Способ контроля состояния объекта Советский патент 1988 года по МПК G01N21/45 

00 О5 00

to

со

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов оптическими методами и может быть применено к таким объектам, как ме- таллографические шлифы, клетки биологической ткани, плазма, прозрачные и отражающие оптические элементы, жидкости, носители оптической информации (фотопленки и перфорированные пленки),

Целью изобретения является повы- шение точности контроля состояния объекта за счет достижения независимости от положения, ориентации, маештаба и освещенности контролируемого объекта.

На фиг,1 показана оптическая схе- ма устройства для реализации способа; на фиг,2 - изменения контролируе мых величин для гармонической решетк

Устройство содержит источник I монохроматического света, поляризатор 2, через который проходит поток 3 света, уголковый отражатель 4, пер вое полупрозрачное зеркало 5, второе полупрозрачное зеркало 6, оптически связанное с контролируемым отражающим объектом 7, оптические затворы 8 - 10, глухое зеркало II, преобра- зователь 12 Гильберта (несимметричная полуволновая пластинка), третье полупрозрачное зеркало 13, четвертое полупрозрачное зеркало 14, анализатор 15. Наблюдаемая интерференцион- ная картина 16.

Распределение амплитудного коэффициента отражения по объекту описывается действительной функцией а(х), а вносимые объектом фазовые задерж- ки - действительной функцией ф(х), где X - координаты точек объекта (рассмотрен одномерный случай). Тогда рассеянная объектом волна света, отраженная зеркалами 5 и |3, описью- вается в плоскости наблюдения интерференционной картины 16, оптически сопряженной с плоскостью объекта, комплексным оптическим сигналом S(x) а(х) ехр J ф(х) , где j - мйимая единица. Не нарушая общности, можно рассматривать случай, когда падающая от источника 1 света и поляризованная поляризатором 2 волна не деполяризуется при отражении от объекта 7. В этом случае при смещении волны S (х) с плоской опорной волной Sj;x) a(x)e4J Фо(х), формрфуемой уголковым отражателем 4 и зеркалами

5и 14 при открытом затворе 8 (затвор 10 блокирует свет), образуется первая интерференционная картина с распределением интенсивности 1,(х) 18, (x)+S(x)l . Если а/х) а, , Фо()Ф8 Т.е. амплитуда и фаза опорной волны постоянны для всех точек плоскости наблюдения, то

1(х) |а J«+ I а(х)| +2а,а(х) х

X cos ф(х) - ф. Отсюда видно, что интерференционная картина содержит всю информацию

06отражательной способности объекта как по амплитуде, так и фазе. Однако при изменении масштаба объекта в m раз, его сдвиге на величину х, а таже повороте на угол в интерференционная картина изменяется как

I ,(х/т,х„,$) |ао1 + |а(тх-х,9) « 2а„а(тх-Хо,0) со8ДФ(тх-х,е)-ф

Следовательно, 1 (х/т,Хр,е) 1(mx-Xj,0), т.е. интерференционная картина изменяется не адекватно изменению условий наблюдения объекта, но отдельные ее составляющие отслеживают изменение этих условий. Перекроем затвор 9, открыв затвор 10, и сформируем второго интерференционную картину , 1,(х) |а J1+ |Га(х)12 +

+ 2а Га(х) cos ф(х)-фв, где преобразование Гильберта Г части рассеянной объектом волны выполним с помощью несимметричной полуволновой пластинки. В силу свойств преобразования Гильберта

ra(inx-x,e)cos ф(п1х-Хо,0) X( о, е ) .

Поэтому составная часть дополнительной интерференционной картины отслеживает изменения условий наблюдения согласованно с составной частью основной интерференционной картины.

Для вьоделения данных согласованных частей первой и второй интерфе ренционных картин в соответствии с из.обретением регистрируют распределения интенсивностей Ij |а(х)12 ; I, 1Га(х)|2 ;

1у laj .

