Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Классификация и анализ современных оптических методов контроля геометрических параметров поверхности
1.1. Методы с формированием и обработкой оптического изображения 14
1.2. Муаровые методы 18
1.3. Методы с использованием спекл-структуры излучения 26
1.4. Голо графические методы. 32
1.5. Методы классической интерферометрии 42
1.6. Комбинированные методы 49
1.7. Выводы и обоснование выбора методов решения
задач диссертации 52
Глава II. Описание процесса формирования топограммы с помощью корреляционных функций волновых полей
2.1. Обобщенное уравнение топограммы сфокусированного изображения. 56
2.2. Одноэкспозиционные методы с использованием частичной когерентности освещающего излучения 61
2.3. Методы, основанные на пространственной корреляции спекл-структур 66
2.4. Выводы.
Глава III. Модифицированные голографическив методы измерения отклонений формы, поверхности отражающих изделий
3.1. Чувствительность голографической топограммы и факторы ее ограничения 71
3.2. Голографическая сфокусированная топограмма с повышенной чувствительностью. Способ компенсации сдвига микроструктуры излучения 84
3.3. Отражательная голографическая, топограмма 87
3.4. Влияние шумов различной природы на контраст отражательной топограммы 98
3.5. Отражательная интерферограмма сдвига III
3.6. Муаро-голографическая топография с дифракционной решеткой 115
3.7. Выводы 122
Глава ІV. Разработка и экспериментальное исследование методов спекл-топографии
4.1. Особенности спекл-фотографии 126
4.2. Спекл-топографияі с маскированной апертурой. 127
4.3. Рефлексная спекл-топография 131
4.4. Рефлексная спекл-топография в частично когерентном излучении 138
4.5. Спекл-топографияі с круговой апертурой (СТКА). 142
4.6. Экспериментальное исследование метода СТКА. 148
4.7. Погрешности методов спекл-топографии 153
4.8. Выводы 158
Заключение 161
Литература 164
Приложения (акты внедрения). 177
- Методы с использованием спекл-структуры излучения
- Одноэкспозиционные методы с использованием частичной когерентности освещающего излучения
- Голографическая сфокусированная топограмма с повышенной чувствительностью. Способ компенсации сдвига микроструктуры излучения
- Рефлексная спекл-топография в частично когерентном излучении
Введение к работе
Одним из основных показателей качества машин и приборов, определяющим их эксплуатационные характеристики, является соответствие геометрических параметров поверхности изготавливаемых деталей их расчетным значениям. Непрерывное повышение требований к точности изделий оптического и электронного машиностроения предполагает увеличение степени этого соответствия, устанавливаемого, как известно, на основании измерения параметров поверхности. Совершенствование методов измерения и контроля обработанной поверхности невозможно без четкого и однозначного определения каждого из этих параметров, вскрывающего их взаимосвязь и облегчающего системный подход к задаче измерения.
Основные определения метрологии поверхности отражающих изделий содержатся в нормативных документах (см., например, [І]). В соответствии с этими определениями все неровности, присущие реальной поверхности в результате технологической обработки, условно можно разделить на два основных типа: микрорельеф и макрорельеф.
Задачи измерения микрорельефа состоят в отыскании автокорреляционной функции поверхности, интервала корреляции и среднеквадратичного отклонения профиля, т.е. статистических характеристик, определяемых шероховатостью. В данной работе поверхность, обладающая совокупностью статистических характеристик, обозначается термином "диффузно отражающая поверхность".
Неровности макрорельефа характеризуют собой реальные отклонения геометрических размеров изделия и могут иметь как случайное, так и периодическое распределение вдоль поверхности. Случайный макрорельеф высотой более 1600 мкм LI] следует относить к виду отклонений формы. Большой шаг неровностей этого вида лишает
смысла понятие базовой длины, применяемое при определении микрорельеф, распространяя! его на всю наблюдаемую поверхность объекта. В особых случаях шаг неровностей является определяющей характеристикой при их классификации: тогда к отклонениям формы могут быть отнесены неровности с высотой меньшей 1600 мкм (т.н. локальные отклонения формы - см. диаграмму рис. I).
