СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА Российский патент 2009 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в промышленном и химическом производствах, в материаловедении, космических исследованиях, криминалистике, в частности, при определении упругих характеристик нановолокон, калибровке растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов, исследованиях напряженно-деформированных состояний тел, измерениях малых весов, перепадов давлений и температуры, а также для бесконтактного оптического обнаружения областей повышенных градиентов деформации и измерения параметров деформированного состояния поверхностей деталей ответственных конструкций.

Известен способ спекл-интерферометрии плоского объекта (Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М., 1986 [1]) для измерения микроскопических перемещений плоских элементов деформируемой поверхности, при котором диффузно рассеивающая поверхность освещается когерентным излучением, которое рассеивается и, пройдя через фокусирующую линзу, попадает на фотопластинку. Экспозиция повторяется после деформации объекта. Полученная двухэкспозиционная сфокусированная спеклограмма интенсивностей просвечивается лазерным лучом. Спекл-структура, связанная с идентичными парами точек объекта, соответствующих исходному и деформированному состояниям, образует на экране интерференционные полосы Юнга. По расстоянию между ними определяется величина перемещения в собственной плоскости участка деформируемой поверхности.

Однако указанный способ не позволяет измерить нормальные к поверхности объекта перемещения, связанные с наклоном участка, вариация чувствительности незначительна, диапазон измерений узок.

Известен способ спекл-интерферометрии плоского объекта, при котором для измерения перемещения в плоскости и угла наклона плоского участка поверхности освещают объект когерентным излучением, рассеянное объектом излучение направляют в оптическую систему, которая выполняет интегральное оптическое преобразование - дробное преобразование Фурье (Patten R., Sheridan J.T., Larkin A. Speckle photography and the fractional Fourier transform // Opt. Eng. 2001. 40, N 8. P.1438-1440 [2]). При этом исследуемый участок поверхности, от которого идет рассеянная волна с амплитудой f(x), устанавливается на расстоянии s=f(1-cos^φ) от собирающей линзы с фокусным расстоянием f, где р - порядок преобразования Фурье. В симметричной к линзе плоскости u, располагаемой на расстоянии s с другой стороны от линзы, регистрируется интенсивность Фурье-образа дробного порядка р. Затем регистрация повторяется после деформации объекта, что дает интенсивность где a - величина, связанная с внутриплоскостным перемещением исследуемого участка, u₀ - с углом его наклона. Полученная с помощью фотопластинки функция интенсивности переводится с помощью преобразования Фурье в координатное представление, что дает распределение интенсивности в виде интерференционных полос, расстояние между которыми зависит от параметров деформации a, u₀ и от параметров преобразования φ, f.

Однако указанный способ содержит кроме фокусного расстояния линзы лишь один варьируемый параметр 0≤φ≤π, который используется для разделения вкладов перемещения и наклона, что не позволяет существенно изменять чувствительность измерения каждого из параметров деформации. В результате диапазон измерений оказывается узким, чувствительность малой, а проведение измерений сложным.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому результату является известный способ спекл-интерферометрии плоского объекта, при котором для измерения перемещения в плоскости и угла наклона плоского участка поверхности освещают объект когерентным излучением, рассеянное объектом излучение направляют в оптическую систему, которая выполняет интегральное оптическое преобразование волнового поля, при этом используют последовательно два преобразования Фурье-Френеля на основе собирающих линз, фиксируют промежуточный и окончательный результаты на фотопластинки, образующие спеклограмму и интерферограмму, при этом объект и фотопластинки располагают на разных варьируемых расстояниях от линзы, за счет чего разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения, зависящие от фокусного расстояния первой линзы f, параметров первого оптического преобразования Фурье-Френеля φ, δ и от фокусного расстояния второй линзы f, параметра второго оптического преобразования Фурье-Френеля α (RU 2258201 [3]).

Недостатком известного способа является сложность и длительность его осуществления, связанная с использованием фотопластинок, требующих их обработки, и относительно невысокая чувствительность, не позволяющая фиксировать смещение поверхности тела, вызванное деформацией, величиной в несколько нанометров.

Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на повышение чувствительности и расширение диапазона измерений смещения и наклона.

Указанный результат достигается тем, что способ определения нормальных перемещений поверхности тела по смещениям спекл-интерференционных полос включает предварительное перемещение одной из частей выбранного участка поверхности относительно другой по нормали к поверхности тела на величину, большую длины полуволны лазерного излучения, используемого при создании интерференционной картины, регистрацию предварительного перемещения точек участка в памяти и на экране монитора ЭВМ в виде интерферограммы с двумя и более интерференционными полосами, отображающими линии уровня предварительного перемещения, определение координат центров полос интерферограммы в пикселях экрана монитора, осуществление дополнительного перемещения на этом участке, измеряемая нормальная компонента которого мала по отношению к предварительному перемещению, фиксацию изменений положений центров полос интерферограммы предварительного перемещения без изменения общего количества зарегистрированных полос и расчет измеряемой компоненты перемещения w по формуле:

где w - величина смещения тела по нормали к его поверхности, м;

λ - длина волны применяемого в интерферометре лазера;

m - число учитываемых при расчете полос интерферограммы предварительного перемещения (m≥2);

N - число пикселей экрана монитора между центрами крайних из учитываемых полос;

n₁ - величина равного сдвига центров крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая перемещение участка поверхности между ними как жесткого целого;

n₂ - величина относительного сдвига между центрами крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая относительное смещение с изменением угла наклона участка поверхности между полосами в сравнении с их уровнями для предварительного смещения.

Предварительное перемещение одной из частей выбранного участка поверхности относительно другой по нормали к поверхности тела на величину, большую длины полуволны лазерного излучения, используемого при создании интерференционной картины, позволяет создать базу измерения, величина которой может быть принята за эталонную и на основании которой могут быть определены с высокой точностью дальнейшие более малые перемещения исследуемого тела, что, как минимум, на один-два порядка может повысить точность определения величины дополнительного перемещения наблюдаемого участка исследуемого тела.

Регистрация предварительного перемещения точек участка в памяти и на экране монитора ЭВМ в виде интерферограммы с двумя и более интерференционными полосами, отображающими линии уровня предварительного перемещения, необходима для установления величины первоначального смещения исследуемого тела в пикселях экрана монитора ЭВМ, на котором воспроизводится эта интерферограмма.

Определение координат центров полос интерферограммы в пикселях экрана монитора позволяет вычислить предварительное смещение наблюдаемого участка исследуемого тела и оценить соответствие величины реального смещения к числу пикселей экрана монитора.

Фиксация изменений положений центров полос интерферограммы предварительного перемещения после осуществления дополнительного воздействия на исследуемое тело, приводящее к его малому измеряемому перемещению, происходящему, в том числе, без изменения общего количества зарегистрированных полос, позволяет определить величину этого дополнительного перемещения участка поверхности исследуемого тела в пикселях экрана монитора, что в свою очередь позволяет существенно повысить точность измерения. Повышение точности измерения обусловлено тем, что величина нормального перемещения поверхности, эквивалентная сдвигу полосы на один пиксель экрана монитора, много меньше длины полуволны лазерного излучения, используемого для формирования спекл-интерферограммы, поскольку смещение по нормали к поверхности тела, эквивалентное длине полуволны, определяющее номинальную чувствительность интерферометра, равно экранному расстоянию между центрами полос интерферограммы.

Использование для расчета измеряемой компоненты перемещения w по формуле:

где w - величина смещения тела по нормали к его поверхности, м;

λ - длина волны применяемого в интерферометре лазера;

m - число учитываемых при расчете полос интерферограммы предварительного перемещения (m≥2);

N - число пикселей экрана монитора между центрами учитываемых полос;

n₁ - величина равного сдвига центров полос в пикселях экрана монитора, характеризующая перемещение участка поверхности между ними как жесткого целого;

n₂ - величина изменения расстояния между центрами крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая относительное смещение точек поверхности на участке между полосами в сравнении с их расположением после предварительного перемещения.