Для этого поочередно и попарно перекрывают затворы 9, 10; 8, 10; 8, 9 соответственно. Измеряемая средняя интенсивность рассеянного объектом света определяется как

|а(х)1 5 1Г„(х)| ах

Нормирование зарегистрированных интенсквностей производится, например, поворотом анализатора таким образом, чтобы уменьшить (увеличить) среднюю интенсивность падающего от объекта света в k/ раз, где k - коэффициент пропорциональности (размерность k совпадает с размерностью

ГУ, 1 изменению масштаба и освещеннос ти объекта. В то же время это распре деление связано с пространственным распределением отражательной способности объекта. Так, например, в случае чисто амплитудного объекта (ф(х) const) нлиже число-фазового объекта (a(x)consct) W (Р ,Р2) является

, а k 1). Величина k и угол поворо- Ю инвариантным описанием амплитудной/ та анализатора 15 находятся из следующих соображений. Предположим,что исследуемый объект может менять свою суммарную отражательную способность в 100 раз (от ЕС, до 100 о). Тогда коэффициент k „ После анализатора исходная интенсивность света, идущая от объекта 7, изменится в cos V раз. Поэтому угол поворота находится из уравнения coshes „/, где - 20 текущее (первоначально измеренное) значение средней интенсивности.

После изменения интенсивности свефазовой формы объекта.

Чтобы учесть различные ориентации объекта, необходимо поворачивать несимметричную полуволновую пластинку 15 вокруг оптической оси и строить частотные распределения, зависящие от угла поворота w(P,, Р,б). Инвариантное частотное распределение возможно определить, например, как сред нее (по углу) частотное распределение W (Р, , Р 5) .

Техническое решение позволяет впервые в интерферометрии ввести понятие обобщенного эталона. Таким эта лоном является усредненное частотное распределение w, которое удовлетворяет соотношениям 0 w l,Zw 1, где суммирование осуществляется по всем возможным совместным значениям величин Р и РО. Данное обстоятельта, падающего от объекта, повторную регистрацию уже ных значений 1

, J - 1 5..Заляют величины разности Р соотношению

Pji (х)А tos r5ia (x)dx

.н

т - т -ill}i S

Р(х)

т т Ij - 1,

- I,

А t а о г а( t - оГ( « .„ .... .

-Точно такие же параметры получаются, если изменять интенсивность, па- дакмдую на объект 7, Так как Р2(х) является Гильберт-образом Р;, (х), то эти величины однозначно характеризуют отражательную способность объекта, описьшаемую функцией а(х) х X cos ф(х) - Фд причем при изменении масштаба и сдвиге объекта Данные величины изменяются согласно:

т.

- РДтх-х,);

т.

ч

Pj(mx-Xp).

На фиг.2 наглядно показаны соответствующие изменения этих величин дпя гармонической решетки ReS(x) asinx. Видно, что при указанных изменениях уЬловий наблюдения распределения их совместных значений {Р,, Р, не меняются. Частотное распределение w(P;,;P) совместных значений данных величин полностью инвариантно к ,сдвиГУ, 1 изменению масштаба и освещенности объекта. В то же время это распределение связано с пространственным распределением отражательной способности объекта. Так, например, в случае чисто амплитудного объекта (ф(х)5 const) нлиже число-фазового объек та (a(x)consct) W (Р ,Р2) является

Ю инвариантным описанием амплитудной/ 20

фазовой формы объекта.

Чтобы учесть различные ориентации объекта, необходимо поворачивать несимметричную полуволновую пластинку 15 вокруг оптической оси и строить частотные распределения, зависящие от угла поворота w(P,, Р,б). Инвариантное частотное распределение возможно определить, например, как среднее (по углу) частотное распределение W (Р, , Р 5) .