К задачам измерения макрорельефа относится измерение абсолютных значений высоты профиля поверхности, а также определение относительных высот различных ее участков путем сравнения с образцом. Здесь же следует указать задачу отыскания распределения углов наклона поверхности относительно базовой плоскости (крутизны или первой производной функции прорля). Наконец, определение изменений размеров и формы объекта при внешнем воздействии можно рассматривать как динамическую задачу такого рода.
Указанные задачи могут быть решены при помощи различных методов, которые подразделяются на контактные и бесконтактные.
Контактные (щудовыеУ методы реализуются в многочисленных конструкциях плоскомеров, сферометров, кругломеров и профиломет-ров. Приборы контроля! плоскостности обеспечивают угловую точность около 0,5-Ю"*5 в диапазоне 0,02-80,4 мм. Сферометры и кругломеры используются в диапазонах 10+4-10^ мм и 0,1*10 мм соответственно, обладая погрешностью в пределах 0,2*2% [2]. Контактные приборы пригодны как для зеркально-, так и для диффузно отражающих объектов.
Основными недостатками контактных методов являются низкая производительность, требования хорошей виброзащиты, относительно быстрый износ щупового органа и отсутствие возможности контроля одновременно всей поверхности, требующее дополнительного объединения результатов измерения по многим траекториям щупа. Кроме того, контактные методы могут нежелательно влиять на изделие с ма-
1 *max, мкм
Ю'3 ю*2 10м I Ю 100 10і ю4
Рис. I. Диаграмма взаимосвязи трех видов неровностей
поверхности.
R - шероховатость; W - волнистость; ЦР - отклонения формы;
Rmax - максимальная высота неровностей; Sm- средний шаг
неровностей.
лой устойчивостью к механическому воздействию. В динамических задачах щуповые методы вовсе не пригодны.
Большинство указанных недостатков исключаются применением бесконтактных методов контроля:. Среди них можно выделить электрические и оптические методы.
К электрическим относятся методы с применением индуктивных и емкостных датчиков. В зависимости от конструкции датчиков их измерительный диапазон может перекрывать высоты макрорельефа (0,1*3 мм и 3+10 мм), а погрешность составляет ±1 мкм [3,4,5].
физические принципы этих методов ограничивают класс измеряемых объектов изделиями с металлической поверхностью, достаточно однородной по своим геометрическим параметрам, что сказывается на универсальности измерительной системы. Кроме того, возможность одновременного контроля всей поверхности не может быть реализована в связи с малой площадью датчика.
Более производительными электрические метода оказываются в динамических задачах, однако быстрое перемещение объекта в рабочем зазоре налагает еще более жесткие ограничения на пределы изменения параметров рельефа, оставляя возможность контроля: только плоских изделий с поверхностью, близкой к зеркальной.
Оптические методы основаны на измерении характеристик светового излучения, отраженного контролируемой поверхностью, и подразделяются в зависимости от измеряемого параметра (геометрия изображения, оптическая разность хода, различие в периоде растров и др.): на ряд групп, рассмотренных в главе I. Благодаря интерференции, оптическая разность хода световых колебаний является наиболее удобным для: измерения параметром, поэтому интерференционные методы успешно конкурируют по точности с контактными и превосходна? электрические бесконтактные методы при измерении макрорельефа зеркально отражающих изделий в статическом режиме.
Применение когерентного лазерного излучения значительно улучшило метрологические характеристики известных оптических методов, а также привело к разработке новых методов измерения - голографи-ческих, - сочетающих высокую чувствительность*' и возможность контроля! всей освещенной поверхности с широким классом пригодных для, контроля; объектов, как металлических, так и диэлектрических, обладающих любыми видами неровностей. Измерительный диапазон го-лографичеекой интерферометрии указан на диаграмме (рис. I) штриховыми линиями.
