RU2474787C1 - Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object - Google Patents
Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474787C1 RU2474787C1 RU2011133884/28A RU2011133884A RU2474787C1 RU 2474787 C1 RU2474787 C1 RU 2474787C1 RU 2011133884/28 A RU2011133884/28 A RU 2011133884/28A RU 2011133884 A RU2011133884 A RU 2011133884A RU 2474787 C1 RU2474787 C1 RU 2474787C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- dimensional object
- surface shape
- object according
- probes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, профилометрии, топографии, в частности к контактным методам измерений формы поверхности трехмерных объектов с помощью щуповых (зондовых) профилометров-профилографов, и может быть использовано в машиностроении, оптическом приборостроении, медицине, стоматологии, косметологии, судебно-медицинской экспертизе.The present invention relates to measuring equipment, profilometry, topography, in particular to contact methods for measuring the surface shape of three-dimensional objects using probe (probe) profilometers-profilographs, and can be used in mechanical engineering, optical instrumentation, medicine, dentistry, cosmetology, forensic medicine expertise.
Известны устройства для измерения формы поверхности объектов - контактные щуповые профилометры (см. например, Б.С.Давыдов «Основы щупового метода определения шероховатости поверхности». - М.: «Стандартгиз», с.952; А.И.Карташев «Шероховатость поверхности и методы ее измерения». - М.: Издательство Государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР, с.964). Основу профилометров составляет зонд, закрепленный в направляющих так, что он может двигаться в направлении измерения высоты рельефа поверхности, как правило, вертикальном. Величина вертикального перемещения зонда измеряется с помощью самых разнообразных методов - пневматических, электромеханических, пьезоэлектрических и оптических. Недостаток таких устройств (профилометров) заключается в ограниченной точности измерений профиля поверхности.Known devices for measuring the surface shape of objects - contact stylus profilometers (see, for example, B. S. Davydov, "Fundamentals of the stylus method for determining surface roughness." - M .: "Standardgiz", p.952; A.I. Kartashev, "Surface roughness and methods of its measurement. ”- M .: Publishing House of the State Committee of Standards, Measures and Measuring Instruments of the USSR, p.964). The basis of the profilometers is a probe fixed in the guides so that it can move in the direction of measuring the height of the surface topography, usually vertical. The magnitude of the vertical displacement of the probe is measured using a variety of methods - pneumatic, electromechanical, piezoelectric and optical. The disadvantage of such devices (profilometers) is the limited accuracy of surface profile measurements.
Для повышения точности измерений вертикальных перемещений зонда применяются интерференционные оптические методы. Сочетание контактного метода с интерференционным открывает возможность высокоточных измерений формы любой поверхности, как шероховатой, так и зеркальной.To increase the accuracy of measuring the vertical displacements of the probe, interference optical methods are used. The combination of the contact method with the interference method opens up the possibility of high-precision measurements of the shape of any surface, both rough and mirror.
Известны устройства, далее профилометры, с интерференционным способом регистрации перемещений зонда описанные, например, в патентах US 4714255, US 5565237. В патенте US 4714255 в верхней части зонда закреплен уголковый отражатель, который установлен в одной (объектной) ветви интерферометра. В процессе сканирования вертикальные перемещения отражателя приводят к изменению разности оптической длины пути (ОДП) между объектным и опорным пучками света, что регистрируется по изменению интерференционной картины.Known devices, hereinafter profilometers, with an interference method for detecting probe movements are described, for example, in US Pat. Nos. 4,714,255 and 5,565,237. In US Pat. No. 4,714,255, an angular reflector is mounted in the upper part of the probe and is mounted in one (object) branch of the interferometer. During scanning, the vertical movements of the reflector lead to a change in the difference in the optical path length (ODP) between the object and reference light beams, which is detected by a change in the interference pattern.
В патенте US 5565237 зеркало, закрепленное в верхней части зонда, образовывало вместе с другим неподвижным зеркалом интерферометр Фабри-Перо. Поэтому вертикальные перемещения зонда приводили к нарушению условия резонанса, что использовалось для регистрации величины перемещения.In US Pat. No. 5,565,237, a mirror mounted at the top of the probe formed a Fabry-Perot interferometer with another fixed mirror. Therefore, the vertical displacements of the probe violated the resonance condition, which was used to record the magnitude of the displacement.
Недостатки перечисленных профилометров заключаются в том, что в один момент времени измерение производится только в одной точке, и, следовательно, для измерения профиля поверхности требуется двумерное сканирование зонда относительно объекта.The disadvantages of these profilometers are that at one point in time the measurement is performed at only one point, and therefore, to measure the surface profile requires a two-dimensional scanning of the probe relative to the object.
