способ фотометрического определения дефектов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ фотометрического определения дефектов, заключающийся в том, что облучают контролируемый образец лазерным пучком, регистрируют интегральную интенсивность диффузно рассеянной назад компоненты лазерного излучения, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интегральную интенсивность диффузно рассеянной вперед компоненты лазерного излучения и по отношению этих компонент определяют тип дефекта контролируемого образца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед определением типа дефекта дополнительно регистрируют интенсивности нерассеянных контролируемым образцом компонент лазерного излучения.

3. Устройство для фотометрического определения дефектов, содержащее лазер, установленные последовательно по ходу излучения первую и вторую интегрирующие полости, каждая из которых содержит входное и выходное отверстия и отверстия для размещения фотоприемников, соединенных с измерительном блоком, отличающееся тем, что между выходным отверстием первой и входным отверстием второй интегрирующей полости выполнена полость для размещения контролируемого образца, а в первой интегрирующей полости выполнено дополнительное отверстие для вывода зеркально отраженной компоненты излучения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в него введены два дополнительных фотоприемника, первый из которых размещен на выходе дополнительного отверстия для вывода зеркально отраженной компоненты излучения, первой интегрирующей полости, а второй фотоприемник установлен на выходе выходного отверстия второй интегрирующей полости, причем фотоприемники электрически соединены с измерительным блоком.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что в него дополнительно введены две интегрирующие полости, каждая из которых содержит два отверстия, в одном из которых установлен дополнительный фотоприемник, а другое оптически сопряжено с дополнительным отверстием первой интегрирующей полости или с выходным отверстием второй интегрирующей полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому определению дефектов и загрязнений оптических деталей, а конкретно к их фотометрической идентификации, и может быть использовано при определении оптической чистоты плоскопараллельных прозрачных оптических деталей, например пластин интерферометров, подложек фотошаблонов.

Известен способ контроля дефектов [1] включающий направление оптического излучения на полосу прозрачного материала, регистрацию интенсивностей зеркально отраженного и прошедшего компонент излучений.

Устройство для контроля дефектов прозрачных полос материалов [1] содержит источник оптического излучения и два фотоприемника для регистрации отраженного и прошедшего излучений.

Известные способ и устройство позволяют выявить оптические неоднородности на поверхности и в глубине тонкого прозрачного материала, в частности загрязнения поверхности или трещины. Однако дефекты, вызывающие рассеяние оптического излучения (пузыри, царапины, точки и т.д.), выявляются недостаточно надежно и практически не идентифицируются, т.е. неразличимы между собой, что обусловлено как слабой чувствительностью указанных компонент оптического излучения к этим дефектам, так и недостаточной информативностью зарегистрированных интенсивностей прошедшего и зеркально отраженных компонент излучений для различения типов дефектов.

Наиболее близок к заявляемому способ фотометрического определения дефектов [2] по которому контролируемый образец облучают лазерным пучком и регистрируют интегральную интенсивность диффузно рассеянной назад компоненты лазерного излучения. Это позволяет определять наличие или отсутствие дефекта (дефекты на контролируемом образце по изменению интегральной интенсивности диффузно рассеянной назад компоненты лазерного излучения.

Однако указанная величина недостаточно информативна при определении (идентификации) типов дефектов, вызывающих рассеяние оптического излучения, которые, как показали исследования, удовлетворяют требованиям оптической чистоты прозрачных оптических деталей, например, по ГОСТ 1141-76, согласно которому необходимо определить такие дефекты, как пузыри, царапины, точки и т. д. Одному и тому же изменению или одинаковым численным значениям интегральной интенсивности диффузно рассеянной назад компоненты лазерного излучения могут соответствовать разнотипные дефекты. Это не позволяет достоверно и точно определять типы дефектов, вызывающих светорассеяние и характеризующих оптическую чистоту прозрачных деталей.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для фотометрического определения дефектов [2] реализующее упомянутый способ и содержащее лазер, установленные последовательно по ходу излучения первую и вторую интегрирующие полости, каждая из которых содержит входное и выходное отверстия и отверстия для размещения фотоприемников, электрически соединенных с измерительным блоком. Первая фотометрическая полость с фотоприемником и светоделителем обеспечивает возможность измерения интегральной интенсивности подающего излучения, а вторая интегрирующая полость с фотоприемником интегральной интенсивности диффузно-рассеянной назад компоненты лазерного излучения, благодаря чему известное устройство в целом используется для измерения коэффициента поглощения контролируемого образца, а в части (вторая полость) для оценки наличия или отсутствия дефектов на его поверхности.

