автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка методов Фурье-оптики для измерения геометрических параметров изделий

" МШИСТЕРСТВО НАУКИ, ВШШЕй ШОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИИ

НОВОСИШРСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 535.42+535.31:53.082.5+681.518.3

ЧУГУЙ Юрий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФУРЬЕ-ОПТИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.II. 16 - информационно-измерктельниз

системы (в промышленности)

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 1992

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Троицкий Ю.В.

доктор технических наук, профессор Телешевский В.И.

доктор технических наук, профессор Борукаев Т.Б.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

РАН, г.Ыосква

Защита состоится "20" мая 1992г. в 15.00 на заседании специализированного совета Д.063.34.03 по защите диссертаций при Новосибирском электротехническом институте (630092, Ново-сибирск-92, пр.К.Маркса, 20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского электротехнического института.

Диссертация в форме научного доклада разослана "//"апреля 1992г.

Ученый секретарь

специализированного совета, ^

кандидат технических наук,

доцент Б.Ю.Лемеашо

' I I. ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-!-r'3t.I. Актуальность проблемы. Радикальное улучшение качества -¿¡]щ$^|стронтельной продукции в условиях современного поточного ""производства, освоение новых технологий в значительной степени зависят от оснащения промышленности высокоэффективными средствами размерного контроля. Такие средства должны обеспечивать бесконтактность одномерных и двумерных измерений, высокие разрешение (0.1 -s- I шсм) и быстродействие (от десятков до сотен измерений в секунду), широкий динамический диапазон измерений (от Ю-^ до 50 мм и более), допускать контроль в большой измерительной зоне (0.5 мм), определяемой неточностью положения контролируемого объекта в пространстве. В ряде ответственных производств (например, в атомной промышленности) на измерительные системы возлагается задача 100% контроля комплектующих изделий. Эти средства должны быть перененастраиваемыыи на контроль изделий различной конфигурации и, по возмогности, допускать измерения не только поперечных, но и продольных (по глубине) размеров.

Существующий контрольно-измерительный парк, базирующийся в основном на контактных средствах и ручной труде, не отвечает указанный требованиям.Кроме того, в этсы случае возникает немало проблем, связанных с необходимостью содержания на крупных предприятиях специальных инструментальных цехов,а такхе большого штата контролеров.

Удовлетворить одновременно приведенным требованиям по диапазону и быстродействию не удается и при использовании бесконтактных индуктивных и пневматических датчиков, а такпе тради -ционньк оптических систеи проекционного типа.

В последнее вреия за рубежом получили распространение лазерные измерительные системы на базе зеркальных сканеров,выпускаемые ширнаыи Oriel (®РГ), Beta (Великобритания), Anritsu (Ялоння). Одномерный характер измерений и невысокое пространственное разрешение вдоль направления,ортогонального сканируемому, сутают класс задач, решаемых этими средствами,а повышенная чувствительность к вкбрациян препятствует их более широкому использований) в про!£шленных условиях отечественного производства. От этих недостатков частично свободны теневые одномерные изнерители на основе гшогоэлементных интегральных линеек, однако обеспечиваемый ими ккгний предел измерений не превосходит 0.05 ии. Что касается коммерческих двумерных измерителей, то поскольку они в

- 3 -

основном базируются на применении ПЗС-матриц, достичь с их. помощью на практике погрешности измерений менее 0.1% затруднительно.

Появление лазеров стимулировало интерес к применению для измерительных целей когерентно-оптических методов обработки информации (фурье-оптики) благодаря достигаемым ими огромной скорости вычислений, большим функциональным возможностям. В отличие от классической фурье-оптика оперирует с пространственно-частотными спектрами входных оптических распределений, в качестве которых выступают изображения контролируемых объектов,имеющих четкие теневые проекции. Переход средствами фурье-оптик.: от обычных изображений к их интегральным образам создает предпосылки для появления нового поколения бесконтактных средств размерного контроля - $урье-оптических измерительных систем дифракционного и корреляционного типов. Они базируются, с одной стороны, на уникальных сЕойствах спектров мощностей - дифракционных картин Фраунго-фера, связанных с их потенциальной инвариантностью к смещениям объекта в измерительной зоне и отсутствием ограничений на низший предел измерений (в силу соотношения неопределенностей)^ с другой, - на способности фурье-оптики с высокой производительностью осуществлять над теневыми изображениями объектов. путем пространственно-частотной фильтрации их спектров линейные двумерные интегральные преобразования типа свертки и корреляции.

Исследования и разработки советских и зарубежных ученых в области размерного контроля на основе фурье-оптики в основном были посвящены изучению предельных возможностей классических диф|ракцк-онных и корреляционных -систем на базе согласованных голографичес-ких фильтров Вандер-Люгта в предположении справедливости теневой модели контролируемых протяженных объектов без учета специфики дифракционных явлений на объемных телах. Метрологические характеристики таких систем не отвечали предъявляемым к измерителям требованиям и исключали их надежное функционирование в промышленных условиях. При этом многие вопросы создания оптических измерительных систем остались нерешенными: не разработаны теоретические и практические основы создания систем; не исследованы способы повышения точности и расширения диапазона измерений размеров дифракционными и корреляционными методами, их предельные метрологические характеристики; не рассмотрены особенности дифракции света на объемных телах постоянной толщины и возможности одновременного определения по спектра.! поперечных и продольных размеров; не изучены вопросы оконтуривания плоских и протяженных объектов.

- 4 -

Указанные вопроси рассмотрены в представленной работе, в которой также обобщены результаты прикладных НИР и ОКР, выполненных в период с 1970 по 1991гг. под научным руководством и при личном участии автора в области создания оптико-электронных измерительных: систем нового поколения.

1.2. Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами НИР ИАиЭ СО АН СССР по темам: "Разработка и исследование методов и средств параллельных оптико-электронных вычислений"(1976-80гг.) и " Разработка элементов оптических и оптико-электронных вычислительно-информационных систем" (1981-90гг.), ГР 76050043 и ГР 81083906.-

Ряд исследований и разработок проводился в соответствии с решениями директивных органов и включался в координационные планы совместных работ СО АН СССР и министерств.

1.3. Цель исследований - разработка на базе методов фурье-оптики теоретических и практических основ построения нового класса бесконтактных высокопроизводительных систем размерного контроля изделий в условиях современного массового производства, создание и апробация опытных и промышленных образцов.

Достижение указанной цели требовало решения следующих задач:

- разработка принципоз построения бесконтактна дифракционных и корреляционных систем измерения с высокой точностью и производительность:; геометрических параметров изделий;

- создание конструктивной теории расчета спектров протяженных изделий постоянной толцкны;

- исследование особенностей оконтуривания в когерентном свете изображений плоских и протяженных объектов пространственно-частотными фильтраш:;

- разработка и исследование новых дифракционных и корреляционных методов размерного контроля;

- анализ метрологических характеристик систем, поиск способов их улучшения;

- разработка, создание и апробация экспериментальных, опытных и промышленных образцов измерителей.

1.4. Методы исследований. Результаты исследований, кзлонен-ные в диссертации, базируется на системном подходе :: получены путем теоретического анализа и численного моделирования на ЗВМ на-туршлх экспериментов. В работе использованы методы волновой оптики, спектрального и корреляционного анализа, современные методы измерительной и вычислительной техники.

- 5 -

1.5. Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые:

1.5.1. Разработаны основы построения нового класса средств измерений - фурье-оптических измерительных систем (ФОИС)для автоматического бесконтактного размерного контроля, отличающихся от известных одновременно большим быстродействием С до сотен изм./с), высоким разрешением (0.1 т I мкм), широким динамическим диапазоном измерений (0.01 * 50 мм) и возможностями одновременного измерения параметров по нескольким каналам и перенастройки систем на различные изделия и типоразмеры.

1.5.2. Создана и экспериментально подтверждена теория расчета спектров протяженных объектов постоянной толщины на основе модели эквивалентных диафрагм, позволяющая с приемлемой для практики точностью оценить и учесть влияние объемности на основные метрологические характеристики ФОИС.

1.5.3. Исследованы в аналитическом виде спектры абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины - типичных элементов трехмерных тел и установлены зависимости мегду характерными параметрами спектров и геометрическими размерами объектов.

1.5.4. Предложены и исследованы дифракционные методы измерения поперечных и продольных размеров протяженных абсолотно поглощающих объектов постоянной толщины, геометрических параметров изделий слоеной формы - винтов, а также способы радикального расширения диапазона контролируемых размеров непрозрачных объектов на основе двойной фильтрации их спектров.

1.5.5. Аналитически исследованы геометрические и энергетические характеристики контурных изображений плоских и протяженных объектов постоянной толщины,даны рекомендации по выбору параметров оконтуривающих фильтров для целей размерного контроля.

1.5.6. Предложены и исследованы быстродействующие высокоточные корреляционные методы определения линейных и пространственных характеристик изделий широкой номенклатуры путем окон-туривания их теневых изображений и сравнения с образцовыми изображениями в пространственно-частотной и в пространственно-временной области.

1.6.Практическая ценность и реализация результатов работы.

1.6.1. Разработаны инженерные основы создания с высокими

метрологическими характеристиками фурье-оптических систем бесконтактного контроля геометрических параметров изделий широкой номенклатуры в условиях массового производства.

- 6 -

1.6.2. На основе полученных.результатов совместно с отраслевые организациями созданы промшленные образцы лазерных дифракционных и корреляционных измерителей ДДИ-1 и ЖА. На Новосибирском приборостроительном заводе им.В.И.Ленина в 1982г. и 1985г. выпущены их первые промышленные серии. В сотрудничестве с СКВ НП СО АН СССР в 1984-85 гг. разработаны и созданы опытные образцы оптических корреляционных измерителей размеров тел вращения "Кон-тур-2" и "Контур-З". На их базе созданы автоматы: для разбраковки концевых изделий твзлов по диаметрам (машзавод, г.Электросталь) и для контроля линейных и пространственных характеристик изоляторов электролитических конденсаторов (ПО "Микондг.Ташкент). Экономический эффект от внедрения разработок на этих заводах составил более 500 тыс.руб. Созданный в ИАиЭ СО АН СССР (1984 - 85гг.) лазерный измеритель диаметров ЛДК-IM сдан в промышленную эксплуатацию на Новосибирском зэзоде химкокцентратов (участок контроля геометрических размеров длинномерных оболочек твэлов).

