Голографический способ определения рельефа поверхности объекта

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактных исследований рельефа поверхности голографическими способами. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения контраста интерференционных полос. Исследуемый объект помещают в иммерсионную камеру, освещают линейно поляризованной волной и осуществляют запись двух голограмм, изменяя состав среды в камере, причем при записи одной из голограмм используют оптически активную среду. Запись и восстановление голограмм осуществляют двумя пространственно разделенными и ортогонально поляризованными с помощью поляризатора и пластинки волнами. Поляризацию восстановленных волн сводят в одну плоскость с помощью анализатора, разворачивают анализатор вокруг оптической оси и фиксируют направление разворота, при котором контраст анализируемой интерференционной картины максимален, а направление рельефа определяют по направлению угла разворота анализатора. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактных исследований рельефа поверхности голографическими способами.

Известен голографический способ определения рельефа поверхности, включающий помещение объекта в камеру, содержащую поглощающую среду, освещение объекта двумя плоскими волнами с различными длинами, восстановление полученной голограммы, анализ полученной интерференционной картины на восстановленном изображении и определение высоты и направления рельефа поверхности по распределению интерференционных полос и значениям их интенсивности в максимумах и минимумах (заявка N 4680200/24-28, кл. G 01 B 9/023, решение о выдаче авт. св. от 21.09.89).

Однако данный способ достаточно сложен, ограничен по функциональным возможностям.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является способ определения рельефа поверхности, заключающийся в том, что помещают объект в камеру, содержащую поглощающую среду, освещают плоской монохроматической волной, запысывают голограмму, изменяют состав поглощающей среды в камере и записывают вторую голограмму, восстанавливают полученные голограммы, осуществляют анализ интерференционной картины и по распределению интерференционных полос и значений их интенсивностей в максимумах и минимумах определяют высоту и направление рельефа (заявка N 4761018/28, кл. G 01 B 9/023, решение о выдаче авт. св. от 17.05.90).

Однако данный способ приводит к значительному снижению контраста интерференционных полос на более удаленных участках поверхности объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что для повышения контраста интерференционных полос в голографическом способе определения рельефа поверхности объектов, заключающемся в том, что объект помещают в камеру, содержащую иммерсионную среду, освещают объект плоским монохроматическим излучением, записывают голограмму, изменяют состав среды в камере, записывают вторую голограмму, восстанавливают голограммы, осуществляют анализ интерференционной картины и определяют высоту и направление рельефа, отличием является то, что в качестве иммерсионной среды при записи одной из голограмм используют оптически активную среду, при освещении объекта излучение линейно поляризуют, запись и восстановление голограммы осуществляют с помощью излучения двух пространственно разделенных и ортогонально поляризованных волн, с помощью анализатора сводят поляризацию восстановленных волн в одну плоскость, разворачивают анализатор относительно оптической оси и фиксируют направление разворота, при котором контраст анализируемой интерференционной картины максимален, а направление рельефа определяют по направлению угла разворота анализатора.

Изобретение поясняется фиг.1 и фиг. 2 и осуществляется следующим образом.

Исследуемый объект помещают в камеру, содержащую оптически нейтральную среду, освещают плоской, линейно поляризованной монохроматической волной и записывают первую голограмму. Затем производят замену среды в камере на оптически активную и записывают вторую голограмму. К оптически активным средам относятся скипидар, никотин, растворы органических веществ и т.д. Для того, чтобы сохранить состояние поляризации объектных волн, запись и восстановление каждой голограммы осуществляют с помощью двух пространственно разделенных и ортогонально поляризованных волн (J.Opt. Soc. Am. 58, 1968. p. 701). Поляризацию восстановительных волн сводят в одну плоскость. Это можно сделать с помощью поляризатора, который в этом случае называют анализатором. Введем прямоугольную систему координат таким образом, чтобы ось ОУ совпадала с направлением колебаний электрического вектора первой волны, прошедшей через оптически нейтральную среду (фиг. 1). Тогда амплитуды волн, прошедших через анализатор А, можно записать следующим образом: E_1A=E₁cosα, E_2A=E₂cos(Θ-α), (1) где Θ угол разворота плоскости поляризации волны, прошедшей через оптически активную среду, относительно плоскости поляризации первой волны; a -угол разворота поляризатора относительно плоскости поляризации первой волны; комплексные амплитуды; ϕ₁(x,y,z), ϕ₂(x,y,z) фазы интерферирующих волн.

Распределение интенсивности в интерференционной картине, сформированной волнами (1), будет иметь вид: Контраст (или видность) интерференционных полос равен Следует отметить, что угол Θ=Θ(x,y) так как различные участки освещающей волны проходят различный путь в оптически активной среде в зависимости от рельефа поверхности исследуемого объекта. При этом, чем дальше удалены анализируемые точки объекта, тем больше величина угла Θ а следовательно, при a=0 тем ниже контраст (3) интерференционных полос. Таким образом, величина контраста интерференционных полос, как и в прототипе, позволяет определять направление рельефа. Однако в прототипе при этом точность определения высоты рельефа в областях с низким контрастом значительно понижается. Заявляемый способ позволяет избежать этого.

