Способ измерения диаметра протяженных отверстий

НАЦИОНАЛЬНЫЙ цЕНтР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОТЯЖЕННЫХ ОТВЕРСТИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси (ВУ)(72) Автор Ильин Виктор Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси (ВУ)Способ измерения диаметра протяженных отверстий, включающий освещение отверстия пучком монохроматического излучения, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оптической оси, фиксирование координат трех соседних дифракционных максимумов и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, отличающийся тем, что входную плоскость отверстия освещают сходящимся пучком монохроматического излучения, а выходную плоскость отверстия расходящимся пучком монохроматического излучения и фиксируют координаты двух соседних дифракционных максимумов, сформированных от входной плоскости отверстия, а третьего - от выходной.Изобретение относится К контрольно-измерительной технике И предназначено для измерения диаметров протяженных отверстий миллиметрового и микрометрового размеров.Известен способ измерения диаметра отверстий 1, заключающийся в том, что освещают коллимированнь 1 м пучком монохроматического излучения измеряемое отверстие,регистрируют интенсивность излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, фиксируют координаты трех последовательных центральных минимумов/максимумов интенсивности излучения в дифракционной картине, определяют диаметр отверстия с учетом зафиксированных координат.Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений, из-за значительной методической погрешности при измерении отверстий, имеющих протяженность. Это связано с существенным снижением контрастности суммарного дифракционного распределения, которое формируется за отверстием от его входной и выходной плоскостей с различным фазовым сдвигом.Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение, - повышение точности измерения диаметра протяженных отверстий за счет улучшения контрастности дифракционного распределения.Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра протяженных отверстий, включающем освещение отверстия пучком монохроматического излучения, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оптической оси, фиксирование координат трех соседних дифракционных максимумов и вь 1 числение диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, входную плоскость отверстия освещают сходящимся пучком монохроматического излучения, а выходную плоскость отверстия - расходящимся пучком монохроматического излучения и фиксируют координаты двух соседних дифракционных максимумов, сформированных от входной плоскости отверстия, а третьего - от выходной.Способ обеспечивает уменьшение методической погрешности за счет существенного увеличения контрастности дифракционных максимумов, формируемых раздельно для входной и выходной плоскостей отверстия.Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Формируют два пучка монохроматического излучения, один из которых преобразуют в сходящийся, а второй - в расходящийся. Последовательно освещают измеряемое протяженное отверстие на входной плоскости сходящимся пучком, а на выходной плоскости - расходящимся пучком,выделяют за отверстием от его входной плоскости два дифракционных распределения с максимумами интенсивности по оси, имеющие соседние порядки (п 2) и (п 1), а от вь 1 ходной - третий порядок с номером (п), после чего фиксируют координату их местоположения по оси. По значению полученных координат вычисляют искомый диаметр отверстия.На фиг. 1 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где 1 микропроцессор, 2 - монохроматический источник излучения (лазер), 3 - первый оптический затвор, 4 - первая полупрозрачная пластина, 5 - первое зеркало, 6 - первая телескопическая система, 7 - вторая полупрозрачная пластина, 8 - объект контроля, 9 - подвижная каретка, 10 - первый объектив, 11 - экран, 12 - электропривод, 13 - второй объектив, 14 второе зеркало, 15 - фотодиодная линейка, 16 - второй оптический затвор, 17 - третье зеркало, 18 - вторая телескопическая система У - направление перемещения каретки А и В - входная и выходная плоскости протяженного отверстия Н - длина (протяженность) отверстия Р 1, Р 2 - освещающие пучки. Пунктирными линиями обозначены новые положения экрана при перемещении каретки.На фиг. 2 иллюстрируется распределение амплитуд выделенных дифракционных порядков по оси отверстия, где РА 1, РА и 1333 - соответственно плоскости формирования максимумов с номерами (п 2), (п 1) от входной и (п) от выходной плоскостей протяженного отверстия АХ 1 - измеряемое расстояние между соседними максимумами (п 2) и(п 1) от входной плоскости отверстия АХ (АХ 23 - Н) - вычисляемое расстояние междупорядком, сформированным от входной плоскости (п 1), И порядком (п), сформированным от выходной плоскости отверстия АХ 23 - измеряемое расстояние между (п 1) порядком, сформированным от входной плоскости, и порядком (п), сформированным от выходной плоскости отверстия.