[go: up one dir, main page]

SU1241062A1 - Laser meter of linear shifts of surface - Google Patents

Laser meter of linear shifts of surface Download PDF

Info

Publication number
SU1241062A1
SU1241062A1 SU843757073A SU3757073A SU1241062A1 SU 1241062 A1 SU1241062 A1 SU 1241062A1 SU 843757073 A SU843757073 A SU 843757073A SU 3757073 A SU3757073 A SU 3757073A SU 1241062 A1 SU1241062 A1 SU 1241062A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
unit
radiation
laser
cube
prism
Prior art date
Application number
SU843757073A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Анатольевич Мамонтов
Original Assignee
Всесоюзный заочный машиностроительный институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Всесоюзный заочный машиностроительный институт filed Critical Всесоюзный заочный машиностроительный институт
Priority to SU843757073A priority Critical patent/SU1241062A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1241062A1 publication Critical patent/SU1241062A1/en

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  линейных перемещений поверхности . Цель изобретени  - повышение точности измерений путем анализа спекла, отраженного от диффузной поверхности лазерного излучени . Измеритель содержит лазер 1 и коллиматор 2, расположенные на платформе 9. Пройд  диафрагму 3, излучение разветвл етс  полупрозрачной пластиной 1 1 на две части. Одна часть, прошедша  пластину 4, формирует опорное направление 21, неизменность ко .торого поддерживает блок 5 стабилизации . Друга  часть излучени  направл етс  в сторону контролируемой поверхности 20 и фокусируетс  на ней в виде п тна, имеющего гранул рную структуру и называемого спеклом. Наибольших размеров элементы спекла достигают , если поверхность 20 расположена в фокусе оптической системы 12. С ростом диаметра п тна, т.е. при расфокусировкеj размер элементов спекла уменьшаетс  и увеличиваетс  количество элементов на микрообъектив 14, с помсщью куб-призмы 13 направл етс  два потока излучени : один - от поверхности 20, другой, опорный - от одной из боковых граней куб-призмы 13. За пространственным фильтром 15 на фотодиодной матрице 16 формируетс  интереференционна  картина в виде концентрических колец. Блок 17 управлени  ведет поэлементный опрос матрицы, вычислительное устрой- . ство 18 определ ет величину и направление смещени  поверхности и вьщает сигнал на самописец 19. 1 ил. i (Л tvD 4;The invention relates to a measurement technique and is intended to measure linear movements of a surface. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by analyzing speckle reflected from the diffuse surface of laser radiation. The meter contains a laser 1 and a collimator 2 located on the platform 9. Passing the diaphragm 3, the radiation branches a semitransparent plate 1 1 into two parts. One part, having passed the plate 4, forms the reference direction 21, the stability of which the second one is supported by the stabilization unit 5. The other part of the radiation is directed towards the controlled surface 20 and is focused on it in the form of a spot having a granular structure called speckle. The largest dimensions of the speckle elements are reached if the surface 20 is located at the focus of the optical system 12. As the spot diameter increases, i.e. during defocusing, the size of the speckle elements decreases and the number of elements increases on microscope lens 14, two streams of radiation are directed with a cube-prism 13: one from the surface 20, the other, the reference one from one of the lateral faces of the cube-prism 13. on the photodiode array 16 an interesting pattern in the form of concentric rings is formed. The control unit 17 conducts the element-by-element interrogation of the matrix, the computing device-. Unit 18 determines the magnitude and direction of the displacement of the surface and provides a signal to the recorder 19. 1 Il. i (L tvD 4;

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может .быть использовано в системах автоматического контрол  профил  поверхности.The invention relates to a measuring technique and can be used in systems for automatic control of a surface profile.

Цель изобретени  - повышение точности измерений путем обработки спекла сигналов лазерного излучени , отраженного от поверхности.The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by processing the speckled laser radiation signals reflected from the surface.

На чертеже показана функциональна  схема лазерного измерител  сме- Ьгений поверхности,.The drawing shows a functional diagram of a laser meter of surface displacements.

Устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, диафрагму 3, измерительный блок 4, блок 5. стабилизации, позизионно-чувствительный фотодетектор 6, блок 7 формировани  управл ющих сигналов,.блок 8 электромеханических регулировок, платформу 9, неподвижное основание 10, полупрозрачную пластину 11, оптическую формирующую систему 12, куб-призму 13, микрообъектив 14, пространственный фильтр 15, фотоприемную матрицу 16, блок 17 управлени , вьгчЕислительцое устройство 18, самописец 19. ПозицИ ей 20 обозначена измер ема  поверх - ность.The device contains a laser 1, a collimator 2, a diaphragm 3, a measuring unit 4, a stabilization unit 5., a position-sensitive photo detector 6, a control signal generating unit 7, an electromechanical adjustment unit 8, a platform 9, a fixed base 10, a translucent plate 11, an optical forming system 12, a cube-prism 13, a micro-lens 14, a spatial filter 15, a photodetector matrix 16, a control unit 17, an optical device 18, a recorder 19. Position 20 indicates the measurable surface.

Лазер 1 и коллиматор 2, установленные на платформе 9, а также диафрагма 3, измерительный блок 4 и блок 5 стабилизации установлены последовательно по ходу излучени  лазера 1. Измерительньй блок 4 содержит полупрозрачную пластину 11, ориентированную накло нно относительно оси излучени  лазера 1, установленные в ходе излучени , отраженного от пластины 11, формирующую опти- ческую систему 12 и куб-призму 13 с двум  оптическими выходами, а также последовательно установленные напротив одного из выходов микрообъектив 14, пространственный фильтр 15 и позиционно-чувствительный фотодетектор , выполненный в виде фотоприемной матрицы 16, подключенной к блоку 17 управлени  с синхронизирующим выходом.The laser 1 and collimator 2 mounted on platform 9, as well as the diaphragm 3, measuring unit 4 and stabilization unit 5 are installed in series along the laser 1. The measuring unit 4 contains a translucent plate 11 oriented obliquely relative to the axis of the laser 1 emitted by the radiation reflected from the plate 11, which forms the optical system 12 and the cube-prism 13 with two optical outputs, as well as the microscope 14 sequentially installed opposite one of the outputs, the spatial filter 15 and ozitsionno-sensitive photodetector is configured as a photodetector array 16 is connected to the control unit 17 to the synchronization output.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Излучение лазера 1 формируетс  коллиматором 2 и, проход  диафрагму направл етс  в измерительный блок 4 В измерительном блоке 4 излучение полупрозрачной пластиной 11 раздел етс на два световых потока. Один поток используетс  дл  облучени  контроли -руемой поверхности, а второй - дл  создани  опорного направлени  21.The laser radiation 1 is formed by the collimator 2, and the passage of the diaphragm is directed to the measuring unit 4 In the measuring unit 4, the radiation from the semitransparent plate 11 is divided into two light fluxes. One stream is used to irradiate the surface being monitored, and the second to create the reference direction 21.

ss

00

5five

00

5five

00

5five

OO

5555

В результате воздействи  окружающей среды на излучение лазера 1 оно отклон етс  от опорного направлени  21, осуществл   медленные флуктуации. Дл  стабилизации опорного направле- .. ни  21 в измеритель введен блок 5 стабилизации , который состоит из пози- ционно-чувствительного квадрантного фотодетектора 6 и блока 7 формирова- ни  управл ющих сигналов.As a result of the effect of the environment on the laser radiation 1, it deviates from the reference direction 21, resulting in slow fluctuations. In order to stabilize the reference direction .. 21, stabilization unit 5 is inserted into the meter, which consists of a position-sensitive quadrant photodetector 6 and block 7 of the formation of control signals.

