Способ исследования фазовых объектов Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 G03H1/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к теневым методам исследования фазовых объектов

Цель изобретения - увеличение точности измерений и ускорение процесса обработки.

На фиг. 1 и 2 изображен ход лучей для

двух точек голограммы а и б , соответствующих точкам объекта, причем расположения изображений щелевого источника относительно визуализирующей щели для фиг. 1и2 различны; на фиг 3-зависимость освещенности Ее в точке а и значение величины тока 1а на датчике от времени, на фиг. 4 - зависимость освещенности Е& в точке б и значение величины тока le на датчике от времени; на фиг. 5 - оптическая

схема устройства для исследования фазовых объектов.

Освещают (фиг 1 и 2) параллельным пучком света от щелевого источника голограмму 1 и объективом 2 строят изображение щелевого источника в плоскости 3 визуализирующей диафрагмы, выполненной в виде щели, сформированное восстановленной объектной волной с голограммы 1. Для устранения дисперсии изображения щелевого источника используют монохроматическое излучение или при использовании не монохроматического излучения ориентируют щелевой источник строго перпендикулярно полосам на голограмме. При наличии в фазовом объекте зон с первыми производными показателя преломления, отличными от нуля изображение щелевого источника в плоскости 3, сформированное

О

ы XJ

восстановленной объектной волной, искажено. Следовательно, в зависимости от рас- прложения изображения щелевого источника света относительно визуализирующей диафрагмы в сопряженной объект- вом 4 плоскости 5 изображения теневой картины, освещены различные области изображения объекта. Это значит, что каждая точка изображения объекта на голограмме визуализируется в плоскости 5 при строго определенном положении изображения щелевого источника света относительно визуализирующей щели.

Берут на голограмме две произвольные

точки а и б . Пусть в этих точках объекта первые производные показателя преломления различны по величине, причем в точке

а производная равна нулю. Это значит, что соответствующие точки а и б изображения теневой картины в плоскости 5 визуализируются при различных положениях изображения щелевого источника света относительно щели визуализирующей диафрагмы. Предположим, что щель визуали- зирующей диафрагмы расположена так, что при восстановлении волны с точек голограммы 1, соответствующих невозмущенным областям объекта (например точка а ) по нормали к голограмме 1, лучи проходят щель 3 и визуализируют в плоскости 5 невозмущенные зоны объекта (фиг. 1), Теперь осуществляют сканирование изображением щелевого источника света перпендикулярно визуализирующей щели с постоянной скоростью относительно визуализирующей щели в секторе углов от + а до - «, где а - угол между нормалью к голограмме и направлением положения изображения щелевого источника света в плоскости 3 и цен- тральной точкой на голограмме.

Сканирование можно осуществить изменением угла падения света на голограмму или сканированием самим источником света. При таком сканировании точки

а и б визуализируются в плоскости 5 в соответствующих точках а и б в различные моменты времени ta и te после начала сканирования. На фиг. 1 изображен ход лучей в момент времени ta; на фиг. 2 - в момент времени te. Если менять направление сканирования на г ротивоположное по периодическому во времени закону и регистрировать освещенность в точках а и б при .сканировании только в одном направ- лении, то освещенности в этих точках Еа и Еб в плоскости 5 изменяются по периодическому во времени закону и имеют различные фазы следования сигналов друг относительно друга.

Устанавливают в точках а и б плоскости 5 датчики 6 и 7, преобразующие периодическое изменение во времени светового сигнала в переменный электрический сигнал. На фиг. 3 изображена зависимость освещенности Еа в точке а и значение величины тока а на датчике 6; на фиг. 4 - зависимость освещенности Еб в точке б и значение величины тока б на датчике 7 от времени t, причем Т - период следования сигналов, а длительность следования у основания сигнала без учета дифракционных эффектов определяется как I/TO v/(d + h), где fi, h ширина источника света и щели визуализирующей диафрагмы.

Измеряют разность фазы Ду следования электрических сигналов при сканировании изображением щели только в одном направлении, например, с помощью электронного устройства 8 (фиг. 1 и 2). Разность фазы А у можно выразить (фиг. 3 и 4)

р5 t6 -ta .(1)

От Ay легко перейти к разности первых производных показателя преломления в точках объекта, соответствующих точкам

а и б на голограмме. Считая, что в точке объекта, соответствующей точке на голограмме, первая производная показателя

i

преломления равна нулю, а в точке б - пропорциональна углу «6 отклонения лучей в объекте и угол сканирования «макс мал, то ta и Тб выражаются

CfaaKcf

ta

v

„ ( «макс + «6 ) f

(2) (3)

где f - расстояние от голограммы 1 до плоскости визуализирующей диафрагмы 3, а при освещении голограммы коллимирован- ным пучком света равно фокусному расстоянию объектива 2.