Наряду с универсальностью и относительно высокой производительностью голографические методы также не лишены недостатков. Возможность проведения измерений диффузно отражающих поверхностей влечет за собой снижение чувствительности по отношению к классической интерферометрии примерно в десять раз. Однако практически достигнутая чувствительность отличается от теоретического предела, обусловленного микрорельефом поверхности, еще на порядок (глава I),.
Кроме того, запись голографической интерферограммы с наклонным опорным пучком (схема Лейта) предполагает высокую степень пространственной и временной когерентности излучения, что, в свою очередь, ограничивает возможность использования мощности лазера только одномодовым режимом генерации (энергия одной моды обычно составляет лишь 10-30% общей энергии излучения). В случаях сильно шероховатых поверхностей значительной площади это приводит к низкой освещенности объекта, увеличивает время экспонирования и снижает производительность.
х' В настоящей работе чувствительность определяется как величина, обратная минимальной разности уровней, соответствующей образованию одной интерференционной полосы (см. гл. Ш).
Далее, интерферометры (как голографические, так и классические) требуют надежной виброзащиты, т.к. смещение любого отражающего элемента на величину \/8 вдоль оптической оси приводит к практически полной потере контраста интерференционных полос. Это обстоятельство усложняет конструкцию измерительной установки, увеличивая ее вес и габариты, и исключает возможность проведения внестендовых измерений.
Наконец, в большинстве голографических методов применяют регистрацию первичных интерференционных полос, составляющих микроструктуру голограммы, на светочувствительном носителе, в качестве которого, в основном, используется фотоэмульсия, а в некоторых случаях термопластик. Пространственная частота микроструктуры голограммы составляет в зависимости от угла между объектным и опорным пучками величину 300-3000 мм"1, что обусловливает высокие требования к разрешающей способности носителя,.
Приведенный анализ недостатков указал на необходимость со-вершенствования голографических методов регистрации топограммы, что и явилось целью настоящей работы. Достижение поставленной цели потребовало решения ряда задач, которые были сформулированы как задачи диссертации:
Выявление факторов, ограничивающих чувствительность голо-графических методов измерения макрорельефа поверхности, и исследование степени их влияния на ограничение чувствительности.
Разработка способов увеличения чувствительности голографических методов с помощью компенсации влияния ограничивающих факторов.
Теоретическое обобщение когерентных методов регистрации топограммы. Исследование возможности использования частично когерентного излучения дляї записи топограммы отражающего объекта.
Разработка и экспериментальное исследование новых модифи-
- ю -
каций голографических методов получения топограмм с увеличенной ' 'чувствительностью и пониженными требованиями к когерентности восстанавливающего излучения.
5, Разработка виброустойчивых методов получения топограмм с
пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения
и к разрешающей способности носителя,
6. Выбор параметров конструкций интерферометров, реализующих
предложенные методы, с целью достижения максимальной чувствитель
ности.
Анализ литературных данных показывает, что не все перечисленные задачи удается решить в рамках голографической интерферометрии. В связи с этим в настоящей работе предприняты усилия по развитию методов спекл-фотографии с целью применения их к решению поставленных задач.
В результате работы получены следующие научные положения , выносимые на защиту:
1. Принципиальным фактором, ограничивающим чувствительность
двухэкспозиционных методов, использующих диффузно когерентное из
лучение, является декорреляция отраженных объектом волновых по
лей, происходящая в плоскости их регистрации. Наряду с физически- ;
ми свойствами поверхности объекта декорреляция обусловлена также
и взаимным смещением волновых полей в пределах апертуры наблюдения между экспозициями. В случае металлической поверхности взаимное смещение волновых полей имеет решающее влияние на ограничение чувствительности.
2. При взаимном смещении волновых полей, соизмеримом с вели
чиной апертуры наблюдения объекта, указанная декорреляция может
быть скомпенсирована. Компенсация достигается путем смещения или
изменения диаметра отверстия диафрагмы, маскирующей входной зрачок оптической системы, используемой для отображения объекта в
- II -
голографии сфокусированного изображения или спекл-интерферометрии.
