Способ записи двухэкспозиционной голографической интерферограммы

 

Изобретение относится к измерительной технике и голографической интерферометрии . Цель изобретения - освещение одного и того же участка поверхности при записи голограммы. Изобретение позволяет получать двухэкспозиционную голограмму , из интерференционной картины которой можно определять топограмму поверхности объектов с повышенной точностью. Объект освещает пучком когерентного излучения и записывают на фотопластинке его голограмму . Затем изменяют угол падения освещающего пучка на поверхность объекта и вторично записывают голограмму на ту же фотопластинку того же объекта. Причем пучок поворачивают относительно оси, лежащей в плоскости поверхности объекта и проходящей через точку падения освещающего пучка на поверхность объекта. Это достигается применением свойств синусного рычажного механизма. При этом при записи голограммы обеспечивается освещение одного и того же участка на поверхности объекта.3 ил. Существует ряд методов измерения рельефа поверхности: иммерсионный 1, метод двух длин волн 2 и метод смещенного источника. В перечисленных выше методах предусматривается регистрация двух голограмм объекта на одной фотопластинке с различными показателями преломления щ и nj fe 00 00 Os СК ю ю со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (и)э G 01 В 9/021

ГОСУДАРСТВЕН-ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ, (21) 4781383/28 (22) 13,09.91 (46) 23.08.93. Бюл. ЬЬ 31 (71) Харьковский физико-технический институт (72) А.Г.Толстолуцкий, И,И,Калиниченко и

В.С.Демин ,(73) Харьковский физико-технический институг (56) 1. Козачок А.Г. Голографические методы исследования в экспериментальной механике. — М.: Машиностроение, 1984, с. 52-58, 2. Там же, с. 59-63.

3. Авторское свидетельство СССР

hh 1120160, кл. С 01 В 9/025, 1983.

4. Детали и механизмы приборов: Справочник / Б.М,Уваров, В.А.Бойко, В.В.Подаревский, Л.И.Власенко — 2-е изд. перераб. и доп. — К.: Техника, 1987, с. 343.

5. Островский Ю.И., Щепинов В.П. и

Яковлев В.В. Голографические интерференционные методы измерения деформаций.—

M.: Наука, 1988, с. 200.

Изобретение относится к измерительной технике. В данной области актуальной является задача получения двухэкспоэиционной голографической интерферограммы, по которой можно в зависимости от конкретных условий определить те или иные величины, в частности топограмму поверхности объектов.

ЫХ,, 1836622 А3 (54) СПОСОБ ЗАПИСИ ДВУХЭКСПОЗИЦИОННОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОГРАММЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и голографической интерферометрии. Цель изобретения — освещение одного и того же участка поверхности при записи голограммы. Изобретение позволяет получать двухэкспозиционную голограмму, из интерференционной картины которой можно определять топограмму поверхности объектов с повышенной точностью. Объект освещает пучком «огерентного излучения и записывают на фотопластинке его голограмму. Затем изменяют угол падения освещающего пучка нэ поверхность обьекта и вторично записывают голограмму на ту же фотопластинку того же обьекта, Причем пучок поворачивают относительно оси, лежащей в плоскости поверхности обьектэ и проходящей через точку падения освещающего пучка на поверхность обьектэ. Это достигается применением свойств синусного рычажного механизма. При этом при записи голограммы обеспечивается освещение одного и того же участка на поверхности объекта. 3 ил.

Существует ряд методов измерения рельефа поверхности: иммерсионный (1), метод двух длин волн (2) и метод смещенного источника.

В перечисленных выше методах предусматривается регистрация двух голограмм объекта на одной фотопластинке с различными показателями преломления п1 и л

1836622 (иммерсионный метод), при использовании двух длин волнh и .4(методдвухдлин волн) и при различных углах освещения объекта плоским световым фронтом (метод смещенного источника). При восстановлении образуются два иэображения, которые интерферируют, образуя топографическую картину объекта.