1.7. На защиту выносятся теоретические и практические основы построения и создания фурье-оптических измерительных систем,включая:

- принципы построения бесконтактных дифракционных и корреляционных систем размерного контроля, обладающих одновременно большим быстродействием (от десятков до сотен изм./с), высоким разрешением (от 0.1 до I мкм)»широким динамическим диапазоном (от 0.01 до 50 мм) и возмо?шостями одновременного измерения параметров по нескольким каналам и перенастройки систем на различные изделия и типоразмеры;

- конструктивный (простой и физически наглядный) метод расчета спектров протяженных объектов постоянной толщины на основе модели эквивалентных диафрагм;

- результаты исследований спектров типичных элементов объемных абсолютно поглощающих тел и установленные при этом аналитические зависимости меаду характерными параметрами спектров и геометрическими размерами объектов;

- дифракционные методы определения поперечных и продольных размеров протяженных абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины, измерения геометрических параметров изделий слоеной формы - винтов, а также способ радикального расширения диапазонов контролируемых размеров непрозрачных объектов на основе двойной фильтрации их спектров;

- результаты исследований геометрических и энергетических

- 7 -

характеристик контурных изображений плоских и протяженных объектов постоянной толщины, рекомендации по выбору параметров окон-туривающих фильтров для целей размерного контроля;

- быстродействующие высокоточные корреляционные методы измерения линейных и пространственных характеристик изделий широкой номенклатуры на основе оконтуривания их теневых изображений и сравнения с образцовыми изображениями в пространственно-частотной и пространственно-временной области;

- результаты исследований характеристик созданных экспериментальных, опытных и-промышленных образцов дифракционных и корреляционных измерителей.

1.8. Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных школах-семинарах по оптическим методам обработки информации (Горький,1974,1976; Рига,1980; Киев,1984; Фрунзе,1986), Всесоюзном научно-техническом симпозиуме (Львов, 1976), Международном симпозиуме по прикладной голографии (Прага, 1978), Ш Всесоюзной конференции по голографии (Ульяновск, 1978), Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе ЭВМ" (Новс/сибирск, 1979), Всесоюзном семинаре "Применение методов оптической обработки информации и голографии" (Ленинград, 1980), Международном симпозиуме по оптике и голографии(Страсбург,1980), Всесоюзном семинаре по современной оптике (Краснодар,1981), Всесоюзном семинаре "Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля точных размеров и углов"(Ленинград, 1984), Всесоюзном семинаре по техническому зрению (Таллин, 1984), Международных советско-западногерманских семинарах по оптике ( Новосибирск, 1982; Фрайзинг, 1983; Новосибирск, 1985), Международном семинаре "Оптические вычисления-80" (Новосибирск, 1986).

Лазерный дифракционный измеритель ЛДИ-1 и оптический измеритель размеров "Контур-2п демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены Дипломов I степени, а автор награжден бронзовой медалью.

1.9. Личный вклад.Постановка, обоснование задач, способы их решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору.Разработки оптических измерительных систем на стадиях КИОКР и внедрения их в промышленность выполнены сотрудниками научного коллектива под руководством и при участии автора.

1.10. Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликована 51 печатная работа, получено 10 авторских свидетельств на изобретения. Результаты исследований и разработок изложены также в 5 отчетах по НИР и ОКР.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Введение. Среди промышленных изделий широкий класс составляют плоские (нулевой толщины) и протяженные объекты с четкими теневыми изображениями. Последние ыожно приближенно описать двумерными бинарными функциями Р (х,у).содержащими области единичных и нулевых значений амплитуды прошедшей световой волны (рис.1а). С измерительной точки зрения информативными являются границы (контуры) этих областей (рис.16), расстояния между элементами которых и определяют совокупность контролируемых поперечных размеров( ь = 1,2,..., 3 ). При контроле протяженных объектов актуальным на практике представляется измерение, наряду с поперечными, и их продольных размеров (по глубине) ]- ( К = = 1,2,..., ^Г) в направлении освещающей объект световой волны.

В дальнейшем среди указанного класса объектов будем различать "прозрачные" изделия - светлые объекты на темном фоне и негативные по отношению к ним непрозрачные " изделия, теневые изображения которых ограничены входной апертурой оптической системы.

Организация высокоразреаающего и быстродействующего контроля поперечных размеров плоских объектов в диапазоне от Ю-^ до 50 мм традиционными (сканирующими и теневыми) методами связана с проблемами обеспечения при измерении до 10^ х 10^ элементов разрешения, а также точного и оперативного нахождения в оптическом сигнале координат границ контролируемого объекта в условиях произвольного его положения в измерительной зоне. Особенно критичным для измерения фактором оказывается неточное положение изделия в продольном направлении, приводящее, кроме дифракционного размытия оптического сигнала, к дополнительному его уширению вследствие дефокусировки объекта.

В случае контроля этими методами поперечных размеров протяженных объектов проблема нахождения их границ носит принципиальный характер из-за особенностей дифракции света на объемных телах, приводящих к усложнению структуры оптического сигнала и зависимости ее в значительной степени от дефокусировки объекта.Что касается продольных размеров объемных тел, то определение их одновременно с поперечными параметрами указанными методами не представляется возможным.Этих трудностей во многом удается избежать при построении информационно-измерительных систем размерного контроля на основе когерентно-оптических методов обработки информации. - 9 -

2.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ШУРЬЕ-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТШ

Среди интегральных операций, реализуемых средствами фурье-оптики, наибольший интерес для- измерительных целей представляют, как показано в /1-12/, преобразование Фурье, свертка и корреляция, составляющие основу дифракционных и корреляционных методов измерений.

Б первом случае осуществляется переход от теневого изображения (х,у) исследуемого объекта к его двумерному спектру пространственных частот (х,у)у , где двумерный оператор преобразования Фурье. И таким образом,в качестве объекта измерений выступает его двумерный спектр мощности, конфигурация и характерные размеры которого определяются геометрическими параметрами контролируемого изделия. Во втором случае теневое изображение (х,у) путей высокочастотной пространственной фильтрации предварительно оконтуривается ( /V (х,у)) с целью вцде-

* ок

ления информации о границах объекта, а затем подвергается корг-реляционноцу сравнению с некоторым образцовый изображение«.Искомые геометрические размеры вычисляются по результатам анализа в измерения электронными средствами характерных параметров корреляционной функции д (ос,у) (X, у)Ж /оБр(#, У).

Основные аргументы в пользу выбора указанных интегральных цреобразований сводятся к следующим. Переход от теневых изображений объектов к их спектрам мощности, наряду с указанными ранее достоинствами когерентно-оптической техники (потенциально большая измерительная зона, облегчение контроля объектов малых размеров), открывает возможность измерения путем обработки спектральной информации одновременно поперечных и продольных размеров такого распространенного класса объемных изделий как протяженные объекты постоянной толщины /3/, а также организовать эффективный контроль геометрических параметров слоеных изделий с периодической структурой типа винтов /1,2,13-14/.

Оперативный доступ к спектру объекта, представленного в оптической системе в виде светового распределения, позволяет путем пространственной фильтрации его частот выполнять с высоким быстродействием и точностью следующие операции: выделять контуры не только плоских /15-17/, но и протяженных объектов, управляя при этом положением (относительно границы изделия) и структурой этих контуров во всей измерительной зоне /17/, осуществлять геометри-

- 10 -

ческие преобразования теневых изображений, при которых в фотоприемном поле формируются нужные для измерения фрагменты исходного объекта (или отличия его от базовых размеров) /20/ и,наконец, эффективно производить корреляционное сравнение двумерных оконтуренных изображений исследуемых изделий с образцовыми /12, 18,20/. В результате этих операций имеет место значительное (на 2 i-З порядка) сокращение объема измерительной информации,что создает предпосылки радикального упрощения и снижения стоимости системы, расширения пределов, повышения точности и скорости измерений .

Обобщенная блок-схема фурье-оптической измерительной системы приведена на рис.2. Объект, подлежащий контролю, освещается когерентным (частично когерентным) пучком света. Оптическим вычислителем производится интегральное преобразование теневого изображения контролируемого изделия, в результате которого формируется новое изображение, являющееся объектом измерения. Оно регистрируется в общем случае многоэлементным фотоприемникоы и обрабатывается далее электронными средствами на базе специализированных вычислительных устройств или стандартных микро-ЭВМ (ПЭВМ).

Исходя из насущных задач контрольно-измерительной техники разработаны три специализированных оптических вычислителя: фильтрующий фурье-анализатор, пространственно-частотный и пространственно-временной корреляторы.

Фильтрующий фурье-анализатор в отличие от известных позволяет измерять не только поперечные, но и продольные размеры тел постоянной толщины /3,21/. Благодаря режиму двойной фильтрации спектра им производится в расширенном диапазоне прецизионный высокоскоростной контроль геометрических параметров как прозрачных, rait и непрозрачных объектов(нитей, проволок, винтов и др.).

Решение более широкого круга измерительных задач достигается при использовании оптических корреляторов, основанных на сравнении контролируемого и образцового изображений в пространственно-частотной, либо в пространственно-временной области. В первом случае образцовое изображение записывается на фильтре в спектральном виде/4-8,18/, а во втором - представлено в системе в виде образцового контурного транспаранта-маски, при этом корреляционный сигнал формируется в процессе движения объекта, например, по конвейеру /19,22-24/. Существенно, что в пространственно-временных корреляторах допускается использование частично- II -

когерентных источников света на базе малогабаритных ламп накаливания /25/, что позволяет, благодаря отсутствию спекл-шумов,резко улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики системы. Следует отметить, что путем замены образцовых фильтров (транспарантов) достигается перенастройка 50ИС на широкий класс объектов и типоразмеров. . '

2.3. ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПОСТОЯННОЙ ТОЛЩИНЫ

Применяемая часто на практике проекционная модель объемных изделий является приближенной и при прецизионных измерениях может приводить к большим ошибкам. В работе на примере объектов постоянной толщины исследованы особенности формирования спектров объемных изделий с целью оценки влияния их протяженности на характеристики измерительных систем и выяснения возможности определения по спектру продольных размеров объекта /3,26-30/.

Поскольку методы фурье-оптики применимы для анализа дифракционных явлений на двумерных объектах нулевой толщины, а существующие теории трехмерной дифракции представляются сложными для инженерных применений, нами предложен конструктивный метод расчета дифракционных картин протяженных объектов постоянной толщины /29,30/,позволяющий с достаточной для практики точностью оценить влияние их продольных размеров на спектры /3/. Метод базируется на модели эквивалентных диафрагм, согласно которой основной вклад в дифракционное поле дают передняя и задняя грани объекта. При этом влияние его боковой поверхности на дифракционную составляющую предполагается пренебрежимо малым и таким образом сводится к поглощению или отражению волн, дифрагированных на передней грани изделия.В результате задача дифракции света на объемных телах сводится к анализу дифракционных явлений на размещенных в пространстве плоских объектах.

Исследованию подлежали спектры объектов, неограниченных по координате у с абсолютно поглощающей и абсолютно отражающей боковыми гранями.

2.3.1. Спектры поглощающих объектов.Оптические свойства таких изделий характеризуются двумя граничными бинарными функциями ^(сс)и (ос') , которыми описываются прозрачности передней и задней граней,отстоящих друг от друга на расстоянии о/ (рис.За):

(эс)=Е те(гЬ (- л , (х') =£ те^(-7гг±) , где

тес± ( Ъ) ~ прямоугольная функция, д■ ,Ь- - координаты цент-^ ' и ь

- 12 -

ров отверстий.

