Імерсійний метод отримання топограм поверхонь дифузно розсіюючих об’єктів

Імерсійний метод отримання топограм поверхонь дифузно розсіюючих об'єктів, який проводять методом фазомодульованої спеклінтерферометрії, що включає операції: освітлюють об'єкт когерентним випромінюванням, здійснюють просторове суміщення об'єктної спекл-хвилі та опорної хвилі, в площині суміщення реєструють інтенсивності сумарної хвилі, перед реєстрацією сумарної хвилі здійснюють просторову фільтрацію діафрагмою до зникнення регулярних інтерференційних смуг усередині усіх спеклів сумарної хвилі, реєструють набори спеклограм при дискретному змінюванні фази опорної хвилі від 0 до 2π, який відрізняється тим, що реєструють два набори спеклограм при двох різних показниках заломлення n1 та n2 імерсійного середовища, у яке поміщено об'єкт, що змінює оптичну різницю ходу променів до поверхні об'єкта, для кожного набору порівнюють одержані спеклограми та визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної хвилі, порівнюють фази кожного спекла об'єктної хвилі для випадків n1 та n2 та визначають зсув фаз з визначенням знака зміни фази та будують лінії рівного фазового зсуву, що є топограмою об'єкта. UA (21) a201006137 (22) 20.05.2010 (24) 25.01.2011 (46) 25.01.2011, Бюл.№ 2, 2011 р. (72) СМИНТИНА ВАЛЕНТИН АНДРІЙОВИЧ, ТЮРИН ОЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ, ПОПОВ АНДРІЙ ЮРІЙОВИЧ, ГОЦУЛЬСЬКИЙ ВОЛОДИМИР ЯКОВЛЕВИЧ, ЛОТОРЄВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, САНТАЛОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, КВІТКА ЛЕОНІД АНТОНОВИЧ (73) ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. І.І. МЕЧНИКОВА, ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВОДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ МВС УКРАЇНИ (56) UA 46059, 10.12.20009 UA 7343 U, 15.06.2005 UA 80706 C2, 25.10.2007 SU 1374042 A1, 15.02.1988 WO 92/14115 A1, 20.08.1992 RU 2085835 C1, 27.07.1997 RU 2155320 C2, 27.08.2000 EP 0399004 B1, 17.11.1994 EP 0126475 B1, 15.03.1989 US 5392121, 21. 02.1995 US 5493398, 20.02.1996 EP 0024167 A2, 25.02.1981 C2 2 (19) 1 3 хвиля просторово суміщюється з об'єктною спеклхвилею, що сформована об'єктом, за допомогою напівпрозорого дзеркала. Діафрагма фільтрує сумарну хвилю, при цьому розмір діафрагми підбирається таким, щоб зникли регулярні інтерференційні смуги усередині усіх спеклів сумарної хвилі. Просторовий розподіл інтенсивностей у спеклограмі реєструють за допомогою телекамери або фотоапарату. Для першої довжини хвилі лазерного випромінювання λ1 реєструють декілька спеклограм при різних значеннях фази опорної хвилі, яка змінюються від 0 до 2 за допомогою фазозсувного пристрою, наприклад п'єзокерамики. Порівнюючи між собою отримані спеклограми, визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної хвилі. Цю операцію повторюють для другої довжини хвилі лазерного випромінювання λ2. Порівнюючи між собою фази кожного із спеклів для першої і другої довжини хвилі, визначають фазовий зсув об'єктної хвилі відносно опорної хвилі та визначають лінії однакового фазового зсуву. Якщо опорна поверхня є рівною площиною, ці лінії є топограмою об'єкту. Недоліком даного способу є те, що у ньому використовуються дві довжини хвилі лазерного випромінювання, що ускладнює та здорожує установку. Крім того, точність вимірів залежить від точності виготовлення опорної поверхні, що формує опорну хвилю. Даний спосіб обрано прототипом. Метод, що пропонується, співпадає з прототипом у наявності спільних операцій: - освітлюють об'єкт когерентним випромінюванням; - здійснюють просторове суміщення двох когерентних світлових хвиль; - здійснюють просторову фільтрацію сумарної хвилі за допомогою діафрагми; - реєструють просторовий розподіл інтенсивностей сумарної світлової хвилі у площині суміщення. Відміною методу, що пропонується, від прототипу є те, що у ньому використовується змінне імерсійне середовище (рідина або газ), що, в залежності від зміни коефіцієнту заломлення імерсійного середовища, змінює довжину оптичного шляху до поверхні об'єкту, що і дозволяє побудувати його топограму. В основу винаходу поставлено задачу розробити метод отримання топограм поверхонь об'єктів при використання лазерного випромінювання з одною довжиною хвилі, з отриманням технічного результату: безконтактний вимір форми об'єктів та представлення її у цифровій формі. Поставлена задача отримання топограм дифузно відбиваючих поверхонь вирішена методом фазомодульованої спекл-інтерферометрії, що включає операції: освітлюють об'єкт когерентним випромінюванням, здійснюють просторове суміщення об'єктної