Спосіб визначення параметрів рельєфу поверхні та пристрій для його реалізації

Реферат: Спосіб визначення рельєфу поверхні та пристрій для його реалізації за методом диференційнофазової профілометрії/профілографії шляхом безпосереднього вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні, що характеризують її локальні нахили, та побудови її тримірного (3D) зображення, що можуть бути використані у машинобудуванні, особливо при створенні високоефективних трибосистем, у виробництві підшипників, у приладобудуванні, в автомобільній, авіаційній, ракетобудівній, електронній та оптичній промисловості, в біології та медицині тощо. UA 110587 C2 (12) UA 110587 C2 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до оптичних вимірювальних пристроїв, зокрема до способів та засобів оптичної профілометри та/або профілографії і може бути використаний у машинобудуванні, особливо при створенні високоефективних трибосистем, у виробництві підшипників, у приладобудуванні, в автомобільній, авіаційній, ракетобудівній, електронній та оптичній промисловості, в біології та медицині тощо. Відомий спосіб дослідження рельєфних і фазових об'єктів у лазерному скануючому мікроскопі, який полягає у тому, що зображення об'єкта формують шляхом порівняння фаз світлових пучків, відбитих від поверхні об'єкта в двох точках, рознесених на діаметр світлової плями, перетворення цієї різниці фаз в електричний сигнал з фазовою демодуляцією та модуляції електричним сигналом відповідної точки зображення, причому лазерний пучок розділяють на два параксіальних пучки, кожний з яких одночасно зміщують по частоті з різними значеннями зміщення, синхронно розгортають їх по поверхні об'єкта та оптично змішують два відбитих від поверхні променя [1]. Цей спосіб реалізується за допомогою оптичного пристрою, який містить акустооптичний елемент, джерело лазерного випромінювання, генератори електричних сигналів, пристрій розгортки променя, світлодільник, об'єктив, фотоприймач та послідовно з'єднані змішувач, фазовий детектор та відеоконтрольний пристрій, причому акустооптичний елемент, пристрій розгортки променя, світлодільник і об'єктив встановлені послідовно по ходу лазерного променя, виходи генераторів електричних сигналів підключені до входу акустооптичного елемента та до змішувача, пристрій розгортки променя містить блок управління, послідовно розташовані по ходу променя телескопічну оптичну систему, розташовані у взаємно перпендикулярних площинах два акустооптичних дефлектори і циліндричну лінзу, при цьому два акустооптичні дефлектори приєднані до блоку управління, а фотоприймач, що розташований уздовж осі відбитого від світлодільника променя, з'єднаний зі входом фазового детектора. Недоліком цього технічного рішення є те, що розщеплення світлового пучка у зазначеному пристрої можливе тільки по одній осі, при цьому розщеплення світлового пучка найчастіше здійснюється тільки у напрямі сканування пучка, через що отримання даних про рельєф поверхні можливе тільки уздовж одного напряму, тобто по осі ОХ або осі OY. Відомий також спосіб вимірювання рельєфу досліджуваної поверхні шляхом порівняння його з визначеним рельєфом зразка [2]. Цей спосіб реалізується за допомогою оптичного пристрою, який містить акустооптичний елемент; джерело лазерного випромінювання; засіб для приводу в дію акустооптичного елемента для перетворення падаючого лазерного променя щонайменше на два промені з різними частотами; два світлодільники, перший з яких розміщений між акустооптичним елементом та зразком на оптичній осі щонайменше двох направлених до поверхні зразка лазерних променів і використовується для їх розщеплення та для розщеплення світла, відбитого від зразка на перший і другий розщеплені промені світла, а другий використовується для відображення другого розділення променя, відбитого від першого світлодільника; три приймачі світла, перший з яких щодо формування опорного сигналу биття реагує щонайменше на два лазерних промені, що розщеплені першим світлодільником, другий щодо формування світлового сигналу биття реагує на перше відбиття розділеного променя, а третій призначений для детектування інтенсивності світла від частини другого відбиття розділеного променя світла щодо формування світлового сигналу; з'єднаний з першим та другим приймачами світла фазовий компаратор як засіб щодо порівняння інтенсивностей і фаз світлового сигналу биття від досліджуваної поверхні та опорного сигналу биття від зразка, а також обчислювальні прилади для розрахунку параметрів рельєфу досліджуваної поверхні. Недоліками цього технічного рішення є необхідність порівняння параметрів досліджуваної поверхні з параметрами еталонної поверхні, яка має свої нерівності, а також те, що розщеплення світлового пучка у зазначеному пристрої можливе тільки по одній осі, при цьому розщеплення світлового пучка найчастіше здійснюється тільки у напрямі сканування пучка, через що отримати дані про рельєф досліджуваної поверхні можливе тільки уздовж одного напряму, тобто по осі ОХ або осі OY. В результаті отримують профілограму, тобто переріз рельєфу досліджуваної поверхні, чи набір таких профілограм у режимі растрового сканування. Проте, для відтворення рельєфу досліджуваної поверхні необхідно мати дані про зміну рельєфу поверхні вздовж обох осей (осі ОХ та осі OY) у площині сканування. Для зшивання отриманих профілограм з метою відтворення рельєфу досліджуваної поверхні необхідна додаткова інформація про початок відліку у кожній профілограмі, яка не вимірюється при такому способі дослідження - не враховувати цю інформацію можна лише у деяких випадках, наприклад, коли відомо, що досліджуваний об'єкт має відхилення від площинності на поверхні. Проте, реалізація такої можливості у пристроях диференційно-фазової