В рамках предложенной модели спектр объекта, формируемый оптическим звеном преобразования Фурье (рис.36), согласно /29/ равен

Г(со) (Щ ^°)Хс1х , (I)

- ОО

где У-П; =е'Ж/Ьс/Г\Уг (х-1)2]с1х -

френелевский образ функций" (т) , СО = к в - пространственная частота ( 6> - угол наблюдения дифракции), к = 2ж/Я. - волновое число ( Я - длина волны света).

Исходя из (I) спектр Р((и>) объемного несимметричного (с/0) края (рис.4а) - типового элемента трехмерного объекта - в приближении Френеля ^квс

^(в)=яг6(к9)+^У(вс1-с)+ У (с) -, (2)

где У(ъ)~ френелевский образ ступенчатой функции Хевисайда У(т), который достаточно точно может быть аппроксимирован с&унк-цией = где р

/3,29/. *

Модель формирования поля (2) (с точностью до множителя К&) можно представить в виде обобщенных дельта-источников с соответствующими амплитудами и диаграммами излучения в краевых точках х = 0 и х = С (рис.46), Причем диаграмма излучения первого источника, в отличие от второго, оказывается неизотропной и определяется поведением френелевского образа

Из анализа спектра важного для практики симметричного ( С = = 0) объемного края следует, что объемные эффекты в полной мере проявляются при критических углах дифракции в0 > вцР=У Я ¡с! • В случае 0<<Окр поле приближается к спектру плоского объекта. Таким образом, влияние протяженности объемного края на его спектр определяется параметром N =дКР / д0 , равным числу зон Френеля

Ъ ¡УМ'

в наблюдаемой области Т> = Л /в0 . При /V» I объемные эффекты слабо выражены в спектре и, наоборот, при /V « I их влияние значительно.

При дифракции света на объемной щели (рис.5а) обобщенная точечная модель содержит 4 источника с соответствующими диаграммами излучения (рис.56), интерференция которых определяет отличи -тельные особенности, вносимые в спектр протяженностью объекта.

Так, в случае дифракции света на симметричной объемной щели

- 13 -

С Л = Ъ' , Ь = 0, рис.5) объемные эффекты в низкочастотной области ее спектра сводятся к появлению дополнительной модуляции спектра низкочастотными ("френелевскими") колебаниями с минимумами при значениях (р^ -~^(2пт>-1)2/с1 ~ ) и к уменьшению частоты высокочастотных ("фра^нгоферовских") колебаний, характерный размер которых = X¡Ъ (рпс.ба). При этом скорость изменения их частоты определяется значением параметра

2.3.2. Спектры отражающих объектов. Исследованию подлежала протяженная симметричная щель из металла с абсолютно отражающей боковой поверхностью /32/. Вследствие изменения фазы отраженной волны на тс' в спектре объекта отсутствует составляющая, соответствующая вторичной дифракции света на задней грани.В результате при учете однократного отражения волн от боковых поверхностей щели ее спектр г ^ Щ-О^ ^^.гЩЙЬ ^

Существенно, что при N»1 дифракционное поле форшруется "хвостами" френелевских изображений тес1(2)и, следовательно, контраст фраунгоферовских колебаний будет падать при переыеще -нии от центра спектра к его периферии.

2.3.3. Экспериментальная проверка метода расчета спектров объемных тел /29,30/.В качестве объекта выбирались два металл*]-ческих ступенчатых клина, отстоящих друг от друга на расстоянии

7} . При моделировании объемного края один из клиньев заменялся плоским экраном. Для достижения хорошего поглощения боковые грани клина покрывались камфорной копотью. На рис.6 приведены результаты экспериментов для объемной щели с Г мм, -= 0.277 мм (а) и для объемного края с с/ = 4 мм, 2? = 0.288 мм (б). Сплошной линией показаны расчетные данные, а точками - экспериментальные. В целом наблюдается удовлетворительное согласие теоретических и экспериментальных результатов.

Результаты исследования спектра объемной щели с абсолютно отражающими боковыми гранями ( 2? = 0.352 мм, с! = 2 мы) представлены на рис.7. Отличия в спектрах наблюдаются в основном в низкочастотной области.

Эффективность предложенной теории и ее согласие с экспериментом оценивались на примере поведения минимумов спектра. На рис.8 приведена зависимость текущего периода спектра объемной щели (а) и объемного края (б) от номера дифракционного порядка. Экспериментальная погрешность определения периода соста-

- 14 -

вила ^

Таким образом, предложенная модель объемных тел постоянной толщины в виде эквивалентных диафрагм дает удовлетворительное описание дифракционных явлений на этих телах.

2.4. ОСОБЕННОСТИ ОКОНТУРИВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ПЛОСКИХ И ОБЪШНЫХ ТЕЛ

2.4.1. Оконтуривание изображений плоских объектов. Эта операция, будучи важнейшей в ФОИС, сводится к высокочастотной фильтрации теневого изображения объекта, в результате которой вцце-ляются информативные области, соответствующие его границам (рис.

9). Очевидно, что от структуры и энергетических параметров этих контуров, соответствия их положения границам объекта в немалой степени зависят и метрологические характеристики ФОИС.

Аналитически и экспериментально исследованы зависимости основных характеристик профиля контурного изображения двумерного плоского объекта (в виде прозрачного круга с радиусом # ) при обработке его различными оконтуривающими осесимметричными фильтрами: бинарным, квадратичным и квадратичным алодизировашым /15, 16/. В общем случае профиль контура имеет вид двух оснпвных максимумов с провалом посредине (приближенно соответствующим положению границы объекта) и многочисленных боковых лепестков (рис.

10). Установлено, что при оконтуривании бинарным фильтром, пропускающим спектр объекта в диапазоне частот

ширина провала А„ при >> I и ^тСи ^ * определя -

ется средней частотой со = 0.5 ^тьи т'е*

= 2 ТС / &) , в то время как характерная ширина в основном зависит от нижней частоты: Д = 4 со ■ . Что касается эффектив -

1 топ "

ной ширины контура ¿\г , то она в значительной степени зависит

от отношения частот со ¡со = М. Показано, что при М = 2.6 вели-

тах' тт ^

чина йг достигает минимального значения, равного ¿Аг =

= 2 и, например, при ^ = 100 она заметно превы-

шает характеристическую. Существенно, что интенсивность основных лепестков Хтах зависит лишь от параметра фильтра М и при

<20 значение ее изменяется в диапазоне 0.05 <£ 1тд<0.285. При оконтуривании квадратичным фильтром боковые лепестки имеют вид регулярных затухающих колебаний. При этом параметры А0, А, ' Аг примерно одинаковы. -Интенсивность основных лепестков в сравнении с предшествующим случаем уменьшается в 4 раза.

- 15 -

Радикального снижения эффективной ширины контура за счет устранения боковых лепестков удается доЬтичь при использовании квадратичного аподнзированного фильтра. Однако в этом случае вследствие уменьшения действующей апертуры системы шеет место увеличение параметров Л0 и ъ 1.542 раза. При этом эффективная ширина слабо отличается от характерной, а максимальная интенсивность контура /таХ = 0.1, т.е. практически совпадает со случаем оптимального бинарного фильтра (М = 2.6).

Дня обеспечения метрологических характеристик ФОЖ во всей измерительной зоне практический интерес представляет поведение профиля контура плоского края при его дефокусировке. Расчеты показывают, что при смещении объекта в диапазоне А Ъ - ^К = = Я ¡6* (2 б? у - угловой размер фильтра, причем 2 0 ™а<< I)

т я д тид тол

профиль контура, включая положение его центрального шшкмума, практически остается неизьизншгд. Отсюда следует, что для обеспечения глубины фокусировки плоского объекта в диапазоне, напрт$8р, А Ъ = 0.5 апертура фкльтра 2 &таж должна быть ~ 4°.

Показано, что при оконтураванш двумерного объекта наблюдается смещение центра контура относительно геометрического положения его гранкцы, величина которого £ я оцредеяяется соотношением между ее кривизной и характерным размером импульсного отклика фильтра. В случа_е применения оптимального бинарного фильтра £я = = ^тах^тьп^ и "Р11 фзльтра 2 втах = 4° и £ = 0.1

им это смещение составляет 0.2 ши и, следовательно, должно учитываться лишь прк прецизионных измерениях.

Полученные оценки подзЕеркдены экспериментально /15/,Бинар-ный фильтр изготавливался на базе непрозрачного центрального экрана и ограничивающей диафрагмы. При синтезе квадратичного и квадратичного аподнзированного фильтров использовалась разработанная автором методика их получения, учитывающая нелинейные характеристики фотоматериалов /31,32/. Рекомендовано для решения широкого круга контрольно-измерительных задач использовать оптимальные бинарные фильтры ввиду доступности их изготовления. Следует отметить, что в случае последовательного контроля поперечных размеров изделий вместо полутоновых фильтров с успехом могут использоваться силуэтные /33-38/, синтез которых не представляет особых трудностей.

2.4.2. Оконтуривание изображений объемных изделий. Специфика оконтуриЕания протяженных объемов изучена автором на примере фильтрации абсолютно поглощающего объемного (симметричного) края ква-

• - 16 -

дратичным фильтром (рис.9) /16/. В случае идеальной оптической

системы оконтуренные изображения передней и задней граней имеют

вид л ; у -¿кх2

- (4)

? ¿О*?

^ЩБбХщ^^б^-^тгх.У^е^ . (5)

При учете конечной апертуры системы с шириной полосы частот

2о =2к&а (2 9а - угловой размер апертуры) поля в плоскостях

изображений граней р и Р2' ) в случае N =вкр/Од»1, как следует

из (4) и (5), слабо отличаются друг от друга: -.

.Г — .... — _ МЬ о-г___——7- —

srcosjc-sino? е^ 2sinx-2xcosx-xzsir\x

_ 5сг ЯН х*

где ¿к, = С0о ос . Положение основного минимума функции 1(х) = = 1^г"й}(х) |2 смещено относительно положения геометрического края объекта на величину £= 0.25 УЫ . При этом интенсивность света в этой точке отлична от нуля и равна 1(£)/]^ • В качест-

ве примера на рис.11 приведены графики функций Кос) при различных значениях N » I : N ~ 00 (а), N = 16 (б), N = 8 (в). Наряду со смещением положения основного минимума и падением его контраста, наблюдается перекачка энергии из одного максимума в другой.Отсюда следует,что для обеспечения оконтурив алия контролируемых объемных изделий протяженностью с/ с высоким качеством в условиях неопределенного их положения Дт в продольном направлении угловой размер фильтра необходимо выбирать из соотношения у/¿^д-

В случае значительных обьемннх эффектов (/V« I) для полей в изображениях граней имеем: _ у0 5—

\ш0 Wi Ж

Zsin(0,5x) е-

N2

1-2

8 w

х Zee

WX'}-2*rl-Щё + 2?Г2 X, J' (8)

Очевидно, что профили контуров передней и задней граней объемного края резко отличаются друг от друга. В то время как распределение | -f^ (х) |2, вследствие фильтрующих свойств задней грани, имеет?вид одинарного максимума /17/, профиль контурного изображения задней грани близок к профилю плоского края, состоящего из двух основных максимумов с провалом посредине и многочислен -них боковых лепестков. Наблюдаемое при зтоы смещение центрального минимума 8 = 3 Н[(Я?т/2й)), а его интенсивность!^^ 0.5 Л/ ,

- 17 -

что, например, при о! = I мм, N = 0.3 составляет соответственно 0.3 мкы и 5.5%. Что касается ингенсивностей основных максимумов распределений, то они ^ 4 раза меньше интенсивности контура плоского края.

