RU2310159C2 - Method for measuring diameter of thin extensive threads - Google Patents
Method for measuring diameter of thin extensive threads Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310159C2 RU2310159C2 RU2005136146/28A RU2005136146A RU2310159C2 RU 2310159 C2 RU2310159 C2 RU 2310159C2 RU 2005136146/28 A RU2005136146/28 A RU 2005136146/28A RU 2005136146 A RU2005136146 A RU 2005136146A RU 2310159 C2 RU2310159 C2 RU 2310159C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threads
- diffraction
- light source
- diameter
- diffraction pattern
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптическим бесконтактным методам измерения диаметра тонких протяженных непрозрачных объектов, и может быть использовано при создании приборов для контроля тонких и сверхтонких нитей и, например, для контроля диаметра нитей накаливания осветительных ламп.The invention relates to a control and measuring technique, namely to optical non-contact methods for measuring the diameter of thin extended opaque objects, and can be used to create devices for monitoring thin and ultrafine filaments and, for example, to control the diameter of incandescent filament lamps.
В настоящее время при производстве нити накаливания осветительной лампы остро стоит задача за контролем отклонения ее диаметра от номинального размера. Это связано с тем, что при утончении нити лампа обеспечивает пониженную световую отдачу (мощность), но при этот удлиняется срок эксплуатации, а при ее утолщении - склонна к быстрому перегоранию и не обеспечивает заданный срок эксплуатации.Currently, in the production of an incandescent filament of a lighting lamp, there is an acute task to control the deviation of its diameter from the nominal size. This is due to the fact that when the thread is thinned, the lamp provides reduced light output (power), but at the same time, the service life is lengthened, and when it is thickened, it is prone to rapid burnout and does not provide the specified life.
Диапазон измеряемых значений толщин нитей лежит от 8-10 микрон до 100-150 микрон, при этом погрешность измерения не должна превышать 0.7%. Разрабатываемые измерительные системы для решения данной задачи должны быть достаточно компактными и легко встраиваемыми в различные линии производства. Такие системы не должны зависеть от внешних факторов, таких как пыль, фоновые засветки и др.The range of measured values of the thickness of the threads is from 8-10 microns to 100-150 microns, while the measurement error should not exceed 0.7%. The developed measuring systems for solving this problem should be quite compact and easily integrated into various production lines. Such systems should not depend on external factors, such as dust, background light, etc.
Известен способ бесконтактного определения толщины нити, основанный на дифракционном методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения, Фурье-звено для формирования дифракционного изображения объекта и фотоприемник для его регистрации (см. а.с. СССР №1357701, кл. G01В 11/08, 1987 г.).A known method of non-contact determination of the thickness of the filament, based on the diffraction measurement method, including a source of monochromatic (point) lighting, a Fourier link for forming a diffraction image of the object and a photodetector for recording it (see AS USSR No. 1357701, class G01B 11 / 08, 1987).
Основными недостатками указанного способа являются, во-первых, необходимость применения высокоточной дорогостоящей Фурье-оптики, что требует сложных операций настройки и юстировки, во-вторых, чувствительность к таким факторам, как пыль и незначительные загрязнения оптических компонент и, наконец, недостаточно высокая точность измерения при контроле непрозрачных объектов малого диаметра вследствие влияния нулевого порядка дифракции. В последнем случае имеют место наложения "хвостов" нулевого порядка на информативный сигнал, уровень интенсивности которого в окрестности первых порядков дифракции оказывается заметно ниже уровня «хвостов» нулевого порядка, что не только затрудняет определение положения экстремумов дифракционной картины объекта с приемлемой точностью, но даже приводит к потере информативного сигнала. Это приводит к необходимости использования при обработке изображения более дальних дифракционных порядков, амплитуда которых, однако, может быть порядка амплитуды высокочастотного шума, что заметно снижает точность и диапазон измерения.The main disadvantages of this method are, firstly, the need for high-precision expensive Fourier optics, which requires complex adjustment and adjustment operations, and secondly, sensitivity to factors such as dust and minor contamination of optical components and, finally, insufficiently high measurement accuracy when controlling opaque objects of small diameter due to the influence of zero diffraction order. In the latter case, there is a superposition of “tails” of zero order on an informative signal whose intensity level in the vicinity of the first diffraction orders is noticeably lower than the level of “tails” of zero order, which not only makes it difficult to determine the position of the extrema of the diffraction pattern of the object with acceptable accuracy, but even leads to the loss of an informative signal. This leads to the need for using image processing with more distant diffraction orders, the amplitude of which, however, can be on the order of the amplitude of high-frequency noise, which significantly reduces the accuracy and range of measurement.