профілометри та/або профілографії 1 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вимагає забезпечення однакових умов розповсюдження світлових променів при розщепленні лазерного променю по осі ОХ та по осі OY, що висуває достатньо жорсткі вимоги до використовуваної оптичної схеми пристрою. Окрім цього, у складі оптичної схеми відомого пристрою є опорний канал, наявність якого небажана, оскільки також ускладнює оптичну схему пристрою, потребує окремого юстування, а також вносить додаткові похибки у вимірювані величини. Найбільш близьким технічним рішенням, що вибране за найближчий аналог (прототип), є спосіб диференційно-фазової профілометри і профілографії, який полягає в тому, що спочатку сканують світловим пучком еталонну поверхню, а потім по тих же траєкторіях сканують досліджувану поверхню, при цьому послідовно сканують кожну точку як досліджуваної, так і еталонної поверхні, щонайменше, першим та другим світловими пучками, причому, вказані світлові пучки розділяють щонайменше два параксіальних промені, щонайменше один з яких зміщують відносно інших по частоті та у просторі уздовж першої осі в першому світловому пучку та уздовж ортогональної їй другої осі в другому світловому пучку, при цьому вимірюють різницю фаз відбитих променів для вибраної кількості точок сканованої поверхні, апроксимують двовимірною функцією дані про різницю фаз відбитих променів, що отримані при скануванні еталонної поверхні, потім на основі вказаних апроксимованих даних коригують дані про різницю фаз відбитих променів, що отримані при скануванні еталонної поверхні, і здійснюють двовимірне інтегрування скоректованих даних, що отримані при скануванні еталонної поверхні, уздовж траєкторій переміщення світлових пучків та апроксимують вказані проінтегровані дані двовимірною функцією, потім коригують дані про різницю фаз відбитих променів, що отримані при скануванні досліджуваної поверхні, на основі згаданих апроксимованих даних про різницю фаз відбитих променів у відповідних точках еталонної поверхні і здійснюють двовимірне інтегрування скоректованих даних, що отримані при скануванні досліджуваної поверхні, уздовж траєкторій переміщення світлових пучків, коригують вказані проінтегровані дані на основі згаданих проінтегрованих та апроксимованих даних про різницю фаз відбитих променів у відповідних точках еталонної поверхні, після чого будують зображення і визначають параметри рельєфу досліджуваної поверхні. При цьому сканування здійснюють шляхом переміщення світлового пучка від однієї точки поверхні до іншої паралельно оптичної осі по траєкторіях у вигляді еквідистантних ліній, що починаються і закінчуються на межі заданої області досліджуваної поверхні, причому при скануванні спочатку здійснюють переміщення світлового пучка через досліджувані точки заданої області сканованої поверхні по еквідистантних траєкторіях у напрямі першої осі, а потім через згадані точки заданої області сканованої поверхні по еквідистантних траєкторіях у напрямі другої осі, ортогональної першій, переміщення світлового пучка через досліджувані точки заданої області сканованої поверхні здійснюють шляхом послідовного переміщення світлового пучка через кожну множину точок вказаної області, утворену точками, що лежать між її межами на одній з траєкторій, орієнтованих у напрямі першої осі, і на одній з траєкторій, орієнтованих у напрямі ортогональної їй другої осі, щонайменше один з променів світлового пучка зміщують у просторі уздовж осі переміщення променів і один з променів світлового пучка зміщують у просторі уздовж осі, ортогональній осі переміщення променів, а апроксимацію здійснюють двовимірним поліномом [3]. Для реалізації цього способу використовують пристрій для диференційно-фазової профілометри та/або профілографи, який містить джерело випромінювання, у якості якого може бути використаний лазер; встановлені по ходу світлового пучка щонайменше два акустооптичних дефлектори, світлодільник і об'єктив, при цьому кожен з акустооптичних дефлекторів виконаний з можливістю відхилення, сканування, а також розділення щонайменше частини світлового променя щонайменше на два промені по частоті і у просторі по одній з координат, водночас вказані акустооптичні дефлектори розташовані з можливістю відхилення, сканування і розподілу щонайменше частини світлового пучка, щонайменше по двох ортогональних координатах, пристрій також містить щонайменше два генератори керуючих сигналів для кожного акустооптичного дефлектора із загальним генератором опорної частоти для усіх генераторів керуючих сигналів кожного акустооптичного дефлектора, при цьому виходи генераторів керуючих сигналів з'єднані зі входом відповідного акустооптичного дефлектора через суматор, пристрій також містить фотоприймачі опорного й вимірювального сигналів і фазовий детектор, причому світлодільник виконаний з можливістю спрямування частини світлового пучка від джерела світла на фотоприймач опорного сигналу і частини відбитого світлового пучка на фотоприймач вимірювального сигналу, вхід фазового детектора з'єднаний з виходами вказаних фотоприймачів, а вихід з блоком обробки даних, що містить перший модуль апроксимації, виконаний з можливістю апроксимації даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка в досліджуваних точках еталонної поверхні, третій модуль порівняння для 2 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 коригування даних про різницю фаз відбитих променів в досліджуваних точках еталонної поверхні на основі вказаних апроксимованих даних, перший модуль інтегрування для інтегрування скоректованих даних про різницю фаз відбитих променів в досліджуваних точках еталонної поверхні уздовж траєкторій переміщення світлового пучка, пов'язаний з другим модулем апроксимації