Способ измерения дисперсии фазы тонкого фазово- неоднородного объекта

 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано в оптическом приборостроении, машиностроении и др. отраслях науки и техники для диагностики фазовых неоднородностей и контроля качества обработки поверхностей. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения дисперсии фазы тонких фазово-неоднородных объектов. Формируют параллельный пучок излучения, расщепляют его на две составляющие: объектную и опорную. Одной из них облучают исследуемый объект. Затем с помощью объектива проектируют изображение объекта на приемную площадку фотоэлектрического регистрирующего устройства, осуществляют строго соосное смещение объектнной и опорной составляющих поля, собирают весь пространственно-частотный спектр объектного пучка, выравнивают интенсивности опорного и объективного пучков. Добиваются минимальной интенсивности результирующего поля путем изменения разности хода между объектной и опорной составляющими. Измеряют интенсивность опорной составляющей и результирующего поля, по которым рассчитывают дисперсию фазы тонкого фазово-неоднородного объекта. 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 C 01 N 21/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4390328/3.1-25 (2) 20.01 .88 (46) 07.04.90. Бюл. Ф 13 (71) Черновицкий государственный университет (72) О.В. Ангельский, И.И.драгун и П.П. Иаксимяк (53) 535.24(088.8) (56) Борн И., Вольф Э. Основы оптики. †. N. Наука, 1973, с.288-290.

Голографическая интерферометрия фазовых объектов. — Л.: Наука, 1979, с.14-15. (54) СПОСОБ ИЗ1ЖРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ

ФАЗЫ ТОНКОГО ФАЗОВО-НЕОДНОРОДНОГО

ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к физичеМ ской оптике и может быть использовано в оптическом приборостроении, машиностроении и др. отраслях науки и техники для диагностики фазовых неоднородностей и контроля качества обработки поверхностей. Целью изобретения является повышение точности

Изобретение относится к Физической оптике и может быть использовано для измерения дисперсии фазы тонких Фазово-неоднородных объектов, контроля шероховатости плоских слабошероховатых поверхностей.

Под тонким Фазово-неоднородным объектом понимают объект со случайным распределением фазовых флуктуаций, дисперсия фазы которых 5 <1, Q радиус корреляции неоднородностей намного больше длины волны и флуктуации

Фазы статистически однородны, т.е.

„„Я0„„1555651 А 1

2 и быстродействия измерения дисперсии

Фазы тонких фаэово-неоднородных объектов. Формируют параллельный пучок излучения, расщепляют его на две составляющие: объектнук и опорную. Одной из них облучают исследуемый объект. Затем с помощью объектива проектируют изображение объекта на приемную площадку фотоэлектрического регистрируюшего устройства, осуществляют строго соосное смещение объектной и опорной составляющих поля, собирают весь пространственно-частотный спектр объектного пучка, выравнивают интенсивности опорного и объективного пучков. Добиваются минимальной интенсивности результирующего поля путем изменения разности хода между объектной и опорной составляющими. Измеряют интенсивность опорной составляющей и результирующего поля, по которым рассчитывают дисперсию фазы тонкого фазово-неоднородного объекта. 1 ил., 1 табл. среднее значение фазы равно для разных участков объекта, поэтому распределение средней фазы в пространстве представляет собой плоскук поверхность. Этим условиям удовлетворяет целый класс реальных объектов: тонкий слой воздуха, тонкое оптически неоднородное стекло, шероховатая отражающая или пропускающая поверхность, слой турбулентности и т.д.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.

1555651

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит источник 1 линейно поляризованного излучения, кол5 лиматор 2, светоделитель 3, поворотные зеркала 4 и 5, затвор 6, объект . 7, четвертьволновую пластинку 8, систему подвижных клиньев 9, смеситель 10, поляризатор 11, объектив

12, диафрагму 13, Фотоэлектрическое регистрирующее устройство 14.

Устройство работает следующим обоазом.

t5

Коллиматор 2 расширяет пучок излучения источника 1 и формирует волну с плоским фронтом, которая с помощью светоделителя 3 расщепляется на две составляющие. Одна из них (объектная) используется для облучения тонкого фазово-неоднородного объекта 7, С помощью объектива 22 собирают весь пространственно-частотный спектр рас- 25 сеянного объектом излучения и формируют изображение объекта в плоскости приемной площадки фотоэлектрического ,регистрирующего устройства 14. Устанавливают размер диафрагмы 13 не более размера нулевой интерференционной полосы. Четвертьволновая пластинка 8, расположенная в опорном канале, используется для преобразования ли\ нейно поляризованного излучения в циркулярно поляризованное. Соосное смещение опорного и объектного пучков достигается на выходе смесителя 10 с помощью точной настройки поворотных зеркал 4 и 5. Вращением. поляризатора 40

11 добиваются равенства опорного и объектного пучков, так как опорный пучок циркулярно поляризован, то вращение поляризатора 11 не приводит к изменению интенсивности опорной вол- 45 ны, но влияет на интенсивность объектного пучка. Перемещением одного из клиньев 9 в поперечном направлении изменяют разность фаз между опорной и объектной составляющими, добиваясь тем самым минимума интенсивности ре зультирующей интерференционной картины. Этот минимум соответствует ротивофазности опорного и объектного пучков и контролируется с помощью

Фотоэлектрического регистрирующего устройства 14. Далее измеряют интен- сивность Тр„д„ результирующего поля.

