ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТОЯНИЯ ОТ ОПОРНОЙ ПЛОСКОСТИ ДО ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к технической физике, точнее - к прикладной оптике.
Известен интерференционный измеритель расстояния от опорной плоскости до исследуемого объекта (интерферометр Дайсона, см. М.Борн., Э.Вольф. Основы оптики. М., Наука, 1973 г., с.287-288), на выходе которого, как и в предлагаемой модели интерферируют две сферические волны. Он состоит из источника освещающего излучения, блока формирования освещающего излучения, делителя излучения по амплитуде волнового поля, блоков формирования объектной и опорной ветвей интерферометра, опорной плоскости, блока совмещения излучений, распространяющихся по объектной и опорной ветвям интерферометра, и приемного блока, обеспечивающего возможность визуального наблюдения интерферограммы.
Сложность конструкции затрудняет настройку интерферометра и делает его излишне чувствительным к мешающему действию промышленных и бытовых вибраций. Визуальное наблюдение интерферограммы и необходимость ручного подсчета интерференционных полос делают неаперативной процедуру измерения. Целью изобретения является повышение виброзащищенности устройства при одновременном его упрощении.
В предлагаемой полезной модели поставленная цель достигается тем, что в известном интерференционном измерителе расстояния от опорной плоскости до исследуемого объекта, состоящем из источника освещающего излучения, блока формирования освещающего излучения, делителя излучения по амплитуде волнового поля, блоков формирования объектной и опорной ветвей интерферометра, опорной плоскости, блока совмещения излучений, распространяющихся по объектной и опорной ветвям интерферометра, и приемного блока, функции делителя излучения по амплитуде, блоков формирования объектной и опорной ветвей интерферометра, опорной плоскости и блока совмещения излучений, распространяющихся по объектной и опорной ветвям интерферометра, выполняет дифракционный оптический элемент - голограмма, обеспечивающая восстановление сферической волны как в проходящем, так и в отраженном свете, причем центры кривизны обеих сферических волн совпадают.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется на чертежах фиг.1, фиг.2, где на фиг.1 показана принципиальная оптическая схема получения дифракционного оптического элемента - голограммы, на фиг.2 - принципиальная оптическая схема полезной модели - интерференционного измерителя расстояний от опорной плоскости до исследуемого объекта.
Как показано на фиг.1, дифракционный оптический элемент голограмму получают, направляя неразведенный луч лазера на микрообъектив 2, формируя в данном случае расходящуюся из точки 3 сферическую волну 4, направляемую на фотопластинку 5, экспонируемую дважды. Во время первой экспозиции коллимированное опорное волновое поле направляют на фоточувствительную среду - пластинку 5 по направлению 6, во время второй делают направление распространения 7 опорного волнового поля противополдожным первоначальному. После фотообработки пластинка 4 становится дифракционным оптическим элементом 8 (см. фиг.2).
Полезная модель - интерференционный измеритель расстояния от опорной плоскости до исследуемого объекта состоит из источника когерентного излучения, дифракционного оптического элемента - голограммы 8 и многоэлементного фотоприемника, предназначенного для ввода интерферограммы в компьютер.
При освещении голограммы 8 коллимированным излучением по направлению 7 на прохождение в первом порядке дифракции происходит восстановление сходящейся сферической волны 9, попадающей на исследуемый объект 10. Поверхность исследуемого объекта располагают вблизи центра кривизны волны 9. Отраженная от исследуемого
объекта расходящаяся сферическая волна 11 поступает через голограмму 8 на многоэлементный фотоприемник 12. Одновременно при освещении голограммы по направлению 7 на отражение происходит восстановление опорной расходящейся сферической волны 13. Если расстояние между объектом 10 и опорной плоскостью поверхности голограммы 7 совпадает с расстоянием от точечного источника 3 до голограммы 5 на фиг.1, то волна, отраженная от объекта, и опорная волна, восстановленная голограммой, совпадают по кривизне, что соответствует настройке интерферометра на полосу бесконечной ширины. Если эти расстояния отличаются, то на интерферограмме появляются интерференционные полосы в виде колец (или их фрагментов). Компьютерная цифровая обработка интерферограммы позволяет найти искомое расстояние.