Кроме того, известный способ сложно применять в заводском производстве. Это связано с тем, что данный измеритель имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели, что вызывает определенные трудности при встраивании указанного устройства в линии производства, например, нитей.In addition, the known method is difficult to apply in factory production. This is due to the fact that this meter has unsatisfactory weight and size indicators, which causes certain difficulties when embedding the specified device in the production line, for example, of threads.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ бесконтактного определения толщины непрозрачной нити, основанный на теневом методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения и многоэлементный фотоприемник для регистрации дифракционного изображения контролируемого объекта и последующую обработку этого изображения с вычислением диаметра нити по известному пороговому алгоритму (см. европейский патент №0924493, кл. G01B 11/08, 1999 г.).Closest to the claimed technical solution (prototype) is a non-contact method for determining the thickness of an opaque filament, based on a shadow measurement method, including a monochromatic (point) illumination source and a multi-element photodetector for recording a diffraction image of a controlled object and subsequent processing of this image with the calculation of the diameter of the filament using a known threshold algorithm (see European patent No. 0924493, CL G01B 11/08, 1999).
Основными недостатками известного способа являются, во-первых, невысокая точность измерения, которая зависит от точности определения коэффициента геометрического увеличения при пространственном перемещении объекта и порогового уровня положения краев объекта. Во-вторых, невозможность измерения известным способом тонких нитей диаметром от 100 мкм и менее, т.к. известно, что у измерительных систем, базируемых на анализе дифракционных картин Френелевского типа, нижний диапазон составляет порядка зоны Френеля, значение которой для нормальной работы измерителя (расстояние между объектом и источником света z=15 мм) порядка 100 мкм. Следует особо отметить, что в этом случае значительно повышается погрешность измерения, что обусловлено взаимодействием дифракционных изображений краев контролируемого объекта.The main disadvantages of this method are, firstly, the low accuracy of the measurement, which depends on the accuracy of determining the coefficient of geometric increase during spatial movement of the object and the threshold level of the position of the edges of the object. Secondly, the impossibility of measuring in a known manner thin threads with a diameter of 100 microns or less, because It is known that for measuring systems based on the analysis of Fresnel type diffraction patterns, the lower range is of the order of the Fresnel zone, the value of which for normal operation of the meter (distance between the object and the light source z = 15 mm) is about 100 μm. It should be especially noted that in this case the measurement error significantly increases, which is due to the interaction of diffraction images of the edges of the controlled object.
Кроме того, указанные системы требуют ввода дополнительного ортогонального канала для регистрации пространственных перемещений контролируемого объекта для ввода поправки на коэффициент геометрического увеличения, что приводит к значительному росту габаритов измерителя. Также этот способ чувствителен к таким факторам, как пыль и всевозможные загрязнения, что ограничивает его применение в промышленных условиях или требует ввода дополнительных средств, необходимых для очистки системы и защиты оптического тракта.In addition, these systems require the introduction of an additional orthogonal channel for recording spatial displacements of the controlled object in order to introduce corrections for the coefficient of geometric increase, which leads to a significant increase in the dimensions of the meter. Also, this method is sensitive to factors such as dust and all kinds of contaminants, which limits its use in industrial conditions or requires the introduction of additional funds necessary to clean the system and protect the optical path.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях.The technical task of the present invention is to remedy these disadvantages, namely improving the measurement accuracy of the method, especially in terms of measuring ultrafine filaments while simplifying its implementation in the factory.
