Голографический способ определения рельефа поверхности

 

Использование: для бесконтактного определения рельефа поверхности, в контрольно-измерительной технике. Технический результат: повышение разрешающей способности способа за счет обеспечения регистрации дополнительной информации о рельефе поверхности. Сущность изобретения: исследуемую поверхность освещает коллимированными пучками когерентного излучения с различными длинами волн, и регистрируют m голограмм с помощью опорного пучка. Дополнительно регистрируют m голограмм, каждую с помощью одного из дополнительных опорных пучков, которые пространственно разделены между собой и по отношению к опорному пучку. Восстанавление 2m голограмм осуществляют теми же опорными пучками, которые линейно поляризуются. При этом дополнительные пучки, используемые для восстановления дополнительно зарегистрированных голограмм, поляризуют ортоогонально по отношению к первому пучку. При восстановлении по крайней мере одной из (m-1) дополнительно зарегистрированных голограмм используют один из дополнительных пучков когерентного излучения с регулируемым фазовым сдвигом. Регистрируют полученную интерференционную картину, по которой определяют рельеф поверхности. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактного определения рельефа поверхности, например, при контроле деталей на производстве, при исследовании различных физических и медико-биологических объектов.

Известен голографический способ определения рельефа поверхности, заключающийся в том, что освещают исследуемую поверхность коллимированными пучками когерентного излучения с двумя длинами волн, записывают и восстанавливают голограмму, регистрируют интерференционную картину, по которой судят о рельефе поверхности.

Однако известный способ не позволяет с высокой точностью определять координаты максимумов интенсивности интерференционных полос и обладает низкой разрешающей способностью.

Задачей изобретения являются повышение точности определения координат максимумов полос за счет сужения контуров интерференционных линий и повышение разрешающей способности способа за счет получения дополнительной информации поверхности.

Для этого в голографическом способе определения рельефа поверхности, включающем освещение исследуемой поверхности коллимированными пучками когерентного излучения с различными длинами волн, запись и восстановление голограммы, регистрацию интерференционной картины, по которой судят о рельефе поверхности, освещают поверхность m (m>2) пучками, записывают 2m голограмм с помощью трех пространственно разделенных пучков, одним из которых записывают m голограмм, вторым по крайней мере одну из (m-1) голограмм, третьим - остальные, восстанавливают голограммы пучками линейно поляризованного излучения, из которых пучки, предназначенные для восстановления m голограммы, поляризуют ортогонально по отношению к пучкам, используемым для восстановления остальных голограмм, и для одного из этих пучков осуществляют фазовый сдвиг.

На фиг. 1 изображена оптическая схема осуществления способа; на фиг. 2 - распределение интенсивности в полученной интерференционной картине.

Исследуемую поверхность объекта О освещают с помощью светоделителя С коллимированными пучками когерентного излучения с m различными длинами волн и регистрируют на фотопластинке Г m голограмм с помощью опорного пучка 1. Дополнительно регистрируют еще m голограмм с помощью опорных пучков 2 и 3, которые пространственно разделены между собой и с опорным пучком 1. При этом по крайней мере одну из (m-1) дополнительных голограмм регистрируют опорным пучком 3, а остальные с помощью пучка 2. Восстановление 2m голограммы осуществляют теми же опорными пучками 1,2 и 3, которые линейно поляризуют. При этом пучки 2 и 3, используемые для восстановления m дополнительно зарегистрированных голограмм, поляризуют ортогонально по отношению к пучку 1. Кроме того, пучок 3 пропускают через компенсатор К, с помощью которого осуществляют регулируемый фазовый сдвиг.

После восстановления первично зарегистрированных голограмм распределение интенсивности J в полученной интерференционной картине при равных амплитудах интерферирующих пучков имеет вид: , где Z расстояние от точки поверхности объекта до фиксированной плоскости сравнения, Z Z(X,Y); J_o= a²_o; λ_j длины волн интерферирующих пучков.

Полученная интерференционная картина имеет узкие полосы. На эту картину накладывают вторую интерференционную картину, сформированную путем восстановления дополнительно зарегистрированных голограмм, причем за счет введения регулируемого фазового сдвига узкие максимумы дополнительных полос располагаются посередине между первичными полосами. В результате этого повышается разрешающая способность топограммы, т.к. имеется возможность получать информацию о рельефе поверхности между узкими первичными полосами.

Поясним сущность способа на примере. Пусть используют четыре длины волн λ₁,λ₂,λ₃ и λ₄, т.е. m 4. Считаем, что используемые длины волн удовлетворяют следующим соотношениям: λ₁= λ+2Δλ,λ₂= λ+Δλ,λ₃= λ-Δλ,λ₄= λ-2Δλ, где λ центральная длина волны выбранного спектрального диапазона; Dl некоторый спектральный интервал, определяемый спектральными характеристиками используемого лазера.

Тогда распределение интенсивности (1) можно записать в виде: Данное распределение представлено на фиг. 2, кривая 1. Глубинный интервал в этом случае равен: .

Пусть каждый из пунктов 2 и 3 (фиг. 1) восстанавливают по две дополнительно зарегистрированные голограммы, а вносимый фазовый сдвиг равен 180^o. Тогда распределение интенсивности после восстановления дополнительно зарегистрированных голограмм имеет вид:

Этому распределению соответствует кривая 2 на фиг. 2. Глубинный интервал при этом остался прежним, но сама кривая оказалась смещенной вдоль направления O_z на величину , соответствующую половине глубинного интервала.

Поскольку восстановленные с первично и дополнительно зарегистрированных голограмм когерентные пучки ортогонально поляризованы, они не интерферируют, и суммарное распределение интенсивности в сформированной топограмме будет равно:

Суммарному распределению интенсивности соответствует кривая 3 на фиг. 2. Узкие интерференционные максимумы этой кривой расположены в два раза чаще, чем у кривых 1 или 2, соответствующих распределениям интенсивности (2) и (4). Глубинный интервал теперь равен
,
т.е. имеет в два раза меньшую величину.

Если же для восстановления использовать одну из длин волн, применяемых при записи голограмм, например l₃, то λ₄= λ₃-Δλ, λ₂= λ₃+2Δλ, λ₁= λ₃+3Δλ, тогда соответствующие разности фаз будут точно такими же, как в предыдущем случае, а следовательно, результат будет такой же, как при восстановлении центральной волной.

Таким образом, описанный способ позволяет в два раза увеличить разрешающую способность за счет обеспечения возможности регистрации дополнительной информации о рельефе поверхности. При этом запись первичных и дополнительно зарегистрированных голограмм можно осуществлять за одну экспозицию. Это позволяет наряду со стационарными объектами использовать и нестационарные объекты.

Формула изобретения

Голографический способ определения рельефа поверхности, заключающийся в том, что освещают исследуемую поверхность коллимированными пучками когерентного излучения с различными длинами волн, записывают и восстанавливают голограмму, регистрируют интерференционную картину, по которой судят о рельефе поверхности, отличающийся тем, что освещают поверхность m (m>2) пучками, записывают 2m голограмм с помощью трех пространственно разделенных пучков, одним из которых записывают m голограмм, вторым по крайней мере одну из m - 1 голограмм, третьим остальные, восстанавливают голограммы пучками линейно поляризованного излучения, из которых пучки, предназначенные для восстановления голограмм, поляризуют ортогонально по отношению к пучкам, используемым для восстановления остальных голограмм, и для одного из этих пучков осуществляют фазовый сдвиг.

РИСУНКИ

Рисунок 1