Оно не позволяет однозначно определить тип дефекта согласно требованиям к оптической чистоте прозрачной детали. Кроме того, для прозрачной детали часть внешнего света проникает во вторую интегрирующую полость через выходное отверстие, внося дополнительную погрешность в измерение упомянутой интегральной интенсивности, что также препятствует достоверной и точной оценке типов дефектов, например таких, как точки, пузыри, шлифовочные царапины, а также снижает достоверность и точность выявления дефектов прозрачных образцов, поскольку упомянутые дефекты обладают слабым светорассеянием назад.

Согласно изобретению повышается достоверность и точность определения типов дефектов, характеризующих оптическую чистоту прозрачных оптических деталей, обеспечивает возможность идентификации (распознавания) большого числа дефектов.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство для фотометрического определения дефектов с четырьмя фотоприемниками; на фиг. 2 устройство в виде фотометрической головки; на фиг. 3 устройство с интегрирующими полостями в виде сферических сегментов.

Устройство для фотометрического определения дефектов содержит лазер 1, фотометрический узел 2, образованный интегрирующей полостью 3 и фотоприемником 4, фотометрический узел 5, образованный интегрирующей полостью 6 и фотоприемником 7, дополнительные фотоприемники 8, 9, измерительный блок 10, полость 11 для размещения контролируемого образца 12.

Интегрирующие полости 6 и 3 последовательно установлены по ходу лазерного излучения. Каждая из них имеет входное и выходное отверстия, отверстие для размещения фотоприемника, а интегрирующая полость 6 дополнительное отверстие для вывода зеркально отраженной компоненты. Полость 11 размещена между входным отверстием 13 второй по ходу излучения интегрирующей полости 3 и выходным отверстием 14 первой по ходу излучения интегрирующей полости 6. Полость 11 открыта со стороны отверстий 13, 14 и со стороны конца для ввода образца 12 (для плоской детали она выполнена в виде узкой щели). Фотоприемник 4 размещен в отверстии полости 3, фотоприемник 7 -в отверстии полости 6, фотоприемник 8 на выходе выходного отверстия полости 3 в оптической ловушке 15 напротив рассеивающего элемента 16, а фотоприемник 9 на выходе дополнительного отверстия для вывода зеркально отраженной компоненты в оптической ловушке 17 напротив рассеивающего элемента 18. Стенки ловушки 17, 15 покрыты поглощающим свет составом. Для нормирования соотношения интенсивностей в ловушке 15 расположен нейтральный светофильтр 19. Фотометрические узлы 2,5 жестко соединены перемычкой 20, в которой выполнена полость 11, Лазер 1 установлен в изолирующем корпусе 21. Контролируемый образец 12 устанавливают в держателе 22, механически связанном с узлом 23 сканирования, который может быть выполнен в виде двухкоординатного стола и блока управления. В рабочем состоянии образец 12 вводят в полость 11.

Устройство работает следующим образом.

