интерференционный способ измерений относительных перемещений диффузно отражающих объектов

Формула изобретения

Интерференционный способ измерений относительных перемещений диффузно отражающих объектов, заключающийся в том, что на участки исследуемых объектов направляют пучки когерентного излучения под некоторым углом освещения, осуществляют пространственное совмещение отраженных этими участками спекл-полей, контролируют изменение интерференционной картины в пределах спеклов в совмещенных пучках и по изменению интерференционной картины определяют относительные перемещения участков, отличающийся тем, что в качестве интерферирующих пучков выбирают одну пару или несколько пар пучков, отраженных под одинаковыми углами, отличными от угла освещения объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения относительных перемещений диффузно отражающих объектов, в частности для определения деформаций участков поверхности диффузно отражающего объекта.

Известен способ определения относительных перемещений поверхности [1], заключающийся в том, что на контролируемую поверхность наносят две тонкие отражающие полоски из золота, освещают их лазерным лучом, наблюдают интерференционную картину, возникающую при наложении двух отраженных пучков от этих полосок, и по изменению интерференционной картины определяют относительные перемещения отражающих полосок, следовательно, и перемещения участков поверхности.

Недостатком данного метода является его контактность, т.к. на поверхность необходимо прикрепить или приклеить отражающие металлические полоски.

Известен интерференционный способ определения относительных перемещений участков диффузно рассеивающего объекта, основанный на использовании метода сдвиговой корреляционной спекл-интерферометрии [2], или шеарографии. В этом методе объект освещают когерентным излучением, в диффузно отраженном излучении на фото- или иной материал сначала регистрируют сдвинутые относительно друг друга идентичные картины спеклов, после воздействия на объект регистрируют указанные картины спеклов еще раз. В результате регистрации данных спекл-полей образуются корреляционные полосы, по которым определяют области равных относительных перемещении на поверхности объекта.

Недостатком метода является его многостадийность и трудность измерения в реальном времени, т.к. необходимо сначала зарегистрировать спеклограмму на тот или иной фотоматериал, осветить спеклограмму для получения картин полос, зарегистрировать картину полос, расшифровать картину полос. Кроме того, полосы имеют низкий контраст, их контраст дополнительно существенно понижается при наличии перемещения точек объекта как целых.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа интерференционный способ измерений относительных перемещений диффузно отражающих поверхностей [3], 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 рассеивающих 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, поскольку направление освещения и направление наблюдения для каждого объекта находятся на одной линии, то способ позволяет определять относительные перемещения только вдоль этих линий без возможности регулировки чувствительности измерений. Кроме того, данное обстоятельство не позволяет определять перемещения, направленные перпендикулярно указанной линии, а также существенно затрудняет определение компонент вектора относительных перемещений.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей способа за счет регулировки чувствительности, определения относительных перемещений, направленных перпендикулярно направлению освещения и определения двух или трех компонент вектора относительных перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что сначала выбирают угол, под которым освещают участки диффузно рассеивающих объектов, затем в зависимости от решаемой задачи выбирают один, два или три угла отражения (наблюдения) рассеянного излучения, не совпадающие с углом освещения. Далее вдоль выбранных направлений освещения контролируемые участки поверхности освещаются пучками когерентного излучения. Затем от каждого освещенного участка вдоль выбранных направлений наблюдения формируют отраженные пучки, совмещают пучки, отраженные под одними и теми же углами для формирования регулярных интерференционных полос в области перекрытия спеклов, для каждого из направлений наблюдения регистрируют смещения указанных полос, и по смещению интерференционных полос определяют относительные перемещения освещенных участков.

На фиг. 1. представлена принципиальная оптическая схема одного из возможных вариантов реализации способа; на фиг. 2 приведена зависимость относительных перемещений, соответствующих перемещению интерференционных полос на половину их периода, от угла отражения пучков.

Один из возможных вариантов реализации способа заключается в следующем (фиг. 1). Луч лазера 1 с помощью полупрозрачного зеркала 2 и зеркала 3 разделяют на два пучка 3 и 4, которые распространяются параллельно друг к другу и освещают плоскую поверхность 6 по нормали. От двух участков 7 и 8 диаметром d под углом _x к оси OX перпендикулярно к оси 1 OY и параллельно друг к другу формируют два пучка рассеянного излучения 9 и 10. Эти пучки совмещают с помощью полупрозрачного зеркала 11 и зеркала 12. В плоскости наблюдения 13 и 14 располагают соответственно видикон телекамеры 15 и фотодиодную линейку 16. Интерференционные полосы в пределах спеклов наблюдают на телеэкране 17. Перемещения полос при движении объекта определяют либо на телеэкране, либо путем введения сигналов с фотодиодной линейки в ЭВМ 18 типа IBM PC/AT.