Наиболее близким как по назначению, так и по физической сущности является способ регистрации двух голограмм объекта на одной фотопластинке, когда перед регистрацией" второй голограммы изменяют угол падения в однОм из интерферирующих пучков с помощь.о поворота зеркала и одновременно и соответственно поступательно сдвигают фотопластинку. Этот способ, опи- санный в работе (3), нами принят эа прототип. Способ предусматривает получение топографических полос или истинных линий равного уровня, отображающих рельеф исследуемой поверхности через следы сечения на поверхности объекта эквидистантными плоскостями, перпендикулярными к направлению наблюдения.

Недостатком способа-прототипа является необходимость производить независимо установку двух элементов схемы- и зеркала, и фотопластинки, что приводит к неконтролируемому изменению ошибки в измерении рельефа исследуемой поверхности. Кроме того, в случае только поворота .зеркала после интерференции, определяемое площадью взаимного пересечения световых потоков, ограничено и может при больших углах поворота оказаться эа пределами исследуемого объекта. К недостатку способа прототипа можно отнести и то, что поступательный сдвиг фотопластинки перед второй экспозицией приводит к неопределенности положения изображения исследуемого объекта на величину сдвига, и чем больше этот сдвиг, тем менее точно определяется местоположения изображе. ния объекта на величину сдвига, и чем больше этот сдвиг, тем менее точно определяется местоположение изображения объекта на фотопластинке.

Целью изобретения является обеспечение освещения одного и того же участка поверхности при записи голограмм.

Поставленная цель достигается в предлагаемом способе, в котором также, как и в прототипе, освещают объект пучком когерентного излучения, записывают на фотопластинке голограмму объекта, измеряют угол падения освещающего пучка на поверхность объекта и вновь записывают голограмму на ту же фотопластинку, 5

8 отличие от прототипа, в соответствии с предлагаемым способом обеспечивается освещение одного и того же участка поверхности при записи голограмм, при изменении угла падения поворотом пучка относительно оси, лежащей в плоскости поверхности объекта и проходящей через точку падения освещающего пучка на поверхность объекта.

Отличительные особенности предлагаемого способа позволяют при изменении положения перед второй экспозицией элемента схемы регистрации-зеркала (без изменения положения фотопластинки) практически не менять места падения светового пучка на поверхность объекта. При этом возникающая погрешность в смещении места падения светового пучка на объеКт,. а значит и в измерении параметров рельефа поверхности объекта по интерференционным полосам, будет не более 10 .

Это соответствует допускаемому пределу в ошибке измерения шага интерференционных полос при фотографической регистрации.

На фиг. 1 показана кинематическая схема поворота и смещения светового пучка; на фиг. 2 — схема зондирования поверхности объекта по предлагаемому способу; на фиг.

3 — видимая величина шага интерференционных полос на поверхности объекта.

Рассмотрим кинематическую схему (см. фиг. 1) для одновременного поворота и смещения зеркала на основе синусного рычажного механизма (4). Там же показан ход зондирующего поверхность объекта светового пучка и направление регистрации рельефа поверхности.

Синусный рычажный механизм состоит из двух вращательных кинематических пар

8> и Вг, двух поступательных кинематических пар П и Пг и механической жесткой связи и (стержня), которая соединяет оси двух вращательных кинематических пар 8l и Вг. Зеркало 3 жестко закреплено на связи под углом 45 к ней на оси вращения пары

Вг (см. фиг. 1). Сформированный параллельный световой пучок падает на зеркало 3 по направлению Л, отражается от зеркала 3 и освещает исследуемую плоскость объекта M.

Объект M устанавливается на отдельной подставке в средней части отрезка 81С, т.е. в средней части длины радиуса при а1 0 (фиг. 1). В этом случае при малых смещениях зеркала на величину b, которая определяется функцией положения синусного рычажаг-Q ного механизма Ь - 2R sin (на ф г. 1 показан случай, когда а1 мало или равно

1836622 — з пг (аг — (6)

R г

1 1

)(сов аг сов а1 ) (1) 35 (2) нулю, тогда аг — а1 = a), отраженный лазерный луч от зеркала 3 (согласно закону Снеллиуса угол падения светового луча равен углу отражения) будет попадать в одну и ту же точку объекта М. На фиг. 1 показан ход 5 осевого лазерного луча, который попадает в точку А на объекте М под углом 2 а, если поворот синусного механизма (а с ним и зеркала 3) произойдет на угол а.