для апроксимації вказаних проінтегрованих даних, блок обробки даних містить також перший модуль порівняння для коригування даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка у відповідних точках досліджуваної поверхні на основі даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка у відповідних точках еталонної поверхні, другий модуль інтегрування, виконаний з можливістю інтегрування даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка в досліджуваних точках досліджуваної поверхні уздовж траєкторій переміщення світлового пучка, другий модуль порівняння для коригування згаданих проінтегрованих даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка для досліджуваної поверхні на основі згаданих даних, отриманих в результаті апроксимації проінтегрованих даних про різницю фаз відбитих променів світлового пучка у відповідних точках еталонної поверхні, крім того блок обробки даних містить модуль відображення інформації і модуль управління розгорткою, з'єднаний зі згаданими генераторами керуючих сигналів. При цьому фазовий детектор через аналого-цифровий перетворювач, модуль заглушування шуму і вузол вибору режиму роботи з'єднаний з входом третього модуля порівняння, першого модуля запам'ятовування і першого модуля апроксимації, вихід якого з'єднаний зі входом другого модуля запам'ятовування, вихід другого модуля запам'ятовування з'єднаний з другим входом згаданого третього модуля порівняння, вихід якого з'єднаний зі входом першого модуля інтегрування, а вихід першого модуля інтегрування з'єднаний зі входом другого модуля апроксимації, вихід якого з'єднаний зі входом третього модуля запам'ятовування, виходи першого і другого модулів запам'ятовування з'єднані зі входами першого модуля порівняння, вихід якого з'єднаний з першим входом другого модуля інтегрування, а другий вхід другого модуля інтегрування з'єднаний через модуль корекції з виходом згаданого першого модуля запам'ятовування, другий модуль інтегрування і третій модуль запам'ятовування з'єднані з входами другого модуля порівняння, вихід якого з'єднаний з першим входом модуля калібрування, а другий вхід модуля калібрування з'єднаний з другим виходом другого модуля інтегрування, вихід модуля калібрування з'єднаний з вузлом розрахунку параметрів поверхні, з'єднаним з першим входом модуля відображення інформації, з другим входом якого з'єднаний один з виходів вузла вибору режиму роботи, а з третім входом з'єднаний модуль управління розгорткою, виконаний з можливістю завдання напряму розподілу світлового пучка і формування послідовності координат позиціонування світлового пучка на заданій області досліджуваної поверхні, з входом модуля управління розгорткою пов'язаний модуль установки меж області досліджуваної поверхні, вхід якого з'єднаний зі згаданим модулем відображення інформації. Крім цього, між джерелом світла і акустооптичними дефлекторами по ходу світлового пучка встановлена перша оптична система, виконана з можливістю розширення світлового пучка, а після акустооптичних дефлекторів встановлена друга оптична система, виконана з можливістю звуження світлового пучка. Недоліками прототипу є необхідність порівняння параметрів досліджуваної поверхні з параметрами еталонної поверхні, яка має свої нерівності, через що результати таких досліджень не є беззаперечними. Наявність похибок визначення параметрів рельєфу еталонного зразку призводить до додаткових похибок у вимірюванні та обробці даних щодо параметрів рельєфу досліджуваної поверхні. До того ж принципова схема пристрою, в тому числі двоканальна схема вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні, схема блоку обробки отриманих даних є надто складними. Окремий фотоприймач для виділення опорного сигналу ускладнює оптичну схему пристрою і вносить додаткові похибки. Таким чином, завдання, на рішення якого спрямований кожен винахід заявленої групи винаходів, полягає у забезпеченні можливості визначення рельєфу будь-якої поверхні шляхом безпосередніх вимірювань її параметрів, що характеризують локальні нахили поверхні, без використання еталонних зразків, відтворення рельєфу досліджуваної поверхні, побудови її тримірного (3D) зображення, удосконаленні відомого пристрою для реалізації запропонованого способу шляхом спрощення його принципової функціональної схеми шляхом заміни двоканальної схеми визначення параметрів рельєфу досліджуваної поверхні на одноканальну і виключення окремого фотоприймача сигналів, отриманих від еталонного зразка, що використовуються для виділення опорного сигналу. Технічний результат, що досягається при реалізації кожного винаходу заявленої групи винаходів, полягає у забезпеченні надійності результатів визначення рельєфу досліджуваної поверхні завдяки безпосередньому вимірюванню її параметрів, що характеризують локальні 3 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 нахили поверхні, та спрощенні принципової функціональної схеми реалізації запропонованого способу, включаючи як електронну, так и оптичну частини відомого пристрою, в результаті чого зменшується час обробки отриманих даних та підвищується точність отриманих результатів. Спосіб визначення параметрів рельєфу поверхні, що забезпечує досягнення зазначеного вище технічного результату, полягає у використанні методу диференційно-фазової профілометри і/або профілографи, згідно з яким: - досліджувану поверхню сканують двома світловими пучками, що утворені завдяки почерговому розщепленню світлового пучка у кожному з двох акустооптичних дефлекторів зі зміщенням у просторі та по частоті, по двом взаємоортогональним напрямкам із суміщенням за допомогою телескопічної системи Бадаля центрів сканування, причому вибрану ділянку досліджуваної поверхні сканують у кожній точці спочатку у напрямку