Указанная задача в способе измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающем освещение объекта источником света, прием дифракционного изображения объекта путем регистрации его дифракционной картины многоэлементным фотоприемником и ее последующую обработку с вычислением диаметра нити, решена тем, что прием дифракционного изображения объекта осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку сигнала производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по следующей формуле:The indicated problem in a method for measuring the diameter of thin long filaments, including illumination of an object by a light source, receiving an diffraction image of an object by registering its diffraction pattern with a multi-element photodetector and its subsequent processing with calculating the diameter of the filament, is solved by the fact that the diffraction image of the object is received by recording the intensity of extreme points diffraction pattern resulting from interference of a transmitted light wave with a diffracted wave, respectively Fraunhofer diffraction analysis, and signal processing is performed by finding the contrast of the diffraction pattern with the calculation of the diameter according to the following formula:
где ΔI=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) - контраст дифракционной картины, λ - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.where ΔI = (I max -I min ) / (I max + I min ) is the contrast of the diffraction pattern, λ is the wavelength of the light used by the light source, L is the distance from the light source to the photodetector, s is the distance between the main maxima of the diffraction pattern .
Благодаря использованию интерференционно-дифракционной картины, соответствующей интерференции прошедшей волны света с волной, дифрагированной на объекте, удалось существенно повысить точность измерения за счет повышения соотношения сигнал-шум и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, т.к. в заявляемом способе проводится анализ контраста дифракционной картины, а не пороговых координат.Thanks to the use of the interference-diffraction pattern corresponding to the interference of the transmitted light wave with the wave diffracted at the object, it was possible to significantly increase the measurement accuracy by increasing the signal-to-noise ratio and lowering the lower limit of the measurement range by more than ten times, because in the inventive method, the analysis of the contrast of the diffraction pattern, and not the threshold coordinates.
Для упрощения реализации способа в лабораторных условиях в качестве источника освещения объекта используют точечный монохроматический источник света.To simplify the implementation of the method in laboratory conditions, a point monochromatic light source is used as an object illumination source.
Для исключения влияния внешних условий на точность измерения в качестве источника освещения объекта используют протяженный квазимонохроматический источник света (частично-когерентное освещение), который позволяет производить пространственную фильтрацию изображения соответствующим выбором угловых размеров источника излучения, значение которых задается диафрагмой и тем самым отрывает возможность для применения способа метода в заводских условиях.To exclude the influence of external conditions on the measurement accuracy, an extended quasi-monochromatic light source (partially coherent illumination) is used as the illumination source of the object, which allows spatial filtering of the image by appropriate selection of the angular dimensions of the radiation source, the value of which is set by the diaphragm and thereby makes it impossible to apply the method factory method.
Заявляемый способ позволяет производить высокоточные измерения диаметров сверхтонких нитей в широком измерительном диапазоне при достаточно простой оптической схеме, не требующей ввода дополнительных, вспомогательных элементов, что не имеет аналогов среди оптических бесконтактных методов измерения диаметров, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».The inventive method allows high-precision measurements of the diameters of ultrafine filaments in a wide measuring range with a fairly simple optical scheme that does not require the introduction of additional, auxiliary elements, which has no analogues among optical non-contact methods for measuring diameters, and therefore meets the criterion of "inventive step".
Указанное выполнение способа позволяет существенно повысить точность измерения и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, что не имеет аналогов среди известных дифракционных способов контроля тонких нитей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».The specified implementation of the method allows to significantly increase the accuracy of the measurement and reduce by more than ten times the lower limit of the measurement range, which has no analogues among the known diffraction methods for controlling thin threads, and therefore meets the criterion of "inventive step".
На фиг.1 приведен рисунок устройства, поясняющего реализацию способа при монохроматическом освещении.Figure 1 shows a drawing of a device explaining the implementation of the method under monochromatic lighting.
На фиг.2 приведен рисунок устройства, поясняющий реализацию способа при квазимонохроматическом (частично-когерентном) освещении.Figure 2 shows a drawing of a device explaining the implementation of the method under quasi-monochromatic (partially coherent) lighting.
