СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛЬЕФА ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактного однозначного определения рельефа поверхности отражающих и фазовых объектов.

Известны способы определения рельефа объектов, заключающиеся в том, что формируют два когерентных изображения исследуемого объекта путем изменения параметров освещающих волн, причем по крайней мере одно изображение восстанавливают с голограммы (Кольер Р. Беркхарт К. Лин Л. Оптическая голография. М. Мир, 1973, с. 501-508).

Однако известные способы обладают высокими трудоемкостью и сложностью.

Известен способ определения рельефа объектов, заключающийся в том, что освещают исследуемый объект когерентной световой волной и измеряют распределение интенсивности в полученном изображении (Бакут П.А. и др Теория когерентных изображений. М. Радио и связь, 1987, с. 199-202).

Однако известный способ не позволяет определить высоту рельефа исследуемого объекта, с его помощью определяют лишь производную от высоты рельефа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ определения рельефа объектов путем проекции полос. Способ заключается в том, что исследуемый объект освещают двумя взаимокогерентными коллимированными волнами, распространяющимися под малым углом друг к другу, определяют изменение разности фаз в анализируемых точках изображения исследуемого объекта относительно исходной точки путем измерения периода интерференционной картины, представляющей собой топограмму исследуемого объекта, по которой и находят высоту рельефа в этих точках (Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М. Мир, 1982, с. 467-468).

Однако данный способ чувствителен к влиянию внешних воздействий (вибраций, колебаний воздуха и т.д.), не позволяет определять направление рельефа объекта и исследовать рельеф фазовых объектов.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения направления рельефа, обеспечения возможности определения рельефа фазовых объектов и снижения чувствительности к влиянию внешних воздействий в способе определения рельефа объектов, заключающемся в том, что объект освещают коллимированным излучением и измеряют параметры светового поля в анализируемых точках изображения, отличием является то, что предварительно объект помещают в камеру с оптически активной средой, освещают объект линейно поляризованным излучением, а в качестве измеряемого параметра светового поля в анализируемых точках изображения выбирают угол поворота плоскости поляризации излучения относительно исходной точки, по величине и знаку которого находят высоту и направление рельефа объекта.

Способ осуществляется следующим образом.

Объект помещают в камеру, содержащую оптически активную среду и освещают линейно поляризованным излучением. К оптически активным средам относятся, например, скипидар, никотин, растворы сахара и другие органические соединения, пары натрия и т.д. Пусть направление наблюдения будет перпендикулярно стенке камеры и составляет с направлением освещения угол γ (фиг. 1). Разность длин пути в оптически активной среде для лучей, отраженных от точек C и D, принадлежащих объекту, несущего информацию об исследуемом рельефе, будет равна
Dd= CG-AB (1)
так как BP=CG, то

где n показатель преломления среды.

Подставив (2) в (1) и учитывая, что CG=Δz искомая высота рельефа в точке D относительно точки C, а также, что при прохождении волной в оптически активной среде расстояния Δd ее плоскость поляризации развернется на угол α=acΔd где a постоянная вращения, c концентрация оптически активной среды, получим:

При выводе формулы принимали, что если анализируемая точка более приближена к наблюдателю, то Dz < 0, и наоборот, если анализируемая точка более удалена, то Δz > 0.

Таким образом, измерив в интересующих точках, например в точке D, угол разворота Δα (x, y) плоскости поляризации отраженной волны, определяют высоту рельефа Dz (x, y) в этой точке относительно исходной точки, например, C. Для определения направления рельефа, т.е. приближенности или удаленности анализируемой точки относительно исходной, необходимо знать, правое или левое направление вращения осуществляет используемая оптически активная среда. Если среда "правая", то в формуле (3) необходимо поставить знак "минуc", а если левая "плюс". Определение величины и направления угла поворота плоскости поляризации осуществляют с помощью поляризатора, который в этом случае называют анализатором. Например, для определения величины и направления рельефа в точке D относительно точки C (фиг. 1), в точке C устанавливают некоторое фиксированное (например, максимальное) значение интенсивности путем разворота анализатора. Далее разворачивают анализатор до тех пор, пока эта фиксированная интенсивность не переместится в точку D. Считаем, что используется правовращающая активная среда, т.е. в формуле (3) стоит знак "минус". Поскольку анализатор развернулся по часовой стрелке, то угол поворота Δα будет положительным. Измерив этот угол и подставив в (3), определим величину высоты рельефа Dz (X_D, Y_D). Эта высота получается отрицательной, что свидетельствует о том, что точка D более приближена к плоскости наблюдения, чем точка C.

При исследовании рельефа фазовых объектов, если они однородны и имеют плоскость симметрии, перпендикулярную падающему излучению, формула (3) принимает вид

Но в этом случае, при использовании правовращающей активной среды, в (4) необходимо поставить знак "плюс", а левовращающей "минус". Процесс определения высоты и направления рельефа фазового объекта аналогичен описанному выше.

В качестве примера рассмотрим осуществление заявляемого способа для фазовых объектов с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на фиг. 2. Устройство содержит источник 1, коллимирующий объектив 2, поляризатор 3, камеру 4 с оптически активной средой, анализатор 5.

Исследуемый объект А помещают в камеру 4 с оптически активной средой, освещают коллимированным линейно поляризованным излучением с помощью источника света 1, коллимирующего объектива 2 и поляризатора 3. Величину и знак угла поворота плоскости поляризации прошедшей через исследуемый объект А световой волны в анализируемых точках измеряют с помощью анализатора 5. Высоту и направление рельефа исследуемого фазового объекта в случае, если этот объект однороден и имеет плоскость симметрии, перпендикулярную падающему излучению, определяют по формуле (4). При этом в отличие от известных интерференционных методов результат не зависит от величины показателя преломления исследуемого фазового объекта. Стенки камеры с активной средой также не влияют на результат измерений.

Таким образом, заявляемый способ позволяет определить величину и направление рельефа отражательных и фазовых объектов, повысив точность измерений.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактного однозначного определения рельефа поверхности отражающих и фазовых объектов. Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения влияния внешних воздействий и повышения разрешающей способности, расширение функциональных возможностей за счет определения направления рельефа и упрощения способа за счет использования одной освещающей волны с пониженными требованиями к когерентности. Исследуемый объект помещают в камеру с оптически активной средой и освещают линейно поляризованной волной. Величину и направление рельефа объекта определяют по величине и направлению угла поворота плоскости поляризации объектной волны, для измерения которых используют анализатор. 2 ил.

Способ определения рельефа объекта, заключающийся в том, что освещают объект коллилированным излучением и измеряют параметры, светового поля в анализируемых точках изображения, отличающийся тем, что, с целью расширения класса контролируемых объектов, повышения информативности и точности определения, предварительно объект помещают в камеру с оптически активной средой, объект освещают линейно поляризованным излучением, а в качестве измеряемого параметра светового поля в анализируемых точках изображения выбирают угол поворота плоскости поляризации излучения относительно исходной точки, по величине и знаку которого определяют высоту и направление рельефа объекта.