способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении

Формула изобретения

Способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении, заключающийся в том, что исследуемый диффузнорассеивающий объект освещают когерентным излучением, совмещают два пучка когерентного излучения, один из которых объектный, контролируют изменения интерференционных полос в пределах спеклов в совмещенных пучках и по изменению полос определяют изменения, произошедшие с исследуемым объектом, отличающийся тем, что в качестве второго интерферирующего пучка выбирают другой объектный пучок, отраженный от исследуемого объекта под углом, отличным от угла отражения первого объектного пучка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения перемещений диффузно-отражающих объектов, в частности для определения перемещений, направленных перпендикулярно направлению освещения, а также для определения изменения показателя преломления фазовых объектов при их анализе с использованием диффузно-когерентного излучения.

Известен метод определения перемещения диффузно-отражающего объекта [1], заключающийся в том, что объект освещают пучком когерентного излучения, на заданном расстоянии располагают линейку (либо матрицу) фотоприемников, и по смещению спеклов (зернистой структуры рассеянного излучения) определяют перемещение объекта.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает достаточную точность измерений, поскольку точность смещения спеклов определяется расстоянием между соседними ячейками линейки. Данный способ трудно использовать для определения перемещений менее 2 мкм.

Известен также другой, интерференционный способ измерений относительных перемещений диффузно-отражающих поверхностей [2], который позволяет определять перемещения, сравнимые с длиной волны излучения, т.е. с точностью интерференционных измерений. Способ заключается в том, что лазерный пучок с помощью полупрозрачного зеркала разделяется на две части, эти пучки освещают два диффузно-рассеивающие объекта, два рассеянных в обратном направлении пучка совмещают в пространстве с помощью того же зеркала. В результате такого совмещения внутри спеклов появляется интерференционная картина. Далее по смещению интерференционных полос определяют перемещение одного объекта относительно другого.

Недостатком данного способа является то, что он позволяет определять перемещения только вдоль линий освещения объекта. Кроме того, данный метод трудно применять на практике при наличии промышленных вибраций. В этом случае случайные перемещения объектов относительно друг друга затрудняют измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении [3], в котором объект освещают когерентным излучением, рассеянный пучок света совмещают с другим, регулярным, опорным пучком, который не несет информацию об объекте. В результате интерференции опорного и рабочего пучков в пределах спеклов образуются интерференционные полосы, по смещению которых судят о перемещении объекта.

Недостатком данного способа является то, что метод определяет проекцию вектора перемещения на биссектрису угла, образованного направлением освещения объекта и направлением отражения пучка. Поэтому метод наиболее чувствителен к перемещениям вдоль направления освещения. На практике же часто требуется определение перемещений, направленных перпендикулярно направлению освещения.

Другим недостатком метода является его повышенная чувствительность промышленным вибрациям. При наличии промышленных вибраций относительные перемещения объекта и зеркала, формирующего опорный пучок, могут существенно затруднить измерения.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности измерения к перемещениям, направленным перпендикулярно к направлениям освещения и наблюдения, а также на снижение чувствительности к промышленным вибрациям.

Это достигается тем, что исследуемый диффузно-рассеивающий объект освещают когерентным излучением, совмещают два пучка когерентного излучения, один из которых объектный, контролируют изменения интерференционных полос в пределах спеклов в совмещенных пучках и по изменению полос определяют изменения, происшедшие с исследуемым объектом, причем в качестве второго интерферирующего пучка выбирают другой объектный пучок, отраженный от исследуемого объекта под углом, отличным от угла отражения первого объектного пучка.