Известно устройство для измерения формы поверхности трехмерного объекта, описанное в патенте US 6701633 B2, наиболее близкое к предлагаемому устройству.A device for measuring the surface shape of a three-dimensional object is described, described in US Pat. No. 6,701,633 B2, which is closest to the proposed device.
Это устройство для измерения формы поверхности трехмерного объекта в координатах X, Y, Z содержит обойму с множеством зондов, в нижней части которых жестко закреплен щуп, контактирующий с исходным объектом, а в верхней части жестко закреплен светоотражательный элемент, направляющие в обойме, которые позволяют зондам свободно перемещаться только вдоль Z направления, плоский опорный оптический элемент, оптическое устройство для измерения расстояния в Z направлении между отражательной поверхностью зондов и указанным плоским опорным оптическим элементом, механизм перемещения исходного трехмерного объекта и обоймы и ЭВМ для вычисления формы поверхности исходного трехмерного объекта на основании данных о координатах X, Y, Z.This device for measuring the surface shape of a three-dimensional object in X, Y, Z coordinates contains a holder with many probes, in the lower part of which a probe in contact with the original object is rigidly fixed, and a light-reflecting element is fixed in the upper part, guides in the holder that allow the probes freely move only along the Z direction, a flat reference optical element, an optical device for measuring the distance in the Z direction between the reflective surface of the probes and the specified flat reference optical Kim element moving mechanism original three-dimensional object and the cage, and a computer to calculate the surface shape of the original three-dimensional object on the basis of the coordinate data X, Y, Z.
Недостатками данного устройства являются ограничение области измерения формы поверхности только одной прямой, что не позволяет измерять трехмерную форму поверхности динамических объектов.The disadvantages of this device are the limitation of the measurement area of the surface shape to only one straight line, which does not allow to measure the three-dimensional surface shape of dynamic objects.
Целью настоящего изобретения является достижение возможности измерения трехмерной формы поверхности объектов в динамике с повышением точности измерений высоты объекта до нескольких нанометров при увеличенном диапазоне измерений высот до нескольких миллиметров.The aim of the present invention is to achieve the ability to measure the three-dimensional shape of the surface of objects in dynamics with increasing accuracy of measuring the height of the object to several nanometers with an increased range of height measurements to several millimeters.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения формы поверхности трехмерного объекта в координатах X, Y, Z, содержащим обойму с множеством зондов, в нижней части которых жестко закреплен щуп, контактирующий с исходным объектом, а в верхней части жестко закреплен светоотражательный элемент, направляющие в обойме, которые позволяют зондам свободно перемещаться только вдоль Z направления, плоский опорный оптический элемент, оптическое устройство для измерения расстояния в Z направлении между отражательной поверхностью зондов и указанным плоским опорным оптическим элементом, механизм перемещения исходного трехмерного объекта и ЭВМ для вычисления формы поверхности исходного трехмерного объекта на основании данных о координатах X, Y, Z используют матрицу из N зондов, размещенных в обойме с множеством из N указанных выше направляющих, расположенных в узлах двумерной сетки с известными координатами точек контакта щупов каждого зонда относительно центра обоймы, причем двумерная сетка может быть произвольной геометрической формы, а указанное выше оптическое устройство выполнено в виде интерферометра, содержащего источник когерентного света, оптическую систему, формирующую широкий параллельный пучок излучения, диаметр которого превышает размер области задания указанной выше двумерной сетки, светоделитель, матричный фотоприемник, на который с помощью объектива формируется изображение светоотражающих элементов из множества N вышеуказанных зондов.This goal is achieved by the fact that in the device for measuring the surface shape of a three-dimensional object in coordinates X, Y, Z, containing a holder with a plurality of probes, in the lower part of which is a probe fixed in contact with the original object, and in the upper part a light-reflecting element is rigidly fixed guides in a holder that allow probes to move only along the Z direction, a flat optical support element, an optical device for measuring the distance in the Z direction between the reflective surface dots and the indicated flat reference optical element, the mechanism of movement of the initial three-dimensional object and the computer to calculate the surface shape of the original three-dimensional object based on data on the coordinates X, Y, Z use a matrix of N probes placed in a holder with a plurality of N of the above-mentioned guides located at the nodes of a two-dimensional grid with known coordinates of the contact points of the probes of each probe relative to the center of the holder, moreover, the two-dimensional grid can be of arbitrary geometric shape, and the above optical the triad is made in the form of an interferometer containing a coherent light source, an optical system that forms a wide parallel beam of radiation, the diameter of which exceeds the size of the specified area of the above two-dimensional grid, a beam splitter, an array photodetector, onto which the image of light-reflecting elements from the set N of the above probes is formed using a lens .
