Способ измерения дисперсии фазы тонкого фазово-неоднородного объекта Советский патент 1990 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения дисперсии фазы тонких фазо- во-неоднородных объектов, контроля шероховатости плоских слабошероховатых

поверхностей.

Под тонким фазово-неоднородным объектом понимают объект со случайным распределением фазовых флуктуации, дисперсия фазы которых $s 1 , радиус корреляции неоднородноетей намного больше длины волны и флуктуации фазы статистически однородны, т.е.

среднее значение Фазы равно для разных участков объекта, поэтому распределение средней фазы в пространстве представляет собой плоскую поверхность. Этим условиям удовлетворяет целый класс реальных объектов: тонкий слой воздуха, тонкое оптически неоднородное стекло, шероховатая отражающая или пропускающая поверхность, слой турбулентности и т.д.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.

сд

СП

СП 0 Сп

Па чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит источник 1 линейно поляризованного излучения, коллиматор 2, светоделитель 3, поворотные зеркала А и 5, затвор 6, объект 7, четвертьволновую пластинку 8, систему подвижных клиньев 9, смеситель 10, поляризатор 11, объектив 12, диафрагму 13, фотоэлектрическое регистрирующее устройство 14.

Устройство работает следующим об- оазом.

20

30

35

Коллиматор 2 расширяет пучок излучения источника 1 и формирует волну с плоским фронтом, которая с помощью светоделителя 3 расщепляется на две составляющие. Одна из них (объектная) используется для облучения тонкого фазово-неоднородного объекта 7, С помощью объектива 22 собирают весь пространственно-частотный спектр рас- 25 сеянного объектом излучения и формируют изображение объекта в плоскости приемной площадки фотоэлектрического регистрирующего устройства 14. Устанавливают размер диафрагмы 13 не более размера нулевой интерференционной полосы. Четвертьволновая пластин- ка 8, расположенная в опорном канале, используется для преобразования линейно поляризованного излучения в циркулярно поляризованное. Соосное смещение опорного и объектного пучков достигается на выходе смесителя 10 с помощью точной настройки поворотных зеркал 4 и 5. Вращением поляризатора 11 добиваются равенства опорного и объектного пучков, так как опорный пучок циркулярно поляризован, то вращение поляризатора 11 не приводит к изменению интенсивности опорной вол- дс ны, но влияет на интенсивность объектного пучка. Перемещением одного из клиньев 9 в поперечном направлении изменяют разность фаз между опорной и объектной составляющими, добиваясь тем самым минимума интенсивности результирующей интерференционной картины. Этот минимум соответствует про- тивофазности опорного и объектного пучков и контролируется с помощью фотоэлектрического регистрирующего устройства 14. Далее измеряют интен- сивность 1р«йи результирующего поля. Перекрывая с помощью затвора 6 объ40

55

50

ектный пучок, измеряют интенсивность 10 опорной волны.

Дисперсию формуле

Л12 :

0 ( Фазы рассчитывают

(1)

Предположим, что освещающий плоскопараллельный пучок когерентного света расщепляется на две составляющие равной интенсивности 10. Одна из них хаотически модулируется по фазе тонким фазово-неоднородным объектом. Объектная и опорная составляющие со- осно смешиваются в плоскости изображения объекта. Результат-интерференционного взаимодействия, соответствующий такой суперпозиции объектной и опорной составляющих поля, представляется в виде

1р(х,у) 2l0fl+eos (x,y)l (2)

где М (х,у) - разность фаз объектной и опорной составляющих поля.

Минимальное (но не нулевое) значение интенсивности результирующего поля достигается в случае, когда средняя фаза объектной волны противоположна фазе опорной волны. Это достигается, когда

- Л

М(х,у) +МЧх,у), где Ц (х,у)

(3)

флуктуации фазы объектного поля относительно среднего значения Р (в данном случае М 0). С учетом (3) соотношение (2) преобразуется к виду

Ip(x,y) 4l0sin

г 4(х,у)

(4)

Для случая малых (не превышающих 10°) значений флуктуации ч (х,у) фазы справедливо соотношение

sin

« ftfa.y) Г(.У) 1

№4

тогда из (4)

Ip(x,y) fe I04tt(x,y)

получают

Л.

(5)

Средняя по ансамблю локальных значений интенсивность результирующего

поля, получаемая в результате измерения фотоприемником, приемная пло- шадка которого значительно больше размера одного структурного элемента поля, представляется в виде

1о

0(х,уГ|г(6)

Откуда следует, что

И Ч(,У)Г

(7)

Таким образом, измеряя интенсивность результирующего поля и опорной волны, можно рассчитать дисперсию фазы поля в плоскости объекта, которая равна дисперсии фазы самого объекта.

Пример. Используется источник излучения ЛГ-38. Пучок на выходе коллиматора 2 имеет размер 10 мм. Неплоскостность оптических элементов интерферометра не более 0,2 полосы. Апертура объектива 12 составляет 30 . Размер полевой диафрагмы 13 порядка 5 мм. Это обеспечивает участие

-10

неодв светорассеянии более 5 нородностей.

Результаты испытания устройства приведены в таблице. Исследовались плоскопараллельные пластины из плавленого кварца с различной степенью полировки поверхности. Результаты измерений сравнивались с профилометри- ческими измерениями. Переход от высотПерсии (Г осуществляют с помощью п

соотношения

6 - (ЮЦ) где К - волновое число.

0

5

0

5

0

Формула изобретения

Способ измерения дисперсии фазы тонкого фазово-неоднородного объекта, состоящий в амплитудном расщеплении монохроматического плоскопараллельного пучка на объектный и опорный, облучении объекта объектным пучком, соосном совмещении опорного и объектного пучков, формировании изображения объекта в плоскости регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в плоскости регистрации собирают весь пространственно-частотный спектр объектного пучка, провзаимодействовавшего с объектом, выравнивают интенсивности опорного и объектного пучков, получают минимальное значение интенсивности результирующего поля, изменяя разность хода между опорными и объектным пучками, регистрируют интенсивность результирующего поля Трмии и интенсивность опорного пучка 10, а дисперсию фазы объекта 6, определяют по формуле

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано в оптическом приборостроении, машиностроении и др. отраслях науки и техники для диагностики фазовых неоднородностей и контроля качества обработки поверхностей. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения дисперсии фазы тонких фазово-неоднородных объектов. Формируют параллельный пучок излучения, расщепляют его на две составляющие: объектную и опорную. Одной из них облучают исследуемый объект. Затем с помощью объектива проектируют изображение объекта на приемную площадку фотоэлектрического регистрирующего устройства, осуществляют строго соосное смещение объектнной и опорной составляющих поля, собирают весь пространственно-частотный спектр объектного пучка, выравнивают интенсивности опорного и объективного пучков. Добиваются минимальной интенсивности результирующего поля путем изменения разности хода между объектной и опорной составляющими. Измеряют интенсивность опорной составляющей и результирующего поля, по которым рассчитывают дисперсию фазы тонкого фазово-неоднородного объекта. 1 ил., 1 табл.