deviation from the horizontal position of the substrate, FIG. 3. Here, 1 is a laser beam with a Gaussian intensity distribution that induces TC convection in a nonuniform thickness layer due to the non-horizontalness of the substrate 3 of the liquid layer 4. Part of the laser radiation reflected from the free surface of the liquid is projected onto the screen 5. A TC response is observed on the screen moreover, its external dimensions are determined by beams 2 reflected from a thin annular region in which the sign of curvature of the surface TC of the recess (the inflection line) changes. As shown in FIG. 3, the darker (and also, at large angles, elongated) part of the TC response corresponds to the part of the depression formed in a thin (due to the non-horizontal substrate) liquid layer. This nature of the deformation of the TC response is explained by the fact that the convective process proceeds more intensively in the thinner liquid layer, as a result, in the part of the TC of the depression formed in the thin layer (Fig. 3), the angle β between the tangent to the surface of the TC of the depression and horizontal to the surface the recesses and the horizontal plane are larger than the similar angle on the opposite part of the TC of the recess (this leads to the stretching of the TC response), and the inflection line itself is shifted to the periphery of the beam, due to which it is redistributed ie the intensity of TC response.

По техническим причинам, на снимках взаимно перпендикулярные прямые, которым принадлежат характерные сечения ТК отклика, повернуты на небольшой угол относительно осей кадра. For technical reasons, the mutually perpendicular lines in the images, to which the characteristic sections of the response TC belong, are rotated by a small angle relative to the axes of the frame.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой и надежностью, позволяет с высокой точностью контролировать величину и направление негоризонтальности твердой поверхности. Thus, the proposed method, characterized by significant simplicity and reliability, allows with high accuracy to control the magnitude and direction of non-horizontal solid surface.

Литература
1. Авт. св. N 767515,4 G 01 C 9/12, 1980, БИ N 36.Literature
1. Auth. St. N 767515.4 G 01 C 9/12, 1980, BI N 36.

2. Авт. св. N 1530901, 4 G 01 В 9/14, 1989, БИ N 47. 2. Auth. St. N 1530901, 4 G 01 B 9/14, 1989, BI N 47.

3. Авт. св. N 528447, G 01 C 9/18, 1976, БИ N 34. 3. Auth. St. N 528447, G 01 C 9/18, 1976, BI N 34.

4. Авт. св. N 1408222,4 G 01 В 9/18, 1988, БИ N 25. 4. Auth. St. N 1408222.4 G 01 B 9/18, 1988, BI N 25.

5. Da Costa G. , Calatroni J" Appl. Optics, Vol. 17, N 15, 1978, pp. 2381-2385. 5. Da Costa G., Calatroni J "Appl. Optics, Vol. 17, N 15, 1978, pp. 2381-2385.

5. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Дис... к.ф.-м.н., МГУ, Москва, 1983. 5. Bezugly B.A. Capillary convection controlled by the thermal action of light, and its application in methods of recording information. Dis ... candidate of physical and mathematical sciences, Moscow State University, Moscow, 1983.

6. Отчет о НИР "Фотоиндуцированная капиллярная конвекция", ВНТИЦ, инв. N 0299.00.05481. 6. Research report "Photoinduced Capillary Convection", VNTIC, inv. N 0299.00.05481.

Claims

A method of controlling the horizontal surface using optical radiation, characterized in that the source of optical radiation is a laser, the beam of which in the thin layer of an optically transparent liquid on an absorbing radiation substrate induces an excitation region in the form of a thermocapillary convective vortex, which leads to dynamic deformation of the free surface of the liquid in the form of a depression , and the horizontalness of the substrate is controlled by the intensity distribution in the form of an interference pattern, we observe first on a screen placed in the cross section of the caustic reflected from the recesses of the laser beam.