Теперь разность фаз Ауз можно выразить как

( «макс + 06 ) f «Mancf Ogf V

А уз

.(4)

vv

Первая производная показателя преломления выражается как

дпб v

ах f

(5)

На фиг. 5 изображена оптическая схема устройства для реализации способа обработки голограмм. Устройство содержит ос- ветительную систему, включающую щелевой источник света, выполненный в виде излучателя 9 и щели 10. с коллимирую- щим объективом 11. Приемная система

устройства включает голограмму 12 исследуемого объекта, фокусирующий объектив

13,щелевую визуализирующую диафрагму

14,установленную в фокальной плоскости объектива 13, и фотоприемник 15, сопряженный с плоскостью голограммы 12 объективом 16. Причем фотоприемник выполнен в виде матрицы датчиков 17, преобразующих периодическое изменение во времени интенсивности светового сигнала в электрический сигнал и электронного блока 18, измеряющего разность фаз следования переменных электрических сигналов. В приемную систему установлены дефлектор

19и блок 20 управления дефлектором.

Дефлектор ориентирован так, чтобы сканирование пучком света осуществлялось перпендикулярно визуализирующей щели. Причем первый выход блока 20 управления соединен с входом дефлектора 19. а второй выход - с входом электронного блока 18.

Устройство работает следующим образом.

Излучатель 9 освещает щель 10 и формирует щелевой источник света. Излучение щелевого источника света коллимируется объективом 11, затем освещается голограмма 12. Восстановленная с голограммы объектная волна формирует в фокальной плоскости, где установлена щелевая визуализирующая диафрагма 4 объектива 13,изображение щелевого источника. С помощью блока 20 осуществляется управление дефлектором 19, который может быть выполнен, например, в виде дефлектора на активной призме. Такой дефлектор на жидких кристаллах способен плавно изменять угол отклонения лучей а (t) во времени управлением показателя преломления дефлектором.

Блоком 20 с первого выхода осуществляется управление показателем преломления дефлектора так, чтобы изменение угла z(t) совершалось по линейному закону Это обеспечивает сканирование изо браже- ния щелевого источника света относительно визуализирующей диафрагмы 14 с постоянной скоростью. С помощью блока

20управляется значение показателя преломления так, чтобы направление сканирования менялось на противоположное по периодическому закону. С помощью матрицы датчиков 17, установленных в плоскости изображения теневой картины, где установлен фотоприемник 15, преобразуется периодическое изменение во времени

светового сигнала в переменный электрический сигнал. С помощью электронного блока 18 измеряется разность фаз следования электрических сигналов на матрицах датчиков 17. Причем измерение фаз осуществляется при сканировании изображением щели только в одном направлении, что достигается подачей управляющего сигнала с второго выхода блока 20 на вход блока 18. Блок 20 управления конструктивно может быть выполнен з виде функционального генератора управления дефлектором 19 и компаратора напряжения для выработки сигнала управления блоком 18.

Использование предлагаемых способа

обработки голограмм и устройства для его реализации позволяет по сравнению с известными способам повысить пороговую чувствительность измерений, а также их точность. Использование устройств управления и электронной обработки измерений позволяет автоматизировать процесс обработки информации с использованием ЭВМ, тем самым ускорить процесс обработки и увеличить производительность.

Формула изоиретения Способ исследования фазовых объектов, заключающийся в регистрации голограммы фазового объекта, формировании

изображения щелевого источника света волной, восстановленной с голограммы, сканировании изображения щелевого источника света, формировании теневой картины в плоскости, сопряженной с плоскостью-голограммы, и определении проекции градиента показателя преломления, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений и ускорения процесса обработки, сканирование осуществляют дефлектором по периодическому закону, преобразуют изображение теневой картины в переменный электрический сигнал матрицей фотодатчиков, а проекцию градиента показателя преломления определяют по разности во времени следования электрических периодических сигналов при сканировании только в одном направлении.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к теневым методам исследования фазовых объектов Цель изобретения - увеличение точности измерений и ускорение процесса обработки Регистрируют голограмму фазового объекта формируют изображение щелевого источника света объектной волной восстановленной с голограммы, периодически сканируют изображение источника света перпендикулярно кромкам визуализирующей щелевой диафрагмы В плоскости изображения теневой картины преобразуют периодические .световые сигналы в электрические Проекцию градиента показателя преломления определяют по разности во времени следования электрических периодических сигналов при вании только в одном направлении 5 ил.

б

1 2

Фиг.З

ЬЛ

Фиг.1

а

8

Фиг. 2

12 19 13