Оптичний коноскопічний пристрій для вимірювання рельєфу поверхні

Оптичний коноскопічний пристрій для вимірювання рельєфу поверхні, що містить освітлювач з монохроматичним джерелом випромінювання, двозаломний кристал, розміщений між двома круговими поляризаторами, фотоприймач типу цифрової камери на приладі з зарядовим зв’язком і процесор для обробки серії інтерферограм, який відрізняє ться тим, що як двозаломний кристал використаний кристал з електрооптичними властивостями, що має на гранях електроди, а до складу пристрою входить генератор сигналу електрооптичної модуляції, з'єднаний з вказаними електродами і процесором. (19) (21) a200500922 (22) 02.02.2005 (24) 25.04.2007 (46) 25.04.2007, Бюл. №5, 2007р. (72) Кравченко Вілен Йосипович, Галкін Олександр Олексійович, Єсьман Сергій Степанович, Мамілов Сергій Олександрович, Плаксій Юрій Степанович (73) ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "УКРПЛАСТИК" (56) US 3938878, 17.02.1976 US 5696586, 09.12.1997 US 4905169, 27.02.1990 US 4976504, 11.12.1990 SU 840783, 23.06.1981 3 78818 су множини голограм об'єкту з різними конфігураціями поляризації; засоби перетворення вказаної множини голограм в цифрову форму; і арифметичний процесор для обчислення комбінацій цифрових сигналів, відповідних отриманим голограмам для усунення фону і спряженого зображення. Поздовжня роздільна здатність пристрою Dz » 0,61(z0 / 2F ) , де z0 - середня відстань від площини голограми до поверхні об'єкту; F- число кілець Френеля: F = LD n sin2 n 0 / l » (LDnA 2 ) / lz02 , де L - довжина двозаломного кристалу; Dn = no - ne - різниця між показниками заломлення звичайного і незвичайного променів; n0 - половинна кутова апертура; l - довжина хвилі світла; A - радіус зонної пластинки Френеля. Відомий пристрій має невисоке відношення сигнал-шум і точність вимірювання відстані, обмежену різницею показників заломлення звичайного і незвичайного променів. В основу винаходу поставлена задача підвищення точності вимірювання висоти рельєфу поверхні коноскопічним пристроєм, в якому шляхом введення засобів модуляції показників заломлення двозаломного кристалу забезпечується розширення діапазону значень різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів. Поставлена задача вирішується тим, що в оптичному коноскопічному пристрої, що містить освітлювач з монохроматичним джерелом випромінювання, двозаломний кристал, розміщений між двома круговими поляризаторами, фотоприймач типу ПЗЗ камери і процесор, у якості двозаломного кристалу використано кристал з електрооптичними властивостями, який має нанесені на вхідну і вихідну грані прозорі електропровідні покриття, електричне з'єднані з генератором сигналу електрооптичної модуляції. Застосування засобів електрооптичної модуляції дозволяє збільшити максимальне значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів двозаломного кристалу і за рахунок цього, а також усереднення цифрових сигналів, отриманих обробкою голограм, записаних при різних значеннях сигналу модуляції, підвищити точність визначення відстані до точок поверхні з досліджуваним рельєфом. Суть винаходу пояснюється кресленням. До складу пристрою входять: освітлювач з джерелом монохроматичного низькокогерентного випромінювання 1, конденсором 2 і світлоподільником 3 для освітлення поверхні об'єкту 4; перший круговий поляризатор, що складається з лінійного поляризатора 5 і чвертьхвильової пластинки 6; двозаломний кристал 7 з електрооптичними властивостями та нанесеними на вхідну і ви хідну грані прозорими електродами 8 і 9; генератор сигналу електрооптичної модуляції 10; другий круговий поляризатор, що складається з чвертьхвильової пластинки 11 і лінійного поляризатора 12; цифрова камера з об'єктивом 13 і матрицею 14 ПЗЗ типу; і процесор 15. Пристрій працює наступним чином. 