Топограмма на восстановленном изображении может быть получена методом записи голограммы за одну экспозицию в частично когерентном излучении. Модуляция интенсивности изображения при этом реализуется путем управления степенью когерентности, описываемой соответствующей функцией (временной иГО^) и продольно-пространственной |і(дг,о)|).
Топограмма на изображении, восстановленном спекл-фотографи-ей, может быть получена методом двух экспозиций со смещением источника освещающего излучения между экспозициями. Интенсивность фурье-образа анализируемого участка изображения модулируется в этом случае интерференционной картиной Юнга, образованной двумя коррелированными спекл-структурами.
Топограмма, формируемая отражательной голограммой, образуется вследствие пересечения.изображения поверхности объекта системой изофазных плоскостей параллельных плоскости голограммы. Система секущих плоскостей является интерференционной картиной в области наложения двух волн, одновременно восстановленных голограммой, и характеризуется настройкой на бесконечно широкую полосу. Расстояние между этими плоскостями описывается выражением характерным
для муарового эффекта.
Таким образом, разработка методов получения топограмм отражающих изделий, основанных на корреляции спекл-структур, позволяет перенести в этот раздел интерференционных измерений все преимущества спекл-фотографии: сочетание интерференционной чувствительности с пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения, разрешающей способности носителя и виброустойчивости измерительной установки.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена аналитическому об-
зору оптических бесконтактных методов контроля и их классификации по чувствительности и измерительному диапазону. В конце обзора проведено обоснование выбора базовых методов для решения задач,
сформулированных во введении.
Во второй главе выводится обобщенное уравнение топограммы. Рассмотрены основные частные случаи уравнения, соответствующие отдельным методам получения топограммы и частным видам модулирующей функции ГИ12(^>7) * вытекающим из волновых свойств взаимной функции когерентности.
В третьей главе предложено обобщенное выражение для чувствительности голографических методов и проводится анализ влияния отдельных сомножителей этого выражения. Показано, что основным фактором ограничения чувствительности является декорреляция волновых полей, связанная с микрорельефом поверхности и взаимным смещением полей в апертуре наблюдения. Описан предложенный автором метод, позволяющий существенно увеличить чувствительность путем компенсации взаимного смещения волновых полей. Для отражательной топограммы выведена формула, описывающая период интерференционных полос, в предположении муарового механизма формирования картины и экспериментально исследован контраст топограммы, полученной методом двух источников. В конце главы описывается модификация муаро-голографического метода с комбинированной решеткой для абсолютных измерений макрорельефа зеркально отражающих изделий.
Четвертая глава диссертации посвящена разработке и исследованию методов спекл-фотографии применительно к задаче получения топограммы. Показана возможность использования способа компенсации взаимного смещения волновых полей для. увеличения чувствительности спекл-фотографии. Для. метода спекл-топографии с круговой апертурой проведено обоснование выбора оптимальной апертуры для получения максимальной чувствительности при заданной глубине мак-
- ІЗ -
рорельефа обіекта. С той же целью для квазиплоских объектов разработан метод рефлексной спекл-топографии с возможностью регистрации разности уровней рельефа порядка Л
\
Методы с использованием спекл-структуры излучения
Анализ литературных данных показывает, что не все перечисленные задачи удается решить в рамках голографической интерферометрии. В связи с этим в настоящей работе предприняты усилия по развитию методов спекл-фотографии с целью применения их к решению поставленных задач.
