Способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении

лам изобретенийи открытий 72) Авторы изобретент Н. Г. Власов, В. М. Гинзбург и А. Е. Штаньк(54) СПОСОБ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДИФФУЗНО-КОГЕРЕНТНОМ ИЗЛУЧЕНИИИзобретение относится к интерференционным измерениям и может быть использовано для определения перемещений диффузно-отражающих объектов, а также для измерения изменения показателя преломления фазовых 5 объектов в диффузно-когерентном излучении, т. е, когерентном излучении, отразившемся или прошедшем через диффузно-рассеивающую поверхность.В,классической интерферометрии известен 10 способ интерференционных измерений диффузно-отражающих объектов 11, по которому исследуемый объект освещают наклонным пучком света, выбирая угол наклона освещающего пучка таким, чтобы обеспечить 15 зеркальное отражение от поверхности объекта, отражающей диффузно при менее наклоненных углах падения освещающего пучка, затем пространственно совмещают зеркально отраженный (объектный) пучок с опорным 20 пучком и по виду интерференционных полос определяют отклонение формы поверхности объекта от плоскости. В принципе для поверхности, плоской с интерференционной точностью, можно определить одну проекцию вектора перемещения или деформации (на направление, перпендикулярное самой поверхности).Недостатком известного способа является ограниченная область применения, включаю щая в себя объекты с поверхностью, близкои к плоской, причем с чистотой обработки, допускающей получение зеркального отражения за счет наклонного падения освещающего пучка, Таким образом, классическая интерферометрия ограничена объектами с простой формой поверхности, отражаюгцпмп освещающее излучение без диффузного рассеяния.Недостаток известного способа классической интерферометрии устранен в способе голографической интерферометрии, который является способом - прототипом 21. Голографическая интерферометрия позволяет производить интерференционные измерения в диффузно-когерентном излучении. Известный способ заключается в пространственном совмещении двух пучков взаимпо-когерентного излучения, один из которых, объектный, песет информацию об исследуемом объекте, а второй является опорным, многократной либо однократной записи интерферепционноц картины в области совмещения пучков на регистрирующий материал (запись голограммы), восстановлении объектного пучка путем освещения голограмм опорным пучком и наблюдении интерференционной картины на восстанозленном изображении, вызванной сложением объектных пучков, полученных либо в результате многократной записи, либо сложением восстановленного об ьектногспучка с самим объектным пучком, определении по интерференционной картине на восстановленном изображении изменения, происшедшего с объектом,Существенным недостатком гологр афической интер фераметрии является снижение точности измерений по сравнению с классической интерферометрией, что объясняется следующими причинами.Случайная зависимость микроструктуры диффузно-отракашей поверхности от пространственных координат переносится на освещающее излучение, вызывая образование характерной для диффузно-когерентного излучения случайной зернистой структуры. Поэтому интерференционные полосы на восстановленном изображении состоят из отдельных случайных элементов (зерен), что значительно снижает их контраст по сравнению с интерференционными полосами классической интерферометрии,Контраст интерференционных полос на восстановленном изображении в голографической интерферометрии зависит от соотношения периода интерференционных полос к среднему размеру отдельных элементов зернистой структуры. Когда указанные величины становятся соизмеримыми, контраст интерференционных полос стремится к нулю, Для оценки среднего падения контраста интерференционных полос и, соответственно, точности измерения, целесообразно воспользоваться ухудшением разрешения (в 2 - 5 раз) на восстановленном изображении, которое вызвано теми же причинами. Средний размер элементов случайной зернистой структуры зависит от апертуры регистрирующей оптической системы (глаза или фотоаппарата) и уменьшается с увеличением апертуры. Однако использовать большую апертуру регистрирующей системы для увеличения контраста интер ференционных полос на восстановленном изображении невозможно, так как каждому направлению наблюдения соответствует своя интерференционная картина, и увеличение апертуры, приводящее к включению в ее пределы все большего числа направлений наблюдения, вызывает падение контраста интерференционных полос вследствие усреднения различных интерференционных картин. Цель изобретения - повышение точности измерения.Это достигается тем, что по предлагаемому способу измеряют разность фаз между объектным и опорным пучками до появления в отраженном обьектом излучении внутри каждого элемента случайной зернистой структуры регулярных интерференционных полос, причем по их изменению внутри упомянутых элементов определяют изменение, происшедшее с исследуемым объектом,На чертеже показана принципиальная оптическая схема одного из возможных вариантов реализации предложенного способа.(2) а= - Е,50 55 где 1. - расстояние от плоскости наблюдения до диффузно-рассеивающей поверхности, д - размер освещенного участка диффузнор ассеивающей поверхности.Условие 6(Ьгр) )2 л можно записать иначеЬР (х+ а) - Л (х)=-2- (з)(2) и (1),60 5 10 15 20 25 Зо 35 Обычно считается, что интерференционная картина в диффузно-когерентном излучении, полученная наложением объектного и опорного пучков и регистрируемая в известном способе квадратичным детектором для получения голограммы, носит случайный характер, как и сама случайная зернистрая структура, Это утверждение полностью справедливо, когда изменение разности фаз 6(Ьгр) между объектным и опорным пучками меньше 2 л в пределах одного элемента случайной зернистой структуры. Согласно предложенному способу изменяют разность фаз между объектным и опорным пучками до появления в отраженном объектом излучении внутри какдого элемента случайной зернистой структуры регулярных интерференционных полос, чему соответствует в математическом описании б (Ь г) ) 2 л.