Далее предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами.Further, the invention is illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings.
Фиг.1 изображает обойму 1 с матрицей из N зондов 2, содержащих в верхней части жестко закрепленные светоотражательные элементы 3.Figure 1 depicts a
Фиг.2 иллюстрирует принципиальную схему устройства - многозондового контактного интерференционного профилометра, в котором интерферометр выполнен по схеме Майкельсона. Профилометр состоит из источника когерентного света 4, например лазера; оптической системы 5, формирующей широкий параллельный пучок излучения, например коллиматор; светоделителя 6, например полупрозрачного клина или светоделительного кубика; плоского опорного оптического элемента 7, например плоского зеркала; светоотражательного элемента 3, например плоского зеркала; зонда 2; направляющих отверстий 8; обоймы 1; щупа 9; исходного трехмерного объекта 10; механизма перемещения 11 измеряемого трехмерного объекта 10, например трехкоординатного стола; объектива 12; матричного фотоприемника 13; компьютера 14.Figure 2 illustrates a schematic diagram of a device - multi-probe contact interference profilometer, in which the interferometer is made according to the Michelson scheme. The profilometer consists of a coherent light source 4, for example a laser; an optical system 5 forming a wide parallel beam of radiation, for example a collimator; a beam splitter 6, for example a translucent wedge or beam splitter; a flat reference optical element 7, for example a flat mirror;
Фиг.3 иллюстрирует первый этап работы устройства.Figure 3 illustrates the first stage of operation of the device.
Фиг.4 иллюстрирует второй этап работы устройства - этап калибровки.Figure 4 illustrates the second stage of operation of the device is the calibration step.
На Фиг.2 излучение от источника когерентного света 4 с помощью оптической системы 5 расширяется и формируется параллельный пучок излучения, который после светоделителя 6 делится на две части. Одна часть пучка направляется на опорное плоское зеркало 7 и отражается от него. Возможен вариант осуществления устройства, когда зеркало 7 закреплено на пьезоэлементе для реализации метода интерферометрии фазовых шагов.In figure 2, the radiation from the coherent light source 4 is expanded with the help of the optical system 5 and a parallel beam of radiation is formed, which after the beam splitter 6 is divided into two parts. One part of the beam is directed to the reference flat mirror 7 and is reflected from it. An embodiment of the device is possible when the mirror 7 is mounted on a piezoelectric element for implementing the method of interferometry of phase steps.
Другая часть пучка лазерного излучения направляется на отражательные элементы 3, жестко соединенные с зондами 2. Зонды могут свободно двигаться вертикально в направляющих отверстиях 8 обоймы 1, контактируя щупами 9 с объектом 10, повторяя его форму. Объект 10 с помощью механизма 11 может перемещаться относительно обоймы 1 с зондами 2 в трех направлениях X, Y, Z. Излучение, отраженное от элементов 3, после светоделителя 6 соединяется с излучением от опорного зеркала 7 и направляется в регистрирующую ветвь интерферометра. Объектив 12 формирует интерференционное изображение отражательных элементов 3, которое регистрируется матричным фотоприемником 13. Причем интерферограмма каждого отражательного элемента 3 формируется на своем участке матричного фотоприемника 13. Так как отражательные элементы разделены друг от друга некоторым промежутком, то общая интерферограмма матрицы зондов будет состоять из N маленьких субинтерферограмм также разделенных участками без интерференционных полос. Далее все эти субинтерферограммы поступают в компьютер 14 для обработки и вычисления координат X, Y, Z объекта. Компьютер 14 также управляет пьезоэлементом, на котором закреплено зеркало 7, и механизмом перемещения 11 исходного трехмерного объекта.Another part of the laser beam is directed to the
При настройке интерферометра на бесконечно широкую полосу все субинтерферограммы также должны быть настроены на бесконечно широкую полосу. Однако отражательные элементы каждого зонда могут иметь небольшой наклон к оптической оси интерферометра. Поэтому на некоторых субинтерферограммах могут появиться полосы конечной толщины. При вертикальном перемещении зондов эти полосы будут смещаться в горизонтальном направлении. Поэтому далее будем считать, что все субинтерферограммы настроены на полосы конечной ширины.When tuning an interferometer to an infinitely wide band, all subinterferograms must also be set to an infinitely wide band. However, the reflective elements of each probe may have a slight inclination to the optical axis of the interferometer. Therefore, strips of finite thickness may appear on some subinterferograms. With the vertical movement of the probes, these bands will shift in the horizontal direction. Therefore, we will further assume that all subinterferograms are tuned to strips of finite width.