Рассеянное от объекта М лазерное из- 10 лучение в направлении P попадает на фотопластинку Ф, на которой регистрируются две голограммы объекта при двух положениях зеркала. На фотопластинку также падает и опорный лазерный пучок в 15 направлении Оп.

Рассмотрим ход лучей при двух положениях зеркала, определяемых углами а> и аг (см. фиг. 2). В обоих случаях лазерный луч, отразившись от зеркала, попадает в некото- 20 рые точки А1 и Аг, соответственно расположенные на отрезке В1С, т.е. в месте размещения плоскости исследуемого объекта. Критерием совпадения попадания лазерных лучей на поверхности объекта 25 выберем разность д между отрезками А1С и АгС(см. фиг.2) при двух поворотах зеркала на углы а> и а . Из треугольников Вг ОД, Вг

СД, Вг ОД и Вг СД с учетом закона Снеллиуса, и, делая простые тригонометрические 30 преобразования, получим:

А1С +R sin a1 tg — — — (г — ) язва a R цга1 г г сова1

Полученные выражения включают в себя постоянную величину R — длина механической жесткой связи и переменный угол а.

Как видно из выражения (3) дэ 0 при 45

a) a2,,à значит при каждом случае регистрации рельефа поверхности методом смещенного источника будет возникать смещение места падения лазерного луча на объект на величину д, что будет вносить ошибку в измерения параметров рельефа.

Рассмотрим величину этой систематической ошибки при измерениях рельефа поверхности. В методе смещенного источника 55 определения рельефа поверхности интерференционные полосы являются следами пересечения поверхности объекта секущими параллельными плоскостями, которые отстоят друг от друга нз величину hh (5), и для нашего случая имеет вид

Д h Л/2 Л

2(аг — а1 Гз1п (аг — aj ) в1п (4) где Л - длина волны зондирующего излучения:

2(® — a>) — угол между освещающими обьект пучками света.

В этом случае видимая величина шагз интерференционных полос будет равна (см. фиг. 3):

Д- Д" — " (5)

sin аг — a> 2 s n г (аг — ai ) Ошибка в расположении интерференционных полос. которые характеризуют линии равного уровня рельефа поверхности как правило не должна превышать 10%. Из отношения выражений (3) и (5) найдем эту ошибку: д R

2 (cos сов а1 ) В нзшем случае условие, чтобы ошибка не превышала 10%, выполняется для углов аг — a> 2 придлине зондированияЛ-0,694 мкм. Это соответствует величинам A h < 12 мкм, которые практически и используются в исследованиях рельефа поверхности.

Рассмотрим характеристику техникоэкономической эффективности предложенного способа. При использовании предложенного способа для записи двухзкспозиционной. голографической интерферограммы неопределенность в положении изображения объекта на фотопластинке, благодаря установке одного элемента в схеме регистрации-зеркала, будет равна 0,12 мм для hh 100 мкм. В способе-прототипе данная ошибка составляет 3.5 мм. Предлагаемый способ предусматривает получение истинных линий равного уровня рельефа поверхности.

Предлагаемый способ может найти применение в экспериментах по исследованию рельефа поверхности диффузно отражающих объектов практически любой формы с

1836622 точностью до одной десятой видимой величины шага интерференционных полос на поверхности объекта, Формула изобретения

Способ записи двухэкспозиционной голографической интерферограммы, заключающийся в том, что освещают объект пучком когерентного излучения, записывают на пластинке голограмму объекта, измеряют угол падения освещающего пучка на поверхность объекта и вновь записывают голограмму объекта на ту же фотопластинку, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения освещения одного и того же участка

5 поверхности при записи голограмм, при изменении угла падения поворачивают пучок относительно оси, лежащей в плоскости поверхности объекта и проходящей через точку падения освещающего пучка нэ

10 поверхность объекта.

1836622

А

2a(g

2 @ц

Составитель И. Калиниченко

Техред М. Моргентал Корректор Н.Кешеля

Редактор Т. Куркова

Заказ 3018 Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101