Такая операция возможна ввиду того, что отдельный элемент зернистой структуры является областью пространственной когерентности для диффузно-когерентного излучения, в пределах которой фаза объектного пучка практически не изменяется, поэтому регулярное изменение разности фаз б(Ьгр) по пространственной координате приводит к образованию регулярной интерференционной картины внутри каждого отдельного элемента случайной зернистой структуры.Практически установление требуемого изменения д(Лгр) )2 л можно осуществить двумя путями,1. Объектный и опорный пучки направляют под углом а один к другому. В плоскости наблюдения, перпендикулярной биссектрисе угла между ними, разность фаз Лг между пучками меняется по законуЛ(х) = х з 1 п -2 где Х - длина волны, х - координата вдоль линии пересечения плоскости наблюдения с плоскостью падения пучков.Средний размер а элементов зернистой структуры диффузно-когерентного излучения равен откуда, использовав выраженияокончательно получаем2 Л, ав 1 п - =1.2 Выражение (4) определяет необходимые соотношения между величинами Е, д и а для выполнения условия 6(Ьг 1) )2 л.(6) 50 55 60 65 2. Угол между объектным и опорным пучками делают равным нулю, а необходимое изменение б(Ь) )2 л получают, выбирая кривизну опорного пучка следующим образом. Пусть расстояние от источника опорного пучка 0 по плоскости наблюдения Р равно Р. Обозначим расстояние от произвольной точки М в плоскости наблюдения до перпендикуляра, опущенного из точки О на плоскость Р через г. Для малых г 01 Ч: - . По 2 й скольку в пределах одного элемента зернистой структуры диффузно-когерентного излучения фаза остается практически постоянной)1,8 РНОпределение изменения, происшедшего с объектом, производят путем измерения сдвига интерференционных полос внутри одного из элементов зернистой структуры, возникающего при каком-либо воздействии на объект. Пересчет этого сдвига в смещении объекта или изменения его показателя преломления производят методами, известными в классической и голографической интерферометрии.Описываемый способ имеет следующие основные области применения.Диффузно отражающий объект смещается как единое целое. В этом случае целесообразно воспользоваться схемой, приведенной на чертеже. Расширенный луч 1 лазера попадает на линзу 2, фокусирующую его на поверхность объекта 3. Часть луча 1, прошедшая мимо линзы, отражается от зеркала 4 и образует опорный пучок, который пространственно совмещается в плоскости наблюдения 5 с пучком, рассеянным объектом. В плоскости 5 производят регистрацию смещения интерференционных полос при воздействии на объект.Поверхность диффузно-отражающего объекта смещается неравномерно под действием деформирующей нагрузки. Величину перемещения необходимо замерить в нескольких точках, последовательно или одновременно. При последовательном измерении в выбранных точках поверхности измеряют величину перемещения поверхности, последовательно освещая исследуемые точки поверхности узким пучком, в пределах которого величину перемещения можно считать постоянной. При одновременном измерении поверхность исследуемого объекта фокусируют оптической системой, в плоскость изображения направляют опорный пучок, изображение поверхности объекта в окрестностях выбранных точек увеличивают при помощи микроскопа и измеряют в них смещение интерференционных по 5 10 15 20 25 30 35 40 45 лос при приложениии деформирующей нагрузки.Поверхность диффузно-отражающего объекта смещается неравномерно под действием деформирующей нагрузки, необходимо получить картину перемещения по всей поверхности, В этом случае измеряют перемещение в точке объекта в окрестности ожидаемой максимальной деформации. По полученной величине перемещения выбирают схему и, соответственно, чувствительность голографического интерферометра, при помощи которого получают интерферограмму всей поверхности. Точка, в которой замерено перемещение согласно предложенному способу, служит затем началом отсчета в голографической интерферограмме. Таким образом, описываемый способ предпочтительнее по сравнению с голографической интерферометрией, когда исследуемый объект смещается как единос целое или требуется измерить перемещение в нескольких отдельных точках поверхности, и является вспомогательным по отношению к голографической интер феро метр ип, когда требуется получить картину перемещения по всей поверхности объекта.Другой областью применения является исследование процессов, например коррозионных, приводящих к изменению микроструктуры поверхности исследуемого объекта. В голографической интерферометрии для этого измеряют смещение и контраст интерференционных полос на восстановленном изображении. Согласно описываемому способу достаточно измерить контраст полос внутри отдельных элементов случайной зернистой структуры после того, как они были сфотографированы длительной однократной экспозицией.Как известно, методы интерференционных измерений на диффузно отражающих объектах при освещении их пучком когерентного излучения с регулярным волновым фронтом могут быть перенесены на фазовые объекты при освещении их через диффузный рассеиватель, что и определяет область применения предложенного способа в интер ферометри и фазовых объектов. Формула изобретения Способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении путем пространственного совмещения двух пучков взаимно когерентного излучения, один пз которых - объектный, несет информацию об исследуемом объекте, а второй является опорным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, изменяют разность фаз между объектным и опорным пучками до появления в отраженном объектом излучении внутри каждого элемента случайной зернистой структуры регулярных ицтерференционных полос, причем по их изменению внутри упомянутых элементов опредеКорректор Л, Котова Рсдакзор И. ;Пубина Заказ 978/1 Изд. М 385 Тпрагк 904 Подписное ЦНИИПИ Государственного комите;а Совета Министров СССР по дезам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж.35, Раушская наб., д. 4/5Типография, пр, Сапунова, 2 лягот изменение, происшедшее с исследуемым объектом.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 81. Захарьевский Л, Н, Интерферометры, Оборонгиз, 1952, с. 12.2. Кольер Р. и др. Оптическая голография М., Мир, 1973, с. 473 в 5 (прототип).