При смещении луча лазера 1 с опти- ч1еской оси фотодетектора 6 на выходах блока 7 формировани  управл ющих сигналов вьфабатываютс  напр жени , пропорциональные угловому рассогласованию . Эти напр жени  поступают на блок 8 электромеханических регулировок , который ме-ханически св зан с плат- орной 9, на которой установлены ла- зер 1 с коллиматором 2, и осуществл ет перемещение оптической оси лазера 1 по углу места и азимуту до компенсации рассогласовани . Позиционно-чувствительный фотодетектор 6 расположен на неподвижном относительно измер емой поверхности 20 основани , 10.When the laser beam 1 is displaced from the optical axis of the photodetector 6, the outputs of the control signal generating unit 7 generate voltages proportional to the angular mismatch. These voltages are applied to the electromechanical adjustment unit 8, which is mechanically connected to the platinum 9, on which the laser 1 is installed with the collimator 2, and moves the optical axis of the laser 1 in elevation and azimuth to compensate for the error. The position-sensitive photo detector 6 is located on a stationary relative to the measured surface 20 of the base, 10.

Измерительный блок 4- 1федназначен дл  количественной оценки перемещений контролируемой поверхности 20 относительно опорного направлени  (линии) 21.The measuring unit 4-1 is designed to quantify the movements of the test surface 20 relative to the reference direction (line) 21.

Полупрозрачна  пластина 11, рас.по- ложенна  в потоке излучени  под углом отражает часть излучени , которое с помощью фокусирующей оптической системы 12 формируетс  на измер емой поверхности в виде п тна с размерами, завис щими от диаметра и фокусного рассто ни  оптической системы 12. При этом отраженное от поверхности излучение в плоскости, параллельной поверхности объекта, имеет гранул рную структуру, назьгеае- мую спеклом. Параметры спекл-струк- туры завис т от диаметра п тна, сформированного на поверхности объекта, длины волны излучени , качества поверхности и р да других факторов.The translucent plate 11, located in the radiation flux at an angle, reflects part of the radiation, which with the help of the focusing optical system 12 is formed on the measured surface as a spot with dimensions depending on the diameter and focal length of the optical system 12. At By this, the radiation reflected from the surface in a plane parallel to the surface of the object has a granular structure called speckle. The parameters of the speckle structure depend on the diameter of the spot formed on the surface of the object, the wavelength of the radiation, the quality of the surface and a number of other factors.

Наиболее существенное вли ние на размеры элементов спекла оказывает диаметр п тна. С уменьшением диаметра п тна размер сечени  элементов спекла увеличиваетс , и, наоборот, с ростом диаметра п тна размер элементов спекла уменьшаетс  и увеличиваетс  число элементов. Наибольших размеров элементы достигают, если поверхность расположена в фокусе оптической системы. Поэтому смещение измер емой поверхности из точки фокуса приводит к уменьшению размеров элементов спекла. В то же врем  в пределах элемента спекла излучение сохран ет достаточную степень когерентности , чтобы осуществить гомо- динное преобразование его с опорным пучком. Это преобразование возможно только при согласовании фронтов