Способ измерения профиля поверхности и устройство для его осуществления

(19) (11) 1 В 11/ 51) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНВЕДОМСТВО СССР1 ГОСПАТЕНТ СССР) ИЗОБРЕТЕНЕТЕЛ ЬСТВУ ПИСАНИ АВТОРСКОМ э(21) 4910204/28(56) Авторское свидетельство СССРМ 983454. кл, 6 01 В 11/24, 1981,Психология машинного зрения. - Сбор-ник под редакцией И.Уинст 0 на, М.: Мир,1978; с. 137 - 142.(54) СПОСОБ ИЗМБРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПО 8 ЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляопределения формы поверхности объектов.Цель изобретения - повышение точностиизмерения зэ счет уменьшения влияния Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности объекта.Известны интерферометрические способы измерения формы поверхности, заключающиеся в формировании изображе. ния поверхности, формировании картины интерференции излучения в плоскости изображения и опорного излучения и определении формы поверхности по сформированной картине интерференции.Известны такие устройства, содержание источник когерентного излучения, интерферометр, координатно-чувствительный фотоприемник и вычислительный блок. адаптивных шумов регистрации интенсивности иэображений, расширение информативности способа эа счет обеспечения.возможности измерения для поверхностей с йеременным коэффициентом отражения и одновременного определения параметров шероховатости поверхности, Способ заключается в формировании по крайней мере четырех изображений поверхности, полученных при подсвете с различных направлений, регистрации распределений интенсивностей изображений и определении профиля поверхности по зарегистрированным распределениям интенсивностей, Устройство. реализующее способ, состоит из четырех источников освещения, системы 2 формирования иэображения контролируе, мой порерхности, координатно-чувствительного фотоприемника и вычисли- С тельного блока. 2 п,ф-лы, 1 ил. К недостаткам указанных способов иройств можно отнести следующее; повышенную чувствительность к виб циям;данными способами и устройствами может быть получена информация только о тех изменениях рельефа, характерный размер которых разрешается системой формирования, т.е, данными способами и устройствами не может быть получена информация о параметрах микрогеометрии поверхности.Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения формы поверхности по полутонам, заключающийся в том, что освещают контролируемую поверх 1793209ность, регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности,Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство определения формы поверхности (средней поверхности), содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фото- приемник и электрически связанный с ним вычислительный блок.Недостатками данного способа и устройства являются высокая точность, связанная с тем, что задача восстановления формы поверхности является некорректной математической задачей, следовательно, результаты ее решения сильно зависят от шумов регистрации интенсивности; низкая информативность, связанная с тем, что данный способ и устройство не позволяют оценивать параметры микрогеометрии поверхности.Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения влияния адаптивных шумов регистрации интенсивности изображений и расширение информативности способа, измерение параметров шероховатости поверхности,Для этого в способе, заключающемся в том, что освещают контролируемую поверхность. формируют ее изображение и регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения. освещение поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределений интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещения, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности,.Для достижения поставленной цели устройство, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, снабжено по крайней мере тремя дополнительными источниками излучениями и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников излучения и одному из входов вычислительного блока,На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ,Устройство состоит из источников 1-4 освещения, оптически связанных системы 5 формирования изображения и координат 55 Цх - К(хехр ( - ,(1)1 + й/24 ) (х 3где х - координата в предметной плоскости системы 5;К(х) - распределение коэффициента отражения на поверхности объекта 9; но-чувствительного фотоприемника 6, выполненного в виде фотоприемника со скани-.руемым растром, блока 7 коммутации,первые четыре выхода которого подключе 5 ны к входам источников 1 - 4, и вычислительного блока 8, первый вход которогоподключен к выходу фотоприемника 6, авторой вход - к пятому выходу блока 7,В качестве вычислительного блока 8 мо 10 жет быть использована любая универсальная ЭВМ с адаптером видеокамеры либоспециализированная ЭВМ для обработкиизображений (см, например, Л.