Устройство для определения рельефа поверхности объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно оптике и технической физике, служащей для неразрушающего контроля промышленных изделий, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, оптической промышленности для контроля качества продукции. Устройство для определения рельефа поверхности объекта содержит узел освещения для формирования периодического регулярного распределения освещенности на поверхности объекта и узел регистрации изображения поверхности со светочувствительной средой. Узел освещения выполнен таким образом, что формирует распределения освещенности на поверхности в виде линейки равноотстоящих одинаковых световых пятен. В устройство введен также узел вращения объекта, установленный так, что его ось вращения лежит в плоскости, проходящей через линейку световых пятен и направление распространения света, а узел регистрации выполнен с возможностью перемещения светочувствительной среды в плоскости, перпендикулярной вышеуказанной. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к технической физике, а именно оптике и измерительной технике, служащей для неразрушающего контроля промышленных изделий, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, оптической промышленности для контроля качества продукции.

Известно устройство для определения рельефа поверхности объекта, содержащее двухчастотный лазер и узел регистрации голограммы объекта. Картина интерференционных полос, характеризующая рельеф объекта, образуется в результате восстановления двухэкспозиционной голограммы. При этом каждая их экспозиций производится со своей частотой излучения. Во время регистрации голограммы объект жестко закреплен, освещена только часть его поверхности [1] При использовании этого устройства отсутствует возможность определения рельефа всей поверхности объекта при помощи одной голограммы. Чтобы определить рельеф всей поверхности, необходимо зарегистрировать серию голограмм различных частей поверхности объекта. При обработке полученных результатов возникают серьезные трудности, связанные со стыковкой отдельных контурных карт.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения рельефа поверхности объекта, в котором исследуемый объект освещают системой полос, образованных в результате интерференции света от двух когерентных источников. Объект, внесенный в эту систему и жестко закрепленный, покрыт контурными полосами, характеризующими его рельеф. Контурные полосы можно наблюдать визуально или непосредственно фотографировать [2] Однако это устройство не позволяет единовременно получить информацию о рельефе всей поверхности объекта. Для этой цели необходимо зарегистрировать серию фотографий различных участков поверхности, освещенных системой интерференционных полос. Кроме того, возникают трудности, связанные со стыковкой полученных результатов.

Задачей предлагаемого изобретения является получение информации, характеризующей рельеф всей поверхности объекта за одну экспозицию.

Для этого устройство для определения рельефа поверхности объекта, содержащее узел освещения поверхности объекта и узел регистрации изображения поверхности, включающий светочувствительную среду, снабжено узлом вращения объекта, узел освещения поверхности объекта выполнен с возможностью формирования линейки равноотстоящих одинаковых световых пятен, ось вращения узла вращения лежит в плоскости, проходящей через линейку световых пятен и направление распространения света, а узел регистрации выполнен с возможностью перемещения светочувствительной среды в плоскости, перпендикулярной вышеуказанной.

Узел освещения поверхности объекта выполнен в виде линейки светодиодов, или в виде последовательно установленных лазера, интерферометра и щелевой диафрагмы, или в виде последовательно установленных лазера и дифракционной решетки.

На фиг.1-4 приведена схема устройства; на фиг.5 схема изменения положения изображения; на фиг.6 положение точек А и Б на поверхности объекта; на фиг.7 зарегистрированная система полос.

На фиг.1 показаны: узел 1 освещения объекта, формирующий линейку равноотстоящих одинаковых световых пятен, узел 2 вращения объекта вокруг оси, лежащей в плоскости, проходящей через линейку световых пятен и направление распространения света, узел 3 регистрации, выполненный с возможностью перемещения светочувствительной среды перпендикулярно упомянутой плоскости, объект 4, ось 5 вращения.

На фиг.2 показаны: узел 1 освещения объекта, выполненный в виде линейки светодиодов, система 6 линз, электромотор 7 для смещения светочувствительной среды.

На фиг.3 показан узел 1 освещения объекта, выполненный в виде лазера 8, интерферометра 9 и щелевой диафрагмы 10.

На фиг.4 показан узел 1 освещения объекта, выполненный в виде лазера 8 и дифракционной решетки 11.

На фиг.5 показаны: l ось вращения объекта; А точка на поверхности объекта; z высота рельефа точки А; n нормаль к оси вращения объекта; α угол падения освещающего пучка; β угол между направлением, в котором производится регистрация и нормалью к оси вращения; А' изображение точки А на светочувствительной среде S смещение изображения исследуемой точки.

На фиг. 6 показаны: О положение оси вращения; А,Б точки на поверхности объекта; Х расстояние между точками А и Б; Y высота рельефа точки Б.

На фиг.7 показаны: А,Б положение точек А и Б, показанных на фиг.6.

Устройство работает следующим образом (фиг.1).

