Устройство для измерения геометрических параметров поверхности

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН 50498 4 001 В 21/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТА ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ41итут радиотехнитоматики ,А. Горбаренко,Левинсон тельст 9/02,7 зобретение отй технике. Цеся повышение осится к Измер ью изобретения тельн очности измереия влияния дрейля счет исключе рферометра и автоподстрой ий, устройст нии з фа ин цессо измер переходных прои на результаты о для измерения ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(21) 4083716/24 - 28 (22) 19.05.86 (46) 07.11.87, Бюл, (71) Московский инст ки, электроники и ав (72) В.П, Бабенко, В Н,Н. Евтихиев, Г.Р.н А.А. Кучин (53) 53 1.7(088.8) (56) Авторское свиде972210, кл, С 01 В 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, который с первымфотоприемником 10 и схемой обработкиобразует управляющий канал регистрации сигнала в интерферометре белогосвета, Канал регистрации сигнала винтерфербметре белого света замкнутв цепь автоподстройки так, что вкаждом периоде модуляции модулятора7 с помощью арифметико-логическогоблока 19 измеряется положение ахроматической полосы и формирователем20 формируется сигнал расстройки,пропорциональный отклонению положения центра ахроматической полосы отположения, принятого за начальное,и опорное зеркало 6 подстраиваетсядо тех пор, пока положение центраахроматической полосы с заданной точностью не совместится с начальнымположением. Источник 3 монохромати1350498ческого излучения, второй фотоприем- зания иэ канала регистрации лазерноник 11 и схема обработки образуют го интерферометра вводятся в ЭВМ 32 измерительный канал регистрации сиг- для накопления, усреднения и расчета нала в лазерном интерферометре, где лишь в моменты времени, когда достофиксируется перемещение опорного верно известно, что автоподстройка зеркала 6 в каждом такте модуляции. произошла с заданной точностью по Интерференционное поле анализируется сигналу с формирователя 23 разрешаю- в заданном числе сечений с помощью щих импульсов. Результаты вычислений формирователя 33 отклоняющего напря- выводятся на дисплей 34 и графопожения и отклоняющей системы 12, Пока- строитель 35. 3 ил, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества поверхности и измерения толщины.Цель изобретения в . повышение точ.ности измерений за счет исключения влияния дрейфа интерферометра и переходных процессов автоподстройки на результаты измерений.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, на фиг, 2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг, 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие организацию связи между двумя регистрирующими каналами,Устройство для измерения геометрических параметров поверхности содержит интерферометр 1, источник 2 белого света, источник 3 монохроматического излучения, первый светоделитель 4, через который источник 2 белого света и источник 3 монохроматического излучения оптически связаны с интерферометром 1, второй свето- делитель,5, опорное зеркало 6, модулятор 7, жестко связанный с опорным зеркалом 6, поляризатор 8, оптический фильтр 9, первый фотоприемник 10, оптически связанный через поляризатор 8 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, второй фотоприемник 11, оптически связанный через фильтр 9 и второй светоделитель 5 с интерферометром 1, отклоняющую систему 12, жестко связанную с первым фотоприемником 10, генератор 13 модулирующего напряжения, выход которого связан с входом модулятора 7, формирователь 14 опорных сигналов, вход которого связан с выходом генератора 13 модулирующего напряжения,компаратор 15 максимального уровня,компаратор 16 нулевого уровня, входкоторого связан свходом компаратора 15 максимального уровня и выходом 5 первого фотоприемника 10, счетчик17 импульсов, схему 18 совпадений,первый вход которой связан с входомсчетчика 17 импульсов и выходом компаратора 15 максимального уровня, 1 О арифметико-логический блок 19 (БАЛ),первый вход