2.5. ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

2.5.1. Фильтрующий спектральный анализ изображений плоских и протяженных объектов. Традиционными дифракционными методами, как правило, измеряются поперечные размеры ^Т)^ объекта, причем те из них,которым в спектре соответствуют четкие интерференционные картины с периодами — {Ро / сожалению, да -леко не все объекты допускают дешифрирование их дифракционных картин, в результате которого устанавливается соответствие между их характерными параметрами и исходными размерами деталей. Тем не менее эта задача, как показано нами, имеет решение для таких распространенных объектов с периодической структурой как резьба /1,2/, а также для объемных тел постоянной толщины /3/.

Существенно, что при дифракционных измерениях размеров непрозрачных объектов спектр их, наряду с полезной составляющей, соответствующей дифракции света на краях изделия, содержит помеху, обусловленную дифракцией света на входной апертуре. Это приводит к ограничению верхнего диапазона измерений в измерительных системах до 0.5 мы, повшению погрешности измерений и уменьшении измерительной зоны в поперечном направлении.

С целью расширения возможностей дифракционных методов автором разработан фильтрующий фурье-анализатор, структурная схема которого приведена на рис.12. В отличие от известных он позволяет в широком диапазоне с приемлемой для практики точностью осуществлять размерный контроль непрозрачных изделий, имеющих четкие интерференционные картины. Кроме того, с помощью фурье-анализатора можно измерять не только поперечные, но и продольные размеры протяженных объектов постоянной толщины.

Первое достигается путем двойной фильтрации спектров, а также аподизации входной апертуры (выбор ее конфигурации) /21/.При двойной фильтрации спектр сначала модулируется полосовым фильтром верхних частот, затем подвергается обратному преобразованию Фурье, в результате которого производится оконтуривание объекта в поле апертуры и, наконец, путем удаления полевой диафрагмой контуров алертуры осуществляется восстановление спектра с заметно улучшенным отношением сигнал/шум. Это позволяет почти на " порядок расширить границу измерений. Этой же цели служит' и раз- 18 -

мещение б частотной области расщепляющего фильтра в виде решетки с заданной пространственной частотой /49/. Дальнейшее улучшение метрологических дифракционных измерений достигается при использовании аподизирующей апертуры на входе фурье-анализатора такой конфигурации, вклад спектра которой в область используемых частот минимален.

Возможности измерений продольных размеров -{с/^ протяженных изделий постоянной толщины базируются на обработке электронны!,™ средствами спектральной информации.Как показано автором /3/,эти параметры могут быть определены несложными алгоритмами исходя из положения экстремальных точек дифракционной картины объекта.

Существенно, что на основе предложенного фурье-анализатора можно проводить предварительную фильтрацию объемных изображений (рис.13) с целью выделения нужных для измерения фрагментов объекта. Это достигается оконтуриваниек протяженного объекта в широкой полосе частот со0>2ъ/1^/Л(} (/V < I) и последующим удалением (с помощью миниэкранов) контуров его в ?/.зстах расположения граничных точек. В частности, фильтрацией контуров передней ( задней) грани в результате дифракционных измерений можно получить с высокой точностью информации о входном (выходном) размере объекта Л1 ( иг).

2.5.2. Дешифрирование спектров резьбовых изделий. Эти объекты, как известно, характеризуются следующими геометрическими параметрами (рис. 14а): шагом Т, углом профиля ос и средним диаметром 2)ср . Спектр резьбы имеет вид, характерный для дифракци -онных решеток сложного профиля (рис.146). Информация о шаге и среднем диаметре резьбы Лср заложена в расстояниях соответственно между вертикальные ( Сйг ) и более мелкими горизонталь -ными ( ) полосата (минимумами), причем связь между параметрами дается следующими выражениями:

т=2г/ат, 1?ср=2г/^ср. со)

2.5.3. Определение по спектрам размеров протяженных объектов.

В результате исследования в аналитическом виде спектров абсолютно поглощающих объектов постоянной толщины автором установлены зависимости между их характерными параметрами и геометрическими размерами объектов, исходя из которых предложены эффективные способы определения их по спектру, не требующие громоздких вычислений. Анализу подлегали следующие типовые элементы трехмерных тел: объегшый край, бипланарная щель и объемная щель /3/.

0бъе1мый (симметричный) край. Исходя из предложенной аппро-

- 19 -

ксиыации френелевского образа У(9){при у = 7Г) для углового поло-нения минимумов в спектре имеем:

(10)

где б£= Кп - основной член, соответствующий интерференции двух продольных источников с изотропными диаграммами излучения (рис.4), & А 9п= Дкп- добавка, обусловленная особенное^

тями поведения френелевского образа 9(9) (кп -у2н+1, Лкп=¿п+Г^ /7 = 0,1,2,...).

Искомый параметр с/ находится по результатам измерений двух углов Эт и Оп , соответствующих П) -му и П -му порядкам ( п > Ип) спектра:

(Оп-От)1 ' «I)

где /г ^ =к-/с -А .Учет добавки в (II) приводит

п т п т ()

к уменьшению методической погрешности о^ определения о , значение которой, например, при т = I, /7=2 составляет 2%. Остаточная погрешность нахождения с/ определяется в основном точностью измерения разностного угла^„т=6п~0т и может составлять десятые доли процента.

Бипланарная щель. Положение минимумов в дифракционной картине объекта (рис.15а) при N =1)11/л6 »1 в окрестности углов I 6 /6 «I определяется выражением:

^ "7 ? 1 2 _/

д _ п1 пс А. а ,Т9ч

Первый член в (12) соответствует случаю плоской щели, а второй - учитывает объемные эффекты, возникающие вследствие интерференции по глубине точечных источников (рис.156). Конечная протяженность объекта приводит к неэквидистантному расположению минимумов, причем расстояние между ними (текущий период Т„ )для А?« /V ^ уменьшается линейно с возрастанием п : Т = в -О

Параметры объекта Ъ и с/ вычисляются по следующим формулам' ^ тп(п-т}2 ,_ 21т?п 2(н-т)2(пвт-т в„)

п*вт-т*вп 7 а= .(13)

Объемная (симметричная) щель. В случае линейной аппроксимации френелевского образа У (б) минимумы спектра такого обьекта ( /V» I), как показано в /3/, для /7 << /V - эквидистантны:

- 2,0 -

Протяженность щели приводит к увеличению периода полос, что^эквивалентно действии плоской щели с эффективной шириной 5=2?- 0.225 .

Так как формула (14) не позволяет одновременно найти размеры Л и с/ , то предложен способ их определения, основанный на оценке с/ исходя из углового положения в спектре минимумов френелевскоймодуляции _

Ы=(2т+1)~г 0,225%-=0,225^2*4-1 ¿т (15)

Туц Н тт

В этом случае относительная погрешность определения протяженности объекта^ ^ характеризует погрешность нахождения угла ср^ в долях периода основных колебаний 0(с> = Л ¡Л ) и ее значение, например, при М = 10, Ж = 2 и 5 = 0.2 составляет 1.8$. Что касается относительной погрешности определения ширины щели., то она равна = 1/^/7+ ] 3 Гр-е оросительная погрешность измерения угла . При - 0.1$, <£/ = - 2$ н /V = Ю первой составляющей погрешности можно пренебречь. В этом случае предельная погрешность определения будет зависеть кале от точности нахождения минимумов бп , так и от величины остаточной методической погрешности, обусловленной ограниченностью линейного прибликения.

Альтернативны;: способ определения Ъ и Ы , основанный на учете нелинейного (бкче с к о г о)чл ена разложения У (в), позволяет определить неэкввдистантнуа составляющую в поведении минимумов: 1 г. 0,2250,ЗА5н31

Искомые параметры вычисляются по формулам:

гдеД/ = [о,343 ^е^-^в^]1'5- °-075' 5 этом сл^чае УДаегся Достичь большей точности определения 1) .

2.5.4. Погрешности дифракционных измерений в фильтрующем фурье-анализаторе. Проведенный анализ погрешностей свидетельствует, что точностные характеристики разработанного фурье-анализатора (на базе двух фурье-объективоз) /21/ з случае непрозрачных объектов определяются остаточным влиянием спектра входной апертуры размерами А х А. Относительная погрешность 60Ст измерения размера 1) 21? Ат -Ап Ж-.^)'1

6оа * ХЧ Ат ) 11~А А > 1 (18)

21 -

где Х0 - смещение объекта относительно центра; tr¡1,номера дифракционных порядков, пропускаемых оконтуриваодш фильтром, а П1 , /7j - номера порядков, исходя из которых определяется размер D = , Дп= пг- л,, /7, - > i,wr пг I). При выборе, например, JJ/A = 0.3; A H= 12;4й?= 20; h1 - т1 = = УИ2- h2= 4 значение 0.2%. Расчеты свидетельствуют, ото эта погрешность в десятки раз меньше ошибки измерения размеров объектов в традиционном фурье-анализаторе. Дальнейшее ее снижение (в несколько раз) достигается при использовании алодизирую-щей апертуры в виде повернутого на 45° квадрата.

Протяженные свойства объектов приводят к дополнительной методической ошибке измерений, которая при определенных условиях может давать основной вклад в погрешность4измерений.Так, для би-планарной щели относительная погрешность измерения ее ширины

и» например, при h = 4 и N = 10 она составляет 2Í. В случае контроля объекта в виде абсолютно поглощающей объемной (симметричной) щели методическая ошибка измерения <^мет = = 0.225/N и при N = 10 достигает единицы процентов. При использовании предложенных автором алгоритмов обработки спектральной информации уровень этой составляющей может быть снижен в десятки раз /3/.

2.5.5. Результаты экспериментальных исследований двдлэакци-онных ..методов. Эффективность предложенных технических решений по расширении диапазона измерений непрозрачных объектов исследовалась на база лазерного дифракционного измерителя (диайзтр апертуры 20 мм) /37,38/. При отсутствии в системе полевой диафрагмы относительная погрешность измерения диаметров цилиндрических изделий ( J) ~ 9 ым) составила 1%. Введение этой диафрагмы позволило при тех же условиях снизить ее в 5 раз. Суммарная ошибка измерения, включающая шумы электронного блока, б пределах рабочего поля не превысила 0.3% /21/.

