СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF REMOTE MEASUREMENT OF SURFACE ROUGHNESS PARAMETERS

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для дистанционного измерения высоты шероховатости металлических и диэлектрических материалов.
Известен способ определения качества поверхности [Способ определения качества поверхности. Патент 2217697, Россия, МКИ G01B 11/30.- заявл. 8.07.2002 г., опубл. 27.11.2003 г.], основанный на формировании монохроматического зондирующего светового пучка, подаче сформированного пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, преобразовании отраженных от поверхности объекта зеркальной и диффузной компонент светового излучения в фототоки путем их подачи для последующей обработки на устройство преобразования светового излучения в фототок. Перед подачей на поверхность объекта зондирующего светового пучка из последнего выделяют часть излучения для формирования опорного светового пучка, "вырезают" парные импульсы равной длительности из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта диффузной составляющей и из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта зеркальной составляющей, полученные импульсы попарно-поочередно-последовательно подают на устройство преобразования светового излучения в фототек, а качество поверхности объекта - параметр Rq - определяют по формуле.
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять основной параметр шероховатости - то есть среднеарифметическое значение высот шероховатостей.
Также известен способ измерения шероховатости сверхгладких поверхностей [Hildebrand B.P., Gordon R.L., Alien E.V. Instrument for measuring the Roughness of supersmooth surfaces. - Applied Optic, 1974, v.13, 1, p.177-180], заключающийся в том, что освещают поверхность изделия под острым углом параллельным пучком монохроматического излучения, определяют интенсивность излучения, отраженного от поверхности в зеркальном направлении и в направлении, отличном от зеркального, и по отношению интенсивностей определяют среднеквадратическое отклонение высот неровностей - параметр Rq.
Недостатком этого способа является то, что в нем теряется информация о затенении элементов шероховатости поверхности, что приводит к росту погрешности измерений.
Наиболее близким, по сути к достигаемому результату, является выбранный в качестве прототипа способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности (патент РФ №2380655 кл. G01B 11/00), заключающийся в том, что задают максимальный размер L пятна на измеряемой поверхности, направляют на нее пучок зондирующего излучения, формируют пятно, измеряют характеристики отраженного излучения, по которому определяют среднеквадратическое значение высоты шероховатости Rq, отличающийся тем, что изменяют размер пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию зависимости Rq(x) и ее производную Rq'(x), а качество поверхности - параметр Ra определяет по формуле
.
Недостатком данного метода является отсутствие физического обоснования однозначной зависимости среднеквадратического значения высоты неровности поверхности объекта от характеристик отраженного излучения.
1
2
Задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является разработка физически обоснованного способа измерения параметров шероховатости поверхности объектов на основе освещения поверхности двумя источниками подсветки при длине волн λ и λ, регистрации изображений при этих подсветках и обработке зеркальных компонент отраженных видеосигналов изображений.
1
2
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в создании физически обоснованного способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности на основе освещения ее излучением на двух длинах волн λ и λ, приеме, регистрации и обработке двумерных картин поля зеркальных компонент отраженного излучения используемой поверхности.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, заключающемся в том, что направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости Rq(x) и ее производную Rq'(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле:
1
2
согласно изобретению поверхность освещают поочередно на двух длинах волн λ и λ, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле:
<mrow><mi>R</mi><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mi>cos</mi><mi>ψ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mo>−</mo><mi>ln</mi><msub><mi>k</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>ln</mi><mi>a</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>λ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>λ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mtext>,                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><munderover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mo>∑</mo></mstyle><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>/</mo><mi>N</mi><mi>K</mi></mrow></mstyle></mrow><mrow><munderover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mo>∑</mo></mstyle><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><munderover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mo>∑</mo></mstyle><mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>/</mo><mi>N</mi><mi>K</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
- отношение видеосигналов для всех элементов i и j изображений;
<mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
1
2
,
- величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ и λ; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта.
Для представления сути изобретения рассмотрим физическое обоснование способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов.
На основании работы (см. «Оптика шероховатой поверхности». А.С. Топорец. - Л.: Машиностроение. - 1988 г.) интенсивность зеркально отраженного излучения шероховатой поверхности формируется следующим
образом:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>λ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>λ</mi><mo>)</mo></mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>λ</mi><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><mmultiscripts><mi>ψ</mi><mprescripts /><none /><mn>2</mn></mmultiscripts></mrow><mrow><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
где I - интенсивность падающего пучка на длине волны λ; h - среднеквадратическая высота неровности; ψ - угол падения излучения на поверхность; ρ(λ) - коэффициент отражения поверхности на длине волны λ.
1
2
ij
1
ij
2
При освещении поверхности на двух длинах волн λ и λ, приеме и регистрации интенсивности (изображения) зеркально отраженного излучения отношение величин видеосигналов u(λ) и u(λ) можно записать в виде:
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><mmultiscripts><mi>ψ</mi><mprescripts /><none /><mn>2</mn></mmultiscripts></mrow><mrow><msubsup><mi>λ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>λ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>λ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>λ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>.                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
1
0
2
1
2
Так как величины I(λ), I(λ), ρ(λ) и ρ(λ) априори известны, то (2) можно записать следующим образом:
a
где  - постоянная величина.
На основании (6) получаем:
a
В свою очередь, с использованием (7) среднеарифметическое значение высоты неровностей R находится по формуле:
<mrow><mi>R</mi><mi>a</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>L</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>L</mi></munderover><mrow><msqrt><mrow><mi>R</mi><msup><mi>q</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><mi>q</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>R</mi><msubsup><mi>q</mi><mi>x</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>x</mi><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></msqrt></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>8</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Rq(x) и Rq'(x) - соответственно функция распределения среднеквадратического значения высоты неровности от размера освещающего пятна х и ее производная; L - диапазон изменения текущего размера х освещающего пучка. На Фиг.1 изображена схема работы способа. Схема включает исследуемый образец 1, источник излучения 2, спектральный фильтр 3, формирующую оптическую систему 4, цифровую видеокамеру 5.
1
2
1
2
Работа способа заключается в следующем: исследуемый образец 1 помещается на предметный стол микроскопа, затем устанавливается схема, состоящая из источника излучения 2, спектрального фильтра 3, формирующей оптической системы 4, через которую производится подсветка изучаемого объекта. В центр светового пятна направлен объектив цифровой видеокамеры 5, с помощью которой производится регистрация изображения на длине волны λ. Затем эксперимент повторяется, при этом отличием является замена спектрального фильтра 3 и получение изображения на длине волны λ. Полученные изображения на длинах волн λ и λ вводятся в ЭВМ, где производится обработка изображений по алгоритму согласно формулам (1)-(3). Далее, аналогичные измерения проводятся на других значениях параметра х до достижения x=L. Это выполняется с той целью, чтобы по формуле (8) с использованием значений Rq(x) и Rq'(x) определить среднеарифметическое значение шероховатости Ra.
Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности может быть использован в оптических системах контроля и измерительной технике для измерения размеров неровностей деталей и изделий в оптическом приборостроении.