В настоящее время из научно-технической и патентной литературы не известен способ интерференционных измерений в диффузно-когерентном излучении в заявленной совокупности признаков.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема одного из возможных вариантов реализации предложенного способа; на фиг. 2 представлены система координат и расположение освещенного участка на объекте; на фиг. 3 представлены теоретический и экспериментальный графики зависимости перемещения объекта, соответствующего смещению полос на половину их периода, в зависимости от угла между вторым отраженным пучком и плоскостью исследуемого объекта.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Лучом от лазера 1 (фиг. 1) освещают диффузно-рассеивающий объект 2. С помощью двух зеркал 5 и 6 формируют два пучка отраженного излучения, распространяющихся под углами ₁ и ₂ к оси ох, которая совпадает с плоскостью исследуемого объекта. Далее с помощью зеркала 7, а также полупрозрачного зеркала 8 совмещают отраженные пучки, а в плоскости фоторегистратора 9 и 10 наблюдают интерференционные полосы, по изменению которых и определяют перемещение исследуемого объекта 2.

Данный вариант реализации предлагаемого способа был опробован для определения перемещений плоского объекта, перемещающегося в своей плоскости. В качестве источника когерентного излучения был использован гелий-неоновый лазер ЛГН207А с длиной волны = 0.6328 и мощностью 1.6 мВт. В качестве диффузно-рассеивающего исследуемого объекта был выбран дюралюминиевый диск (фиг. 2) диаметром 10 мм, толщиной 0.5 мм и с центральным отверстием 2 мм, приклеенный к часовой стрелке электронных часов "Слава". Минутная стрелка была снята. В направлении распространения совмещенных пучков помещали видикон телекамеры 11 (тип КТ-2) и фотодиодную линейку 12 (тип ЛФ-1024), картину спеклов наблюдали на телеэкране 13, одновременно сигналы с фотодиодной линейки вводили в ЭВМ 14 типа IBM PC/AT для цифровой обработки.

Освещенный участок 1 (фиг. 2) располагали на расстоянии r относительно оси вращения 2 диска 3. Скорость вращения объекта w, равная 1 обороту за 12 часов позволяла визуально наблюдать на телеэкране перемещения интерференционных полос при перемещении образца по оси ох на десятые доли мкм за одну секунду.

В процессе вращения диска определяли число интерференционных полос N, прошедших через выбранную точку (метку) на телеэкране 13, фиг. 1, либо через выбранную ячейку фотодиодной линейки 12 (фиг. 1). По полученным данным определяли величину перемещения объекта, соответствующую смещению полос на половину их периода

u_x = w r t/2N (1)

где w - скорость вращения объекта;

r - расстояние от оси вращения до центра освещенной области;

t - время наблюдения;

N - число интерференционных полос (число периодов полос), прошедших через выбранную точку плоскости наблюдения.

В эксперименте формировали два пучка отраженного излучения. Один из пучков распространялся под углом ₁, равным 68^o, а угол отражения второго пучка ₂ изменяли в пределах от 70^o до 117^o. Величина r равнялась 3.4 мм.

Полученные данные приведены на фиг. 3, где черными кружочками отмечена экспериментальная зависимость величины u_x, определяемой выражением (1), от угла ₂.

Как видно из приведенных данных перемещения объекта, соответствующую сдвигу интерференционных полос на половину их периода, можно изменять в широких пределах путем изменения углов отражения ₁ и ₂. Это обстоятельство позволяет в сопоставимых условиях определять перемещения с существенно большей чувствительностью, чем при использовании способа-прототипа [3].

В отличие от прототипа [3], где эффект смещения интерференционных полос возникает в результате перемещения спекл-структур, т.е. областей постоянных фаз, соответствующих объектному пучку, относительно неподвижного опорного пучка, в данном способе смещение полос возникает в результате относительного перемещения в пространстве двух спекл-полей, соответствующим двум объектным пучкам. Данное различие и приводит к различию в чувствительности двух способов. Рассмотрим это различие на примере оптической системы, приведенной на фиг. 1.

Пусть плоский объект 2 на фиг. 1 имеет размер d и однородно освещается параллельным пучком когерентного излучения шириной D > d, т.е. широким пучком, а не узким пучком, как показано на фиг. 1.