Использование интерферометра в качестве оптического устройства для измерения расстояния в направлении Z между поверхностями отражательных элементов 3 зондов 2 и плоским опорным оптическим элементом 7 позволяет повысить точность этих измерений.The use of an interferometer as an optical device for measuring the distance in the Z direction between the surfaces of the
Возможны два варианта устройства, в которых интерферометр выполнен либо по схеме Майкельсона, либо по схеме Физо.Two variants of the device are possible in which the interferometer is made either according to the Michelson scheme or according to the Fizeau scheme.
В последнем случае между светоделителем 6 и обоймой 1 с зондами 2 помещается плоскопараллельная или клиновидная пластина, которая играет роль плоского опорного отражательного элемента.In the latter case, between the beam splitter 6 and the
Возможны варианты осуществления устройства, когда светоотражательный элемент 3 выполнен в виде уголкового отражателя или плоского зеркала.Embodiments of the device are possible when the
За счет использования матрицы из N зондов 2 (Фиг.1), размещенных в обойме 1 с множеством из N указанных выше направляющих 8, расположенных в узлах двумерной сетки, с известными координатами точек контакта каждого зонда относительно центра обоймы, измерение формы поверхности производится одновременно в каждой точке двумерного массива точек с известными координатами. Это позволяет отказаться от дополнительного сканирования и, следовательно, сократить время измерения. Измерение фактически может производиться в режиме реального времени. Тем самым решается важная техническая задача, а именно: обеспечивается возможность измерения трехмерной формы поверхности объектов в динамике. Поэтому данный способ можно применять для измерения формы поверхности динамических (нестационарных) объектов.Due to the use of a matrix of N probes 2 (Fig. 1) placed in a
Возможны варианты осуществления устройства, когда двумерная сетка, в узлах которой размещаются зонды, представляет собой прямоугольную, гексагональную или радиально-круговую сетку.Embodiments of the device are possible when the two-dimensional grid, in the nodes of which the probes are placed, is a rectangular, hexagonal or radial-circular grid.
Возможны варианты осуществления устройства, когда в качестве матричного фотоприемника используется ПЗС-камера, КМОП-камера (ПЗС - прибор с зарядовой связью, КМОП - комплиментарный металл-окисел полупроводник) или матрица фотодиодов.Embodiments of the device are possible when a CCD camera, a CMOS camera (CCD is a charge-coupled device, CMOS is a complimentary metal-oxide semiconductor) or a matrix of photodiodes are used as the matrix photodetector.
Применение оптической системы 5, формирующей широкий параллельный пучок излучения, диаметр которого превышает размер области, занимаемой отражательными элементами 3, позволяет одновременно измерять координаты Z всех зондов 2. Для этой же цели используется предлагаемый матричный фотоприемник 13.The use of an optical system 5, forming a wide parallel beam of radiation, the diameter of which exceeds the size of the region occupied by the reflecting
Устройство работает в три этапа следующим образом.The device operates in three stages as follows.
Первый этап - это калибровка профилометра. В этом случае в качестве объекта 10 используется эталон 15 (см. Фиг.3). Эталон имеет две плоскопараллельные поверхности, одна из которых (верхняя на Фиг.3) имеет полированную плоскую поверхность. Такой эталон может быть выполнен в виде супергладкого плоского зеркала из карбида кремния SiC, которое используется для калибровки интерференционных микропрофилометров. Эталон 15 устанавливается на механизм перемещения 11 и вводится в контакт со щупами 9 зондов 2. В таком стационарном состоянии эталона 15 производится регистрация интерферограммы зеркальной поверхности, образованной отражательными элементами 3 зондов 2. По этой интерферограмме восстанавливается двумерная карта высот Li(x, y) отражательных зондов 2 относительно самого короткого зонда (на Фиг.3 - крайнего правого). Такую карту высот далее будем называть топограммой. Этот этап необходим, так как практически невозможно сделать все зонды одинаковой длины.The first step is to calibrate the profilometer. In this case, the standard 15 is used as the object 10 (see Figure 3). The standard has two plane-parallel surfaces, one of which (the upper one in FIG. 3) has a polished flat surface. Such a standard can be made in the form of a super-smooth flat mirror made of silicon carbide SiC, which is used to calibrate interference microprofilometers. The standard 15 is installed on the
Для повышения точности восстановленной топограммы можно использовать метод интерферометрии фазовых шагов. Поэтому возможен вариант осуществления устройства, когда источник когерентного света выполнен в виде лазера с перестройкой длины волны излучения для реализации метода фазовых шагов.To increase the accuracy of the reconstructed topogram, the phase step interferometry method can be used. Therefore, an embodiment of the device is possible when the coherent light source is made in the form of a laser with radiation wavelength tuning to implement the phase-step method.