першої осі двома світловими пучками, що розщеплені в площині першої осі, а потім у напрямку другої осі, яка ортогональна першій, двома світловими пучками, що розщеплені в площині другої осі; - параметри рельєфу досліджуваної поверхні, що характеризують її локальні нахили, вимірюють шляхом визначення різниці фаз Δf світлових пучків, відбитих від досліджуваної поверхні, причому параметри кожної окремої точки досліджуваної поверхні вимірюють двічі, на початку наступного та наприкінці попереднього такту сканування, що підвищує точність та надійність результатів вимірювання; - вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні, що характеризують її локальні нахили, завдяки постійній різниці Δf між частотними параметрами кожного розщепленого і відбитого променя здійснюють за одноканальною схемою, що значно спрощує електронну частину пристрою для реалізації заявленого способу. Суть способу, що заявляється, полягає у скануванні досліджуваної поверхні двома світловими пучками, що утворюють шляхом попереднього розщеплення і зміщення у просторі та по частоті світлового пучка у першому акустооптичному дефлекторі по осі першого акустооптичного дефлектора, які спрямовують до другого акустооптичного дефлектора, де їх, в свою чергу, розщеплюють і зміщують у просторі та по частоті по осі, ортогональній осі першого акустооптичного дефлектора, причому сканування здійснюють шляхом переміщення світлових пучків через кожну множину точок досліджуваної поверхні, що знаходяться у межах заданої області поверхні на одній з траєкторій, орієнтованій у напрямку першої осі, та на одній із траєкторій, орієнтованій у напрямку ортогональній їй другої осі, після чого відбиті від досліджуваної поверхні світлові пучки направлять до світлоприймача, де їх перетворюють на електричні сигнали, здійснюють обробку отриманих сигналів та вимірюють параметри рельєфу досліджуваної поверхні та/або, будують її тримірне (3D) зображення. Новим у запропонованому способі є безпосереднє вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні, що характеризують її локальні нахили, шляхом вимірювання різниці фаз між двома відбитими від досліджуваної поверхні зміщеними у просторі та по частоті світловими пучками, причому вимірювання різниці фаз в кожній точці множини точок досліджуваної поверхні здійснюють почергово, спочатку з розщепленням двох скануючих світлових пучків у напрямку першої осі, а потім у напрямку ортогональній їй другої осі, шляхом їх почергового розщеплення та зміщення у просторі та по частоті акустооптичними дефлекторами у двох взаємоортогональних напрямках з частотами, що дорівнюють частотам сканування по кожній осі з додаванням частоти зміщення, при тому, що суміщення центрів сканування здійснюють за допомогою телескопічної системи Бадаля, яку розміщують між першим та другим акустооптичними дефлекторами, вимірювання кожної окремої точки здійснюють двічі, на початку наступного та наприкінці попереднього такту сканування, а обробку відбитих від досліджуваної поверхні сигналів здійснюють за одноканальною схемою на частоті, що відповідає різниці частот скануючих світлових пучків. Все це дозволяє виключити вимірювання та порівняння параметрів еталонної поверхні з параметрами поверхні дослідження, підвищити точність та надійність результатів вимірювання і, відповідно, зменшити час обробки отриманих в результаті сканування даних. Пристрій для реалізації запропонованого способу визначення параметрів рельєфу поверхні, що забезпечує досягнення зазначеного вище технічного результату у всіх випадках, на які розповсюджується проханий обсяг правової охорони являє собою пристрій для диференційнофазової профілометри та/або профілографи, який містить джерело випромінювання, за яке може бути використаний лазер, перший та другий акустооптичні дефлектори, першу та другу оптичні системи, світлодільник, об'єктив, які з'єднані між собою послідовно та механічно і встановлені по ходу світлового пучка таким чином, що мають загальну оптичну вісь, по два генератори керуючих сигналів для кожного акустооптичного дефлектора, встановлену між першим та другим акустооптичними дефлекторами телескопічну систему Бадаля, два суматори, 4 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 генератор опорного сигналу, фотоприймач, фазовий детектор, блок керування та обробки, відеомонітор. Новим у запропонованому пристрої є те, що оптична ось, на якій встановлені джерело випромінювання, перший та другий акустооптичні дефлектори, перша та друга оптичні системи, світлодільник та об'єктив, є ламаною, до складу пристрою додатково додані телескопічна система Бадаля та відеомонітор, фазовий детектор містить додатково частотний фільтр, підсилювач-обмежувач, лічильник-синхронізатор і цифровий лічильник, блок керування та обробки містить додатково модуль реконструкції рельєфу досліджуваної поверхні та модуль вибору режимів відображення, при тому, що вхід частотного фільтра, який одночасно є входом фазового детектора, зв'язаний з виходом фотоприймача, а вихід частотного фільтра зв'язаний зі входом підсилювача-обмежувача, вихід якого зв'язаний з першим входом цифрового лічильника. Водночас вихід генератора опорного сигналу зв'язаний з першими входами генераторів керуючих сигналів, зі входом лічильника-синхронізатора та третім входом цифрового лічильника, а вихід лічильника-синхронізатора зв'язаний з другим входом цифрового лічильника, вихід якого зв'язаний зі входом модуля вибору режиму роботи, який одночасно є входом блока керування та обробки, який містить додатково модуль реконструкції рельєфу досліджуваної поверхні, модуль вибору режимів відображення та модуль керування розгорткою, при цьому виходи модуля вибору режиму роботи зв'язані зі входами модуля реконструкції