которого связан с выходом счетчика 17 импульсов, второйвход - с выходом схемы 18 совпадений,третий вход - с вторым входом схемы18 совпадений и выходом компаратора 16 нулевого уровня, четвертыйвход - с выходом формирователя 14опорных сигналов, формирователь 20импульсов расстройки, первый вход 20 которого связан с выходом БАЛ 19, форформирователь 21 стробирующих импульсов, формирователь 22 реперных импульсов, вход которого связан с выходом формирователя 14 опорных сигна 2 б лов, а выход вс вторым входом формирователя 20 импульсов расстройки ивходом формирователя 21 стробирующихимпульсов, формирователь 23 разрешающих импульсов, первый вход которого 30 связан с выходом формирователя 21стробирующих импульсов, Формирователь24 компенсирующего напряжения, входкоторого связан с выходом формирователя 20 импульсов расстройки и вто. Зб рым входом формирователя 23 разрешающих импульсов, а выход - с входоммодулятора 7, генератор 25 счетныхимпульсов, формирователь 26 измеряемого временного интервала, Формирователь 27 масштаба, первый вход которого связан с первым входом формиро 1350498вателя 26 измеряемого временного интервала и выходом второго фотоприемника 11, второй вход - с вторым входом формирователя 26 измеряемого временного интервала и выходом формирователя 14 опорных сигналов, счетчик 28 импульсов дробной доли полосы, первый вход которого связан с выходом формирователя 26 измеряемого временного интервала, счетчик 29 импульсов масштаба, первый вход которого связан с выходом формирователя .27 масштаба, второй вход - с выходом генератора 25 счетных импульсов и вторым входом счетчика 28,импульсов дробной доли полосы, формирователь 30 импульсов целых полос, счетчик 31 импульсов целых полос, вход которого связан с выходом формирователя 30 импульсов целых полос, электронно-вычислительную машину 32 (ЭВМ), формирователь 33 отклоняющего напряжения, вход которого связан с первым выходом ЭВМ 32, а выход - с входом отклоняющей системы 12, дисплей 34, вход которого связан с вторым выходом ЭВМ 32, графопостроитель 35, вход которого связан с третьим выходом ЭВМ 32, периферийный адаптер 36, первый вход которого связан с выходом формирователя 23 разрешающих импульсов, второй вход - с выходом счетчика 28 импульсов дробной доли полосы и входОм формирова.теля 30 импульсов целых полос, третий вход - с выходом счетчика 31 импульсов целых полос, четвертый вход - с выходом счетчика 29 импульсов масштаба, а выход - с входом ЭВМ 32.Устройство работает следующим образом.На входе интерферометра 1 первый светоделитель 4 совмещает на одной оси два пучка света - белого от источника 2 и монохроматического 3 от лазера. На выходе интерферометра второй светоделитель 5 разделяет выходной пучок снова на два пучка, которые попадают на первый и второй фотоприемники 10 и 11 соответственно.Поляризатор 8 устанавливается ортогонально плоскости поляризации лазерного излучения, таким образом первый фотоприемник 10 регистрирует интерференционную картину только в белом свете, Второй фотоприемник 11 через оптический фильтр, пропускаю 45 50 55 В БАЛ 19, на входы которого подключены компаратор 15 максимального уровня, компаратор 16 нулевого уровня, счетчик 17 импульсов и схема 18 совпадений, в каждом такте модуляции фиксируется временное положение центра ахроматической полосы относительно опорного импульса А в виде вре 3менного интервала, длительность которого Т (фиг. 2, диаграмма 39), и, если в этом такте число импульсов, регистрируемое счетчиком 17, равно 1, то на обратном ходе на выходе БАЛ 19, начиная с момента времени. А, формируется импульс, длительность которого также равна Т, (фиг. 2, диаграмма 43), Формирователь 22 реперных импульсов формирует импульс постоянщий только лазерное излучение, ре 1гистриру"т интерференционную картинув монохроматическом свете. В качестве первого фотоприемника 10 в канале5регистрации белого света используютдиссекторный ФЭУ, снабженный отклоняющей системой 12, обеспечивающей ска"нирование интерференционного поля водном направлении, Второй фотоприемник 11 в канале лазерного интерферометра регистрирует изменение интерференционной картины в одной и тойже точке интерференционного поля, Генератор 13 модулирующего напряженияформирует синусоидальный сигнал сзаданной частотой (например, ЪОО Гц)и амплитудой (фиг. 2, диаграмма 37),который приводит в возвратно-поступательное движение модулятор 7 и закрепленное на нем опорное зеркало 6.