Рабинер,Б, Гоулд, Теория и применение цифровой об"5 работки сигналов, М., Мир, с, 696 - 697,проспект фирмы йцщеес, Регсо 1 ог ЭВМ типа СВИТ разработки ИКИ АН СССР и т.д.).При этом блок 8 должен быть запрограммирован в соответствии с алгоритмом, изло 20 женным далее, а именно блок 8 долженосуществлять следующие действия:1, По сигналам от блока 7 заносить впамять распределение интенсивностей Д2, Решать систему уравнений (1), изло 25 женную ниже. Алгоритмы и программы решения такого рода систем уравненийявляются широко известными и описаны,например, в кн. Дж. Деннис, Р,Шнабель.Численные методы безусловной оптимиза 30 ции и решения нелинейных уравнений, ММир, 1988 г.3, По вектору градиента высоты поверхности вычислять профиль поверхности, например, интегрированием.35 Способ с помощью устройства осуществляется следующим образом,По сигналам от блока 7 коммутации осуществляется последовательный подсветобъекта 9 с различных направлений. Изо 40 бражение объекта формируется на фотоприемнике 6 системой 5, По сигналам с пятоговыхода блока 7 коммутации распределенияинтенсивности, зарегистрированные фотоприемником 6, вводятся в память блока 8 в45 моменты времени, соответствующие работесоответствующего источника 1-4. В памятиблока 8 содержится также информация обугловом положении источников 1 - 4 относительно оптической оси системы 5 формиро 50 вания иэображения, Распределенияинтенсивностей изображений описываютсявыражением1793209 9 (х) - градиент высоты средней поверхности объекта над предметной плоскостью;у(х) - среднеквадратичный наклон шероховатостей;й - проекция единичного вектора, параллельного направлению подсвета на предметную плоскость;1 - порядковый номер изображения.Выражение (1) представляет собой систему их четырех уравнений с четырьмя неизвестными, а именно неизвестными являются две проекции вектора 9 (х), у(Х) и К(х), Данная . система уравнений решается в блоке 8. Легко показать, что данная система уравнений имеет единственное решение при соблюдеонии условия, заключающегося в том, что ранг матрицы11(1 л 1 - 1 й 11 ), (пгх п 1 х), (пу п 1 у)11 (2)не меньше 3,В условия шумов целесообразно формировать более чем четыре изображения, так как при этом, организуя в блоке 8 вычисление упомянутых неизвестных в соответствии с алгоритмом, заключающемся в нахождении точки минимума функционала Я=1; х) -(х)1можно уменьшить влияние шумов. Формула изобретения 1. Способ измерения профиля поверхности, заключающийся в том,.что освещают контролируемую поверхность, формируют ее изображение, регистрируют распределение интенсивности в плоскости изображения и измеряют профиль поверхности, отл ича ю щийся тем,что, сцельюповышения точности измерения и расширения информативности способа за счет измерения еще и параметров шероховатости поверхности, освещение контролируемой поверхности производят по крайней мере с трех направлений, регистрацию распределения интенсивности производят в моменты времени, соответствующие временам освещеПрофиль средней поверхности вычисляется в блоке 8 путем интегрирования.Необходимо отметить, что условие (2) неявляется существенным для способа, так 5 как справедливо только при организацииподсвета объекта 9 параллельными пучками источников 1 - 4, Если фронт излучения источников 1-4 не является плоским, то как выражение 1), так и условие (2) небудет 10 справедливым, В этом случае, используя общую методику вычисления интенсивности изображения, примененную в 5), можно получить иные чем (1) выражения для интенсивностей изображений и соответственно 15 иные условия на направление подсвета,Из изложенного следует, что предложенный способ и устройство обладают по. сравнению с известными повышенной точностью с условиях измерений с шумовыми 20 помехами. Математическое моделированиепроцесса измерения профиля средней поверхности при уровне сигнал/шум 10 по четырем изображениям показало, что ошибка может быть уменьшена в 3,7 раза, Также 25 предложенный способ и устройство позволяют измерить профиль средней поверхности с переменным коэффициентом отражения, а также определять среднеквадратичный наклон шероховатостей.30 ния, и по зарегистрированным распределениям интенсивности измеряют профиль и параметры шероховатости поверхности.2, Устройство для измерения профиля поверхности, содержащее источник освещения, оптически связанные систему формирования изображения поверхыости и координатно-чувствительный фотоприемник и электрически связанный с ним вычислительный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено по крайней мере тремя источниками освещения и блоком коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам источников освещения и одному из входов вычислительного блока,1793209 орректор С.Патруше ор Т ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 494 ВНИИПИ Госуд Составитель П.Бакут Техред М.МоргенталТираж. Подписное нного комитета по изобретениям и открытиям при 3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5