Развернем анализатор на такой угол, чтобы для анализируемого участка интерференционной картины выполнялось соотношение
В этом случае контраст равен

то есть не зависит от величины угла Θ= и является максимально возможным для данных амплитуд a₁ и a₂. В том случае, если a₁ a₂, то К 1.

Следовательно, добившись на анализируемом участке интерференционной картины максимального контраста интерференционных полос путем поворота анализатора, можно измерить соответствующий угол поворота a и определить из (4) угол поворота плоскости поляризации волны q.

Изменение угла разворота анализатора Da(x₂, y₂) при переходе от исходной точки 1 с координатами x₁, y₁ к анализируемой точке 2 с координатами x₂, y₂ можно связать с высотой рельефа Δz(x₂, y₂) в точке 2 относительно точки 1 с помощью следующего выражения:

где n показатель преломления оптически активной среды;
g_g угол между направлением освещения и направлением наблюдения;
g постоянная вращения и с- концентрация оптически активной среды.

При выводе (6) величина Δz считалась положительной в том случае, если анализируемая точка поверхности более приближена к наблюдателю, чем исходная. Как видно из (6), угол Δα несет информацию как о величине высоты, так и о направлении рельефа поверхности. Поскольку величина высоты рельефа определяется по интерференционной картине, выражение (6) используют для определения направления рельефа. Разворот анализатора по часовой стрелке считается положительным. Знак в (6) зависит от того, какое направление вращения плоскости поляризации осуществляет используемая оптически активная среда, правое или левое. Если среда "правая" то в (6) необходимо поставить знак "минус", а если среда "левая", то "плюс". Пусть, например среда "правая", а анализатор для получения максимального контраста в окрестности анализируемой точки необходимо развернуть против часовой стрелки, тогда Da<0 и из (6) Δz>0 то есть анализируемая точка более удалена от наблюдателя, чем исходная.

Таким образом, определение высоты рельефа по интерференционной картине для всей поверхности объекта осуществляется при максимальном контрасте интерференционных полос, а направление рельефа определяется по направлению поворота плоскости, в которую сводят поляризации восстановленных волн, участвующих в формировании интерференционной картины.

В качестве примера рассмотрим реализацию заявляемого способа с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на фиг. 2. Устройство содержит источник 1 монохроматического излучения, телескопическую систему 2, поляризатор 3, светоделители 4, 5, зеркало 6, пластинку 7, голограмму 8, анализатор 9, камеру с иммерсионной средой 10, с помещенным в нее исследуемым объектом А.

Сначала камеру 10 с объектом А заполняют оптически нейтральной средой. Освещают исследуемый объект А плоской, линейно поляризованной монохроматической волной, сформированной с помощью источника 1 монохроматического излучения, телескопической системы 2 и поляризатора 3. Отраженную от объекта волну записывают на голограмму 8 с помощью двух ортогонально поляризованных и пространственно разделенных волн, сформированных с помощью светоделителя 4 и зеркала 6. Разворот плоскости поляризации одной из записывающих волн на 90^o осуществляют с помощью пластинки 7, которую устанавливают так, чтобы ее главное сечение образовывало угол 45^o с плоскостью поляризации падающей волны. После этого заменяют оптически нейтральную среду в камере 10 на оптически активную и осуществляют запись второй голограммы на ту же фотопластинку. Восстанавливают полученные голограммы теми же двумя волнами, при помощи которых они были записаны. Поляризацию восстановленных волн сводят в одну плоскость с помощью анализатора 9. Путем разворотов анализатора 9 добиваются максимального контраста интерференционных полос в каждом анализируемом участке интерференционной картины, а направление рельефа определяют по направлению поворота анализатора 9.

Таким образом, заявляемый способ, позволяя определить направление рельефа, обеспечивает при этом высокую точность определения высоты рельефа для всей исследуемой поверхности объекта за счет получения максимального контраста интерференционных полос для каждого анализируемого участка интерференционной картины.

Формула изобретения

Голографический способ определения рельефа поверхности объекта, заключающийся в том, что объект помещают в камеру, содержащую иммерсионную среду, освещают объект монохроматическим излучением, записывают голограмму, изменяют состав среды в камере, записывают вторую голограмму, восстанавливают голограммы, осуществляют анализ интерференционной картины и определяют высоту и направление рельефа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в качестве иммерсионной среды при записи одной из голограмм используют оптически активную среду, при освещении объекта излучение линейно поляризуют, запись и восстановление голограмм осуществляют с помощью излучения двух пространственно разделенных и ортогонально поляризованных волн, с помощью анализатора сводят поляризацию восстановительных волн в одну плоскость, разворачивают анализатор относительно оптической оси, фиксируют направление угла разворота, при котором контраст анализируемой интерференционной картины максимален, а направление рельефа определяют по направлению угла разворота анализатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2