Проводились также численные и физические эксперименты по оп-ределг нк'.-1 по спектрам размеров объемной щели предяоке иными автором способами /3/. Параметры объекта были следующими:D = 0.4&5 ш, с! = 4 ми ( N = 9.2^8) к 2) = 0.465 мм, d = 2 ш ( N = = 13.121). • В результате установлено, что в случае линейной аппроксимации функции V (6) по мере увеличена порядка М относительная погреснсеть ¿-^Я определения У уменьшается с 8 до 0.2%. Что касается ширины изделия, то благодаря учету объемных зффек -тов погрешность определения ее ¿L сикается б сравнении с o¿¡ =

= — (Л =Я,п1вн) более чем на порядок и достигает 0.15?.

Результаты вычисления параметров Л и ¿1 в кубическом приближении при п = I и /7=3 свидетельствуют, что точность определения Л в этом случае почти на порядок вше, нежели в предыдущем.

Физические эксперименты по определению параметров объемной щели проводились на базе оптического фурье-анализатора /29/. В результате обработки данных, представленных на рис.6 для случая Л = 0.277 мм и = I км, погрезшость определения протяженности щели составила 5%, а ее ширины - 0.25%, что на порядок точнее, чем в случае вычисления ее традиционным путем.

2.6. КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Диссертантом предложены и разработаны (в соавторстве) два корреляционных метода измерения размеров на основе пространственно-частотной и пространственно-временной корреляции.

2.6.1. Пространств енно-частотннй мет од. Суть метода заклю- • чается в фильтрации методами фурье-оптики теневого изображения изделия, при которой формируется дифференциальное изображение в виде поля отличий контролируемых размеров от номинальных /4-8, II, 12,18,20/.Структурная схема измерительной системы приведена на рис.16. В результате пространственно-частотной фильтрации производится одновременно формирование контурного изображения объекта и его мультиплицирование, при котором расстояния между его составляющими в центральной области рабочего поля, вцдеяяе-мой диафрагмой, уменьшаются в десятки раз. Такое геометрическое преобразование.контура объекта позволяет при считывании увеличенного дифференциального изображения двумерным многоэлементным фотоприемником стандартного разрешения Р х Р и его последующей обработке электронными средствам более чем на порядок повысить точность измерений объекта в сравнении со случаем контроля его непосредственно по теневому изображению.

Требуемый вид преобразования контурного изображения эквивалентного корреляции его с некоторым образцовым изображени-еи^ (ос,у), зависит от специфики решаемой задачи и в общем случае сводится к мультиплицированию по определенному закону, в результате которого дифференциальное изображение цд^

' Ъ (Р

СС У

гд^ р(х,у)=ге&[-д-)гес1 ( д") - апертурная функция, =

= V 9~лг "умк^ру ~ величнны сдвигов исходного изо-

бражения, а ¡и- его увеличение."параметры ЗС^ и ¡ц выбираются таким образом, чтобы в пределах рабочего поля А х А многоэлемект-ного фотоприемника содержались в дифференциальном виде все подлежащие контролю фрагменты исходного изображения /20/. Соответствующий преобразованию (19 ^расцепляющий фильтр имеет частотную характеристику/Г к) м )= Е £ которая реализуется путем

оы" х> у г-1т*1 *

наложения дифракционных решеток различного периода и ориентации,

что достигается,например, при голографической регистрации дифракционной картины от системы точечных отверстий в непрозрачном экране.

Частным случаем расщепляющего фильтра, который тем не менее может быть широко использован на практике,является радяально-ска-метричный фильтр с (о^1)0/2}, где Ло - константа ра-

сщепления /5/.Его действие сводится к расщеплению контура теневого изображения на два компонента, отстоящие от исходного на одинаковое расстоянии 2?/2. В результате характерный размер дифференциального изобретения, образуемого внутренним контуром, равен

Достигнутый при таком размерном преобразовании выигрьш по точности определяется коэффициентом разызркого сватия =1)/2)д. Действительно,пра считывании дифференциального изобраяения^^Са^ фотоприемнвком с числом элементов РхР относительная погрешность измерения размера И равна = ( уЗ Р и, напршер, при Р = = 500 (ПЗС-матргщы, видиконы) и /3 = 20 ее уровень ыоает быть снижен до

Ю-2*. Оценки составляющих погрешности показызаат, что в случае применения твердотельных фотоприемников с четкой геометрией растра и высококачественной оптики (на базе объективов от стандартных проекторов) погрешность является основной.

2.6.2. Пространственно-временной метод. Он сводится к корреляционному сравнению геометрических размеров движущегося, например, по конвейеру объекта с опорными (базовыми) размерами, представленными образцовым транспарантом в виде совокупности щелей /19,22-24/.

Структурная схема корреляционной измерительной системы представлена на рис.17. Теневое изображение движущегося со скоростью 1) объекта с измеряемыми размерами предварительно оконтури-

вается, а затем модулируется образцовым транспарантом (х,у)) с записью информации в виде наборов 3 -пар вертикальных щелей с

- 24 -

расстояниями между ними 27^ . В результате интегрирования одноэлементным фотоприемником светового потока,прошедшего через транспарант, на выходе коррелятора по мере .движения объекта формируется

одномерная корреляционная функция +

(20)

в виде последовательности 42 импульсов. Исходные геометрические размеры-^ вычисляются по результатам измерения временных интервалов Т. =2?. ¡у и Т ■ =Л - ¡V между соответствующими импу-

, Ь 6 ОЬ ОЬ ' -т-

льсами (путем подсчета числа высокочастотных меток в пределах /■

и ТоЬ ) по формуле: ^ = Ъо1 /7^-) ( * = 1,2,..., .7 ).

Для того, чтобы импульсы не накладывались друг на друга каждая пара вертикальных целей смещается относительно соседней в направлении движения объекта на величину а ., которая должна выбираться с учетом диапазона изменения р- величины Л- ( О: =

__ ' С С ' о

= 27- -_//..) как в данном, так и в предшествующем сечени-

•"ь то» -^тьп , . . ^ , 17

ях, т.е.п. = п. + (/)-_,+ р.- )/2, где а = 0 (диаметры изделия

нумеруются в порядке убывания-их размеров;. В этом случае временные последовательности ^ -го и I -1-го сечений сдвинуты относительно друг друга на интервал ЛТ- = ^/У •

С помощью наклонных щелей, расположенных на уровне торцов цилиндрических участков изделия, аналогичным путем измеряются их высоты /23/. Для измерения конусности изделия и его ориентации используются две пары вертикальных щелей, расположенные в двух различных сечениях объекта. Введение ортогонального канала по результатам измерений указанных характеристик в двух проекциях позволяет контролировать такие пространственные характеристики изделия как ориентация осей участков изделия по отношению к базовой и отклонения их от соосности, отклонения от перпендикулярности торцов этих участков.

Максимальное число контролируемых сечений зависит от размеров рабочего поля системы А х А, параметра О ■ , высот щелей И ,

/ 6

определяемых энергетическими соображениями,а также от уровня оптического шума, приводящего к появлении в оконтуренном изображении фоновой составляющей. Если выбрать, например, А х А =40 х 40

мы^, р,- = 0.5 мм, а отношение сигнал/шум равным 30,то допускаемое ' о

число сечений, согласно расчетам, равняется 15.

Как показывают оценки, основные составляющие погрешности измерения обусловлены нестабильностью скорости ( ) изделия и ошибками изготовления образцового транспаранта ( 3 7 ли )»кото-

- 25 -

° рые проявляются при неточной ориентации изделия.Существенно, что погрешность определяется изменением скорости Ат) не на всем

измерительном интервале, а лишь на ыалоы отрезке "Г. = 7. -Т.«

^-т- О л — Ли Тг, _ ЛУ Яг <• . <-

«/..В результате с^ "^Г т- ~тГ к таиим °бразом тре-

бование к стабильности скорости ослабляется- в р^/33 Р&з- Например, при Д~и¡V = 0.2%, = 40 ш и уэ = 0.5 мм относительная погрешность £^<2.5 х Цто касается погрешности то она определяется отличиями в высотах (ДИ^) одноименных щелей и смещениями их относительно друг друга (АЪ^ ) по координате у , т.е. Л.ос(0.5^£. + И^ ) П) и ДРИ использовании для синтеза транспарантов стандартной фотолитографической техники пренебрежимо мала по сравнению с Оду •

Среди преимуществ корреляционного метода контроля на основе образцовых транспарантов отметим следующие: одноэлементное фотосчитывание измерительной информации, простота и доступность изготовления образцовых транспарантов и, наконец, возможность использования, кроме лазерных источников излучения, частично-когерентных полихроматических на базе малогабаритных галогенных ламп накаливания. Все это позволяет создать надежные дешевые измерители для контроля изделий несложной формы Св виде тел вращения) в условиях их массового поточного производства.

2.6.3. Результаты экспериментальных исследований корреляционных методов измерений. Эксперименты выполнялись на базе пространственно-частотной измерительной системы ОЦСК /5/с одним фурье-обьективом /39/ и пространственно-временных систем ЛКА /24/ и "Контур-2" /19,22/.

В случае ОЦСК использовался объектив от проектора Ш (фокус-. ное расстояние 200 мм, апертура 55 мм) в режиме трехкратного увеличения. Пространственно-частотный фильтр (размеры 5x5 мм"") состоял из бинарного оконтуривающего компонента(с шириной центрального экрана I мм) и сменных одномерных дифракционных решеток различного периода. Считывание дифференциальных изображений производилось телекамерой. Калибровка системы осуществлялась с помощью валиков, аттестованных с погрешностью не хуже I ыкм. При измерении диаметров 10 тестовых цилиндрических изделий абсолютная погрешность измерения Л2? не превысила 2 мки. Существенно, что в системе предъявляются достаточно низкие требования к точности позиционирования цилиндрических изделий вдоль оси 2 ■ при \Д 7,1 $ 0.5 им абсолютная погрешность измеренияыкм. В большей степени результаты измерений критичны: к смещению фильтра в про- 26 -

дольном направлении /5/. Что касается зависимости погрешности от смещения фильтра в поперечном направлении, то, как показали эксперименты, смещение его на 0.1 мм практически не влияет на результат измерения.

В экспериментах на базе ША (параметры объективов и оконту-рившощгос фильтров те же, что и в ОЦСК), ширина контуров и щелей составляла 30 мкм., Калибровка прибора производилась по образцовому объекту путем соответствующего подбора . калибровочных коэффициентов на переключателе кодов /24/.При измерении размеров цилиндрических изделий среднеквадратическая погрешность измерения <3 не превысила I мкм, а максимальные отклонения размеров - 3 мнм ( | Л z \ км) при скоростях изделий в диапазоне 0.5 -г 1.5 м/с.