Данный вариант реализации предлагаемого способа был опробован для определения относительных перемещений точек плоского объекта, перемещающегося в своей плоскости. В экспериментах определяли число полос N, пересекающих выбранную точку на телеэкране, либо выбранную ячейку линейки. В качестве объекта была выбрана часовая стрелка электронных часов "Смена". Два освещенных участка 7 и 8, а также ось вращения 19 располагались на оси OY, как показано на фиг. 1, расстояния от оси вращения до освещенных участков были равны соответственно 11,8 и 14,54 мм. Данные условия освещения обеспечивали разницу в перемещении точек в освещенных участках по оси OX на величину

u_xo= rwt, (1)

где

r - расстояние между освещенными центрами;

w - угловая скорость вращения стрелки;

t - время наблюдения.

Угол _x изменяли в пределах от 24 до 83^o.

В эксперименте определяли величину

u_x= u_xo/(2N), (2)

где

u_xo - величина, определяемая выражением (1);

N - число интерференционных полос, прошедших через выбранную точку области наблюдения.

Формула (2) определяет перемещение освещенного участка, по оси OX, соответствующее смещению интерференционных полос на половину периода полос.

На фиг. 2 черными кружочками представлены результаты эксперимента в виде графика зависимости величины u_x, определяемого выражением (2), от угла отражения _x. Как видно из приведенных данных, можно в широких пределах менять величину относительных перемещений в плоскости объекта, соответствующих смещению полос на половину их периода. Предельный случай освещения и наблюдения по нормали к поверхности соответствует прототипу [3].

Следует отметить, что с помощью способа-прототипа при освещении по нормали к поверхности принципиально невозможно определить перемещение плоского объекта в своей плоскости.

Для объяснения полученных данных и различия предлагаемого способа и способа-прототипа представим, что на фиг. 1 два плоских объекта 7 и 8 с одинаковыми размерами d освещаются однородно параллельным когерентным пучком с диаметром, намного большим, чем d. В результате взаимной интерференции многих волн, рассеянных на микронеоднородностях каждого из объектов, вдоль направлений наблюдения 9 и 10 образуются спеклы или пятна в виде вытянутых сигар с поперечным размером

a = L/d (2)

и длиной

b = (L/d)²,(3)

где

- длина волны излучения;

L - расстояние от объекта до плоскости наблюдения;

d - размер объекта.

При совмещении пучков 9 и 10, распространяющихся под одним и тем же углом _x с помощью систем зеркал 11 и 12, в области перекрытия спеклов возникнет интерференционная картина. Поскольку в пределах спеклов фаза постоянна, но случайна, то в областях перекрытия спеклов будут регулярные интерференционные полосы. Если отраженные пучки совмещены достаточно точно, то ширина интерференционных полос будет превышать поперечный размер спеклов, система будет настроена на "бесконечную" полосу. Если есть небольшой угол между пучками, то в пределах наложения спеклов возникнут регулярные полосы шириной

s = /, (8)

где

- длина волны излучения;

- угол между совмещаемыми пучками,

система будет настроена на полосы "конечной" ширины.

Если при перемещении объектов 7 и 8 будет различие в перемещениях объектов 7 и 8 в пространстве, то произойдет смещение интерференционных полос в плоскости наблюдения. Можно показать, что между числом интерференционных полос, прошедших через некоторую точку плоскости наблюдения, и относительными перемещениями объектов 7 и 8 существует следующее соотношение:

u(_o+_н) = N, (9)

где

u = u₈-u₇ - вектор относительных перемещений;

u₇, u₈ - векторы перемещений объектов 7 и 8 соответственно;

_o - единичный вектор, направление которого совпадает с направлением освещения;

_н - единичный вектор, направление которого совпадает с направлением наблюдения (отражения) рассеянного излучения;

- длина волны излучения;

N - число интерференционных полос, прошедших через точку наблюдения.