двух или более взаимодействующих сигналов. Если один из сигналов прин ть за опорньш, а параметры другого изме- н ть, то эти изменени  преобразуютс  в изменени  результирующего сиг- . нала в плоскости взаимодействую- щих фронтов. Дл  создани  опорного сигнала и согласовани  его фронтои с отраженным от измер емой поверхности сигналом в сформированный поток излучени  введена куб-призма 13. Она выполнена так, что ее диагональна  грань  вл етс  полупрозрачной. Это позвол ет в качестве опорного сигна- ла-использовать излучение, отраженное одной из боковых граней куб-призмы в сторону микрообъектива 14, распо- роженного перпендикул рно оптической оси. Отраженное от объекта 20 излучение с помощью куб-призмы 13 также направл етс  в сторону микрообъектива 14. При опорное излучение и излучение, отраженное от поверхности 20, пройд  пространственньй фильТр 15, согласуютс  фронтами в фокальной плоскости микрообъектива 14, а на поверхности фотодиодной матрицы 16, расположенной за пространственным фильтром 15, формируетс  интерференционна  картина в виде концентрических колец с максимумом или минимумом излучени  в центре. Размер центральной зоны зависит от положени  поверхности относительно фокуса оптической системы 12, а изменение интенсивности в сторону максимумаThe diameter of the spot has the most significant effect on the size of speckle elements. With decreasing spot diameter, the size of the section of speckle elements increases, and, conversely, with increasing spot diameter, the size of speckle elements decreases and the number of elements increases. The largest dimensions of the elements reach, if the surface is located in the focus of the optical system. Therefore, the displacement of the measured surface from the point of focus leads to a decrease in the size of speckle elements. At the same time, within the speckle element, the radiation retains a sufficient degree of coherence in order to effect its homodyne transformation with the reference beam. This transformation is possible only when matching the edges of two or more interacting signals. If one of the signals is accepted as a supporting one, and the parameters of the other are changed, then these changes are converted into changes in the resulting signal. in the plane of interacting fronts. To create a reference signal and match its fronts with the signal reflected from the measured surface, a cube-prism 13 is inserted into the generated radiation flux. It is made so that its diagonal face is translucent. This allows, as a reference signal, to use the radiation reflected by one of the lateral faces of the cube-prism in the direction of the micro-lens 14, which is located perpendicular to the optical axis. The radiation reflected from the object 20 by the cube-prism 13 is also directed toward the micro-lens 14. When the reference radiation and the radiation reflected from the surface 20 pass through the spatial filter 15, the fronts in the focal plane of the micro-lens 14 are aligned, and on the surface of the photodiode array 16, located behind the spatial filter 15, an interference pattern is formed in the form of concentric rings with a maximum or minimum of radiation in the center. The size of the central zone depends on the position of the surface relative to the focus of the optical system 12, and the change in intensity towards the maximum