Полученная топограмма Li(x, y)связана с геометрической длиной li зонда следующим соотношением:The obtained topogram L i (x, y) is connected with the geometric length l i of the probe by the following relation:
где lmin - минимальная длина зонда, относительно которого строится карта высот Li(x, y). Полученная топограмма записывается в память компьютера 14. В дальнейшем эта топограмма будет учитываться в процессе измерения топограммы исследуемого объекта.where l min is the minimum length of the probe relative to which a height map L i (x, y) is built. The resulting topogram is recorded in computer memory 14. In the future, this topogram will be taken into account in the process of measuring the topogram of the object under study.
Второй этап рабочего цикла устройства - это начало измерений. Зонды 2 под собственным весом или с помощью пружинок будут прижиматься к верхней плоской поверхности обоймы 1 (см. фиг.4). Неплоскостность этой поверхности, а также различие в толщинах отражательных элементов 3 приводит к тому, что зеркальная поверхность, образованная этими элементами, не будет плоской. Поэтому на втором этапе производится регистрация интерферограммы отражательных элементов 3 зондов 2 в положении их покоя, т.е. в момент прижима к обойме. По этой интерферограмме восстанавливается двумерная карта высот Di(x, y) отражательных элементов 3 относительно самого тонкого отражательного элемента (на фиг.4 - крайнего правого). Она связана с геометрической толщиной di следующим соотношением:The second stage of the device’s operating cycle is the beginning of measurements. The
где dmin - минимальная толщина отражательного элемента, относительно которого строится карта высот Di(x, y). Восстановленная топограмма Di(x, y) записывается в память компьютера и будет учитываться в процессе измерения топограммы исследуемого объекта.where d min is the minimum thickness of the reflective element, relative to which the height map D i (x, y) is built. The reconstructed topogram D i (x, y) is recorded in the computer memory and will be taken into account in the process of measuring the topogram of the object under study.
Из Фиг.4 видно, что длина выступающей из обоймы 1 части зондов зависит от длины hi зондов без учета толщины отражательных элементов 3 и толщины обоймы 1 (на Фиг.4 не обозначено). Эта длина определяет диапазон измеряемых высот. Из-за разной длины зондов 2 и толщины их отражательных элементов 3 длина выступающей части зондов будет разная. Разность длин Δi относительно максимальной длины зонда hmax (на Фиг.4 крайний слева) вычисляется через измеренные выше топограммы следующим образом:Figure 4 shows that the length of the part of the probes protruding from the
Δi=hmax-hi=hmax-(li-di).Δ i = h max -h i = h max - (l i -d i ).
Подставляя в это выражение (1) и (2), получим:Substituting (1) and (2) into this expression, we obtain:
В полученном выражении первое слагаемое в скобках есть некоторая константа, постоянная для всех зондов, а переменным является второе слагаемое.In the expression obtained, the first term in brackets is a constant constant for all probes, and the second term is a variable.
Таким образом, после двух первых этапов в памяти компьютера записывается двумерная карта Δi(x, y) разности длин зондов, которая будет использоваться для коррекции результатов измерений формы поверхности исходного объекта. Эта коррекция необходима, т.к. даже при предъявлении идеально плоской поверхности одновременного касания всех щупов этой поверхности не произойдет из-за разброса в длинах зондов.Thus, after the first two steps, a two-dimensional map Δ i (x, y) of the probe length difference is recorded in the computer memory, which will be used to correct the results of measurements of the surface shape of the original object. This correction is necessary because even when a perfectly flat surface is presented, simultaneous contact of all the probes on this surface will not occur due to the spread in probe lengths.
Третий этап рабочего цикла устройства - собственно измерение топограммы объекта Z(X, Y). Здесь возможны два варианта работы устройства.The third stage of the device’s working cycle is the actual measurement of the topogram of the object Z (X, Y). There are two possible options for the operation of the device.