Линейка световых пятен, формируемая узлом 1, освещает поверхность объекта 4, который вращается вокруг оси 5. Положение световых пятен на поверхности регистрируют на светочувствительном слое узла 3 регистрации изображения, который смещают синхронно с вращением объекта. Таким образом, каждому угловому положению объекта соответствует своя зарегистрированная картина пятен. Поскольку процесс происходит непрерывно, на светочувствительном материале регистрируется картина полос, по которой рассчитывают рельеф объекта, зная геометрические параметры экспериментальной установки. Исследование объекта заканчивается при его обороте вокруг оси на 360^о от начального положения.

При освещении объекта набором одинаковых равноотстоящих световых пятен расстояние между отдельными пятнами на поверхности объекта изменяется в соответствии c ее рельефом.

Рассмотрим схему на фиг. 1. Пусть освещающий пучок представляет собой горизонтально ориентированную линейку световых пятен. Пусть объект представляет собой вертикально расположенную плоскости, нормаль к которой образует некоторый угол Θ с направлением освещения. Очевидно, что расстояния между световыми пятнами δ^I на поверхности объекта увеличиваются по сравнению с исходными расстояниями δ в освещающем пучке (в плоскости, перпендикулярной направлению освещения): δʹ= При освещении объекта сложной формы, который можно представить в виде набора различным образом ориентированных плоскостей, картина пятен по-прежнему представляет собой горизонтальную линейку, однако расстояния между отдельными пятнами определяются углом наклона Θ соответствующей воображаемой плоскости, или градиентом рельефа в данной точке. Полученная картина пятен характеризует, таким образом, распределение высоты рельефа (т.е. расстояние от данной точки до оси вращения) вдоль освещаемой линии на поверхности объекта. При вращении объекта вокруг некоторой оси освещенная полоса непрерывно смещается по его поверхности, освещая последовательно различные ее участки.

Рассмотрим полученную картину пятен в той же плоскости под углом β к нормали к оси вращения с помощью оптической системы с увеличением М. Bысота рельефа данной точки А (фиг.5) относительно оси вращения определяется следующим равенством: z (1) где S измеренное в ходе эксперимента смещение изображения исследуемой точки; α угол между направлением освещения и нормалью к оси вращения.

Таким образом, в каждый момент времени на светочувствительной среде зарегистрируется изображение освещенного участка поверхности с соответствующим распределением световых пятен. Сдвигая светочувствительный материал перпендикулярно плоскости, в которой происходят освещение и регистрация, и, соответственно, перпендикулярно линии вдоль которой происходит сдвиг световых пятен, синхронного с вращением объекта, получим связную картину полос, представляющую собой временную развертку процесса регистрации.

Свяжем скорость вращения объекта со скоростью смещения светочувствительной среды v. Очевидно, что наиболее простым и удобным для последующей обработки является случай, когда за время экспозиции светочувствительная среда смещается на расстояние, равное расстоянию, проходимому некоторой средней (опорной) точкой В поверхности объекта за один оборот вокруг оси.

Тогда v где R расстояние от оси до точки Б; t время, за которое объект совершает полный оборот вокруг оси.

Узел вращения объекта размещен таким образом, что его ось вращения лежит в плоскости, проходящей через линейку световых пятен и направление распространения света. Смещение светочувствительной среды производится перпендикулярно этой плоскости.

Необходимо отметить, что использование освещающего узла, формирующего именно линейку световых пятен, принципиально, поскольку только в этом случае появляется возможность получить в плоскости светочувствительной среды линейку определенным образом расположенных световых пятен, а затем при смещении светочувствительной среды картину полос, несущих информацию о рельефе всей исследуемой поверхности.

Равноудаленность и одинаковый размер пятен в освещающем пучке необходимы для наиболее простой обработки полученных результатов.

Рассмотрим процедуру обработки полученных результатов. Измеряя по полученной картине полос соответствующее смещение изображения исследуемой точки относительно некоторой опорной точки (с известной высотой рельефа) и пользуясь формулой (1), получим перепад высот рельефа для этих двух точек. Учитывая высоту pельефа опорной точки, легко получим высоту рельефа исследуемой точки относительно оси вращения.

Здесь необходимо подчеркнуть, что, как и во всех известных способах и устройствах для определения рельефа поверхности, в предлагаемом устройстве фактически измеряемой величиной является не абсолютный, а относительный рельеф, т.е. отсчитанный от определенной опорной точки.

Описанная процедура определения рельефа проводится последовательно для всех точек поверхности объекта (полученной картины полос) и может быть автоматизирована.

Точность измерений рельефа поверхности в предлагаемом устройстве определяется шириной регистрируемой полосы и расстоянием между ними. Эти величины должны подбираться в каждом конкpетном случае, исходя из размеров и градиента рельефа исследуемого объекта. Минимальное количество пятен определяется размером исследуемого объекта вдоль оси вращения на поверхность объекта должно падать не менее 3-4 пятен. Максимальное число пятен ограничивается разрешающей способностью регистрирующей системы изображения пятен на светочувствительном материале не должны сливаться.