или минимума - от направлени  ее смещени  .or minimum from the direction of its displacement.

Поэлементный опрос фотодиодной матрицы осуществл етс  от блока 17 управлени . Вычислительное устройство 18 на основе поступающей в него информации о размере центральной зоны интерференционной картины и рассто ни  между кольцами, а также интенсивности излучени  в ее центре определ ет величину и направление смещени  поверхности и вьщает соответствующий сигнал на самописец.The elemental polling of the photodiode array is carried out from the control unit 17. The computing device 18, based on the information received about the size of the central zone of the interference pattern and the distance between the rings, as well as the intensity of radiation at its center, determines the magnitude and direction of the surface displacement and carries the corresponding signal to the recorder.

1062410624

Применение в измерителе анализаApplication in the analysis meter

зернистой структуры (спекла) отраженного от диффузионной поверхности сфокусированного лазерного излучени  реализует высокие пространственные характеристики последнего и тем самым .позвол ет повысить точность измерени  .The granular structure (speckle) of the focused laser radiation reflected from the diffusion surface realizes the high spatial characteristics of the latter and thus improves the measurement accuracy.

10ten

1515

2020

2525

30thirty

5five

00

5five

00

5 Формула изобретени 5 claims

Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности, содержащий платформу , последовательно расположенные лазер-и коллиматор, установленные на платформе диафрагму, измерительный блок и блок стабилизации, измерительный блок выполнен в виде каретки, установленной с возможностью перемещени  параллельно оси излучени  лазера , и закрепленных на каретке полупрозрачной пластины, ориентированной на клонно относительно оси излучени , и позиционно-чувствительного фотодетектора , установленного в ходе излучени , отраженного от полупрозрачной пластины, блок стабилизации выполнен в виде последовательно под-, ключенных позиционно-чувствительного фотодетектора, закрепленного на неподвижным основании, блока формировани , управл ющих сигналов и блока электромеханических регулировок, выход которого механически св зан с платформой, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности измерений, он снабжен размещенными между полупрозрачной пластиной и позиционно-чувствительным фотодетектором измерительного блока и установленными на каретке измерительного блока формирующей оптической системой, куб-призмой, выполненной с двум  оптическими выходами, один из которых предназначен дл  св зи с контролируемой поверхностью, микрообъёктивом, расположенным напротив второго выхода куб-призмы, пространственным фильтром и вычислительным устройством, формирукща  оптическа  система устанавливаетс  относительно контролируемой поверхности на рассто нии, равном ее фокусному рассто нию, куб-призма ориентирована так, что ее диагональна  грань расположена относительно оптических осей фокусирующей оптической системы и микрообъектива под углами , при которых световые потоки согласованы фронтами, позиционно-чув . . 51241062ft ;A laser surface linear displacement meter containing a platform, a successive laser and collimator, an aperture installed on the platform, a measuring unit and a stabilization unit, a measuring unit made in the form of a carriage mounted to move parallel to the laser radiation axis, and fixed on the carriage of a translucent plate, oriented towards the axis of radiation, and a position-sensitive photodetector mounted during the radiation reflected from the semi-transparent plate, the stabilization unit is made in the form of successively connected position-sensitive photodetectors mounted on a fixed base, a shaping unit, control signals and an electromechanical adjustment unit, the output of which is mechanically connected to the platform, characterized in that measurement accuracy, it is provided placed between the translucent plate and the position-sensitive photo detector of the measuring unit and installed on the carriage of the measuring unit forming an optical system, a cube-prism made with two optical outputs, one of which is designed to communicate with a controlled surface, a microscope located opposite the second output of the cube-prism, a spatial filter and a computing device, form the optical system relative to the controlled surface at a distance of the cube-prism is oriented so that its diagonal face is located relative to the optical axes of the focusing optical system themes and microobjects at angles at which the light fluxes are matched by fronts, position-chuv. . 51241062ft;

ствительиый детектор измерительноговыходам блЬка управлени , а выходыa detector for measuring the output of the control loop, and the outputs

блока выполнен в виде фотЪматрицы ;подключены к первому входу вычислии блока управлени  с синхронизирую-тельного устройства, вторым входомthe block is made in the form of a photomatrix; connected to the first input of the calculation of the control unit from the synchronization device, the second input

щим выходом, входы управлени  фото- jподключенного к синхронизирующемуcontrol outputs, photo control inputs connected to the sync

матрицы подключены к соответствующим .выходу блока управлени .The matrices are connected to the corresponding output of the control unit.

Claims (1)