В предлагаемой полезной модели достигнуто существенное упрощение конструкции, по сравнению с прототипом, так как функции четырех различных блоков, каждый из которых в прототипе представлен отдельным оптическим элементом, выполняются в предлагаемой модели одним дифракционным оптическим элементом - голограммой. В результате устраняется необходимость в тщательной настройке взаимного расположения всех элементов интерферометра с целью совмещения предметной и опорной волн, что упрощает процедуру настройки. Кроме того, объединение функций четырех различных блоков прототипа в одном оптическом элементе модели устраняет возможные взаимные смещения этих блоков вследствие промышленных и бытовых вибраций, что приводит к повышению виброзащищенности модели, по сравнению с прототипом.
Работоспособность предлагаемой полезной модели была проверена в компьютерном эксперименте. Моделирование проводилось для следующих параметров модели, реализуемых на практике:
- длина волны излучения лазера - 0,53 мкм,
- угловая апертура сферической волны - 45°,
- диапазон изменения расстояний между центрами кривизны сферических волн (диапазон измеряемых расстояний) - 1÷1000 мкм,
- формат многоэлементного фотоприемника - 2000*2000 пикселей.
Первый этап моделирования заключался в расчете интерференционной картины, сформированной (в плоскости регистрации) двумя сферическими волнами. Были рассчитаны интерференционные картины для различных расстояний δ между центрами кривизны двух сферических волн в диапазоне от 1 мкм до 1 мм. Примеры рассчитанных интерференционных картин приведены на фиг.3.
Эти интерференционные картины рассматривались как внеосевые голограммы сферической волны. На втором этапе проводился процесс восстановления этих голограмм с целью определения расстояния между плоскостью фокусировки восстанавливаемой волны, и плоскостью фокусировки восстанавливающей волны. Это расстояние являлось удвоенным искомым расстоянием между опорной поверхностью и поверхностью изделия. Задача восстановления голограммы в данном случае упрощалась и была сведена к нахождению координаты всего одной точки восстановленного изображения (фокуса восстановленной волны). Процесс восстановления при этих условиях был сведен к нахождению подобия голограммы с одной из набора интерференционных картин, заранее рассчитанных для различных зазоров между опорной поверхностью и поверхностью изделия. В качестве критерия подобия голограммы и интерференционных картин была выбрана величина корреляции их интенсивностей.
Процесс установления подобия картин проиллюстрирован графиком фиг.4, на котором отложена величина корреляции интенсивностей голограммы и интерференционной картины, рассчитанной для конкретных величин расстояния δ, как функция δ.
Из графика видно, что пик корреляции по уровню 0,5 занимает диапазон величин δ в пределах порядка 1 мкм. Эту величину можно принять в качестве оценки ожидаемой погрешности измерения искомого расстояния для указанных выше параметров модели.
Максимальная измеряемая величина искомого расстояния определялась числом приемных элементов (форматом) многоэлементного фотоприемника. Это обусловлено тем, что по мере увеличения расстояния δ между центрами кривизны сферических волн, пространственная частота полос в образованной ими интерференционной картине нарастает. В моделируемом эксперименте предельная разрешаемая фотоприемником частота полос достигалась при величине δ равной 1 мм.
Проведенное компьютерное моделирование предполагало, что изделие имеет высокий класс чистоты обработки поверхности, и диффузное рассеяние света при отражении от поверхности изделия несущественно.
Результаты компьютерного моделирования предлагаемой цифровой интерференционной системы для измерения расстояний подтверждают ее практическую реализуемость на уровне существующей элементной базы.
Таким образом, работоспособность и практическую осуществимость предложенной полезной модели можно считать доказанной.