Расстояния между пятнами определяются градиентом рельефа поверхности и разрешающей способностью регистрирующей системы. Разумно выбирать расстояния между пятнами, равными размеру пятен. Интенсивность световых пятен определяется параметрами используемой светочувствительной среды и временем экспозиции, зависящем от скорости смещения среды.

Необходимо отметить, что освещающая линейка световых пятен может быть сформирована различным образом. Она может быть образована соответствующим набором светодиодов; при помощи оптической системы, включающей либо интерферометры различных модификаций (билинза, бизеркало, Маха-Цендера и т.д.), либо дифракционную решетку; а также любым протяженным линейным источником света, промодулированным растром.

В предлагаемом устройстве могут быть также использованы различные светочувствительные среды и различные способы их смещения: обычные фотографические материалы (фотопленки, фотопластинки) с возможностью их механического смещения, а также ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы, соединенные с компьютером, с возможностью электронного смещения кадров.

Указанные существенные признаки приводят в совокупности к возможности получения полной информации о рельефе поверхности объекта за одну экспозицию.

Известны оптические и интерферометрические способы и устройства для определения рельефа поверхности объекта, основанные на проецировании растра на исследуемую поверхность и последующей регистрации изображения этого растра, искаженного в соответствии с рельефом.

В изобретении предлагается новая конфигурация такого растра линейка одинаковых равноотстоящих световых пятен, определенным образом ориентированная на поверхности объекта. Такая конфигурация растра открыла возможность последовательного сканирования по поверхности объекта. Ни одно из известных технических решений не позволяло единовременно определять рельеф всей поверхности объекта. Впервые открыта возможность получения полной информации о рельефе поверхности объекта за одну экспозицию путем вращения объекта и синхронного смещения регистрирующей среды во время измерения. Определена необходимая взаимная ориентация освещающего пучка, оси вращения объекта, плоскости светочувствительного слоя и направления его смещения, а также связь между определяемой высотой рельефа объекта и геометрическими параметрами устройства.

П р и м е р. В лаборатории физики плазмы ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН создана экспериментальная установка для определения рельефа поверхности объекта, представленная на фиг. 2. Узел освещения представляет собой линейку светодиодов типа 107А, установленных на расстоянии 4 мм друг от друга. Система линз с фокусными расстояниями 170 и 1200 мм служит для образования параллельного освещающего пучка. Этот пучок представляет собой линейку одинаковых световых пятен диаметром 2 мм, расстояния между центрами пятен составляют 4 мм. Направление распространения освещающего пучка составляет угол α 45^о с нормалью к оси вращения объекта. Объект вращается с помощью электромотора типа РД-09 со скоростью 2,5 об/мин. Регистрация изображения освещенного участка поверхности объекта производится под углом β 45^о к нормали к оси вращения с помощью фотоаппарата типа Зенит-3М на аэрофотопленке тип 38. Фотопленка перемещается во время экспозиции со скоростью 300 мм/мин при помощи второго электромотора типа РД-09, вращающего катушку с пленкой.

Модельным объектом служит равносторонний параллелепипед с длиной грани 30 мм (фиг.6). Нетрудно рассчитать, что разница в высоте рельефа в точках А и Б равна
z y 15 6,2 ММ
В соответствии с формулой (1) рассчитаем по полученной картине полос (фиг. 7) разницу высот рельефа в точках А и Б. Как видно из фиг.7, сдвиг полос при переходе от точки А к точке Б составил 4,4 полосы. Поскольку в данном эксперименте расстояние между двумя соседними полосами (между центрами соседних световых пятен) равно 4 мм, получим, что при переходе от точки А к точке Б световое пятно сместилось на 17,6 мм. Тогда используя формулу (1) и учитывая, что α= 45^о, β 45^о, М 2, получим
z 6,2 мм
Аналогичным образом может быть рассчитана высота рельефа во всех остальных точках исследуемой поверхности.

Таким образом, при использовании предлагаемого устройства производится регистрация картины полос, характеризующих рельеф поверхности объекта со всех сторон, за одну экспозицию.

Использование предлагаемого устройства перспективно в технической физике, машиностроении, приборостроении для контроля качества изготовления промышленных изделий.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА, содержащее узел освещения поверхности объекта и узел регистрации изображения поверхности, включающий светочувствительную среду, отличающееся тем, что оно снабжено узлом вращения объекта, узел освещения поверхности объекта выполнен с возможностью формирования линейки равноотстоящих одинаковых световых пятен, ось вращения узла вращения объекта лежит в плоскости, проходящей через линейку световых пятен и направление распространения света, а узел регистрации выполнен с возможностью перемещения светочувствительной среды в плоскости, перпендикулярной вышеуказанной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел освещения поверхности объекта выполнен в виде линейки светодиодов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел освещения поверхности объекта выполнен в виде последовательно установленных лазера, интерферометра и щелевой диафрагмы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел освещения поверхности объекта выполнен в виде последовательно установленных лазера и дифракционной решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7