Способ реализован следующим образом. Микропроцессор 1, выполняющий операции управления элементами устройства и обработки измерительной информации, включает источник излучения 2 (лазер) и первый оптический затвор 3. Монохроматическое излучение от источника 1 падает на первую полупрозрачную пластину 4, где расщепляется на два пучка равной интенсивности, образующих два оптических канала. В первом канале пучок проходит первый оптический затвор 3, первое зеркало 5 и первую телескопическую систему 6, которая формирует сходящийся пучок Р 1. Последний, пройдя вторую полупрозрачную пластину 7, освещает протяженное отверстие 8.Сходящийся световой пучок освещает измеряемое протяженное отверстие 8 на входной плоскости А с образованием на выходной плоскости области геометрической тени Хв.За протяженным отверстием 8 от входной плоскости формируются центральные дифракционные максимумы с номером (п 2) - плоскость РА 1 и (п 1) - плоскость РА 2.Каретку 9 с установленными на ней первым объективом 10 и экраном 11 с помощью привода 12, управляемого микропроцессором 1, перемещают в такое положение, чтобы передняя фокальная плоскость первого объектива 10 совпала с плоскостью дифракционного изображения, имеющего центральный максимум с номером (п 2) в плоскости РА 1. Объектив 10 формирует изображение максимума в плоскость экрана 11. Далее второй объектив 13 воспринимает изображение максимума с экрана 11 и передает его посредством зеркала 14 на фотокатод фотодиодной линейки 15 в виде светлого пятна (точка 1), где его координата фиксируется и вычисляется по числу и положению засвеченных пикселей с помощью микропроцессора 1. Объектив 13 расположен под углом триангуляции к оси отверстия 8, т.е. оптическая схема выполняет условия триангуляционного метода.Далее каретка 9 с объективом 10 и экраном 11 смещается вдоль оптической оси во второе положение РА 2, соответствующее положению дифракционного максимума с номером (п 1). Этому положению будет соответствовать изображение на фотодиодной линейке - точка 2. После этого микропроцессор 1 выключает первый оптический затвор 3 и включает второй оптический затвор 16. Оптическое излучение от источника 2 последовательно проходит во втором канале второй оптический затвор 16, третье зеркало 17 и вторую телескопическую систему 18, формирующую расходящийся пучок Р 2, который направляется при помощи второй полупрозрачной пластины 7 соосно с пучком Р 1 и осью протяженного отверстия.Расходящийся световой пучок Р 2 освещает измеряемое отверстие на выходной плоскости В с образованием на входной плоскости А области геометрической тени ХА. От выходной плоскости В формируется центральный дифракционный максимум с номеромПо команде с микропроцессора 1 привод 12 перемещает каретку 9 в следующее положение 1333, которому соответствует изображение 3 на фотокатоде фотодиодной линейки 15. Строгая геометрия периодической рещетки пикселей фотокатода позволяет определять местоположение центра видеоимпульса с погрешностью не хуже 1 мкм. Величину диаметра В протяженного отверстия вычисляют по следующей формулегде Ж - длина волны излучения лазера АХ 1 - измеряемое расстояние между первым и вторым максимумом АХ 23 - измеряемое расстояние между (п 1) порядком, сформированным от входной плоскости, и порядком (п), сформированным от выходной плоскости отверстия Н - протяженность отверстия.Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1. Источник излучения 1 представляет собой полупроводниковый лазер МЛН-3, имеющий длину волны 670 нм. Телескопические системы 6 и 17 выполнены с подвижной линзой,позволяющей настроить степень сходимости и расходимости пучков. За счет изменения положения одной из линз телескопической системы осуществлялась перестройка пучка либо в сходящийся, либо расходящийся. Оптические затворы 3 и 17 выполнены на электромагнитах с подвижными щторками. Основным элементом процессорного блока является микроконтроллер АТ 9052313 фирмы АТМЕЬ, а фотодиодная линейка - 1 ЬХ 703 А фирмы 5 О 1 П.Таким образом, предложенный способ обеспечивает принципиальную возможность высокоточного контроля протяженных отверстий при существенно более высокой точности измерения диаметра за счет исключения взаимного влияния входного и выходного отверстий объекта на контрастность дифракционной картины в плоскости анализа. Отсутствие взаимного влияния объясняется тем, что для освещения используется расходящиеся и сходящиеся пучки, а в плоскости анализа дифракционные максимумы формируются раздельно для каждой плоскости отверстия.1. Александров В.К., Галущко Е.В., Ильин В.Н. Размерный контроль ограничивающих диафрагм по дифракции Френеля // Автометрия. - Не 3. - 1990. - С. 93-97.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.