Лучшие характеристики по точности достигнуты в системе "Ко-нтур-2и.Пря оценке кратковременной стабильности достигнуто зна -чение 6" = 0.5 мкм, при этом разброс показаний (с вероятностью 0.95) лежал в пределах + I мкм. Существенно, что результаты измерений оставались неизменными при повторении эксперимента через 1-2 суток. Исследовалась также линейность выходной характеристики системы в окрестности базовых размеров. При измерении размеров цилиндров с диаметрами в диапазоне 7.470 * 7.540 км погрешность измерения составила I мыл, причем максимальное ее значение не превышало 2 мкц.

2.7. ПРИБОРЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

На основе полученных результатов под научным руководством автора и при его непосредственном участии в ЕАиЭ и СКВ НП СО АН СССР, а такке в прошшленных организациях разработан и создан ряд приборов и экспериментальных систем. Оригинальные технические решения, положенные в их основу, признаны изобретениями СССР /42-51/.

2.7.1. Лазерный дифракционный измеритель ЛДЙ-1 /13,14,37,38/. Прибор предназначен для бесконтактного автоматического измерения линейных размеров изделий. Создано две модели прибора: ЛДИ-IA и ЛДИ-1Б. Назначение ЛДИ-IA - измерение резьбовых и пружинных изделий. Измеритель является самостоятельным измерительным прибором и мозет эксплуатироваться в условиях крупносерийного и массового производства. Модель ЛДИ-1Б обеспечивает измерение диаметров валов, труб, нитей, проволок, стекловолокон и монет встраиваться в автоматические линин для управления технологическими

- 27 -

процессами изготовления различит изделий.

Блок-схема прибора приведена на рас. 18. Размер изделия вычисляется по количеству в стробирующем импульсе высокочастотных меток, формируемых с помощью интерферометра Ыайкельсона при сканировании спектра изделия. Для обеспечения расширенного диапазона контролируемых размеров (0.1x10 мм) в комплект ЛДИ-1 введены сменные фурье-аналкзаторы на основе двойной фильтрации спектров и аподизирующей апертуры (в виде повернутого квадрата).

Прибор в свое время имел лучшие метрологические характеристики среди систем аналогичного назначения в нашей страяе, а по основным техническим характеристикам -точности и быстродействию -не уступал лучшим зарубеЕНым образцам. В 1981г. разработка удостоена Диплома I степени ВДНХ СССР.

Технические характеристики ЛДИ-1 Режим измерения диаметров:

- диапазон измерений 0.01 -г 10 мм

- погрешность измерения (по диапазону) 0.05 -г 2%

- максимальное быстродействие • 25 изм./с Режим измерения шага резьбы:

- шаг резьбы 1.0; 1.5; 2 мм

- количество измеряемых шагов 99

- погрешность измерения шага 0.6 мкм

В 1982г. на НПЗ им.В.И.Ленина выпущена первая промышленная серия прибора.

2.7.2. Оптико-цифровая система продавленного контроля(0ЦСК) /5/. Система предназначена для контроля изделий сложной формы с четкими теневыми проекциями, для описания которой требуется информация в десятках и даже сотнях сечений. Принцип действия 0ЦСК основан на пространственно-частотной корреляции теневого изображения объекта с использованием расщепляющих фильтров.

Блок-схема системы приведена на рис.19. Измерение координат контуров объекта в 500 сечениях производится за один ТВ-кадр.Анализ и вычисление геометрических параметров объекта осуществляется с помощью набора программных модулей, выполняющих операции измерения линейных размеров (разовые измерения и измерения с усреднением по пространству и времени) и измерения параметров наружных резьб (средний диаметр, шаг, угол профиля).

0ЦСК позволяет контролировать широкий класс изделий в диапазоне до 40 мм с погрешностями 2 шш (для гладких цилиндров) и 10 мкм (для резьб). Время вычисления требуемых геометрических пара- 28 -

метров определяется решаемой задачей и характеристиками используемых при этом технических средств.При переходе от одного класса контролируемых объектов к другому переналадка системы сводится к замене расщепляющего фильтра коррелятора и программного обеспечения ОЦСК.

2.7.3. Сканирующий измеритель диаметров ЛДИ-Ш /40/. Назначение прибора - измерение диаметров труб и их кривизны ( путем оценки смещения центра трубы ОС^ в апертуре). На рис.20 приведена блок-схема измерителя.Смещение оконтуренного изображения трубы относительно образцового транспаранта (в виде двух щелей) в направлении, перпендикулярном оси изделия, достигается с помощью сканера на базе вращающегося кубика. Искомые параметры определяются по результатам обработки корреляционного сигнала микро-ЭВМ "Электрокика-50".

- Технические характеристики ЛДИ-Ш: номиналы измеряемых диаметров - 4.5 ^ 8.5 основная погрешность измерения (с вероятностью 0.95) не превышает: для диаметра - 14 мкм, для кривизны -30 ынм; быстродействпо - 25 изм-/с; пространственно® разрешение (вдоль длены изделия) - 3 км; количество изиеряе:а£с сечений-400.

С 1985г. взыерзтель находился в промналенной эксплуатации на Новосибирском заводе хпмконцентратов.Применение ЛДИ-Ш позволило, в сравнении с существующими контактными средствами допус -нового контроля (скобаш), повысить более че:л в 3 раза производительность контроля и исключить ыеханический контакт с изделием, который из-за возможного появления поверхностных дефектов ведет к ухудшению наденноста характеристик твэлов. С помощью ЛДИ-Ш впервые удалось получить достоверную измерительную информацию о действительных размерах изделий (на всей его длине) и о статистике распределения средних диаметров изделий по партиям. В процессе опытно-промышленной эксплуатации проведено измерение диаметров более 10 тыс.труб. Анализ причин появления брака труб позволил существенно улучшить качество продукции.

2.7.4. Лазерный контрольный автомат ДКА /24/. Назначение прибора - 100% контроль деталей типа тел вращения при их массовом производстве. ЛКА позволяет с высокой производительностью осуществлять измерение н допусковый контроль изделий одновременно в нескольких сеченкях в процессе юс движения по конвейерной линии. Принцип действия ЛКА основан на корреляционном сравнении размеров оконтуренного в лазерном свете изображения движущегося изделия с образцовым, представленным на транспаранте.

- 29 -

Прибор состоит из оптического коррелятора и специализированного электронного блока обработки информации, который обеспечивает работу измерителя в режимах контроля, калибровки и измерения размеров. В блоке предусмотрены выборочная индикация одного из трех измеряемых размеров, индикация количества проконтролированных и бракованных изделий, а также вывод данных на разъем и циф-ропечатающее устройство. Эти данные могут быть использованы потребителем для изъятия бракованных деталей, анализа видов брака и оценки состояния технологического процесса.

Технические характеристики ЛКА: максимальная производительность контроля - 20 изд./с; количество измеряемых диаметров - 1+ 3; предельная погрешность измерения - 9 мкм; диапазон измерений: диаметров -4+12 мм; длин - 3 + 40 мм; скорость подачи изделия 0.1 -г I м/с.

Прибор создан совместно с СибНИй оптических систем. В 1985г. выпущена его первая промышленная серия.

2.7.5. Оптический измеритель размеров "Контур-2"/19,22,41/.

Предназначен для высокопроизводительных измерений и допусково-го контроля диаметров среднегабаритных (до 40 ш) тел вращения на поточных линиях. В основу его работы полонен пространственно-временной корреляционный метод измерений.

Блок-схема прибора приведена на рис.21. В оптическом корре-, ляторе использовал частично-когерентный осветитель на базе мало- ■ габаритной галогенной лампы накаливания (КШ 12-100),а такае введена дополнительная сменная маска в виде набора отверстия для выделения на образцовом транспаранте совокупности штрихов (0.05 х х I мы*"), относящейся к данному виду изделия. Это позволяет заметно улучшить эксплуатационные и метрологические характеристики измерителя, снизить его стоимость и резко уменьшить время на его перенастройку. Электронный блок измерителя состоит из оригинального модуля-преобразователя "время-код" - и ряда стандартных модулей. Прибор обладает широкими функциональными возможностями:он позволяет дополнительно проводить статистическую обработку,отображение и документирование результатов измерений, может встраиваться в конвейерные и роторно-конвейерные линии, работать в составе АСУ ТП.

Технические характеристики измерителя "Контур-2": производительность - до 20 изд./с; рабочее поле измерения - 40 х 40 мм*" ; разрешение - I мкм; основная погрешность измерения (с вероятностью 0.95) - 3 мкм; число одновременно измеряемых размеров - до 15;

- 30 -

скорость подачи деталей - 0.1 * I м/с; время перенастройки на другой тип детали - не более 30 мин.

Совместно с СКВ 1Ш СО АН СССР выпущена рабочая документация и изготовлены опытные образцы.

2.7.6. Двухканальный оптический измеритель "Конт.ур-3" /23/. В отличиг от измерителя "Контур-2" данный прибор позволяет измерять, наряду с линейньми размерами (диаметрами и высотами), такие пространственные характеристики как отклонение от соосьости и перпендикулярности одной части изделия относительно другой.Достигается это путем регистрации геометрических параметров изделий в двух ортогональных проекциях.

Технические характеристики измерителя "Конт.ур-3": производительность измерения и контроля - не менее I изд./с; рабочее поле измерения - 20 х 20 мм^; основная погрелность измерения (с вероятностью 0.95): диаметров - 10 ыкм, высот - 40 мкм, отклонений с? соосности - 20 мкм, отклонений от перпендикулярности - 40 да (на базе 20 г.м); число одновременно измеряемых параметров - не кенее 5; скорость подачи деталей - 0.1 т 0.3 м/с.

Сознанный на базе измерителя в ПО "Ыиконд'Ч г.Ташкент) автомат контроля и разбраковки линейных и пространственных характеристик изоляторов электрических конденсаторов позволил резко повысить промозсдчтельность приемки продукции, сократить числен -кость контролеров, производить с минимальными затратами 100% ко-ггроль изоляторов по пяти основным геометрическим параметрам.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В писсяртации постявлпна, обоснована и решена крупная научно-техническая проблема создания основ построения и практической реализации нового класса гаурье-оптических систем для автоматического бесконтактного намерения и контроля геометрических параметров промышленных изделий. Полученные автором теоретические и экспериментальные результаты в области формирования спектров и изображений прстяаекяюс тел являются базозыми для развития нового научного направления - "Фурье-оптика трехмерных объектов".

Основные результаты ляссертации состоят в следующем:

I, Разработаны теоретические и практические основы построения фурье-оптических измерительных систем.Показано, что благодаря гптической обработке теиезьсс изображений изделий в разработанных системах в отличие от известных достигаются в большой измерительной зоне одновременно более высокие разрешение (0.1 * I мкм) и

ч31

быстродействие (до 100 изм./с) и более широкий динамический диапазон (0.01т 50 мм) измерений, реализуются возможности параллельного измерения параметров по нескольким каналам и перенастройки систем на различные изделия и типоразмеры.