Формула изобретенияClaim Лазерный измеритель линейных перемещений поверхности, содержащий платформу, последовательно расположенные лазер -и коллиматор, установленные на платформе диафрагму, измерительный блок и блок стабилизации, измерительный блок выполнен в виде каретки, установленной с возможностью перемещения параллельно оси излучения лазера, и закрепленных на каретке полупрозрачной пластины, ориентированной наклонно относительно оси излучения, и позиционно-чувствительного фотодетектора, установленного в ходе излучения, отраженного от полупрозрачной пластины, блок стабилизации выполнен в виде последовательно подключенных позиционно.-чувствительного фотодетектора, закрепленного на неподвижным основании, блока формирования, управляющих сигналов и блока электромеханических регулировок, выход которого механически связан с платформой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен размещенными между полупрозрачной пластиной и позиционно-чувствительным фотодетектором измерительного блока и · установленными на каретке измерительного блока формирующей оптической системой, куб-призмой, выполненной с двумя оптическими выходами, один из которых предназначен для связи с контролируемой поверхностью, микр©объективом, расположенным напротив второго выхода куб-призмы, пространственным фильтром и вычислительным устройством, формирующая оптическая система устанавливается относительно контролируемой поверхности на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию, куб-призма ориентирована так, что ее диагональная грань расположена относительно оптических осей фокусирующей оптической системы и микрообъектива под углами, при которых световые потоки согласованы фронтами, позиционно-чув 5 ствительный дётектор измерительного блока выполнен в виде фотоматрицы и блока управления с синхронизирующим выходом, входы управления фотоматрицы подключены к соответствующимA laser linear surface displacement meter containing a platform, a sequentially located laser and a collimator mounted on the platform, a diaphragm, a measuring unit and a stabilization unit, the measuring unit is made in the form of a carriage mounted to move parallel to the laser radiation axis, and mounted on the carriage of a translucent plate, oriented obliquely relative to the radiation axis, and a position-sensitive photodetector installed during radiation reflected from a translucent plates, the stabilization unit is made in the form of a series-connected positionally sensitive photodetector mounted on a fixed base, a formation unit, control signals and an electromechanical adjustment unit, the output of which is mechanically connected to the platform, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements, it is equipped placed between the translucent plate and the position-sensitive photodetector of the measuring unit and · mounted on the carriage of the measuring unit of the forming optical a cube-prism system made with two optical outputs, one of which is designed for communication with a controlled surface, a micro lens located opposite the second cube-prism output, a spatial filter and a computing device, the forming optical system is installed at a distance from the controlled surface equal to its focal length, the cube prism is oriented so that its diagonal face is located relative to the optical axes of the focusing optical system and lens at an angle at which the light fluxes aligned edges, position-5 and void Chuv dotektor measuring unit is designed as a photomatrix and output to the synchronization control unit photomatrixes control inputs connected to respective 1241062 6 выходам блдка управления, а выходы подключены к первому входу вычислительного устройства, вторым входом 5 подключенного к синхронизирующему выходу блока управления.1241062 6 outputs of the control unit, and the outputs are connected to the first input of the computing device, the second input 5 connected to the synchronizing output of the control unit.
SU843757073A 1984-06-21 1984-06-21 Laser meter of linear shifts of surface SU1241062A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843757073A SU1241062A1 (en) 1984-06-21 1984-06-21 Laser meter of linear shifts of surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843757073A SU1241062A1 (en) 1984-06-21 1984-06-21 Laser meter of linear shifts of surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1241062A1 true SU1241062A1 (en) 1986-06-30

Family

ID=21125310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU843757073A SU1241062A1 (en) 1984-06-21 1984-06-21 Laser meter of linear shifts of surface

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1241062A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7295324B2 (en) * 2004-07-13 2007-11-13 Mitutoyo Corporation System and method for improving accuracy in a speckle-based image correlation displacement sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР № 641274, кл. G 01 В 11/70, 1973. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7295324B2 (en) * 2004-07-13 2007-11-13 Mitutoyo Corporation System and method for improving accuracy in a speckle-based image correlation displacement sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3719421A (en) Optical device for determining the position of a point on a surface
JPH0652170B2 (en) Optical imaging type non-contact position measuring device
JP2732849B2 (en) Interferometer
JPH048724B2 (en)
US4395123A (en) Interferometric angle monitor
SU1241062A1 (en) Laser meter of linear shifts of surface
JPS63193003A (en) Apparatus for measuring depth of recessed part and thickness of film
CN110749380A (en) Device and method for measuring laser wavelength by using interference principle
JPS61242779A (en) Method of detecting inclination and focus of laser beam in laser beam machining device
CN100573032C (en) System and method for three-dimensional optical measurements
JPH05500853A (en) Method and apparatus for determining glass tube wall thickness
RU2094756C1 (en) Device for measuring the deviation from rectilinearity
JPH0610327Y2 (en) Laser light fiber input device
SU1413415A1 (en) Method of determining diameter of holes
SU1476306A1 (en) Theodolite
SU909637A1 (en) Device for interferometric measuring of surface displacement high speeds
RU1768967C (en) Surface roughness tester
JPS61223604A (en) Gap measuring instrument
SU1226195A1 (en) Arrangement for measuring gradient for refractive index
JPH0799325B2 (en) Minute displacement measuring method and minute displacement measuring device
RU2155321C1 (en) Device for measuring object linear shift
SU1343242A1 (en) Interferometer for checking shape of spherical surfaces
SU1208478A2 (en) Arrangement for measuring object displacements
SU1472760A1 (en) Device for non-contact measurements of part dimensions
SU1260685A1 (en) Device for measuring parameters of object displacement