Амплитуда модулирующего напряжениядолжна вызывать изменение разностихода плеч интерферометра большее,чем диапазон измеряемых величин, например 3-5 мкм. Регистрируемые при.модуляции сигналы в каналах интерферометра белого света и лазерного ин-.терферометра представлены на фиг. 2диаграммы 39 и 40 соответственно,. Формирователь 14 опорных сигналовформирует в каждом такте модуляциичетыре опорных импульса А,-А(фиг. 2, диаграмма 38), соответствующих нулю (А, А ), минимуму А, и35максимуму Амодулирующего напряжения. Участок А, - А з - рабочий ход,здесь регистрируется фотоэлектрический сигнал, участок А -А- обратный40ход, на этом участке идет обработкасигнала, 1350498цой длительцсти Т например от А, до А, (Фиг. 2, лид рдммд 44) . Формирователь 20 импуль:ов рдсстройки Формирует импульс Т , равный разности5 Т, -Т (фиг. 2, диаграмма 45) . Импульс расстройки подается ца формирователь 24 компенсирующего напряжения, где формируется постоянное напряжение, уровень которого пропорционален длительности импульса расстройки, Компенсирующее напряжение подается на модулятор 7, что приводит к смещению опорного зеркала 6. Зеркало 6 перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с импульсом А., в этом случае длительность временного интервала Т равна длительности реперцого импульса Т, Т, длительность импульса расстройки равна нулю и автоподстройка прекратится.Величина смещения опорного зеркала 6, необходимая для того, чтобы центр ахроматической полосы совпал с импульсом А, является мерой отклонения положения ахроматической полосы от .начального,Измерение смещения опорного зеркала 6 производится в канале регистрации лазерного интерферометра. В. каждом такте модуляции в формирователе 26 измеряемого временного ин 35 40 зИ41, = в , -где д 1, - смещение2 М опорного зеркала 6, Л - длина волныизлучеция источника 3, 1 И - приращение в счетчике 28 импульсов дробной доли полосы за один такт, Мчисло, записанное в счетчике 29 имцу.ьсв масштаба в данном такте, Па 55 тервала измеряется промежуток времени (времецной интервал) между импульсом А и ближайшим к нему нулем сигнала второго Фотоприемника 11 (фиг, 2, диаграмма 41) и временной интервал между этим нулем и следующим в формирователе 27 масштаба (фиг, 2, диаграмма 42), Эти временные интервалы заполняются счетными импульсами высокой частоты от генератора 25 счетных импульсов и числосчетных импульсов, заполняющих вре меццые интервалы, считается в счетчике 28 импульсов дробной доли полосы и счетчике 29 импульсов масштаба. Смещение опорного зеркала 6 за один такт может быть вычислено как 50 рдметры Формирователя 24 комцец ирующего ндпряжеция ыбирдются тдк, чтобы смещение опорного зеркала Ь зд один такт было бы малым по сравнению с длиной волны источника 3 11. ) Л /2 и 411 М, если же в ддц 7ном такте зафиксировдцо К2 это означает, что произошел переход через полосу, при этом Формирователь 30 импульсов целых полос записывает в счетчик 31 импульсов целых полос соответственно + 1 или - 1 в зависимости от знака приращения л К, Текущее на данном такте показание в канале лазерного интерферометра можетИбыть вычислена как 1, =(К+)2 М фгде К - число, записанное в счетчике 31 импульсов целых полос.Связь между каналами регистрацииинтерферометра белого света и лазерного интерферометра устдцдвливается следующим образом. Пусть в К-м сечении интерференционцого поля, т.е. на К-м шаге развертки, задаваемом формирователем 33 отклоняющего напряжения, измеренное значение высоты профиля 1 а на К+1 шаге должно. 