В результате работы получены следующие научные положения , выносимые на защиту: 1. Принципиальным фактором, ограничивающим чувствительность двухэкспозиционных методов, использующих диффузно когерентное из лучение, является декорреляция отраженных объектом волновых по лей, происходящая в плоскости их регистрации. Наряду с физически- ; ми свойствами поверхности объекта декорреляция обусловлена также и взаимным смещением волновых полей в пределах апертуры наблюдения между экспозициями. В случае металлической поверхности взаимное смещение волновых полей имеет решающее влияние на ограничение чувствительности. 2. При взаимном смещении волновых полей, соизмеримом с вели чиной апертуры наблюдения объекта, указанная декорреляция может быть скомпенсирована. Компенсация достигается путем смещения или изменения диаметра отверстия диафрагмы, маскирующей входной зрачок оптической системы, используемой для отображения объекта в голографии сфокусированного изображения или спекл-интерферометрии. 3. Топограмма на восстановленном изображении может быть получена методом записи голограммы за одну экспозицию в частично когерентном излучении. Модуляция интенсивности изображения при этом реализуется путем управления степенью когерентности, описываемой соответствующей функцией (временной иГО ) и продольно-пространственной і(дг,о)). 4. Топограмма на изображении, восстановленном спекл-фотографи-ей, может быть получена методом двух экспозиций со смещением источника освещающего излучения между экспозициями. Интенсивность фурье-образа анализируемого участка изображения модулируется в этом случае интерференционной картиной Юнга, образованной двумя коррелированными спекл-структурами. 5. Топограмма, формируемая отражательной голограммой, образуется вследствие пересечения.изображения поверхности объекта системой изофазных плоскостей параллельных плоскости голограммы. Система секущих плоскостей является интерференционной картиной в области наложения двух волн, одновременно восстановленных голограммой, и характеризуется настройкой на бесконечно широкую полосу. Расстояние между этими плоскостями описывается выражением характерным для муарового эффекта. Таким образом, разработка методов получения топограмм отражающих изделий, основанных на корреляции спекл-структур, позволяет перенести в этот раздел интерференционных измерений все преимущества спекл-фотографии: сочетание интерференционной чувствительности с пониженными требованиями к когерентности записывающего излучения, разрешающей способности носителя и виброустойчивости измерительной установки.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена аналитическому обзору оптических бесконтактных методов контроля и их классификации по чувствительности и измерительному диапазону. В конце обзора проведено обоснование выбора базовых методов для решения задач, сформулированных во введении.
Во второй главе выводится обобщенное уравнение топограммы. Рассмотрены основные частные случаи уравнения, соответствующие отдельным методам получения топограммы и частным видам модулирующей функции ГИ12( 7) вытекающим из волновых свойств взаимной функции когерентности.
В третьей главе предложено обобщенное выражение для чувствительности голографических методов и проводится анализ влияния отдельных сомножителей этого выражения. Показано, что основным фактором ограничения чувствительности является декорреляция волновых полей, связанная с микрорельефом поверхности и взаимным смещением полей в апертуре наблюдения. Описан предложенный автором метод, позволяющий существенно увеличить чувствительность путем компенсации взаимного смещения волновых полей. Для отражательной топограммы выведена формула, описывающая период интерференционных полос, в предположении муарового механизма формирования картины и экспериментально исследован контраст топограммы, полученной методом двух источников. В конце главы описывается модификация муаро-голографического метода с комбинированной решеткой для абсолютных измерений макрорельефа зеркально отражающих изделий.
Четвертая глава диссертации посвящена разработке и исследованию методов спекл-фотографии применительно к задаче получения топограммы. Показана возможность использования способа компенсации взаимного смещения волновых полей для. увеличения чувствительности спекл-фотографии. Для. метода спекл-топографии с круговой апертурой проведено обоснование выбора оптимальной апертуры для получения максимальной чувствительности при заданной глубине макрорельефа обіекта. С той же целью для квазиплоских объектов разработан метод рефлексной спекл-топографии с возможностью регистрации разности уровней рельефа порядка Л
Одноэкспозиционные методы с использованием частичной когерентности освещающего излучения
При исследовании цилиндрических поверхностей образцовый растр может быть получен проекцией решетки Ронки [24], а для поверхностей в несколько кв. метров его можно получить, фотографируя диффузино отражающий (окрашенный ретрокраской) объект с помощью модифицированной оптической системы [25]. Двумерная щелевая маска, расположенная во входном зрачке объектива, изменяет его передаточную функцию М(х) (рис. 1,2). В результате в изображение вводится пространственная несущая частота, играющая роль образцового растра, и возникает возможность регистрации путем двойного фотографирования изменений формы объекта поперечником 2 м с минимальным шагом полос 44 мкм.
