Способ измерения углов рефракции Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к физической оптике, в частности для использования структуры вещества фазовохаотических объектов при наличии двулучепреломления, и может быть использовано в кристаллооптике, полупроводниковом машиностроении, при неразрушающем контроле состояния поверхностей и объемных составляющих объекта и других отраслях науки и техники.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение класса решаемых задач за счет обеспечения прямого

измерения углов рефракции на фазовохаотическом объекте с размерами неоднород- ностей порядка длины волны облучающего излучения.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит источник 1 излучения 1, коллиматор 2, четвертьволновую пластинку 3, изолятор 4, объект 5, объектив 6, анализатор 7, спеклтранспарант (изображение поверхности фаэовохаотического объект-экрана) 8, полевую диафрагму 9, фотоэлектронный умножитель 10, сканируО-XJ

О СП

ю

ющее устройство 11., устройство 12 связи с объектом, чмини-ЭВМ 13 Электроника ДЗ- 28.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает излучение одномодового лазера ЛГ-38 (источник 1 излучения). Коллиматор 2, состоящий из двух объективов, служит для расширения пучка и формирования волны с плоским волновым фронтом. Пластинка 3 ориентируется таким образом, что ее ось наибольшей скорости составляет угол 45° с плоскостью поляризации лазерного пучка, что позволяет получить циркулярную поляризацию освещающего пучка. Поляризатор 4 выделяет плоскополяризованную волну с азимутом световых колебаний, совпадающим с плоскостью падения. Объект 5 осуществляет поляризационно-фазовую модуляцию лазерного пучка. Объектив 6 проецирует когерентное изображение поверхности фазовохаотического экрана через анализатор 7, ось пропускания которого ортогональна плоскости падения, в плоскость высокоразрешающего фоторегистрирую- щего слоя 8. Он проявляется на месте, в результате получается негативное изображение ансамбля зон корреляции на поверхности фазовохаотического экрана. Полевая диаграмма 9 выделяет зоны корреляции. Ее размер выбирается порядка 1/10 части размера зоны корреляции. Фотоэлектронный умножитель измеряет интенсивность излучения, прошедшего сквозь изображение зоны корреляции на спеклтранспаранте 8, при ориентациях оси пропускания анализатора 7 соответственно 0 и 90° относительно плоскости падения. Затем с помощью мини- ЭВМ 13 рассчитывают значение локального угла рефракции. Далее путем сканирования выделяют новую зону корреляции и, таким образом, определяют массив значений углов рефракции на фазовохаотическом оптически анизотропном экране, который накапливается в памяти устройства 12 связи и статистически обрабатывается на мини-ЭВМ 13. В результате получается распределение значений углов рефракции.

Способ осуществляется следующим образом.

Задают плоскость поляризации освещающей экран лазерной волны, совпадающей с плоскостью падения. Устанавливают поляризатор перед фоточувствительным слоем, который предназначен для регистрации когерентного изображения поверхности фаэовохаотического экрана, в ситуации когда ось пропускания поляризатора перпендикулярна плоскости падения. В этом

случае регистрируются только те зоны корреляции, которые соответствуют оптически напряженным анизотропным участкам экрана. Проецируют изображение поверхности.экранавплоскость

светочувствительного слоя. Осуществляют необходимую фотохимическую обработку . фотослоя, получая транспарант, представляющий собой изображение поверхности

экрана, образованное совокупностью зон корреляции, характеристики которых однозначно связаны с параметрами анизотропии фаэовохаотического экрана.

Корреляционные зоны представляют

собой участки изображения, обладающие однородными по площади значениями амплитуды, фазы и поляризации световых колебаний. Причем корреляционные зоны формируются в результате взаимодействия

освещающего (однородного по параметрам) светового поля с веществом фазовохаотического экрана. Поэтому характеристики их световых колебаний однозначно взаимосвязаны с параметрами самого экрана. Следовательно, зарегистрированный на фотослое ансамбль зон корреляции изображения фазовохаотического экрана представляет собой фильтрующий элемент, с помощью которого можно непосредственно оценивать характеристики тех зон корреляции, которые соответствуют анизотропным участкам вещества экрана, т.е. прямо оценивать величину рефракции, связанную с величиной двулучепреломления.

В прототипе в качестве освещающего

объект поля используют спеклполе, образованное в результате статистической интерференции когерентного лазерного излучения при его прохождении через диффузный рассеиватель. Таким образом, в прототипе реализуете не прямой способ исследования параметров оптического поля, пропущенного объектом, а опосредованный анализ углов рефракции по величине

смещения спеклов освещающего поля под действием оптических неоднородностей объекта исследования.