В результате взаимной интерференции многих волн, рассеянных на микронеоднородностях поверхности, вдоль произвольного направления отражения излучения образуются спеклы, т.е. пятна или неоднородности случайного размера и яркости в виде сигар, вытянутых вдоль направления отражения. Их характерный поперечный и продольный размер определяются формулами

a = L/d (2)

и

в = (L/d)² (3)

где a - поперечный размер спеклов;

в - продольный размер спеклов;

- длина волны излучения;

L - расстояние от объекта до области наблюдения;

d - поперечный размер объекта.

При перемещении объекта как целого в пространстве на величину картина спеклов также сместится как целое на величину , равную . Это произойдет потому, что в системе координат, связанной с объектом, относительные фазы рассеянных волн не изменятся. Если объект переместится по оси ох на величину u_x, то проекции векторов перемещения образца и перемещения спеклов на направление отражения 3 (фиг. 1) также будут равны:

q₁= u_xcos₁, (4)

где ₁ - угол между направлением наблюдения 3 и осью ох;

q₁ - перемещение спеклов вдоль направления наблюдения 3.

Для другого направления наблюдения 4 на фиг. 1 имеет также

q₂= u_xcos₂, (5)

где ₂ - угол между направлением наблюдения 4 и осью ох;

q₂ - перемещение спеклов вдоль направления наблюдения 4.

Таким образом, разность q перемещений спеклов вдоль направлений наблюдений 3 и 4 равна

q = u_x(cos₁-cos₂). (6)

При совмещении пучков, распространяющихся под углом ₁ и ₂ с помощью систем зеркал 5, 6, 7 и 8 на фиг. 1, в плоскости наблюдения 9 возникает картина интерференции. Поскольку в пределах спеклов фаза постоянна, но случайна, при наложении двух спеклов, соответствующих двум направлениям наблюдения, в области их перекрытия образуются регулярные интерференционные полосы. Если пучки 3 и 4 совмещены достаточно точно, то ширина интерференционных полос будет превышать размеры спеклов, система будет построена на "бесконечные" полосы. Если будет небольшой угол между пучками, то в пределах спеклов возникнут регулярные полосы шириной

s = /, (7)

где s - ширина полосы;

- длина волны излучения;

- угол между направлениями распространения пучков;

то система будет настроена на полосы "конечной" ширины. При движении поверхности величина q, определяемая выражением (6), имеет смысл разности хода между пучками 3 и 4. Вследствие появления разности хода q между пучками 3 и 4, или разности фаз

= (2/)q (8)

где - разность фаз;

- длина волны излучения;

произойдет либо периодическое изменение яркости спеклов (в случае точного совмещения пучков), либо смещение полос "конечной" ширины. Смещение полос на один период соответствует изменению разности фаз на 2, для смещения интерференционных полос на N периодов имеет

(2/)q = 2N, (9)

или с учетом уравнения (5)

u_x= N/(cos₁-cos₂). (10)

Пусть теперь, как и в способе-прототипе [3], в оптической системе на фиг. 1 в качестве второго пучка взят не объектный, а опорный пучок, с регулярным волновым фронтом. Опорный пучок можно сформировать, например, путем введения в освещающий пучок полупрозрачного зеркала (на фиг. 1 не показано). При совмещении с помощью систем зеркал опорного пучка с объектным пучком, отраженным под углом ₁, в области перекрытия спеклов и опорного пучка появятся регулярные интерференционные полосы, ширина полос вновь будет зависеть от точности совмещения пучков. Если теперь объект перемещается по оси ох на величину u_x, то произойдет смещение спеклов, при этом изменение расстояния между объектом и точкой наблюдения вновь будет определяться формулой (4), однако, поскольку второй объектный пучок отсутствует, изменение разности хода будет теперь определяться изменением только данного расстояния. Таким образом, соотношение между перемещением поверхности u_x и числом интерференционных полос N, прошедших через точку наблюдения будет иметь вид

u_x= N/cos₁. (11)

Возвратимся теперь вновь к предлагаемому способу и выберем один из объектных пучков таким же, как и в прототипе, т.е. отраженным под углом ₁, затем выберем второй объектный пучок, отраженный под углом ₂, причем симметричным относительно нормали, т.е. пусть ₂= 90+₁. Тогда вместо выражения (10) имеем:

u_x= N/(2cos₁). (12)

Таким образом, в отличие от прототипа, путем наложения на объективный пучок второго объектного пучка, можно добиться чувствительности измерений, которая при сопоставимых условиях существенно выше, чем чувствительность способа-прототипа, а именно в два раза.