рельєфу поверхні та модуля вибору режиму відображення, вихід модуля реконструкції рельєфу поверхні зв'язаний з другим входом модуля вибору режиму відображення, один з виходів модуля вибору режиму відображення зв'язаний зі входом модуля керування розгорткою, один з виходів якого, в свою чергу, зв'язаний зворотним зв'язком з четвертим входом модуля вибору режиму відображення, а другий - зі входом додатково встановленого відеомонітора, а другий вихід модуля вибору режиму відображення зв'язаний зі входом додатково встановленого відеомонітора, при тому, що інші виходи модуля керування розгорткою, які одночасно є виходами блока керування та обробки, зв'язані зі входами генераторів керуючих сигналів, виходи яких через суматори в'язані зі входами першого і другого акустооптичних дефлекторів. Отже, поставлена задача вирішується тим, що до принципової схеми відомого пристрою внесені такі зміни: - оптична ось пристрою виконана ламаною; - до складу пристрою додатково внесено телескопічну систему Бадаля для перенесення центру сканування з першого до другого акустооптичного дефлектора; - між лінзами другої оптичної системи встановлений світлодільник; - зі складу пристрою вилучено фотоприймач опорного сигналу; - до складу фазового детектора додатково доданий частотний фільтр, підсилювач обмежувач, лічильник-синхронізатор і цифровий лічильник; - зі складу блока керування та обробки виключені модулі встановлення меж поверхні дослідження, заглушення шуму, апроксимації, інтегрування, запам'ятовування, розрахунку параметрів поверхні, а також аналого-цифровий перетворювач; - до складу блока керування та обробки додатково додані модуль реконструкції рельєфу поверхні та модуль вибору режиму відображення; - до складу пристрою додатково доданий відеомонітор. Можливість здійснення заявленої групи винаходів, охарактеризованих приведеними вище сукупностями ознак, щодо їх призначень може бути проілюстрована детальним описом конструкції і роботи пристрою для реалізації запропонованого способу визначення параметрів рельєфу поверхні. Вказаний опис пояснюється наступними графічними матеріалами: Фіг. 1 - принципова функціональна схема пристрою Фіг. 2 - схема першого етапу розщеплення світлового пучка і суміщення центрів сканування; Фіг. 3 - схема другого етапу розщеплення світлового пучка і суміщення центрів сканування; Фіг. 4 - зовнішній вигляд пристрою; Фіг. 5 - як приклад, зображення імплантата кульшового суглоба та профілограма його поверхні. Принципова функціональна схема (Фіг. 1) пристрою, що заявляється, складається з двох частин - оптичної частини 1 та електронної частини 2. Оптична частина 1 пристрою містить джерело 3 випромінювання, першу оптичну систему 4, перший акустооптичний дефлектор 5, телескопічну систему Бадаля 6, другий акустооптичний дефлектор 7, другу оптичну систему 8, що містить лінзи 9 та світлодільник 10, об'єктив 11, встановлені послідовно по ходу світлового пучка 12 та зв'язані між собою технологічно (оптично і механічно), та фотоприймач 13. 5 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як джерело 3 випромінювання використовують джерело когерентного випромінювання з лінійною поляризацією (лазер). Оптична ось пристрою є ламаною, тобто зміщена у просторі від прямої (уявної) осі по відповідних напрямках (Y та X) - від дефлектора 5 через телескопічну систему 6 Бадаля до дефлектора 7 (по осі OY), від дефлектора 7 до досліджуваної поверхні 14 (по осі ОХ). Перша оптична система 4 виконана з можливістю розширення світлового пучка 12 на вході першого акустооптичного дефлектора 5. Акустооптичні дефлектори 5 та 7 виконані з можливістю розщеплення світлового пучка 12 на два пучки, їх зміщення у просторі та по частоті та сканування по одній з осей (ОХ або OY), і розташовані один відносно одного з поворотом на 90°. Телескопічна система 6 Бадаля дозволяє перенести центр сканування з першого акустооптичного дефлектора 5 до другого акустооптичного дефлектора 7. Друга оптична система 8 узгоджує діаметр скануючого пучка випромінювання з вхідною зіницею об'єктива 11 і виконана так, що світлодільник 10 знаходиться на осі світлового пучка 12 між лінзами 9. Світлодільник 10 поділяє світловий пучок на рівні долі - їх інтенсивності мають дорівнювати близько 50 % інтенсивності падаючого світла. Об'єктив 11 призначений для фокусування світлового пучка на досліджувану поверхню 14 та приймання відбитого світлового пучка. На фотоприймач 13 надходять відбиті від досліджуваної поверхні 14 світлові пучки з різною частотою. Фотоприймач 13 має забезпечувати високі чутливість, співвідношення сигнал/шум, динамічний діапазон та мінімальні фазові спотворення. Електронна частина 2 пристрою містить генератор 15 опорних сигналів; генератори 16, 17, 18 і 19 керуючих сигналів; суматори 20 і 21; блок 22 керування та обробки, що включає модуль 23 вибору режимів роботи, модуль 24 реконструкції рельєфу поверхні, модуль 25 вибору режимів відображення і модуль 26 керування розгорткою; фазовий детектор 27, що включає частотний фільтр 28, підсилювач-обмежувач 29, лічильник-синхронізатор 30 і цифровий лічильник 31 та відеомонітор 32. Елементи електронної частини 2 пристрою зв'язані між собою таким чином. Вихід фотоприймача 10 зв'язаний зі входом фазового детектора 27, який одночасно є входом частотного фільтра 28, при цьому вихід частотного фільтра 28 зв'язаний зі входом підсилювача-обмежувача 29, вихід якого зв'язаний з першим входом цифрового лічильника 31. Водночас вихід генератора 15 опорних сигналів зв'язаний з першими входами генераторів 16, 17, 18 і 19 керуючих сигналів, зі входом лічильника-синхронізатора 30 та третім входом цифрового лічильника 31, при цьому вихід лічильника-синхронізатора 30 зв'язаний з другим входом цифрового лічильника 