Обе эти величины (n₁ и n₂) позволяют определить дополнительное перемещение наблюдаемого участка тела по нормали к его поверхности, происходящее, в том числе, без изменения общего количества зарегистрированных на участке полос по числу пикселей, на которое произошел сдвиг центров интерференционных полос, фиксируемый на экране монитора.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежами. На Фиг.1 представлена принципиальная схема реализации способа; на Фиг.2 представлена принципиальная схема установки, с помощью которой реализуется заявленный способ; на Фиг.3 показаны интерферограмма предварительного перемещения, снятая с экрана монитора ЭВМ (а), и координаты местонахождения центров полос (б); на Фиг.4 показаны интерферограмма результирующего: предварительного и дополнительного (произведенного без увеличения числа полос) перемещений на наблюдаемом участке поверхности тела, снятая с экрана монитора ЭВМ (а), и координаты местонахождения центров полос и их сдвиг (б).

Пример 1. В самом общем случае способ может быть реализован с помощью принципиальной схемы, представленной на фиг.1. Принципиальная схема содержит лазер 1, полупрозрачные зеркала 2 и 3, образец 4, перемещение которого исследуется, и средство 5 наблюдения и регистрации, в качестве которого может быть использована видеокамера, подключенная к компьютеру (на чертеже не показан), снабженному соответствующим программным обеспечением.

Способ реализуется следующим образом. Сначала исследуемый образец 4 перемещается любым известным способом так, чтобы произошло некоторое смещение освещенного лазером 1 участка поверхности относительно нормали к поверхности тела на величину, большую длины полуволны излучения лазера 1. В результате того, что излучение от лазера 1 попадает на видеокамеру двумя путями - непосредственно на камеру 5 через полупрозрачные зеркала 2 и 3 и с отражением от образца 4, фоточувствительная матрица видеокамеры 5 регистрирует спекл-картину состояния поверхности тела, которая транслируется в ЭВМ и при наложении на аналогичную картину недеформированного состояния поверхности образует спекл-интерферограмму (см, фиг.3(a)), полосы которой при дополнительном перемещении образца 4 сдвигаются (см. фиг.4(a)).

Зафиксировав интерферограмму, определяют координаты центров полос - темных и светлых, как это показано на фиг.3(б) в виде прямых линий. Если после этого осуществить дополнительное перемещение, которое много меньше предварительного перемещения, и фиксировать смещение центров полос в пикселях экрана монитора ЭВМ, то, зная величину предварительного, как бы эталонного, перемещения, можно по приведенной в формуле изобретения математической зависимости определить величину этого дополнительного смещения, которое может быть на 2 порядка меньше длины волны лазерного излучения.

Таким образом, можно зафиксировать величину смещения исследуемого образца на 0,01λ, т.е. порядка нескольких нанометров.

Пример 2. Метрологическая оценка измеряемых перемещений в нано-масштабном диапазоне может быть выполнена с помощью экспериментальной модели, схема которой показана на Фиг.2. В качестве чувствительного элемента (образца 4) используется вытянутая металлическая пластина, установленная на центральную опору в форме лезвия ножа 7, перпендикулярного оси пластины, не препятствующей ее повороту в вертикальной плоскости. Один из концов пластины находится в контакте с кулачком малого радиуса, насаженным на часовую ось механизма электромеханических часов 9. Оптический блок 6 электронного спекл-интерферометра, который включает лазер 1, зеркала 2 и 3, видеокамеру 5, размещается вблизи центральной опоры пластины так, чтобы область наблюдения и регистрации перемещений пластины была симметрична относительно этой опоры.

При включении механизма электромеханических часов 9 кулачок 8 осуществляет равномерное вращательное движение, передавая его через точку контакта на пластину 4. В результате пластина медленно поворачивается в вертикальной плоскости относительно центральной опоры 7. Эти перемещения регистрируются интерферометром в виде накоплений интерференционных полос по обе стороны от, практически неподвижной, нулевой полосы над опорой и смещений полос к опоре. Фиксируя расположения полос через последовательные короткие промежутки времени, можно получить изображения видимого участка пластины с одним и тем же количеством зарегистрированных полос, но с несколько иным расположением их относительно нулевой полосы. Определив сдвиг полос, а по нему - нормальное перемещение выбранного места пластины, можно проконтролировать его величину по перемещению того же места пластины, заданного кулачком.