На фиг.3 приведен рисунок типичной дифракционной картины, соответствующей указанному способу. Структуры дифракционных картин при монохроматическом точечном и квазимонохроматическом протяженном освещениях, в случае незначительных угловых размеров источника излучения, практически не различимы.Figure 3 shows a typical diffraction pattern corresponding to the specified method. The structures of diffraction patterns under monochromatic point and quasimonochromatic extended illumination, in the case of small angular dimensions of the radiation source, are practically indistinguishable.
Устройство для реализации заявляемого способа содержит источник монохроматического точечного света 1, измеряемый объект 2, многоэлементный фотоприемник 5 и блок обработки измерительной информации 6.A device for implementing the inventive method comprises a monochromatic point light source 1, a measured object 2, a multi-element photodetector 5, and a measuring
Устройство (см.фиг.2) дополнительно содержит осветитель 7, содержащий источник квазимонохроматического света, диффузор 8, диафрагму 9.The device (see figure 2) further comprises a illuminator 7, containing a source of quasimonochromatic light, a diffuser 8, a
Устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. Пучок света от монохроматического точечного источника света 1 освещает контролируемое изделие 2. Вследствие дифракции света на объекте 2 на многоэлементном фотоприемнике 5 формируется дифракционная картина, представленная на фиг.3, которая возникает вследствие интерференции дифрагированной волны света 4 с проходящей волной света 3. Получаемое изображение объекта регистрируется фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6.The device (see figure 1) works as follows. A beam of light from a monochromatic point source of light 1 illuminates the product under test 2. Due to diffraction of light on an object 2, a diffraction pattern is produced in FIG. 3, which is produced due to interference of a diffracted light wave 4 with a transmitted
Устройство, представленное на фиг.2, работает аналогичным образом. Сфокусированный пучок света от источника 7 попадает на диффузор, на котором происходит рассеяние света, при этом диафрагма 9 выступает в качестве источника света, облучающего контролируемый объект 2, дифракционное изображение которого регистрируется многоэлементным фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6. Использование диффузора позволяет получить равномерный по пространству пучок света. Свет с диффузора 8 проецируется на диафрагму 9 (см.фиг.2), раскрытием которой задаются угловые размеры источника излучения. Это позволяет, в сравнении с теневым и дифракционным способами, производить пространственную фильтрацию оптического сигнала, при наличии пыли или других факторов.The device shown in figure 2, works in a similar way. The focused light beam from the source 7 enters the diffuser, on which light is scattered, while the
Пример 1. На установке, представленной на фиг.1, габаритные размеры которой составили 180 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 40 мм от точечного источника монохроматического света (полупроводниковый лазер марки LDPM 12-655-3 с длиной волны λ=0.65 мкм) устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 13 мкм. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой марки Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм, расположенной на расстоянии 110 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили ΔI≈0.1, L=150 мм, x≈1.4 мм. Погрешность измерения не превысила 0.1 мкм.Example 1. In the installation shown in Fig. 1, the overall dimensions of which were 180 mm × 50 mm × 50 mm, at a distance of 40 mm from a point source of monochromatic light (semiconductor laser brand LDPM 12-655-3 with a wavelength of λ = 0.65 μm) a certified tungsten filament with a diameter of 13 μm was installed. The diffraction image (Fig. 3), formed due to interference of the diffracted and transmitted light waves, was recorded by a multi-element linear photodetector - a CCD line of the Toshiba TCD1304AP brand with a pixel size of 8 μm × 200 μm, located at a distance of 110 mm from the controlled object. The calculation of the diameter of the thread was carried out according to the formula (1). The values of the system parameters were ΔI≈0.1, L = 150 mm, x≈1.4 mm. The measurement error did not exceed 0.1 μm.