31, вихід якого зв'язаний зі входом блока 22 керування та обробки, який одночасно є входом модуля 23 вибору режиму роботи. Другий вихід модуля 23 вибору режиму роботи зв'язаний зі входом модуля 24 реконструкції рельєфу поверхні, а третій з першим входом модуля 25 вибору режиму відображення, причому вихід модуля 24 реконструкції рельєфу поверхні зв'язаний з другим входом модуля 25 вибору режиму відображення, третій вихід модуля 25 вибору режиму відображення зв'язаний зі входом модуля 26 керування розгорткою, перший вихід якого, в свою чергу, зв'язаний зворотнім зв'язком з четвертим входом модуля 25 вибору режиму відображення, а п'ятий вихід модуля 25 вибору режиму відображення зв'язаний зі входом відеомонітора 32. Третій, четвертий, п'ятий і шостий виходи модуля 26 керування розгорткою зв'язані відповідно з другими входами генераторів 16, 17, 18 та 19 керуючих сигналів. Виходи генераторів 16 та 17 зв'язані відповідно з першим та другим входами суматора 20, а виходи генераторів 18 та 19 зв'язані відповідно з першим та другим входами суматора 21. Вихід суматора 20 зв'язаний зі входом першого акустооптичного дефлектора 5, а вихід суматора 21 зв'язаний зі входом другого акустооптичного дефлектора 7. Фазовий детектор 27 забезпечує вимірювання параметрів щодо різниці фаз відбитих від досліджуваної поверхні 14 світлових пучків 33, які відповідають параметрам рельєфу досліджуваної поверхні. Частотний фільтр 28 фазового детектора 27 обмежує смугу частот вхідного сигналу 34, який відповідає відбитому оптичному сигналу 33 і містить змінну складову з частотою Δf, що є головним носієм інформації про рельєф досліджуваної поверхні 14 у вибраній для дослідження множині точок, яка складається з рядів точок, розташованих уздовж осі ОХ, та окремо з рядів точок, розташованих уздовж осі OY, при цьому отримані дані зберігаються для кожної вибраної точки, крім координати кожної точки враховується напрямок і величина розщеплення світлових пучків, що були встановлені при вимірюванні даної точки. Водночас частотний фільтр 28 виокремлює складову сигналу з частотою Δf у вигляді періодичного сигналу 35. Підсилювач-обмежувач 29 забезпечує відповідність фази вихідного прямокутного сигналу 36 фазі вхідного синусоїдального сигналу 35 незалежно від коливань амплітуди останнього. Прямокутний сигнал 36 використовують як цифровий сигнал для подальшого визначення фази досліджуваного сигналу. 6 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Лічильник-синхронізатор 30 на основі опорного сигналу 38 генератора 15 опорних сигналів генерує стартовий сигнал 37. Цифровий лічильник 31 здійснює виміряння фази прямокутного сигналу 36 відносно фази стартового сигналу 37. Блок 22 керування та обробки забезпечує опрацювання сигналу 39, що виходить з цифрового лічильника 31 і вносить необхідну складову у формування керуючих сигналів для акустооптичних дефлекторів 5 і 7, які, в свою чергу, забезпечують сканування досліджуваної поверхні 14 розщепленими та зміщеними у просторі і по частоті світловими пучками по заданим траєкторіям. Модуль 23 вибору режимів роботи блока 22 керування та обробки дозволяє задавати режим сканування та зчитування параметрів рельєфу досліджуваної поверхні 14 шляхом вимірювання кінцевих приростів її висоти по осях ОХ та OY або задавати режим виводу даних щодо параметрів рельєфу досліджуваної поверхні 14 на модуль 25 вибору режимів відображення. Модуль 24 реконструкції рельєфу поверхні блока 22 керування та обробки на основі сигналів, що надходять від фазового детектора 27, формує дані щодо параметрів рельєфу досліджуваної поверхні 14 та спрямовує їх до модуля 25 вибору режимів відображення. Модуль 25 вибору режимів відображення блока 22 керування та обробки здійснює вибір форми представлення даних, отриманих з модуля 23 вибору режимів роботи і модуля 24 реконструкції рельєфу поверхні, для передачі їх на вхід відеомонітора 32. Модуль 26 керування розгорткою блока 22 керування та обробки визначає кількість точок сканування, що зчитуються, утворює сигнали, які відповідають вибраним параметрам сканування, та спрямовує їх до генераторів 16, 17, 18 і 19 керуючих сигналів, куди з виходу генератора 15 опорних сигналів також надходить сигнал 38. Генератори 16, 17, 18 і 19 керуючих сигналів перетворюють сигнали, що надходять з блока 22 керування та обробки, разом з сигналом 38 генератора 15 опорних сигналів у керуючі сигнали, які через суматори 20 і 21 надходять до акустооптичних дефлекторів 5 і 7 та керують розщепленням, зміщенням і скануванням світлового пучка 12. Вихідний відеосигнал 40 з блока 22 керування та обробки надходить на екран відеомонітора 32, на якому у режимі реального часу спостерігають параметри, що характеризують локальні нахили, і/або зображення рельєфу досліджуваної поверхні 14 в вибраному масштабі та вибраній гамі кольорів. Схеми першого та другого етапів розщеплення світлового пучка і суміщення центрів сканування пристрою, що заявляється, показані на Фіг. 2 і Фіг. 3 відповідно, де зазначені частотні параметри скануючих світлових пучків: fО - частота оптичного сигналу, fХ - частота керуючого сигналу, що забезпечує сканування по осі ОХ, fY - частота керуючого сигналу, що забезпечує сканування по осі OY, Δf - різниця частот керуючих сигналів, що забезпечують сканування (додаткове зміщення по частоті одного із скануючих променів). Приклад використання заявленого пристрою у машинобудівельних галузях показаний на Фіг. 4, де на екрані відеомонітора показане зображення поверхні напиленого золотом (Ra=30 нм) стандартного скляного еталона шорсткості поверхні за ГОСТом 2789-73. Приклад використання заявленого пристрою у біології та медицині показаний на Фіг. 5, де зображені імплантат кульшового суглоба людини для ендопротезування (зліва) та профілограма його поверхні (справа). Спосіб визначення параметрів рельєфу поверхні, що заявляється, реалізується таким чином. Кожну точку досліджуваної поверхні 14 послідовно сканують світловим пучком 12, розщепленим на щонайменше два параксіальних пучки. Як приклад, розглядається варіант дослідження поверхні почерговим скануванням уздовж осі OY з розщепленням світлового пучка 12 у напрямку осі OY та уздовж осі ОХ з розщепленням світлового пучка 12 у напрямку осі ОХ. Формування світлових пучків відбувається у два етапи згідно зі схемами, представленими на Фіг. 2 і 3. На першому етапі сигнал із складовими, що мають частоти fY, fY+Δf, подають на перший акустооптичний дефлектор 5, який розщеплює світловий пучок 12 на два пучки та відхиляє їх вздовж осі OY. За допомогою телескопічної системи 6 Бадаля центр розщеплення та сканування світлових пучків переносять до другого акустооптичного дефлектора 7, на який подають сигнал з частотою fX. Другий акустооптичний дефлектор 7 відхиляє отримані світлові пучки вздовж осі ОХ. Це забезпечує вимірювання різниці фаз між двома світловими пучками, що були розщеплені, у напрямку осі OY. На другому етапі сигнал з частотою fY подають на 7 UA 110587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 акустооптичний дефлектор 5, який відхиляє отриманий світловий пучок вздовж осі OY. За допомогою телескопічної системи 6 Бадаля центр сканування відхиленого світлового пучка переносять до другого акустооптичного дефлектора 7, на який подають сигнал зі складовими, що мають частоти fX, fX+Δf. Другий акустооптичний дефлектор 7 розщеплює отриманий світловий пучок на два пучки та відхиляє їх вздовж осі ОХ. Це забезпечує вимірювання різниці фаз між двома світловими пучками, що розщеплені у напрямку осі ОХ. Керування послідовністю подання сигналів до першого 5 та другого 7 акустооптичних дефлекторів з необхідними частотами щодо розщеплення світлових пучків, їх зміщення та сканування здійснюють у автоматичному режимі. Водночас частоти fX та fY забезпечують сканування в заданих напрямках і в заданих межах. Таким чином, для розрахунків параметрів поверхні до фазового детектору 27 надходять два сигнали, які відповідають параметрам рельєфу в кожній точці досліджуваної поверхні 14. Вимірювання щодо кожної досліджуваної точки відбувається двічі на початку та наприкінці кожного циклу сканування, що підвищує точність та надійність результатів вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні 14. Відсутність необхідності використовувати еталонну поверхню з відповідними розрахунками параметрів її рельєфу спрощує та пришвидшує обробку отриманих даних. Пристрій, що заявляється, працює таким чином. Джерело 3 випромінювання (Фіг. 1) генерує світловий пучок 12, який розширюється у першій оптичній системі 4, проходить перший акустооптичний дефлектор 5, який розщеплює світловий пучок 12 на дві частини для зміщення їх у просторі, наприклад по осі OY, та подальшого сканування, проходить телескопічну систему 6 Бадаля, яка переносить центр сканування з першого 5 до другого 7 акустооптичного дефлектора. Другий акустооптичний дефлектор 7 розщеплює світловий пучок, що надходить з першого акустооптичного дефлектора 5 через телескопічну систему 6 Бадаля, на дві частини для зміщення їх у просторі, наприклад, по осі ОХ, та для подальшого сканування. Розщеплений світловий пучок надходить до другої (звужуючої) оптичної системи 8 між лінзами 9 якої розміщено світлодільник 10. Після проходження другої оптичної системи 8 світловий пучок попадає на лінзи об'єктива 11 і далі на досліджувану поверхню 14. Відбитий від поверхні світлодільника 10 і, відповідно, від досліджуваної поверхні 14 оптичний сигнал 33 надходить до фотоприймача 13, де перетворюється у його електричний аналог - сигнал 34, який надходить на вхід фазового детектора 27. Після фотоприймача 13 електричний сигнал 34 містить змінну складову з частотою Δf, фаза якої несе інформацію про різницю фаз відбитих від досліджуваної поверхні 14 світлових пучків 33 та є головним носієм інформації про рельєф досліджуваної поверхні 14. Фаза змінної складової сигналу з частотою Δf реєструється фазовим детектором 27, причому частотний фільтр 28, що міститься у складі фазового детектора 27, виокремлює необхідну складову з частотою Δf у вигляді періодичного сигналу 35, який обробляє підсилювачобмежувач 29 таким чином, що на його виході утворюється сигнал прямокутної форми 36 з фазою, що відповідає фазі вхідного синусоїдального сигналу 35 незалежно від коливань амплітуди останнього. Прямокутний сигнал 36 потрапляє на цифровий лічильник 31, який визначає фазу прямокутного сигналу 36 (що відповідає змінній складовій сигналу з частотою Δf) відносно стартового сигналу 37, що генерує лічильник-синхронізатор 30 на основі опорного сигналу 38 генератора 15 опорних сигналів, причому початкова фаза змінного сигналу з частотою Δf збігається з фазою стартового сигналу 37 завдяки одночасному використанню спільного генератора 15 опорних сигналів як для генерування керуючих сигналів для акустооптичних дефлекторів 5 і 7, так і в якості опорного сигналу для лічильника-синхронізатора 30. Вихідний сигнал 39 цифрового лічильника 31, що відповідає фазі прямокутного сигналу 36 і, відповідно, параметрам рельєфу досліджуваної поверхні 14 обробляється блоком 22 керування та обробки і спрямовується на екран відеомонітора 32 у вигляді відеосигналу 40. В результаті на екрані відеомонітора 32 спостерігають параметри і/або зображення рельєфу досліджуваної поверхні 14 в обраному режимі. Пристрій, що заявляється, має високу чутливість, високу швидкодію та високий ступінь віброзахисту - принцип диференційно-фазового вимірювання забезпечує сканування досліджуваної поверхні одночасно