Затем на регистрированный транспа- рант проецируют изображение поверхности фазовохаотического экрана.

В ситуации, когда оси поляризатора и анализатора составляют угол 90°, сквозь транспарант проходит излучение только от тех зон корреляции, которые образованы в результате взаимодействия оптического излучения с анизотропными участками экрана, которые и обусловливают рефракцию световых лучей.

Для анализа параметров пропущенного таким образом излучения сканируют это поле по всей площади зэ транспарантом.

Лока льный анализ параметров прошедшего сквозь транспарант изображения проводится посредством измерения его интенсивности при двух положениях оси анализатора: перпендикулярно и параллельно плоскости падения. Это обеспечивает возможность определения эллиптичности поляризации световых колебаний в зоне корреляции изображения поверхности фа- зовохаотического экрана. По величине найденной эллиптичности судят о величине двулучепреломления вещества экрана и связанной с ней величине угла рефракции.

В качестве обьекта исследования использовали плоскопараллельный образец плавления кварца, одну из сторон которого шлифовали абразивом со средним размером микрозерен 5 мкм. В этом случае были реализованы следующие средние линейные и угловые размеры микронеровностей: 2 мкм и 5°. Это обусловливало формирование в процессе когерентного рассеяния на поверхности обьекта совокупности зон корреляции со средним размером 5 Я. Данные зоны корреляции отображались обьективом 6 в плос кость регистрации с увеличением 25х, что обеспечивало возможность измерения параметров поля в пределах зоны корреляции полевой диафрагмой 9, размер которой 2 мкм, что соот аетствовало выделению 1/10 части зоны корреляции.

В качестве фоторегистрирующего топологию оптически напряженных (анизотропных) участков обьекта использовали транспарант 8, представляющий собой высокоразрешающие пластинки типа ВРЛ.

Интенсивность прошедшего через транспарант 8 излучения измеряли с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-112.

Способ повышает точность измерения углов рефракции, поскольку размеры зон корреляции составляют величину порядка

ю-6v5

плоскости - 1 м.

10 м, а расстояние до спеклтранспаранта составляет Следовательно, способ позволяет проводить измерения углов рефракции с точностью, сравнимой с 10 рад, что на один порядок выше точности измерений, достигаемой в прототипе. Помимо этого, способ расширяет возможности измерения углов

0 рефракции для статистических фазовых экранов с двулучепреломляющими областями размерами порядка длины волны освещающего света с указанной точностью. При этом извлекается информация не только об

5 абсолютных значениях углов рефракции, а и об их статическом распределении. Формула изобретения Способ измерения углов рефракции, включающий регистрацию спекл-транспа0 ранта, облучение обьекта и спекл-транспа- ранта когерентным лазерным излучением с плоским волновым фронтом, сканирование и измерение интенсивности фотоприемником поля излучения, прошедшего объект и

5 спекл-транспарант, расчет функции распределения углов рефракции, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения класса решаемых задач путем обеспечения прямого измере0 ния углов рефракции на фазовохаотическом обьекте с размерами неоднгродностей порядка длины волны облучающего излучения, в качестве спекл-транспарэнтэ используют зарегистрированное изображение поверх5 ности фазовохаотического обьекта, причем спекл-транспарант регистрируют излучением, прошедшим поляризатор с осью пропускания ортогональной плоскости падения излучения, облучение обьекта и спекл0 транспаранта производят при установленном перед спекл-транспарантом анализаторе, а сканирование фотоприемником поля излучения последовательно осуществляют при ориентации оси

5 анализатора соответственно перпендикулярно и коллинеарно плоскости падения излучения.

Изобретение относится к физической оптике, в частности к технике использования структуры вещества фазовохаотических объектов при наличии двулучепреломления, и может быть использовано в кристаллооптике, полупроводниковом приборостроении, неразрушающем контроле состояния поверхностной и объемной составляющих объекта и других отраслях науки и техники. Цель - повышение точности измерения углов рефракции, а также расширение возможности способа путем измерения распределения углов рефракции на фазовохаотических объектах с размерами неоднородностей порядка длины волны освещающего света. Способ состоит в облучении объекта высококогерентным лазерным излучением с плоским волновым фронтом, регистрации негативного транспаранта, перед которым установлен анализатор с осью пропускания, ортогональной плоскости поляризации освещающей волны, сканировании поля излучения пропущенного транспарантом, выделении корреляционных зон пропускания такого изображения и измерении интенсивности, по которой судят о функции распределения углов рефракции на фазовохаотическом оптически анизотропном экране. 1 ил.