спекл-хвилі та опорної хвилі, в площині суміщення реєструють інтенсивності сумарної хвилі, перед реєстрацією сумарної хвилі здійснюють просторову фільтрацію діафрагмою до зникнення регулярних інтерференційних смуг усе 93335 4 редині усіх спеклів сумарної хвилі, реєструють набори спеклограм при дискретному змінюванні фази опорної хвилі від 0 до 2, який відрізняється тим, що реєструють два набори спеклограм при двох різних показниках заломлення n1 та n2 імерсійного середовища, у яке поміщено об'єкт, що змінює оптичну різницю ходу променів до поверхні об'єкта, для кожного набору порівнюють одержані спеклограми та визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної хвилі, порівнюють фази кожного спекла об'єктної хвилі для випадків n1 та n2 та визначають зсув фаз з визначенням знаку зміни фази та будують лінії рівного фазового зсуву, що є топограмою об'єкту. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю замовляємих ознак та технічним результатом, що досягається, є таким. При зміні показника заломлення імерсійного середовища (газу або рідини) змінюється оптична різниця ходу променів до поверхні об'єкта, що викликає зміну фаз спеклів об'єктної хвилі. Використовуючи метод послідовних фазових кроків, визначають просторовий розподіл різниці фаз об'єктної та опорної хвиль. Для цього реєструють спеклограми при дискретній зміні опорної хвилі від 0 до 2 та, порівнюючи отримані спеклограми визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної. Порівнюючи фази спеклів об'єктної хвилі для двох показників заломлення імерсійного середовища n1 та n2, визначають зміни фаз (фазовий зсув). Відстань d між сусідніми сікучими площинами з однаковим фазовим зсувом вираховується за формулою: d=λ/2Δn, де Δn=n1-n2. Лінії рівного фазового зсуву являють собою топограму об'єкта. На Фіг. 1 представлено принципову схему установки для реалізації методу, що пропонується. Установка має такі вузли: 1 - лазер з довжиною хвилі λ, 2 - об'єктив для формування пучка, 3 напівпрозоре дзеркало (або ділильний кубик), 4 – відбиваюча опорна поверхня, що формує опорну хвилю, 5 - пристрій для зсуву фази опорної хвилі (наприклад, пьєзокераміка, що зміщує опорну поверхню 5), 6 - об'єктив, 7 - ємність для заповнення імерсійними середовищами (рідкими або газоподібними), 8 - імерсійне середовище, 9 - патрубки для заміни імерсійного середовища, 10 - об'єкт, що вимірюється, 11 - діафрагма, що фільтрує сумарну хвилю, 12 - телекамера або фотоапарат для реєстрації спеклограм. Метод може здійснюватись двома варіантами, що відрізняються конструкціями ємності для заповнення імерсійними середовищами. Варіант А. Імерсійне середовище заповнює ємність 7, яка може бути герметичною з прозорою верхньою кришкою (при використанні газу, парів або рідин), або відкритою зверху (тільки при використанні рідин). Відстань до поверхні об'єкту d відраховується від поверхні верхньою кришки або поверхні рідини. Даний метод призначено для побудови топограм макроскопічних об'єктів. Варіант В. Імерсійне середовище заповнює весь об'єм від об'єкту 6 до об'єктиву 5. Відстань до 5 поверхні об'єкту d відраховується від поверхні вхідної лінзи об'єктиву 5. В цьому випадку при використанні імерсійних рідин ємність 7 фактично може бути відсутньою, а імерсійні рідини утримуються у зазорі між об'єктом 6 та об'єктивом 5 силами поверхневого натягу. Даний метод призначено для побудови топограм мікроскопічних об'єктів. На Фіг. 2 представлено картина фазового зсуву (топограму) об'єкту А-площини з напівсферичним заглибленням, яка отримана за прикладом 1 (красний колір - фазовий зсув 2, чорний колір - 0). Перепад висот поверхні об'єкту для сусідніх чорних або красних ліній d вираховується по формулі d=λ/2Δn, де Δn=n1-n2 і складав у даному випадку 0.01 мм. На Фіг. 3 представлено розраховану по Фіг. 2 форму об'єкту А, що може бути збережена у цифровому вигляді. На Фіг. 4 представлено мікроскопічне зображення об'єкту Б - площини з краплями полімеру. На Фіг. 5 представлено картину фазового зсуву (топограму) об'єкту Б, яка отримана за прикладом 2 (красний колір - фазовий зсув 2, чорний колір - 0). Перепад висот поверхні об'єкту для сусідніх чорних або красних ліній d складав у даному випадку 0.001 мм. На Фіг. 6 представлено розраховану по Фіг. 5 форму об'єкту Б, що може бути збережена у цифровому вигляді. Вимірювання проводяться наступним чином. Випромінювання від лазера 1 формується об'єктивом 2, за допомогою напівпрозорого дзеркала 3 ділиться на два пучка, один з яких спрямовують на об'єкт 10, а другий на дифузно розсіюючу опорну поверхню 4. Відбита від опорної