двома лазерними пучками, що розповсюджуються практично по одному шляху, тобто будь-які зміни оптичної довжини шляху, що виникають при вібрації, однаково впливають на фазу кожного зі скануючих пучків і взаємно компенсуються при реєстрації сигналів на детекторі. Спосіб визначення параметрів рельєфу поверхні та пристрій для його реалізації, що заявляються, забезпечують можливість безпосереднього вимірювання параметрів, що характеризують локальні нахили рельєфу поверхні, і побудови тримірного (3D) зображення рельєфу поверхні без використання еталонних зразків, спрощення принципової функціональної 8 UA 110587 C2 схеми та конструктивного виконання відомого лазерного безконтактного скануючого мікроскопа/профілометра шляхом заміни двоканальної схеми пристрою на одноканальну та виключення окремого фотоприймача для отримання опорного сигналу та, як результат, підвищення точності й надійності вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні. 5 10 Джерела інформації: 1. Патент України № 19905 Спосіб дослідження рельєфних та фазових об'єктів у лазерному скануючому мікроскопі та пристрій для його здійснення (перереєстроване Авторське Свідоцтво СРСР № 1734066 А1 від 30.03.1989), G02 В21/00, 25.12.1997. 2. Патент США № 5481360 А Оптичний пристрій для вимірювання форми поверхні (Optical device for measuring surface shape), G01 В11/00, 02.01.1996. 3. Патент Російської Федерації на винахід № 2179328 Спосіб диференціально-фазової профілометри та/або профілографи та пристрій для його реалізації, G02 В21/00, G01 В11/30, 19.06.2001. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб визначення параметрів рельєфу поверхні, з використанням методу диференційнофазової профілометрії і/або профілографії, який відрізняється тим, що сканування досліджуваної поверхні здійснюють двома світловими пучками, що утворені завдяки почерговому розщепленню світлового пучка у кожному з двох акустооптичних дефлекторів зі зміщенням у просторі та по частоті, по двох взаємоортогональних напрямках із суміщенням центрів сканування за допомогою телескопічної системи Бадаля, що розміщена між першим та другим акустооптичними дефлекторами, причому вибрану ділянку досліджуваної поверхні сканують у кожній точці спочатку у напрямку першої осі двома світловими пучками, що розщеплені в площині першої осі, а потім у напрямку другої осі, яка ортогональна першій, двома світловими пучками, що розщеплені в площині другої осі, відбиті від досліджуваної поверхні промені спрямовують до світлоприймача, вимірювання параметрів рельєфу досліджуваної поверхні здійснюють одночасно з її скануванням шляхом визначення фази змінної складової фотоструму, частота якої f дорівнює різниці між частотними параметрами кожного з пари скануючих світлових пучків, причому параметри кожної окремої точки досліджуваної поверхні вимірюють двічі, на початку наступного та наприкінці попереднього такту сканування. 2. Пристрій для реалізації способу визначення параметрів рельєфу поверхні, що являє собою пристрій для диференційно-фазової профілометрії та/або профілографії, який містить джерело випромінювання, як джерело випромінювання може бути використаний лазер, виконану з можливістю розширення світлового пучка першу оптичну систему, встановлені по ходу світлового пучка на загальній оптичній осі щонайменше два акустооптичних дефлектори, виконану з можливістю звуження світлового пучка другу оптичну систему, світлодільник і об'єктив, при тому, що кожен з акустооптичних дефлекторів виконаний з можливістю розділення світлового пучка щонайменше на два промені, зміщення їх у просторі й по частоті та сканування вибраної ділянки досліджуваної поверхні по двох взаємоортогональних напрямках, два генератори керуючих сигналів для кожного акустооптичного дефлектора із загальним генератором опорного сигналу, причому виходи генераторів керуючих сигналів з'єднані зі входами відповідних акустооптичних дефлекторів через суматори, фотоприймач, фазовий детектор, блок керування та обробки даних, який відрізняється тим, що оптична вісь, на якій встановлені джерело випромінювання, перший та другий акустооптичні дефлектори, перша та друга оптичні системи, світлодільник та об'єктив, є ламаною, між першим та другим акустооптичними дефлекторами додатково встановлена телескопічна система Бадаля, фазовий детектор додатково містить частотний фільтр, підсилювач-обмежувач, лічильниксинхронізатор і цифровий лічильник, при тому, що вхід частотного фільтра, який одночасно є входом фазового детектора, зв'язаний з виходом фотоприймача, а вихід частотного фільтра зв'язаний зі входом підсилювача-обмежувача, вихід якого зв'язаний зі входом цифрового лічильника, вихід якого зв'язаний зі входом модуля вибору режиму роботи блока керування та обробки, який містить додатково модуль реконструкції рельєфу досліджуваної поверхні, модуль вибору режимів відображення та модуль керування розгорткою, при цьому виходи модуля вибору режиму роботи зв'язані зі входами модуля реконструкції рельєфу поверхні та модуля вибору режиму відображення, вихід модуля реконструкції рельєфу поверхні зв'язаний з другим входом модуля вибору режиму відображення, один з виходів модуля вибору режиму відображення зв'язаний зі входом модуля керування розгорткою, один з виходів якого, в свою чергу, зв'язаний зворотним зв'язком з четвертим входом модуля вибору режиму відображення, 9 UA 110587 C2 а другий вихід модуля вибору режиму відображення зв'язаний зі входом додатково встановленого відеомонітора, при тому, що інші виходи модуля керування розгорткою, які одночасно є виходами блока керування та обробки, зв'язані зі входами генераторів керуючих сигналів. 10 UA 110587 C2 11 UA 110587 C2 12 UA 110587 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 13