Перекрывая с помощью затвора 6 объ— ектный пучок, измеряют интенсивность.

I0 опорной волны.

Дисперсию 6 Фазы рассчитывают по Формуле

6 2 Хриии

Т„(х,у) = 2I Cl+cosМ (х,у)l (2) где Ч (х,у) — разность фаз объектной и опорной составляющих поля.

Минимальное (но не нулевое) значение интенсивности результирующего поля достигается в случае, когда средняя фаза объектной волны противоположна фазе опорной волны. Это достигается, когда л

4(z,ó) = и + 4 (х,у), (3)

1 л где tP (х,у) — флуктуации Фазы объектного поля относительно среднего значения М (в данном случае Ч = О) .

С учетом (3) соотношение (2) преобразуется к виду

Х р (х,у) = 4I sin

4(х,у) (4) Для случая малых (не превышающих

10 ) значений Флуктуаций 4 (х,у)

Фазы справедливо соотношение тогда из (4) получают р (xýy) - о (xýy) Средняя по ансамблю локальных значений интенсивность результирующего

Предположим, что освещающий плоскопараллельный пучок когерентного света расщепляется на две составляющие равной интенсивности I . Одна иэ них хаотически модулируется по Фазе тонким Фазово-неоднородным объектом.

Объектная и опорная составляющие соосно смешиваются в плоскости изображения объекта. Результат интерференционного взаимодействия, соответствующий такой суперпозиции объектной и опорной составляющих поля, представляется в виде

1555651

-Рййн

Образец

Отклонение от профилом. 7., Средние значения

Ткин 1 в

0,025

0,034

0,049

0,063

О, 061

0,118

О, 241

0,398

25,3 456,7

47,3 428,2

86,4 372,6

125,2 323,4

2

0,055

0,111

0,232

0,387

9,8

5,9

4,6

2,8 поля, получаемая в результате измерения фотоприемником, приемная плошадка которого значительно больше размера одного структурного элемента поля, представляется в виде

Трм <н = Та 5(1 (хэУ ) (Й

Откуда следует, что

С = <- У11 > =

Т.о

Таким образом, измеряя интенсивность результирующего поля и опорной

15 волны, можно рассчитать дисперсию фазы поля в плоскости объекта, которая равна дисперсии фазы самого объекта.

Пример. Используется источник излучения ЛГ-38. Пучок на выходе 20 коллиматора 2 имеет размер 10 мм. Неплоскостность оптических элементов интерферометра не более 0,2 полосы.

Апертура объектива 12 составляет о

30 . Размер полевой диафрагмы 13 по- 25 рядка 5 мм. Это обеспечивает участие в светорассеянии более 5 10 неоднородностей.

Результаты испытания устройства приведены в таблице. Исследовались плоскопараллельные пластины из плавленого кварца с различной степенью полировки поверхности. Результаты измерений сравнивались с профилометрическими измерениями. Переход от высотных значений Й шероховатости поверхФ ности (среднеквадратичного отклонения профиля от базовой линии ) к дисб персии (осуществляют с помощью ь соотношения

5 = (KR ) где К вЂ” волковое число.

Формула изобретения

Способ измерения дисперсии Фазы тонкого фазово-неоднородного объекта, состоящий в амплитудном расщеплении монохроматического плоскопараллельного пучка на объектный и опорный, облучении объекта объектным пучком, соосном совмещении опорного и объектного пучков, формировании изображения объекта в плоскости регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения быстроцействия и точности измерения, в плоскости регистрации собирают весь пространственно-частотный спектр объектного пучка, провэаимодействовавшего с объектом, выравнивают интенсивности опорного и объектного пучков, получают минимальное значение интенсивности результирующего поля, изменяя разность хода между опорными и объектным пучками, регистрируют интенсивность результирующего поля Тр<ч„ц и интенсивность опорного пучка а дисперсию фазы объекта 6 опредеч ляют по формуле

1555651

fl 12

Редактор Н. Вобкова

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

Заказ 553

ВНИИПИ Государственного

113035

Составитель В. Варнивский

Техред А.Кравчук Корректор О.Кравцова

Тираж 510 Подписное комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5