Первый вариант - динамический. Объект 10 помещается на механизм перемещения 11 и в начальный момент времени он находится вне контакта со щупами 9 зондов 2. Затем он начинает плавно подниматься с помощью механизма 11. До касания объекта со щупами зондов полосы на всех вышеупомянутых субинтерферограммах будут неподвижны. Первое касание произойдет со щупом самого длинного зонда и на субинтерферограмме данного зонда интерференционные полосы начнут двигаться. С этого момента начинается непрерывная регистрация всех субинтерферограмм и запись их в память компьютера.The first option is dynamic. The object 10 is placed on the
Скорости подъема объекта и регистрации кадров с интерферограммами должны быть согласованы. Для однозначного определения величины смещения интерференционных полос это смещение между кадрами не должно превышать λ/4, где λ - длина волны источника когерентного света. Если использовать камеру 13 со стандартной скоростью 25 кадров/сек, то скорость подъема объекта не должна превышать величины 25λ/4=6,25λ. Для длины волны He-Ne лазера λ=0,63 мкм эта скорость будет не больше 4 мкм/с. Для более скоростных камер, например Fastvideo-500, НПО Астек - фициального дилера фирмы "Фаствидео", у которых скорость достигает 500 кадров/с, скорость подъема объекта может достигать 30 мкм/с.The lifting speeds of the object and the registration of frames with interferograms must be consistent. To unambiguously determine the magnitude of the shift of the interference fringes, this shift between frames should not exceed λ / 4, where λ is the wavelength of the source of coherent light. If you use camera 13 with a standard speed of 25 frames / sec, then the lifting speed of the object should not exceed the value 25λ / 4 = 6.25λ. For the wavelength of the He-Ne laser λ = 0.63 μm, this speed will be no more than 4 μm / s. For faster cameras, for example Fastvideo-500, NPO Astek, the official dealer of Fastvideo, whose speed reaches 500 frames / s, the object's lifting speed can reach 30 microns / s.
Остановку подъема объекта необходимо производить в тот момент, когда полосы начнут сдвигаться на всех субинтерферограммах, т.е. когда объект коснется последнего неподвижного зонда. В этот же момент можно остановить регистрацию интерферограмм. По набору полученных интерферограмм судят о величине вертикального перемещения каждого зонда Zi(X, Y). Метод обработки интерферограмм может заключаться в счете количества полос, на которые пробежали через центр субинтерферограммы, как в интерферометрах перемещений.It is necessary to stop the lifting of the object at the moment when the bands begin to shift on all subinterferograms, i.e. when the object touches the last fixed probe. At the same time, you can stop the registration of interferograms. By the set of obtained interferograms, the vertical displacement of each probe Z i (X, Y) is judged. The method for processing interferograms may consist in counting the number of bands that have run through the center of the subinterferogram, as in interferometer displacements.
Второй вариант - статический. Его можно применять для прерывистого режима сканирования, когда сами измерения проводятся в момент достижения объектом всех зондов. В этом случае подъем объекта может быть быстрым.The second option is static. It can be used for intermittent scanning, when the measurements themselves are carried out at the moment the object reaches all the probes. In this case, lifting the object can be quick.
Возможен другой способ измерения координаты Zoi каждого зонда - двухдлиноволновый метод оптической интерферометрии фазовых шагов.A different way of measuring the coordinate Z oi of each probe is possible — the two-wavelength method of optical interferometry of phase steps.
В тот момент, когда все зонды 2 пришли в контакт с исследуемым объектом 10, поверхность, образованная всеми отражательными элементами 3 зондов 2, представляет собой кусочно-плоскую зеркальную поверхность наподобие ступенек. Таким образом, измеряемая непрерывная поверхность трехмерного объекта 10 как бы заменяется на разрывную зеркальную поверхность, составленную из множества маленьких плоских зеркал 3, нормали к которым совпадают с направлением Z, а расположение зеркал по высоте повторяет форму исследуемой поверхности. Такая замена позволяет расширить класс исследуемых объектов от шероховатых до зеркальных с большими градиентами высот профиля.At the moment when all the
Перепад высот между зондами 2 (высота ступенек) зависит от градиента профиля исследуемой поверхности 10 и количества зондов. Как правило, исследуемая поверхность обладает большими перепадами высоты профиля. Это ведет к тому, что высота ступенек может превышать половину длины волны излучения источника 4, используемого в интерферометре. Поэтому для измерения профиля зеркальной поверхности, образованной зеркалами зондов, используется двухдлиноволновый метод (см., например, Yeou-Yen Cheng and James С.Wyant «Two-wavelength phase-shifting interferometry» APPLIED OPTICS, Vol.23, page 4532, 934). В этом случае последовательно во времени или одновременно регистрируется две интерферограммы с разными длинами волн излучения. Поэтому возможен вариант осуществления устройства, когда источник когерентного света 4 выполнен в виде двух лазеров с близкими длинами волн излучения для реализации метода двухдлиноволновой интерферометрии.The difference in height between the probes 2 (the height of the steps) depends on the gradient of the profile of the investigated surface 10 and the number of probes. As a rule, the studied surface has large differences in the height of the profile. This leads to the fact that the height of the steps can exceed half the wavelength of the radiation source 4 used in the interferometer. Therefore, the two-wavelength method is used to measure the profile of the mirror surface formed by the probe mirrors (see, for example, Yeou-Yen Cheng and James C. Wyant “Two-wavelength phase-shifting interferometry” APPLIED OPTICS, Vol.23, page 4532, 934) . In this case, two interferograms with different radiation wavelengths are recorded sequentially in time or simultaneously. Therefore, an embodiment of the device is possible when the coherent light source 4 is made in the form of two lasers with close radiation wavelengths for implementing the two-wavelength interferometry method.