Следует отметить, что приведенные рассуждения справедливы и при освещении объекта, как показано на фиг. 1, т.е. узким лазерным пучком шириной d. Различие будет в том, что наряду со смещением спеклов будет иметь место и их декорреляция, изменение, из-за появления новых и исчезновения старых освещенных участков поверхности. Полная декорреляция спеклов будет иметь место при перемещениях, сравнимых с d. Смещения же полос на их период происходит при перемещениях объекта, сравнимых с длиной волны излучения.

Отметим также, что предельная чувствительность способа в рассмотренном варианте, т. е. при освещении объекта и направлениях наблюдения, показанных на схеме фиг. 1, стремится к перемещению, равному /4 при смещении полос на половину их периода, и имеет место, когда угол ₁ стремится к нулю, а угол ₂ стремится к 180 градусам. Углы ₁ и ₂, как и угол отражения в способе-прототипе, могут изменяться в пределах от 0 до 180 градусов, приближаясь к данным значениям как угодно близко. Степень приближения к предельной чувствительности зависит очевидно от конкретной конструкции устройства, позволяющего приближать зеркала 5 и 6 на фиг. 1 к поверхности объекта и тем самым выбирать углы ₁ и ₂, близкие к 0^o и 180^o соответственно.

На фиг. 3 сплошной линией приведена линия, соответствующая уравнению (10) для условий эксперимента _1/ = 68^o, = 0.633 мкм и N = 1/2. Хорошее совпадение экспериментальных данных с теоретической зависимостью (10) указывает на правильное описание природы смещения полос.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет по сравнению с существующим способом существенно, а именно, в примерно в 2 раза, увеличить чувствительность измерения перемещений в плоскости объекта. В отличие от прототипа, где интерферируют пучок, отраженный от объекта, и пучок, сформированный неподвижным зеркалом, расположенным вне объекта, в данном способе интерферируют два пучка, отраженные от одного и того же участка объекта, поэтому данный способ менее чувствителен к промышленным вибрациям.

Предлагаемый способ имеет следующие основные области применения.

1. Определение абсолютных перемещений диффузно-рассеивающего объекта. В этом случае целесообразно воспользоваться схемой, приведенной на фиг. 1. Определяя смещения интерференционных полос в плоскости регистрации 9, определяют перемещения объекта как целого.

2. Определение относительных перемещений (деформаций) поверхности. В этом случае величину перемещений необходимо измерять в нескольких точках, последовательно освещая точки поверхности узким пучком, как показано на фиг. 1, в пределах которого величину перемещения можно считать постоянным.

3. Исследование фазовых объектов. В этом случае в один из отраженных пучков, показанных на фиг. 1, вносят фазовый объект, диффузно-рассеивающий объект 2 при этом остается не подвижным. Далее по смещению полос в плоскости регистрации 9 определяют изменения показателя преломления при воздействии на фазовый объект.

Отметим также, что в качестве диффузно-рассеивающего объекта можно выбрать не отражающий, а прозрачный диффузор, например матовый рассеиватель и освещать его на просвет. И в этом случае приведенные выше рассуждения будут справедливы. При этом углы ₁ и ₂ могут быть и больше, чем 180^o, т.е. в общем случае 0 < ₁, ₂< 360, ₁,₂ 180.

Источники информации

1. Yamaguchi I, Fujita T. Linear and rotary encoders using electronic speckle correlation //Proc. SPIE. Vol. 1162. Laser Interferometry: Quantitative Analysis of Interferograms. - 1989. P. 213 - 226.

2. А.С. СССР N 1374042, кл. G 01 B 9/021, БИ N 6, 1988 г.

3. А.С. СССР N 554467, кл. G 01 B 9/021, БИ N 6, 1977 г. (прототип способа).