Способ определения положения границы объекта

(71) Московский станкоинструментальный институт(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение, быстродействия и точности определения положения границы объекта за счет устранения погрешностей сканирования. Способ определения положения границы объекта заключается в том, что сходящийся оптический луч: 1 пропускают через акустооптический модулятор 2, на выходе которого формируется набор световых волн - дифракционных порядков. Объект 3 вводят в область интерференциидифракционных порядков, расположенную вблизи.их фокальной плоскости, преобразуют световой поток, прошедщий мимо кромки объекта, в электрический сигнал. Об изменении положения границы объекта судят по изме-, нению фазы электрического сигнала. 1 ил,Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения границы объекта, необходимым для измерения размеров объектов и параметров их движения в пространстве,Известен способ, включающий формирование интерференционного поля двумя пересекающимися когерентными пучками света, ввод объекта в интерференционное поле, регистрацию в отдельности когерентной и некогерентной составляющих результирующего поля, которое представляет собой суперпозицию световых волн, рассеянных передней и задней кромками микро- объекта,определение размера микрообъекта, осуществляемое подсчетом числа полос в пределах его теневого изображения посредством их фотоэлектрической регистрации.Однако известный способ измерения .геометрических размеров имеет недостаточную точность определения положения границы объекта, так как о положении границы объекта судят по уровню интенсивности оптического сигнала,Наиболее близким по технической сущности является время - импульсный способ, согласно которому объект вводят в световой луч, состоящий из тонкого пучка, распространяющегося параллельно оптической оси системы и быстро перемещающегося посредством электромеханического сканирования в перпендикулярном направлении, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта,Недостатками известного способа являются:высокие требования к точности изготовления механического сканатора;относительно большая инерционность и ограниченная скорость сканирования, связанная с необходимостью перемещения механических масс, что ограничивает быстродействие и управляемость измерительной системы;нелинейность сканирования, вызывающая неравномерность развертки вследствие преобразования движения сканатора в линейное перемещение луча, что ограничивает точность измерения;прерывистость измерения, обусловленная вращением многогранного зеркального барабана, что ограничивает точность и быстродействие,Целью изобретения является повышение чувствительности и быстродействия определения положения границы путем устранения погрешностей сканирования. Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу, заключающемуся в том,что формируют луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению рас 5 пространения луча, преобразуют световойпоток, прошедший мимо кромки объекта; вэлектрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта,сходящийся оптический луч подвергают аку 10 стооптической модуляции, получают набор,световых волн дифракционных порядков,объект вводят в область интерференциидифракционных порядков, расположеннуювблизи их фокальной плоскости, об измене- .15 нии положения границы объекта судят поизменению фазы электрического сигнала,На чертеже дана схема, поясняющаяспособ,Сущность предлагаемого способа за 20 ключается в следующем.Монохроматическая световая волна 1 Е == Еехр (-1 в после прохождения акустооптического модулятора 2 (АОМ) описываетсяследующим выражением25Евых = (Е Т(х = Еоехр (- О) т) хх ехр -1 а сов (Кх - Й с), (1)где Т(х) - функция пропускания акустооптического модулятора;К - волновое число УЗВ.30 Спектр дифракции света на УЗВ описывается преобразованием Фурье световойволны Евых и равен,А(ц) Р(Е 8 ых) = Е , в (а) (-) х= - ох ехр - 3 (со+ а Я 1 д (о - т), (2)1где ЦЕ) - пространственное Фурье-преобразование;1(а) - функция Бесселя 1-го рода а-го40 порядка;а - амплитуда фазовой модуляции светана УЗВ;ц - пространственная частота.