Оценим высоту ступеньки, которую можно измерять двухдлиноволновым методом, при одном из вариантов осуществления изобретения, а именно - в случае использования одномодовых лазерных модулей фирмы «ФТИ-Оптроник», г.Санкт-Петербург (www.fti-optronic.com) непрерывного излучения KLM-B650 с длиной волны λ1=0,65 мкм и KLM-В635 с длиной волны λ2=0,635 мкм. При этом эффективная длина волны составит:Let us estimate the step height, which can be measured by the two-wavelength method, in one embodiment of the invention, namely, in the case of the use of single-mode laser modules of the FTI-Optronic company, St. Petersburg (www.fti-optronic.com) continuous radiation KLM -B650 with a wavelength of λ 1 = 0.65 μm and KLM-B635 with a wavelength of λ 2 = 0.635 μm. In this case, the effective wavelength will be:
λэф=λ1λ2/(λ1-λ2)=23 мкм.λ eff = λ 1 λ 2 / (λ 1 -λ 2 ) = 23 μm.
Отсюда следует, что максимальная высота ступеньки не должна превышать λэф./2=11 мкм.It follows that the maximum step height should not exceed λ eff. / 2 = 11 μm.
Оценим теперь высоту поверхности, например, клина, которую можно измерять предлагаемым способом. Пусть мы имеем матрицу из 32×32=824 зондов диаметром 1 мм, размещенных в узлах квадратной сетки с шагом 1 мм. Тогда вдоль одной стороны квадрата размером 32 мм укладывается 32 плоских зеркала. Следовательно, максимальная высота клина составляет 32×11 мкм=443 мкм, а угол клина 0,3°.Let us now evaluate the height of the surface, for example, a wedge, which can be measured by the proposed method. Let us have a matrix of 32 × 32 = 824 probes with a diameter of 1 mm, placed in the nodes of a square grid with a step of 1 mm. Then, 32 flat mirrors fit along one side of a 32 mm square. Therefore, the maximum height of the wedge is 32 × 11 μm = 443 μm, and the angle of the wedge is 0.3 °.
Метод фазовых шагов позволяет измерить высоту каждой ступеньки с точностью не хуже 1/800 доли длины волны. Это означает, что погрешность измерений двухдлиноволновым методом тоже будет порядка λэф/800=0,023 мкм при диапазоне измерений 0,45 мм и максимальном угле наклона поверхности около 1°. Для реализации метода фазовых шагов можно использовать сдвиг зеркала 7 вдоль оптической оси с помощью, например, пьезоэлемента.The method of phase steps allows you to measure the height of each step with an accuracy of no worse than 1/800 of a wavelength fraction. This means that the measurement error by the two-wavelength method will also be of the order of λ eff / 800 = 0.023 μm with a measurement range of 0.45 mm and a maximum surface angle of about 1 °. To implement the method of phase steps, you can use the shift of the mirror 7 along the optical axis using, for example, a piezoelectric element.
Искомые высоты поверхности объекта в дискретных точках с координатами (X, Y) центров точек контакта щупов вычисляется по формуле:The desired heights of the surface of the object at discrete points with the coordinates (X, Y) of the centers of the contact points of the probes is calculated by the formula:
Для вычисления непрерывной формы поверхности объекта или его топограммы необходимо выполнить математическую операцию аппроксимации поверхности по измеренным данным. В случае необходимости можно переместить объект 10 с помощью механизма 11 в плоскости (X, Y) и повторить измерения.To calculate the continuous shape of the surface of an object or its topogram, it is necessary to perform the mathematical operation of approximating the surface from the measured data. If necessary, you can move the object 10 using the
Коррекция измеренных высот по формуле (4) позволяет повысить точность измерений формы поверхности объекта.Correction of the measured heights by the formula (4) allows to increase the accuracy of measurements of the surface shape of the object.
Хотя заявляемое в качестве изобретения устройство описано на примере ряда его конкретных вариантов осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного устройства, не выходящие за границы идеи и объема правовой охраны изобретения, определяемые прилагаемой формулой.Although the device claimed as an invention is described by the example of a number of its specific embodiments, it will be clear to those skilled in the art that numerous modifications of this device will be possible without going beyond the idea and scope of the legal protection of the invention as defined by the attached claims.