Пример 2. На установке, представленной на фиг.2, габаритные размеры которой составили 200 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 50 мм от протяженного источника на базе светодиода (Paralight EP2012-150G1 длина волны λ=0.525 мкм), формируемого посредством ввода диффузора (матовый рассеватель) и прямоугольной диафрагмы с размером пропускающего отверстия 50 мкм, устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 88 мкм. Контроль нити осуществлялся в измерительном объеме 10×10 мм2. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой (Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм), расположенной на расстоянии 130 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили ΔI≈0.7, L=180 мм, x≈1.2 мм. Погрешность измерения не превысила 0.15 мкм.Example 2. On the installation shown in figure 2, the overall dimensions of which were 200 mm × 50 mm × 50 mm, at a distance of 50 mm from an extended source based on an LED (Paralight EP2012-150G1 wavelength λ = 0.525 μm), formed by entering a diffuser (frosted diffuser) and a rectangular diaphragm with a hole size of 50 μm, a certified tungsten filament with a diameter of 88 μm was installed. The control of the thread was carried out in a measuring volume of 10 × 10 mm 2 . The diffraction image (Fig. 3), formed due to the interference of the diffracted and transmitted light waves, was recorded by a multi-element linear photodetector - a CCD array (Toshiba TCD1304AP with a pixel size of 8 μm × 200 μm) located at a distance of 130 mm from the controlled object. The calculation of the diameter of the thread was carried out according to the formula (1). The values of the system parameters were ΔI≈0.7, L = 180 mm, x≈1.2 mm. The measurement error did not exceed 0.15 μm.
Таким образом, заявляемый способ является наиболее применимым для контроля нитей накаливания в процессе их производства.Thus, the inventive method is most applicable for the control of filaments in the process of their production.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005136146/28A RU2310159C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method for measuring diameter of thin extensive threads |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005136146/28A RU2310159C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method for measuring diameter of thin extensive threads |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005136146A RU2005136146A (en) | 2007-05-27 |
| RU2310159C2 true RU2310159C2 (en) | 2007-11-10 |
Family
ID=38310431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005136146/28A RU2310159C2 (en) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Method for measuring diameter of thin extensive threads |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2310159C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD942Z (en) * | 2015-02-20 | 2016-03-31 | Технический университет Молдовы | Method for measuring the diameter of the core and the thickness of the microwire glass cladding |
-
2005
- 2005-11-21 RU RU2005136146/28A patent/RU2310159C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD942Z (en) * | 2015-02-20 | 2016-03-31 | Технический университет Молдовы | Method for measuring the diameter of the core and the thickness of the microwire glass cladding |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005136146A (en) | 2007-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9739719B2 (en) | Measurement systems having linked field and pupil signal detection | |
| JP3140664B2 (en) | Foreign matter inspection method and apparatus | |
| US8319960B2 (en) | Defect inspection system | |
| KR101161881B1 (en) | Inspection apparatus for detecting defects in transparent substrates | |
| EP0992763A2 (en) | Method and associated apparatus for measuring shape deviations of machined surfaced | |
| US4880991A (en) | Non-contact dimensional gage for turned parts | |
| KR100367272B1 (en) | High precision semiconductor component alignment systems | |
| US4943733A (en) | Projection optical apparatus capable of measurement and compensation of distortion affecting reticle/wafer alignment | |
| US11092902B2 (en) | Method and apparatus for detecting substrate surface variations | |
| CN102473600A (en) | Exposure condition setting method and surface inspection apparatus | |
| RU2310159C2 (en) | Method for measuring diameter of thin extensive threads | |
| US10197390B2 (en) | Pre-alignment measurement device and method | |
| CN104133345A (en) | Device and method for focusing and levelling | |
| KR20180041739A (en) | Relative position measurement based alignment system, dual workpiece stage system and measurement system | |
| CN105783738A (en) | Incremental type small-measurement-range displacement sensor and measurement method | |
| CN111649693B (en) | Sample morphology measuring device and method | |
| US20050168753A1 (en) | Optical measurement of device features using interferometric illumination | |
| US7595471B1 (en) | Auto focusing of a workpiece using an array detector each with a detector identification | |
| JP3168480B2 (en) | Foreign matter inspection method and foreign matter inspection device | |
| US20050112853A1 (en) | System and method for non-destructive implantation characterization of quiescent material | |
| JP2002139309A (en) | Optical characteristics measuring device, film thickness measuring device, polishing end point determining device and polishing device | |
| JPS59164910A (en) | Distance measuring apparatus | |
| KR970005689B1 (en) | Foreign matter inspection method for semiconductor substration examination and inspection system | |
| KR20000033124A (en) | Noncontact surface roughness measurement device, and method therefor | |
| JPH074909A (en) | Laser sensor apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121122 |