1быть измерено значение 1, (фиг. 3, диаграмма 47), В процессе измерения, как только фотоприемник 10 начинает регистрировать интерференциоцную картину в белом свете в К+1 сечении, в канале регистрации интерферометра белого света формирователь 20 импульсов расстройки начинает формировать импульсы большой длительности (Фиг. 3, диаграмма 48), импульсы расстройки подаются на формирователь 24 компенсирующего напряжения, т,е, включается цепь автоподстройки, опорное зеркало 6 начинает постепенно перемещаться в том направлении, чтобы длительность импульса расстройки уменьшалась, и перемещается до тех пор, пока центр ахроматической полосы не совместится с положением, принятым за начальное, При этом длительность импульса расстройки должна быть минимальной. Одновременно в канале регистрации лазерного интерферометра в каждом такте модуляции регистрируется текущее положение опорного зеркала 6. Отсчеты, получаемые в канале регистрации лазерного интерферометра за каждый такт, показаны точками нафиг. 3, диаграмма 47, Из фиг, 3 видно, что отсчеты, получаемые в стадии переходного процесса автоподстройки, когда зеркало 6 опорного плеча пере 5 мещается, не соответствуют истинной высоте профиля. Поэтому для дальнейшей обработки отбираются лишь те отСчеты, которые с заданной погрешностью соответствуют значению ., Для этого формирователь 21 стробирующих импульсов формирует короткие импульсы допустимой расстройки от А-Ю до А+л (фиг, 2, диаграмма 46), длительность стробирующего импульса .15 допустимой расстройки может регулироваться.Для тех тактов модуляции, длякоторых длительность импульса расстройки (Т-Т ) ) 2 л (фиг. 3 диаграмма 49), формирователь 23 разрешающих импульсов формирует разрешающий сигнал, который подается на управляющий вход периферийного адаптера 36. Поскольку на другие входы 25 периферийного адаптера 36 подключены счетчик 28 импульсов дробных полос, счетчик 31 импульсов целых полос и счетчик 29 импульсов масштаба, то сигнал формирователя 23 разрешаю- О щих импульсов разрешает передачу в соответствующем такте модуляции информации из канала регистрации лазерного излучения в ЭВМ 32. При этом в память ЭВМ 32 записываются три числа К, И, М.35 Предварительно перед началом измерений в ЭВМ 32 вводятся три числа: число шаговОпределяющее В скОльких 4 О сечениях будут производиться измерения, число ус,еднения, определяющее сколько отсчетов должно сниматься на каждом шаге, и время ожидания.Как следует из изложенного, информация из канала регистрации лазерного интерферометра вводится в ЭВМ 32 1лишь по сигналу разрешения из канала регистрации интерферометра белого света в тех случаях, когда сигнал расс. тройки мал по сравнению с длительностью стробирующего импульса.Тем самым, из обработки исключаются отсчеты, связанные с переходными процессами при автоподстройке и вибрациями интерферометраПосле накопления на каждом шаге 1 разрешенных отсчетов в ЭВМ вычисляется текущая координата профиля по формулеМ ЧД 1. = в вгде Ч - скорость дви"й ГГжения опорного зеркала вблизи точки АПосле вычисления Е ЭВМ 32 дает команду на формирователь 33 отклоняющего напряжения для перехода на следующий шаг измерений, при этом изменяется напряжение отклоняющей системы 12 первого фотоприемника 10,Если на каком-то шаге по каким-то формула изобретения Устройство для измерения геометрических параметров поверхности, содержащее оптически связанные источник белого света, интерферометр и первый фотоприемник, компаратор максимального уровня, компаратор нулевого уровня, вход которого связан с входом компаратора максимального уровня и выходом первого фотоприемнипричинам, например вследствие наличия дефектов на исследуемой поверхности, фотоэлектрический сигнал вканале регистрации интерферометрабелого света деформируется и разрешающий сигнал не формируется, то поистечении заданного времени ожиданиядля данного шага в память ЭВМ 32 записываются нули и ЭВМ 32 дает команду к переходу к измерениям на следующем шагеПосле пвоведения измерений в требуемом числе сечений - пройдено заданное число шагов, ЭВМ 32 переходит в режим обработки информации.