2. Создана и экспериментально подтверждена конструктивная теория формирования в когерентном свете пространственно-частотных спектров п контурных изображений объемных тел постоянной толщины на основе модели протяжешшх тел в виде эквивалентных диафрагм.

3. Показано, что спектр протяженного изделия вследствие первичной и вторичной дифракции света можно рассматривать как результат интерференции обобщенных источников, расположенных в краевых точка;: передаек и задней граней объекта к ииеящих соответственно пекзотропныз (френелевские) и изотропные диаграммы излучений. Установлено, что протяженность объекта приводит в низкочастотной области спектра к неэквидистантному расположению минимумов основных (фраунгоферовсккх) колебаний, определяемому типом объекта 21 числом зон Френеля в пределах его поперечного размера, а такие к дополнительной модуляции спектра френелевско-го вида.

4. Найдены зависимости между характерными параметрами дифракционных картин Фраунгофера и геометрическими параметрами резьбовых изделий, а таказ размерами протяженных объектов постоянной толщины - типовых элементов трехмерных тел.

Предложены и экспериментально подтверждены эффективные способы определения поперечных и продольных размеров протяженных объектов с погрешностями не хуже соответственно 0.1 и 1% исходя из углового положения фраунгоферовских и френеяевских колебаний.

5. Установлено, что при дифракционном контроле непрозрачных объектов основной вклад в погрешность дает составляющая, обусловленная влияние?.! спектра ограничивающей, объект апертуры. Предложенный способ двойной фильтрации спектра позволяет почти на порядок расширить верхнюю границу измерений (до 10 мм) при уровне погрешности в 0.2%, а также увеличить измерительную зону в поперечном направлении до нескольких миллиметров.

6. Аналитически и экспериментально исследованы зависимости основных геометрических и энергетических параметров контурных изображений плоских объектов при когерентно-оптической обработке их различными оконтуривающими осесимыетричными фильтрами (бинарным, квадратичным и квадратичным аподизированным). Даны рекомен-

- 32 -

дации по их выбору, позволяющие достичь высокие метрологические характеристики измерительных систем.

7. Изучены особенности оконтуривания в дифракционно-ограниченной когерентно-оптической системе протяженного абсолютно поглощающего края. Показано, что при большом числе зон Френеля в пределах импульсного отклика системы объемные свойства края проявляются в смещении основного минимума его оконтуренного изображения (в окрестности геометрического положения границ) на величину, пропорциональную размеру зоны Френеля. В случае значительных объемных эффектов оконтуренное изображение передней грани вследствие фильтрующих свойств задней грани вместо двойного имеет вид одинарного максимума, а распределение интенсивности света з оконтуренном изображении задней грани во многом совпадает со случаем плоского края.

8. Предложены и исследованы новые корреляционные методы измерения линейных и пространственных характеристик изделий в пространственно-частотной и пространственно-временной области.

Показано, что выбором передаточной функции фильтра, реализующего операции оконтуривания и мультиплицирования объекта по определенному закону, обеспечивается преобразование теневого изображения объекта в дифференциальное, что позволяет при использовании шюгсэлеыентного шотоприеыника стандартного разрешения в десятки раз без потери быстродействия повысить точность измерений и упростить их процедуру в сравнении с традиционными теневыми методами.

Показано, что пространственно-временная корреляция предвари-телыю оконтуренного изображения движущегося изделия с образцовым транспарантом специального вида путем считывания оптического сигнала одноэлементным фотоприемником и последующей обработки его электронными средствами дает возможность получить с высоким разрешением (~ I чкм) и быстродействием (20 f ICO изм./с) раздельную информации о десяти и более геометрических параметрах объекта, включая его диаметры, высоты, конусность, отклонения от соосности и перпендикулярности участков изделия и их ориентацию.

У. На основе полученных результатов впервые в отечественной практике разработаны, созданы и выпущены совместно с отраслевыми организациями промышленные образцы бесконтактных быстродействующих (25 - 50 изм./с) высокоразрешапцих (0.1 I мкм) чазерных приборов ЛДИ-1 (измерение линейных размеров, параметров винтов) и ЛКА (измерение параметров тел вращения). Измеритель ЛДИ-1 по

- 33 -

основным техническим характеристикам соответствовал уровню лучших зарубежных образцов.

Впервые на основе галогенных источников света разработаны и созданы (совместно с СКВ НП СО АН СССР) опытные образцы высокопроизводительных перенастраиваемых корреляционных измерителей "Контур-2" и "Контур-3" для измерения параметров тел вращения соответственно в одной и двух проекциях с разрешением до I мкм и производительностью I т 20 изд./с. Приборы не имеют аналогов за рубежом. На их базе в промышленных организациях созданы автоматы для бесконтактного контроля геометрических параметров изделий машиностроения, электронной и атомной промшшеннос-ти.

Основные результаты диссертации отражены е следующих рабо- ■

тах:

1. Бычков P.M., Корошсевич В.П., Чугуй Ю.В. Измерение параметров резьбы когерентно-оптическим методом// 0Mn.-I977.-Ji II,-С.50-55.

2. Bytchkov R.M., Chuguy Yü.V., Koronkevitch V.P.Threaded article parameter measurement by spatial spectra analysis//Appl. Opt.-1979.-J8, N 2.-P.197-200.

3. Чугуй Ю.В. Определение геометрических параметров протяженных объектов постоянной толщины по их дифракционным картинам // Автометрия.-1991.-^ 6.-С.76-92.

4. Астафьева Т.Е., Бычков P.M., Коронкевич В.П., Михляев C.B., Нестерихин Ю.Е., Нежепенко Е.С., Чугуй D.B. Применение методов когерентной оптики для контроля геометрических параметров изделий//Материалы Всесозоз. конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ".- Новосибирск:Изд. ИАиЭ СО АН СССР, 1979.- С.157-158.

5. Вертопрахов В.В., Михляев C.B., Юношев В.П., Чугуй Ю.В. Оптико-цифровая система промышленного контроля//Автометрия.-1983.-№ 4.- С.53-59.

6. Михляев C.B., Чугуй Ю.В. Оперативное формирование полей допусков средствами когерентной оптики для контроля формы бинарных изображений//П Всесоюз.школа по оптической обработке информации: Тез.докл.-Горький: Изд.НИШ, 1978.- С.21.

7. Михляев C.B., Чугуй Ю.В. Оперативное формирование полей допусков при контроле формы изделий//Автометрия.-1979.-£ I.-C.24-33.

8. Chuguy Yu.V., Gurtova T.V., Mikhlyaev S.V., Soldatenkov J.S.

- 34 -

Producing of tolerance gap3 by spetial filtering// Optica Applicata.- 1981.- XI, N 1, P.169-169.

9. Михляев С.В., Чугуй Ю.В. Спектральный метод контроля на основе биполярных фильтров по интенсивности // Автометрия. -I99I.-J? 2.- С.43-59.

10. Богомолов Е.Н., Ведерников В.Н., Вертопрахов В.В., Кирьянов В.П., Кривенков Б.Е., Чугуй D.B. Оптико-электронная система измерения размеров движущихся объектов на основе рассеяния световых волн// Автометрия.-1981.-Л5 I.- С.55-63.

11. Богомолов Е.Н., Вертопрахов В.В., Ыихляев С.В., Чугуй Ю.В,, Юношев В.П. Оптико-цифровой контроль промышленных изделий// Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля, точных измерений и углов: Тез.докл.- Л.: Изд. ВНИИМ, 1984.-С .150-151.

12. Богомолов Е.Н., Вертопрахов В.В., Михляев С.В., Чугуй Ю.В., Юношев В.П. Контроль геометрии изделий оптико-цифровыми средствами// Всесоюз.школа по оптической обработке информации: Тез.докл.-Киев: Изд. ККНТК, 1984.- С.15.

13. Bychkov R.I5., Koronlcevich V.P., Solovjev N.G., Chuguy Yu.V. Threaded article parameter measurement by spatial spectrum// Syraposiun a aplivovane holografii "InterKamera" , - Pmha, 1978. -

P.44-49.

14. Бычкоз P.M., Коронкевич В.П., Соловьев Н.Г., Чугуй Ю.В. Измерение параметров резьбовых изделий по пространственному спектру// Ш Всесоюз.конф. по голографии: Тез.докл.- Л.: Изд. ЛИЯФ, 1978.- С.217-218.

15. Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В.'Качественное оконтуривание двумерных теневых ::зобрааений//Автометрия.-197Э.-$ I.-С.33-44.

16. Krivenlcov З.Е., Chuguy Yu.V. Investigation of two-dimensional binary edge contouring of opaque objects// Optica Acta.-1981.- 28, N 2, P.157-167.

17. Чугуй Ю.В. Особенности формирования и оконтуривания изображений объемных тел в когерентном свете//Автометрия,- 1991.-№ 4.-С.103-112.

18. Михляев С.В., Чугуй Ю.В. Корреляционный метод допускового контроля размеров изделий с использованием расщепляющих фильтров// Автометрия.-1981,- № I.-С.70-74.

19. .Богомолов Е.Н., Василец Н.В., Василенко 2.Г. .Вертопрахов В.В., Спектор Б.И., Шульженко С.Ф., Щербаченко A.M., Юно -

шев В.П., Чугуй Ю.В. Высокопроизводительный оптический измеритель размеров "Контур-2"//Лвтометрия.-1987.-}р 3.-С.63-68.

20. Вертопрахов В.В., Михляев С.В., Чугуй Ю.В. Оптическое преобразование изображений в оптико-цифровой системе промыт -

ленного контроля//Автометрия.-1983,- $ 4.- С.59-64.

21. Бычков P.M., Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Повышение точности дифракционных методов контроля//Автометрия.-1984.-№ 3.- С. 75-84.

22. Богомолов Е.Н., Вертопрахов В.В., Юношев В.П., Чугуй Ю.В. Быстродействующее оптическое контрольно - измерительное устройство//Измеригельная техника.-1985.II.-С.22-23.

23. Богомолов Е.Н., Василец Н.В., Спектор Б.И., Шульженко С.§., Щербаченко A.M., Чугуй Ю.В., Юношев В.П. Двухканальный оп-

• тико-электронный измеритель геометрических параметров движущихся изделий "Контур-3"//Автометрия.-1989.-№ 5.-С.73-83.

24. Анциферов Ю.В., Вертопрахов В.В., Михляев С.В., Солдатен-ков И.О., Соловьев Н.Г., Федоров В.А., Финогенов Л.В., Чугуй Ю.В. Лазерный контрольно-измерительный автомат// ОМП.-1989.-* 4.-С.32-36.

25. Вертопрахов В.В., Луппу В.В., Чугуй Ю.В. Оконтуривание - бинарных объектов в белом свете//У1 Всесоюз.школа-семинар по оптической обработке информации:Тез.докл.-Фрунзе:Изд.ФПИ, 1986.-С.158-159.