Техническое решение позволяет впервые в интерферометрии ввести понятие обобщенного эталона. Таким эталоном является усредненное частотное распределение w, которое удовлетворяет соотношениям 0 w l,Zw 1, где суммирование осуществляется по всем возможным совместным значениям величин Р и РО. Данное обстоятель25

30

40

, 1 1 ство позволяет производить.оценку

любых косвенных параметров, связанных с состоянием объекта. Так, например, если необходимо оценить некий пара- 35 метр t (степень-шероховатости, коэффициент формы, степень принадлежности заданному классу), зависящей от состояния -объекта, тЬ оценку it данного параметра можно выразить как

;,рв (P1 P2(

где t(P,,Pj) - функция, задаваемая аналитически или определяемая экспериментально ,по наблюдению ансамбля 45 известных объектов. В силу свойств распределения w получаемые оценки не зависят от начальных условий интер- ферометрического контроля.

доформула изобретения

Способ I контроля состояния объекта по его отражательной и преломляющей способности, заключающийся в 55 том, что объект освещают монохроматическим поляризованным светом, формируют интерференционную картину путем смешения рассеянной объектом волны света с плоской опорной волной и ре1368729

гистрируют распределение интенсивности света 1 в плоскости интерференционной картины, отличающий- с я тем, что, с целью повьшения точности контроля, освещение объекта . производят для различных угловых его ориентации и дополнительно рассеянную объектом волну подвергают опти-

сеянного объектом света и по ней нормируют зарегистрированные распределения интенсивностей света путем изменения интенсивности освещающего света обратно пропорционально средней интенсивности света, рассеянного объ ектом, определяют величины разности Р. и Р- между нормированными распреческому преобразованию Гильберта,фор-iо делениями интенсивностей света в ос- мируют дополнительную интерференцион- новной I, и дополнительной I интерференционных картинах и нормированными распределениями интенсивностей

ную картину в плоскости формирования первой интерференционной картины путем смешения преобразованной волны света с плоской опорной волной, регистрируют распределение интенсивности света In в дополнительной интерференционной картине, а также распределение интенсивностей в рассеянной Ij объектом, преобразованной 1 и 1у опорной волнах в плоскости формирования интерференционных картин, измеряют среднюю интенсивность расПОи 11г2 .-------

света В рассеянной объектом 1, пре- 15 образованной ll и 1с опорной волнах,

п т тН тН .

ПО соотношениям Р 1 } 5

-г

а затем определяют частотное распределение значений полученньк величин Р и Pj для 20 контролируемых состояний объекта и по изменению частотного распределения судят о состоянии объекта.

сеянного объектом света и по ней нормируют зарегистрированные распределения интенсивностей света путем изменения интенсивности освещающего света обратно пропорционально средней интенсивности света, рассеянного объектом, определяют величины разности Р. и Р- между нормированными распределениями интенсивностей света в ос- новной I, и дополнительной I интерференционных картинах и нормированными распределениями интенсивностей

.-------

света В рассеянной объектом 1, пре- образованной ll и 1с опорной волнах,

п т тН тН .

ПО соотношениям Р 1 } 5

-г

а затем определяют частотное распределение значений полученньк величин Р и Pj для контролируемых состояний объекта и по изменению частотного распределения судят о состоянии объекта.

Изобретение относится к иссле- , дованию физических свойств объектов оптическими, в частности интерференционными, методами и может найти широкое применение в оптической микроскопии для контроля состояний подвижных клеток биологической ткани, плазмы крови, при считывании информа ии с оптических носителей. Цель изобретения - повышение точности контроля состояния исследуемого объекта за счет достижения независимости от положения, ориентации, масштаба и освещенности контролируемого объекта.Для этого производят дополнительные преобразования Гильберта рассеянной объектом волны света, наряду с основной интерференционной картиной регистрируют дополнительную интерференционную картину, нормируют распределения интенсивностей света, определяют контролируемые величины, относящиеся к основной и дополнительной интерференционным картинам, определяют частотное распределение совместных значений контролируемых величин и по нему судят о состоянии объекта. 2 ил. i (Л

9иг.1

(Pl.)

P,(X)

fpu.