В частности, для пластины с размерами 600×20×3 мм при исходном - горизонтальном положении кулачка и расстоянием от его оси вращения до точки контакта с краем пластины - 7 мм, областью наблюдения по вытянутой оси пластины - 13 мм край пластины в полусекундный интервал времени проходит расстояние в 0,5 мкм, граница зоны наблюдения перемещается по нормали к исходной поверхности на 10 нм, а точки пластины, находящиеся на центральной линии темной полосы, ближайшей к нулевой (при пяти темных полосах для предварительного перемещения), имеют нормальные перемещения в 3 нм. Расположение интерференционных полос при дополнительном смещении показано на Фиг.4(а), а ее координатная сетка, содержащая только центры полос, предварительного и результирующего перемещений при одинаковом числе полос на наблюдаемом участке поверхности тела представлена на Фиг.4(б).

Способ определения нормальных перемещений поверхности тела по смещениям интерференционных полос включает предварительное перемещение одной из частей выбранного участка поверхности относительно другой по нормали к поверхности тела на величину, большую длины полуволны лазерного излучения, используемого при создании интерференционной картины. Регистрацию предварительного перемещения точек участка в памяти и на экране монитора ЭВМ в виде интерферограммы с двумя и более интерференционными полосами, отображающими линии уровня предварительного перемещения. Определение координат центров полос интерферограммы в пикселях экрана монитора, осуществление дополнительного перемещения на этом участке, измеряемая нормальная компонента которого мала по отношению к предварительному перемещению. Фиксацию изменений положений центров полос интерферограммы предварительного перемещения без изменения общего числа зарегистрированных полос и расчет измеряемой компоненты перемещения w по формуле: где w - величина смещения тела по нормали к его поверхности, м; λ - длина волны применяемого в интерферометре лазера; m - число учитываемых при расчете полос интерферограммы предварительного перемещения (m≥2); N - число пикселей экрана монитора между центрами крайних из учитываемых полос; n₁ - величина одинакового сдвига центров крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая перемещение участка поверхности между ними как жесткого целого; n₂ - величина относительного сдвига между центрами крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая относительное смещение с изменением угла наклона участка поверхности между полосами в сравнении с их уровнями для предварительного смещения. Технический результат - повышение чувствительности и расширение диапазона измерений смещения и наклона. 4 ил.

Способ определения нормальных перемещений поверхности тела по смещениям интерференционных полос, включающий предварительное перемещение одной из частей выбранного участка поверхности относительно другой по нормали к поверхности тела на величину, большую длины полуволны лазерного излучения, используемого при создании интерференционной картины, регистрацию предварительного перемещения точек участка в памяти и на экране монитора ЭВМ в виде интерферограммы с двумя и более интерференционными полосами, отображающими линии уровня предварительного перемещения, определение координат центров полос интерферограммы в пикселях экрана монитора, осуществление дополнительного перемещения на этом участке, измеряемая нормальная компонента которого мала по отношению к предварительному перемещению, фиксацию изменений положений центров полос интерферограммы предварительного перемещения без изменения общего числа зарегистрированных полос и расчет измеряемой компоненты перемещения w по формуле:

где w - величина смещения тела по нормали к его поверхности, м;
λ - длина волны применяемого в интерферометре лазера, м;
m - число учитываемых при расчете полос интерферограммы предварительного перемещения (m≥2);
N - число пикселей экрана монитора между центрами крайних из учитываемых полос;
n₁ - величина одинакового сдвига центров крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая перемещение участка поверхности между ними как жесткого целого;
n₂ - величина относительного сдвига между центрами крайних полос в пикселях экрана монитора, характеризующая относительное смещение с изменением угла наклона участка поверхности между полосами в сравнении с их уровнями для предварительного смещения.