Спектр (2) представляет собой симмет 45 ричный набор световых волн дифракционных порядков, имеющих частоты м+ в Я гдегп = О, + 1, + 2, , - номер дифракционногопорядка. Свободное пространство действует на распространяющееся по оси Е 1 свето 50 все поле как линейный фильтрпространственных частот с передаточнойфункцией(ц) = ехр6 - ( Л, ),где 71 - расстояние от АОМ до плоскости55 ввода контролируемого объекта.Умножая А(о) на передаточную функциюсвободного пространства и.осуществляя обратное преобразование Фурье, получаем .выражение комплексной амплитуды оптического поля во френелевской зоне дифракции Е (Х; 2, с) = Ео ехр-(в т - К 2) х(3)хгде К - волновое число световой волны; А- длина световой волны; 2 - направление распространения света.Вводим в область перекрытия дифракционных порядков в плоскости контролируемый объект с функцией пропускания1, при Х Хо, Тоб = 1 (Х - Хо) =О, при Х Хо где Хо - координата границы объекта;1 (Х - Хо) - функция Хевисайда,Принимая во внимание известное свойство функции Хевисайда, а также учитывая расстояние от модулятора до плоскости ввода 2, получают выражение спектра Аг(ц) после контролируемого объекта АдцЕ,х,тф х-х,1 ехрФохдх 1 Е(х г ф+(4) хехр-РФихд.Е,ехр(-1 ф 4 г 1,Г Э,ой ехрх Вс Фкя-Х а 1 екр х и -Х,Чи,жй, где У(ц, хо) - дифракционный множитель;К = дЛ - коэффициент, учитывающий расстояние от модулятора до плоскости ввода объекта при освещении модулятора сходящимся световым пучком; 1 -фокусное расстояние. Для простоты рассуждений примем некоторые приближения, Во-первых, для плоских объектов дифракционный множитель У(и, хо) при значении пространственных частот о = 0 стремится к единице, Во-вторых, при малой интенсивности ультразвука (а0,1) дифракционными порядками выше первого можно принебречь, В-третьих, множитель, учитывающий фазовый набег всвободном пространстве по оптической оси 21. можно принять равным ехр(-1 л ш Я/;, ) 2 =г = 1, так как А Л, 21-О, а = О, + 1: С учетом приближений комплексная амплитуда светового поля перекрытия 2 г имеет вид Ег(Х,2, т)=Е ехр( - (ит - К 2(1(а) 1 х х ехр -1(у хо - Й 1) Т 1 о (а)+11(а) (- ) х х ехр 1 ф - Йтф.(5) Интенсивность волнового поля получим, умножив (5) на комплексносопряженную величину10 15 45 с целью повышения чувствительности и быстродействия определения положения границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область ин. терференции дифракционных порядков, 55 расположенную вблизи их фокальной плоскости, об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы электрического сигнала. 20 25 30 35 1 = Ео (1, (а) + 2 1 (а) + 4 1 о (а) 11 (а) х х зп (+хрй т) - 2 1 (а) соз 2 (ф хо -- Йт. (б) Как следует из выражения (6), изменение положения границы объекта приводит к изменению фазы электрического измерительного сигнала. От выбора значения коэффициента к зависит чувствительность способа определения подожения границыобъекта. Например, при значении коэффициентак= 9 Л = 0,5, где 1 - расстояние от модулятора до фокуса сходящегося пучка, 9 - расстояние от фокуса до точки плоскости ввода обьекта. Из выражения (б) видим, что присмещении границы объекта на величину Х = фаза измерительного сигнала изменяется на величину1 = (К/К) Хо = 2 Л/(7 К) Хо = 4 Л,что вдвое больше, чем при значении коэффициента к = 1, т,.е. при вводе контролируемого объекта в параллельный световой поток, В общем случае, изменяя коэффициент путем подбора соотношения между 9 ипри к 1, получаем более существенное увеличение чувствительности в 1/к раз.В целом способ преобразует изменение положения границы объекта в изменение фазы измерительного электрического сигнала,сИспользование способа в автоматизированном контроле линейных размеров и координат деталей позволяет оперативно и с более высокой точностью осуществить контроль качества щх изготоаления на различных этапах технологического процесса,Формула изобретения Способ определения положения границы объекта, заключающийся в том, что формируют световой луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению распространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта, в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,