Излучаемый лазером 1 освещающий лазерный пучок через отверстие 14 падает на контролируемый образец. При наличии на контролируемом участке дефекта последний рассеивает лазерный пучок, причем часть его через отверстие 13 диффузно рассеивается вперед в полость 3, где интегрируется, а затем интенсивность излучения регистрируется фотоприемником 4, а часть диффузно рассеивается назад в полость 6, где излучение интегрируется, а затем регистрируется интегральная интенсивность излучения фотоприемником 7. Часть не рассеянного пучка, подчиняясь законам геометрической оптики, проходит через образец 12, сквозь интегрирующую полость 3 и ее выходное отверстие в оптическую ловушку 15, где рассеивается элементом 16 на фотоприемник 8, регистрирующий интенсивность этой компоненты, а часть зеркально отражается от образца и, пройдя сквозь дополнительное отверстие в полости 6, попадает в оптическую ловушку 17, попадает на рассеивающий элемент 18, который направляет излучение на фотоприемник 9, регистрирующий интенсивность зеркально отраженной компоненты излучения. Сигналы фотопримников 4, 7, 8, 9 регистрируются измерительным блоком 10, который может быть выполнен в виде набора регистрирующих приборов, специализированного вычислителя или системы обработки и отображения информации на базе ЭВМ. В последних случаях, измерительный блок производит определение отношения I_дн/I_дв, анализирует численные значения I_дн, I_дв, I_п, I_з, их отношения, по которым производится определение типа дефекта в автоматическом режиме. Так, при отсутствии дефекта I_дн и/или I_дв равны нулю. При наличии дефекта показания I_дн, I_дв не равны нулю. При однозначной идентификации типа дефекта измеренное отношение I_дн/I_дв попадает в интервал однозначной идентификации, например интервал 0,05-0,09 соответствует дефекту типа пузыря. При неоднозначной идентификации дефекта для оценки его типа используют I_п и I_з, измеренные фотоприемниками 8 и 9, затем смещают область зондирования на 0,3-2 диаметра лазерного пучка с помощью системы 23 сканирования, повторяют измерения I_п и I_з, оценивают изменения этих интенсивностей, производят по ним окончательную идентификацию дефекта. При необходимости перемещают контролируемый образец в полости 11 на новый участок, повторяя на нем поиск дефекта, а при его наличии идентификацию типа дефекта согласно вышеизложенному. При известности наличия дефекта на заданном участке система 23 сканирования обеспечивает позицирование дефекта напротив отверстий 13, 14 в полости 11. Полость 11 препятствует паразитной засветке со стороны интегрирующих полостей 3, 6 и внешнего излучения в них, а, благодаря расположению обеспечивает разделение I_дн и I_дв. За счет этого обеспечивается точное и достоверное определение типов дефектов прозрачных образцов.

Вариант выполнения устройства в виде фотометрической головки (фиг. 2) предназначен для идентификации однозначно идентифицируемых дефектов типа пузырь, точка и выявления других дефектов обработки. Фотометрическая головка выполнена в виде лазера 1, фотометрических узлов 2, 5 с интегрирующими полостями 3, 6 и фотоприемниками 4, 7, полости 11 для размещения контролируемого образца и оптических ловушек 15, 17, причем узлы 2 и 5 жестко соединены между собой скобой 24, образующей полость 11, а отдельно с корпусом 25, в котором установлен лазер, при этом оптические ловушки 15, 17 жестко соединены соответственно с узлами 2 и 5. Перемещается либо фотометрическая головка, либо исследуемый образец Регистрация I_дн и I_дв осуществляется фотоприемниками 4, 7, а их отношение измерительным блоком 10, электрически связанным с фотоприемниками. Ненужные в этом случае нерассеянные компоненты выводятся из полостей 3, 6 соответственно через выходное и дополнительное отверстия и поглощаются ловушками 15, 17.

В варианте устройства, изображенном на фиг. 3, фотометрические узлы 2, 5 совмещены и выполнены в виде фотометрического шара, разделенного параллельными перегородками 26 и 27 на две сферические сегментные полости 28 и 29, ограниченные указанными перегородками и полусферами 30 и 31. Фотоприемники 4, 7 установлены в отверстиях сегментных полостей 28 и 29. Полость 11 для размещения контролируемого образца 12 образована перегородками 26 и 27, в которых выполнены отверстия 14, 13, жесткой перемычкой 20. Отличие от варианта, изображенного на фиг. 1, состоит также в том, что введены две интегрирующие полости 32 и 33, каждая из которых содержит два отверстия. В отверстии полости 32 установлен фотоприемник 8, а в отверстии полости 33 фотоприемник 9. Входное отверстие полости 32 оптически сопряжено с выходным отверстием полости 28, а входное отверстие полости 33 с дополнительным отверстием для вывода зеркально отраженной компоненты из полости 29.

Интенсивности диффузно рассеянного вперед и назад излучения интегрируются соответственно сегментными полостями 28 и 29 и регистрируются фотоприемниками 4, 7, а диффузно не рассеянные компоненты интегрируются полостями 32 и 33 и регистрируются фотоприемниками 8 и 9. В остальном конструкция и работа данного варианта устройства аналогична варианту, изображенному на фиг. 1.

К достоинствам описываемого варианта следует отнести уменьшение габаритов фотометрических узлов, что позволяет при использовании интегрирующих полостей 32 и 33 не увеличивать габариты устройства. Применение полостей 32 и 33 позволяет повысить точность регистрации I_п, I_з.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают возможность точной и достоверной оценки типа дефекта на количественном и качественном уровне, удовлетворяющем требованиям к оптической чистоте прозрачных деталей.