26. Коронкевич В.П., Кривенков Б.Е., Михляев С.В., Чугуй Ю.В. Оптико-геометрический метод расчета дифракции Фраунгофера на объемных телах// Автометрия.- 1980.-J? 2.- С.25-35.

27. Кривенков Б.Е., Чугуй D.B. Дифракция Фраунгофера на трех -мерных объектах постоянной толщины/Д1 Всесоюз.школа-семи-

■ нар по оптической обработке информации:Тез.докл.-Фрунзе : Изд.ФПИ, 1986.- С.54-55.

28. Chuguy Yu.V., Krivenkov В.Е., Koronkevitch V.P., Mikhljaev S.V. Quasi-geometrical method for Frauhofer diffraction calculations for three-dimensinal bodies//JOSA.-1981. N 4.-P.483-489.

29. Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Дифракция Фраунгофера на объектах постоянной толщины// Автометрия.-1987.-К» 3.-С.79-92.

30. Кривенков Б.Е., Чугуй Ю.В. Дифракция Фраунгофера на отражающих объемных телах постоянной толщины// Автометрия.-1991,-№ 4.- C.II3-II8.

31. Чугуй Ю.В. Методика получения оптических фильтров пространственных чаетот//Всесоюз.школа-семинар по оптическим методам обработки информации: Тез.докл.-Горький: Изд.НИРФИ, 1974.-C.S9.

32. Чугуй Ю.В. Методика получения оптических фильтров пространственных частот//Оптические устройства для хранения и обработки информации:Сб.научных трудов.- Новосибирск:Изд. ИАиЗ СО АН СССР, 1975.-С.226-242.

33. Чугуй Ю.В. Оптическая обработка сигналов с помощью силуэтных фильтров// Автометрия.-1972.-$ 5.- С.10-14.

34. Фельдбуш В.И., Чугуй D.B. Когерентно-оптические системы обработки сигналов на основе применения силуэтных фильтров// Автометрия.-1975.6.-С.53-68.

35. Гибнн И.С., Казачок А.Г., Неневенко Е.С., Солодкин Ю.Н., Твердохлеб П.Е., Чугуй Ю.В. Анализ спектров одномерных сигнал св оптическими методаии//Автоыетрия.-1971.-№ I.-С.64-70.

35. Чугуй Ю.В. Анализ спектров сигналов с многодорояечной силуэтной залисьо//Автометрия.-1974.-& 6.- С.15-24.

37. Бычков P.M., Коронкевич В.П., Соловьев Н.Г., Чугуй Ю.Е. Система контроля геометрических параметров объектов по их пространственному спектру//1 Всесоюз.научно-техн.ск1шсзиум"0п-тическое приборостроение и голография":Тез.докл.- Львов:Изд. ЛГУ им.Ив.Зранко, 1976.-С.5-7.

38. Вкчков Р.iL, Волков В.И., Попов Е.Г., <5шогенов Л.В., Чу -гуй Ю.В. Лазерный дифракционный измеритель разиеров//Ш Все-ссюз.школа по оптической обработке информации:Тез.докл.-Ри-га:Изд.Институт физики Латв.ССР, 1980.-С.205-206.

39. Чугуй Ю.В. Вопросы анализа и синтеза когерентно-оптических устройство обработки информации//Всесояз.школа-семинар по оптическим методам обработки информации:Тез.докл.-Горький: Изд.НИРФИ, 1974'.- С.73.

40. Богомолов E.H., ЗенковаД.Ф., Карлов Ю.К., Палехин A.A., Токарева И.Е., Юношев В.П., Чугуй Ю.В. Оптико-цифровая система контроля геометрических размеров длинномерных оболочек твэлов//Вспросы атомной науки и техники. Сер.Радиационная техника.-1987.-вып. 1(34).- С.33-34.

41. Богомолов E.H., Вертопрахов В.В., Юношев В.П., Чугуй Ю.В.

, Быстродействуодее оптическое контрольное устройство на основе микро-ЭВМ "Э-60"// Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля, точных измерений и углов: Сб.

- 37 -

докл.- Л.: Изд.ВШИМ, 1984.- С.152-153.

42. A.C. 332474 СССР. Оптический когерентный коррелятор/Г.А.Во-скобойник, Е.С.Нежевенко, П.Е.Твердохлеб, Ю.В.Чугуй - Заявл. 20.12.71; Опубл. 14.03.72; Бм.* 10.

43. A.C. 378902 СССР. Оптический анализатор спектров/А.Г.Каза -чок, И.С.Гибин, Е.С.Нежевенко, Ю.Н.Солодкин, П.Е.Твердохлеб, Ю.В.Чугуй - Заявл.23.08.70; Опубл. 18.04.73; Бюл.№ 19.

44. A.C. 401246 СССР. Устройство ввода электрических сигналов в оптический анализатор/И.С.Гибин, А.Г.Казачок, Ю.Н.Солодкин, П.С.Стороженко, Ю.В.Чугуй - Заявл.21.12.71; Опубл.01.10.73; Еюл.№ 40.

45. A.C. 551927 СССР. Оптический анализатор спектров/Л.М.Сороко, В.А.Суетин, Ю.В.Чугуй - Заявл. 14.10.75; Опубл.25.03.77; Бол. № II.

46. A.C. 842402 СССР. Устройство для допускового контроля размеров изделий/С.В.Михляев, Ю.В.Чугуй - Заявл.01.08.79; Опубл. 15.03.81; Бюл.№ 10. .

47. A.C. II25468 СССР. Устройство для размерного контроля изделий/С.В.Михляев, Ю.В.Чугуй - Заявл. 18.07.79; Опубл.20.II.84;

. Бш.Я> 43.

48. A.C. II85080 СССР. Устройство для измерения размеров изде -лий/Е.Н.Богомолов, В.В.Вертопрахов, С.В.Михляев, Л.В.Финоге-нов, Ю.В.Чугуй - Заявл.30.09.83; Опубл. 15.10.85; Бюл.№ 38.

49. A.C. 1226044 СССР. Устройство для измерения линейных размеров нзделий/Е.Н.Богомолов, Б.Е.Кривенков, Ю.В.Чугуй, В.П.Юно-шев - Заявл.24.10.84; Опубл.23.04.86; Бад.Е 15.

50. A.C. 1380397 СССР. Устройство для измерения размеров изде -лийAI.Н.Заславский, Д.Ф.Зенкова, С.В.Кердель, А.А.Палехин, И.Е.Токарева, Е.Н.Богомолов, В.В.Вертопрахов, Б.Е.Кривенков, Ю.В.Чугуй - Заявл.09.04.86; (опубликованию не подлежит).

51. A.C. I4I6866 СССР. Устройство для измерения размеров изде -лий/В.В.Вертопрахов, Ю.В.Чугуй - Заявл.25.08.86 ; 0публ.15.08. 88; Бюл.№ 30.

б

У

А

П,

Рис Л. Контролируемое изделие с четким теневым изображением (а), контурное изображение объекта (б).

■тз

В

'С

ЙЗ

I

а

I

ОПТИЧЕСКИЙ шчисшитздь

Объект

®иль трующий $урье-анализатор

Пространственно-частотный коррелятор

Про стран ственно-временной коррелятор

Многоэлементный фотоприемник

--и

.Л

о о

Электронный блок

обре-ботки информации

ы ы

Рис.2. Обобщенная блок-схема фурье-оптической измерительной системы.

й- б Изделие

Рис.3. Контролируемый объект постоянной толщины с абсолютно поглощающими боковыми гранями (а), оптическая схема звена преобразования Фурье (б).

с/

Рис.4. Несимметричный край ( С. ф 0) абсолютно поглощающий объемный край (а) и его обобщенная точечная модель (б).

модель.

-0.05

0,05 в

Рис.6.Экспериментальные результаты: спектр симметричной солютно поглощающей объемной щели с<У=1 мм и2>=0.277 мм( и симметричного абсолютно поглощающего объемного края ( с опорным плоским экраном) с С) =4 мм и Л =0.288 нм (о). Точками показаны экспериментальные данные, сплошными линиями -расчетные.

I (в)

-II < 11 <111 [ II1 П I П !] I ТТТТТТП | ] гт т П IТ Т | Т ГТТТТТ11| I! П 111 ТГ"}ТТ П П" * 11 | Г ПТТИТГ| 11

О 0,012 0,024 0,036 в

Рис.7. Экспериментальные результаты: спектр симметричной абсолютно отражающей объемной щели с 2) =0.352 мм и <7=2 :

тп/то

1,2 1,0

Тп/То 5-

л IV "

+у +

............

| 1 I ! | I II I | I II I | М М |

31 -

И-+-+-

10

"Л—I—I—I—I ! I—I 20 п -1 -5 -9 п

Рис.8. Зависимость текущего периода спектра Тп объемной щели (а) и объемного края с опорным плоским экраном (б) в зависимости от номера дифракционного порядка П.

б

а

Кх)

Рис.11. Распределение интенсивности света в оконтуренном изображении абсолютно поглощающего объемного Асимметричного) края при различных значениях N » I : Д/ = оо (аТ; 16 (£Ги 8 (в).

6

я^щ .„м(Ых,Ыу)} еде

Шу)где

Рис.12. Структурная схема фильтрующего фурье-анализатора.

Рис.13. Структурная схема фильтрующего фурье-анализатора с предварительной фильтрацией элементов объемного изображения.

~ - —

- £

| оС

- = ^ 1

»

Рис.14. Теневое изображение резьбового изделия (а) и его спектр (б).

Рис.15. Бипланарная щель (а) и ее обобщенная точечная модель (б).

сг.

Объект

Расщепляющий срильтр

Мультиплицированное изображение

Многоэлементный ^ сротоприёмник | с полевой диа-

Г(х)

Л ^

Н 1и>

Элект-роннс/Я блок

I ___'I

| ^ гДидэсреренииаль -

^ ное изображение

мЯа = М\ ДГ-ДО

Ы

I

1

А

х'

Рис.16. Структурная схема пространственно-частотного коррелятора.

V

I

&

I

^окон

/Г

--V

Одноэлементный срото-лриёмник дш Электронный блок

Сечение I Сечение]/

Сечение Л1 Сс/ммсгрный

сигнал

Рис.17. Структурная схема пространственно-временного коррелятора.

Объект

Рис.18. Блок-схема лазерного дифракционного измерителя ЛДИ.

6

Пространственно- частотный коррелятор

Блох об-рсгбОтхи информации

--; В. тв- камера - Микро-звм „э-ео"

Л

ВКУ

ад

Рис.19. Блок-схема оптико-цкфровой системы промышленного контроля ОЦСК.

Прострамственно- временной коррелятор

Лазер ЛГ-79-1\*- колли-матср ■ с- Звено оконти-риеания

I

Сканер Опти чес- Фото- 1 -1-- 1 Микро-

-г-1- <3>) |1 ки и интегратор прием-ник эвм „э-60"

Рис.20. Блок-схема сканирующего .измерителя диаметров ДДИ-Ш.