При этом нулевые значения заменяются экстраполированными по соседнимточкам, затем по заданной программеведется обработка массива чисел Е3и вычисляются требуемые параметрыисследуемой поверхности, например,вычисление параметров шероховатостиповерхности или толщины пленочныхпокрытий,После окончания обработки данныхЭВМ 32 выдает результат измерений:цифровые данные на дисплей 34, аграфическая информация в виде профилограммы выводится на графопостроитель 35.ка, счетчик импульсов, схему совпадения, первый вход которой связан свходом счетчика импульсов и выходомкомпаратора максимального уровня,арифметико-логический блок, первыйвход которого связан с выходом счетчика импульсов, второй вход - с выходом схемы совпадения, третий вход -с вторым входом схемы совпадения и 1 Овыходом компаратора нулевого уровня,формирователь опорных сигналов, выход которого связан с четвертымвходом арифметико-логического блокагенератор модулирующего напряженияи модулятор, жестко связанный с опорным зеркалом интерферометра, входкоторого связан с входом формирователя опорных сигналов и выходом генератора модулирующего напряжения,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности измерений, оно снабжено первым светоделителем, установленным между источникомбелого света и интерферометром, ис цточником монохроматического излучения, оптически связанным через первый светоделитель с интерферометром,вторым светоделителем, установленныммежду интерферометром и первым фотоприемником, поляризатором, установленным между вторым светоделителеми первым фотоприемником, оптическимфильтром, вторым фотоприемником,оптически связанным через оптическийЗБфильтр и второй светоделитель с интерферометром, последовательно соединенными формирователем реперныхимпульсов, формирователем стробирую-щих импульсов, формирователем разрешающих импульсов и периферийнымадаптером, последОвательно соединенными формирователем импульсов рас-,стройки и формирователем компенсирующего напряжения, выход которого свя 45зан с входом модулятора, первыйвход формирователя импульсов расстройки связан с выходом арифметико-логического блока, второй вход -с выходом формирователя реперныхимпульсов, а выход - с вторым входом формирователя разрешающих импульсов, формирователем измеряемого временного интервала, формирователеммасштаба, первый вход которого связан с первым входом формирователя измеряемого временного интервала и выходом второго фотоприемника, второйвход - с вторым входом формирователяизмеряемого временного интервала,входом формирователя реперных импульсов и выходом формирователя опорныхсигналов, генератором счетных импульсов, счетчиком импульсов дробнойдоли полосы, первый вход которогосвязан с выходом формирователя измеряемого временного интервала, счетчиком импульсов масштаба, первыйвход которого связан с выходом формирователя масштаба, второй вход -с вторым входом счетчика импульсовдробной доли полосы и выходом генератора счетных импульсов, последовательно соединенными формирователемимпульсов целых полос, вход которогосвязан с выходом счетчика импульсовдробной доли полосы и вторым входомпериферийного адаптера, и счетчикомимпульсов целых полос, выход которого связан с третьим входом периферийного адаптера, четвертый вход которого связан с выходом счетчика импульсов масштаба, электронно-вычислительной машиной, вход которой связан с выходом периферийного адаптера,формирователем отклоняющего напряжения, отклоняющей системой, жесткосвязанной с первым фотоприемником,вход которой связан с выходом формирователя отклоняющего напряжения,вход которого связан с первым выходом электронно-вычислительной машины,дисплеем, вход которого связан с вторым выходом электронно-вычислительной машины, и графопостроителем,вход которого связан с третьим выходом электронно-вычислительной машины,11350498 Составител Техред Л,О дактор С.Патрушев аказ 5249/4 одписноеСР 4 онзводственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная,Тираж НИИПИ Госуда по делам из 13035, Иоскв С,Конюховйнык Корректор И.Максимишинец твенного комитета Сретений и открытийЖ, Раушская наб