поверхні опорна хвиля просторово суміщається з об'єктною спекл-хвилею, що сформована об'єктом, за допомогою напівпрозорого дзеркала 3. Діафрагма 11 фільтрує сумарну хвилю, при цьому розмір діафрагми підбирається таким, щоб зникли регулярні інтерференційні смуги усередині усіх спеклів сумарної хвилі. Просторовий розподіл інтенсивностей у спеклограмі реєструють за допомогою телекамери або фотоапарату 12. Об'єкт поміщують у ємність 7, яке заповнюють першим імерсійним середовищем 8 (що може бути рідким, газоподібним або навіть вакуумом) з показником заломлення n1 та реєструють декілька спеклограм при різних значеннях фази опорної хвилі, яка змінюються від 0 до 2 за допомогою фазозсувного пристрою, наприклад п'єзокерамики. Порівнюючи між собою отримані спеклограми, визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної хвилі. Використовуючи патрубки 9 змінюють імерсійне середовище на інше показником заломлення n2 та повторюють описані вище операції визначення фази кожного спекла об'єктної хвилі. Порівнюючи між собою фази кожного із спеклів, визначені при використанні першого і другого імерсійного середовища, визначають фазовий зсув об'єктної хвилі, що з'являється внаслідок зміни показника заломлення імерсійного середовища, та визначають лінії однакового фазового зсуву. 93335 6 Якщо верхня границя імерсійної рідини або ємності для заповнення імерсійним середовищем є рівною площиною, ці лінії є топограмою об'єкту. Приклади конкретного виконання методу. Приклад 1. Отримання топограми поверхні макроскопічного тестового об'єкту у формі площини з напівсферичним заглибленням діаметром ~1 мм та глибиною ~0,05 мм по варіанту Фіг 1. А. Промінь від лазера 1 з довжиною хвилі λ (див. фіг. 1) формується об'єктивом 2, та спрямовується на напівпрозоре дзеркало 3, що ділить пучок на два: той, що іде до дифузно розсіючої опорної поверхні 4, що формує опорну хвилю, та той, що іде до об'єкту 10, що поміщено у ємність 7 для заповнення імерсійним середовищем 8, і, відбиваючись від об'єкту, формує об'єктну хвилю. Ці хвилі просторово суміщується за допомогою напівпрозорого дзеркала 3. Сумарна хвиля фільтрується діафрагмою 11, розмір якої підбирається таким, щоб зникли регулярні інтерференційні смуги усередині усіх спеклів сумарної хвилі. Просторовий розподіл інтенсивностей у спеклограмі реєструють за допомогою телекамери або фотоапарата 12. Далі зображення вводять до комп'ютера. Завдяки пристрою 5 здійснюють зсув фази опорної хвилі. Для першого імерсійного середовища з показником заломлення Пі реєструють декілька (дві або більше) спеклограм з різним зсувом фази опорної хвилі. Порівнюючи між собою отримані спеклограми визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі. За цим змінюють імерсійне середовище на інше з показником заломлення n2, та визначають таким же чином нову фазу кожного спекла об'єктної хвилі. Порівнюючи фази кожного зі спеклів для імерсійних середовищ з показниками заломлення n1 та n2, формують картини фазового зсуву об'єктної світлової хвилі при зміні довжини хвилі, з визначенням як абсолютного значення так і знаку фазового зсуву. Визначають лінії однакового фазового зсуву. Якщо верхня границя імерсійної рідини або ємності для заповнення імерсійним газоподібним середовищем є рівною площиною, ці лінії є топограмою об'єкту. Перепад висот поверхні об'єкту для сусідніх ліній з однаковим фазовим зсувом d вираховується по формулі d=λ/2Δn, де Δn=n1-n2, що дає змогу представити результати вимірів у вигляді тривимірної картини та зберігати їх у цифровій формі. Отримана топограма об'єкту представлена на Фіг. 2, а вирахувана по ній тривимірна картина форми об'єкту - на Фіг. 3. Прямими вимірами доказано, що вирахувана форма поверхні співпадає з реальною. Приклад 2 Отримання топограми поверхні мікроскопічного тестового об'єкту у формі площини з краплями полімеру по варіанту Фіг 1. В. Здійснюється аналогічно прикладу 1, але об'єктив 6 у даному випадку є мікрооб'єктивом з малою фокусною відстанню, тому імерсійне середовище заповнює зазор між об'єктивом та об'єктом. Мікроскопічне зображення об'єкту представлено на Фіг. 4, отримана топограма об'єкту - на Фіг. 5, а вирахувана по ній тривимірна картина форми об'є 7 кту - на Фіг. 6. При розрахунку профілю поверхні об'єкта (Фіг. 6) вносяться поправки для компенсації радіально - симетричних спотворень форми об'єкту. 93335 8 Запропонований метод дозволяє отримати топограму об'єктів та представлення її у цифровій формі. 9 93335 10 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 93335 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601