Claims (36)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011133884/28A RU2474787C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011133884/28A RU2474787C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2474787C1 true RU2474787C1 (en) | 2013-02-10 |
Family
ID=49120500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011133884/28A RU2474787C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2474787C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591585C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Method of determining and recovery of the position of the horizontal axis of linear engineering object |
| WO2018143994A1 (en) * | 2017-02-02 | 2018-08-09 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Three-dimensional scanning with functional elements |
| RU2766916C1 (en) * | 2020-12-17 | 2022-03-16 | Общество с ограниченной ответственностью "МОЛОДАЯ, ДИНАМИЧНО РАЗВИВАЮЩАЯСЯ КОМПАНИЯ" (ООО "МДРК") | Method for determining deformation of structural elements of delta robot which is manifested only during movement thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6701633B2 (en) * | 2001-03-02 | 2004-03-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus and method for measuring a shape using multiple probes |
| RU2263879C2 (en) * | 2003-10-22 | 2005-11-10 | Галиулин Равиль Масгутович | Method and device for control of article shape |
| JP2006275826A (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Kitakyushu Foundation For The Advancement Of Industry Science & Technology | Surface shape measuring apparatus |
| US7220962B2 (en) * | 2001-06-19 | 2007-05-22 | Japan Science And Technology Agency | Cantilever array and scanning probe microscope including a sliding, guiding, and rotating mechanism |
-
2011
- 2011-08-12 RU RU2011133884/28A patent/RU2474787C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6701633B2 (en) * | 2001-03-02 | 2004-03-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus and method for measuring a shape using multiple probes |
| US7220962B2 (en) * | 2001-06-19 | 2007-05-22 | Japan Science And Technology Agency | Cantilever array and scanning probe microscope including a sliding, guiding, and rotating mechanism |
| RU2263879C2 (en) * | 2003-10-22 | 2005-11-10 | Галиулин Равиль Масгутович | Method and device for control of article shape |
| JP2006275826A (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Kitakyushu Foundation For The Advancement Of Industry Science & Technology | Surface shape measuring apparatus |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591585C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Method of determining and recovery of the position of the horizontal axis of linear engineering object |
| WO2018143994A1 (en) * | 2017-02-02 | 2018-08-09 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Three-dimensional scanning with functional elements |
| US11262177B2 (en) | 2017-02-02 | 2022-03-01 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Three-dimensional scanning with functional elements |
| RU2766916C1 (en) * | 2020-12-17 | 2022-03-16 | Общество с ограниченной ответственностью "МОЛОДАЯ, ДИНАМИЧНО РАЗВИВАЮЩАЯСЯ КОМПАНИЯ" (ООО "МДРК") | Method for determining deformation of structural elements of delta robot which is manifested only during movement thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5032680B2 (en) | Method and apparatus for measuring geometric properties of a test object, and optical profiling system | |
| US6195168B1 (en) | Infrared scanning interferometry apparatus and method | |
| TWI401414B (en) | Phase-shifting interferometry method and system | |
| US7130059B2 (en) | Common-path frequency-scanning interferometer | |
| US20040075844A1 (en) | Frequency-scanning interferometer with non-specular reference surface | |
| CN108801148A (en) | Method and system for the height map for calculating body surface | |
| RU2474787C1 (en) | Apparatus for measuring surface form of three-dimensional object | |
| US8018601B2 (en) | Method for determining vibration displacement and vibrating frequency and apparatus using the same | |
| RU2472108C1 (en) | Method of measuring 3d object surface shape | |
| Lehmann | Systematic effects in coherence peak and phase evaluation of signals obtained with a vertical scanning white-light Mirau interferometer | |
| Petter et al. | Non-contact profiling for high precision fast asphere topology measurement | |
| JP5765584B2 (en) | Shape measuring device | |
| EP3017294B1 (en) | Skewed sectional measurement of striated glass | |
| Boebel et al. | Phase shifting in an oblique incidence interferometer | |
| Balboa et al. | Low-coherence optical fibre speckle interferometry | |
| Lihua et al. | Measurement of large step structure with a speed-variable scanning technology | |
| Kim et al. | Point-diffraction interferometer for 3D profile measurement of rough surfaces | |
| JP5894464B2 (en) | Measuring device | |
| RU2491525C1 (en) | Method for interferometric control of image quality and distortion of optical systems at operating wavelength | |
| Vishnyakov et al. | Phase-shifting interferometer for monitoring flat and spherical optical components | |
| KR100927542B1 (en) | Interference optical 2D strain measuring device and method | |
| Bitou et al. | High-precision, low-coherence Fizeau interferometer using a pulsed laser diode for measurement of transparent plates | |
| Niehues et al. | Dual-wavelength vertical scanning low-coherence interference microscopy | |
| Blalock et al. | Metrology of Freeform Optics | |
| Ruiz et al. | Single-shot profilometry of rough surfaces using hyperspectral interferometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170813 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180702 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200813 |