4 Пучок монохроматичного світла від низькокогерентного джерела 1, наприклад лазерного діода, через конденсор 2 і світлоподільник 3 освітлює ділянку поверхні об'єкта 4. Пучок світла, відбитий від цієї ділянки, через світлоподільник 3 попадає на вхід коноскопу, побудованого на базі двозаломного кристалу 7, вставленого між двома круговими поляризаторами, складених з лінійних поляризаторів 5 і 12 та чвертьхвильових пластинок 6 і 11, відокремлених від відповідних лінійних поляризаторів з можливістю взаємного повороту для вибору поляризаційних конфігурацій, необхідних для усунення фону та спряженого зображення [12]. Пучок світла, пройшовши через перший круговий поляризатор (5, 6) розщеплюється в двозаломному кристалі 7 на два лінійно поляризованих із взаємно ортогональними площинами поляризації. В даному варіанті корисної моделі оптична вісь кристалу 7 співпадає з геометричною віссю z системи. Різниця в показниках заломлення звичайного і незвичайного променів залежить від кута між падаючим променем і оптичною віссю кристала, що визначає кутову залежність зсуву по фазі між променями двох поляризацій. Після виходу з кристалу пучок проходить через другий поляризатор (11, 12), який суміщає площини поляризації. На виході поляризатору має місце інтерференція двох пучків з утворенням коноскопічної голограми освітлюваної ділянки поверхні. Коноскопічна голограма точки являє собою зонну пластинку Френеля у вигляді серії концентричних кілець, круглих у випадку одновісного кристалу або еліптичних у випадку двовісного. Коноскопічна система здійснює лінійне перетворення між об'єктом і його голограмою. Інтенсивність в точці Q( x' , y' , z' = 0 ) елементарної голограми точки P( x, y, z) дається виразом 2 ) , де a (P) - параметр Ip (Q) I(P)(1 + cos a (P )r = Френеля, що залежить від оптико-геометричних характеристик кристалу, довжини хвилі джерела світла, і поздовжньої відстані z(P ) від точки p до площини запису; r = ( x' 2+ y'2 )1/ 2 . a = 2pLdn / ln2Z 2 , o c де L - довжина кристалу вздовж оптичної осі; dn = no - nc , де no і nc - звичайний і незвичайний показники заломлення кристалу; Z c - скоригована поздовжня координата точки P: Zc Z( x, y ) - L + L / no , де Z(x, y) - відстань між = площиною голограми і точкою P . Генератор 10 формує електричний сигнал модуляції, що подається на електроди 8 і 9, виконані у вигляді нанесеного на вхідну і вихідну грані кристалу прозорого електропровідного покриття. При електрооптичній модуляції відбуваються зміни показників заломлення no і nc - звичайного і незвичайного променів, що визначаються електрооптичними характеристиками кристалу 7 і заданим від процесора 15 законом зміни сигналу модуляції. Цифровою камерою з матрицею 14 ПЗЗ типу записується серія інтерферограм, яка оброблюється процесором 15 з відповідним програмним забез 5 78818 печенням для визначення координат освітлюваної точки об'єкту і усереднення отриманих даних для ряду значень сигналу модуляції. Вимірюванням відстані до множини точок поверхні об'єкту P( x, y, z) процесором здійснюється побудова тривимірного рельєфу. Таким чином, за рахунок розширення діапазону значень різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів та усереднення цифрових сигналів, отриманих обробкою голограм, вирішується задача підвищення точності вимірювання висоти рельєфу поверхні. Джерела інформації 1. Morander K. E. Dimension measuring apparatus Патент США №4375921, МПК7 G01B11/06, 1983. 2. Svetkoff D. J., Doss B. L. Method and system for high-speed, high-resolution, 3-D imaging of an object at a vision station. Патент США №5024529, МПК7 G01B11/24, 1991. 3. Svetkoff R. J., Rohrer D. K., Kelley R. W. Triangulation-based 3D imaging and processing method and system. Патент США №5546189, МПК7 G01B11/24, 1996. 4. Dorsch R. G., Hausler G., Herrmann J. M. Laser triangulation: fundamental uncertainty in distance Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 measurement // Applied Optics.- 1994- V.33(7).P.1306-1314. 5. Morgan C. G. An optical sensor. Патент WO № 9214118, МПК7 G01B11/02, G01B11/24, 1992. 6. Schick A., Schneider R., Stockmann M. Optical distance sensor. Патент США №5448359, МПК7 G01B11/06, G01B11/24, 1995. 7. www. optimet. corn / Products / Conoprobe.2004. 8. Sirat G., Psaltis D. Monochromatic incoherent light holography. Патент США №4602844, МПК6 G03H1/06, 1986. 9. Chavel P., Dufresne E., Sirat G., Holographic Apparatus Using Incoherent Light. 5081540, МПК7 G03H1/28, G01B9/021, 1992. 10. Chariot D., Malet Y. Holographic process and device using incoherent light. Патент США №5926295, МПК7 G03H1/26, 1999. 11.Vecht J., Malet Y., Sirat G. Y. Linear conoscopic holography. Патент WO №9942908, МПК7 G03H1/06, 1999. 12. Sirat G., Dufresne E., Chariot D., Maruam A. Holographic method and apparatus using incoherent light. Патент США №4976504, МПК7 G03H1/16, 1990. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601