В декартовой системе координат уравнение (9) будет иметь вид

(10)

где

u_x, u_y, u_z - компоненты вектора относительных перемещений;

_x, _y, _z - углы между направлением освещения и соответствующими координатными осями;

_x, _y, _z - углы между направлением наблюдения и соответствующими координатными осями.

В частности, для условий описанного выше эксперимента имеем u_y, u_z = 0, cos_x= 0, вместо уравнения (10) имеем

u_x= N/cos_x, (11)

На фиг. 2 пунктиром проведена линия, соответствующая уравнению (11) и условиям эксперимента при N = 1/2 и = 0,6328 мкм. Отметим хорошее совпадение экспериментальных данных с аналитической зависимостью (11).

Из выражения (10) следует, что в отличие от прототипа, выбрав соответствующие углы освещения и наблюдения, можно:

а) определять относительные перемещения вдоль заданной линии к поверхности с регулируемой в широких пределах чувствительностью,

б) определять относительные перемещения в направлении, перпендикулярном направлению освещения,

в) определять одновременно две или все три компоненты вектора относительных перемещений.

Следует отметить, что приведенные выше рассуждения справедливы и при освещении объекта, как показано на фиг. 1, где теперь d - размер однородно освещенных участков поверхности. Различие будет в том, что при перемещении участков наряду со смещением спеклов будет иметь место и их декорреляция, т. е. изменение самих картин спеклов из-за появления новых и ухода старых участков поверхности, освещенных лазером. Полная декорреляция спеклов будет иметь место при перемещениях, сравнимых с d, а смещение полос на величину периода полос при подборе соответствующих углов освещения и наблюдения происходит при перемещениях, сравнимых c длиной волны излучения.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет по сравнению с существующим существенно расширить функциональные возможности способа за счет регулировки чувствительности измерений, определения перемещений направленных перпендикулярно направлению освещения, а также за счет одновременного определения двух или трех компонент вектора относительных перемещений. Расширение функциональных возможностей становится возможным из-за того, что в предлагаемом методе отсутствует совмещение направлений освещения и наблюдения. Между направлением освещения и отражения существует определенный угол, и в зависимости от требования практики количество направлений отражения может быть либо одно, либо несколько.

Предлагаемый способ имеет следующие основные применения.

1. Определение относительных перемещений двух объектов, перемещающихся в своей плоскости. В этом случае целесообразно воспользоваться схемой, приведенной на фиг. 1. Определяя смещение полос в плоскости фоторегистратора 14, определяют относительные перемещения объекта.

2. Определение относительных перемещений двух объектов в пространстве. В этом случае необходимо осветить объекты, как показано на фиг. 1, но выбрать три направления наблюдения. Для трех направлений наблюдения необходимо составить три линейных уравнения (10). Совмещая отраженные под одними и теми же углами пучки, регистрируя одновременно изменение трех интерференционных картин, определяя одновременно величины N, соответствующие трем направлениям наблюдения и подставляя измеренные величины в систему уравнений, определяют неизвестные u_x, u_y, u_z.

3. Определение относительных перемещений участков диффузно рассеивающего объекта (деформации). Освещая парами лучей последовательно или одновременно различные участки объекта и определяя смещения полос в плоскости наблюдения совмещенных спекл-полей для соответствующих направлений наблюдения, определяют компоненты вектора относительных перемещений участков. Зная расстояния между освещенными участками, определяют соответствующие компоненты тензора деформаций. Указанные освещенные участки могут располагаться как на поверхности отражающей шероховатой поверхности, так и на поверхности прозрачной шероховатой поверхности, например на поверхности матового рассеивателя, а также в объеме прозрачного для излучения трехмерного объекта. В последнем случае рассеивающие центры могут быть как естественного, так и искусственного происхождения. При этом углы освещения _x, _y, _z и отражения _x, _y, _z. отсчитываемые от положительных направлений соответствующих координатных осей, могут в общем случае принимать значения от 0 до 360^o.

Источники информации

1. В. Yuan, W.N.Sharpe. Mechanical testing of polysilicon thin films with the ISDG. Experimental Techniques, 1997, v. 21, N 2, p. 32-35.

2. H.O Saldner, N.-E. Molin. Applications of Reciprocity, Electronic Holography and Sherography in Statics. Experimental Mechanics, 1994, v.34, N 3, p. 334-339.

3. А. c. СССР N 554467, G 01 B 9/021, БИ N 14, 1977 г. (прототип способа).