Для дифференциальных измерений в качестве образцового растра может быть применена картина интерференционных полос (см. п.1.1). Двойное фотографирование проекции этой картины превращает "метод полос" в вариант муарового метода [14]. Интерференционные полосы могут быть образованы волновыми фронтами различной конфигурации. Для освещения сферическими фронтами появлению одной муаровой полосы соответствует смещение, которое вдоль оси наблюдения 02 составляет: AZ Л -х а. , где а- постоянная, обратно пропорциональная разрешению оптической системы. При освещении плоскими фронтами A2 -X/6stnd , где 6 = (o(-j2 )«i; d & -углы падения волн от двух источников. Существенна вытекающая отсюда возможность регулировки чувствительности в пределах, характерных для. интерференционных методов ( Ю0 Л""1).
Аддитивная оптическая суперпозиция состоит в последовательной регистрации рассеянного объектом излучения на фотодетекторе І Муаровая картина возникает при этом как результат накопления и обработки суммы сигналов, описывающих состояния объекта (при дифференциальных измерениях), либо суммы регистрируемого и образцового сигналов (при абсолютных измерениях), хранящегося в памяти измерительного устройства или формируемого искусственно (например, с помощью электронной схемы).
Регистрация аддитивного муара может быть проведена методом длительной экспозиции сканируемого объекта [26]. При этом фотокамера дважды регистрирует набор трасс сканирующего пятна, а между экспозициями производится деформация объекта или замена его образцом (в т.ч. плоскостью). После проявления фотопластинки на ней наблюдается муаровая картина двух наборов трасс, отражающая деформацию или топографию поверхности объекта.
Применение в качестве образцового сигнала электронного растра, формируемого на экране видеоконтрольного устройства, позволяет проводить измерение формы объекта в реальном времени. Муаровая картина при этом образуется строками растра и изображением контрастной решетки, проецируемой на поверхность объекта [27]. Изменяя ориентацию решетки или растра, можно получать муаровые картины с различным направлением полос [28], однако в связи с искажениями изображения в электронной схеме и на экране погрешности данного метода довольно значительны ( ДХ = 5,18 мм, дои ю мрад).
Субтрактивные оптические суперпозиции наиболее сложны для реализации и требуют применения явлений деструктивной интерференции или поляризационной техники. Другими путями получения являются комбинированные методы фотографии с пространственной несущей [18].
Хотя контраст субтрактивного муара аналогичен контрасту мультипликативной картины, этот вид суперпозиции в связи с технической сложностью не получил распространения.
Принципиальными ограничениями чувствительности и диапазона муаровых методов, за исключением метода проекции интерференционных полос, являются дифракционные явления и малая глубина поля изображения. Однако в рамках этих ограничений существуют практические методы управления чувствительностью муаровой картины.
Увеличивая, например, частоту образцового растра, можно достигнуть 3-5-кратного уменьшения шага полос. Последовательное смещение образцового растра на определенную долю периода и наложение муаровых картин на один носитель формируют результирующую картину эквивалентную полученной с более частым растром. Дюрелли и Парке [17] показали, что таким способом можно увеличить частоту с 40 мм"" до 200 мм"" . Однако понижение контраста суммарной картины ограничивает число смещений практически тремя шагами на период. Более чем пятикратного увеличения частоты полос образцового растра можно достигнуть применяя оптическую фильтрацию высших порядков дифракции на исходном растре (рис. 1.3).
При одновременном исследовании значительных отклонений рельефа на большой площади и его малых локальных вариаций удобно расширить диапазон, применш составную образцовую решетку с существенно разными периодами ( p, = kp2 , где к 2), 29]. Композитный растр обеспечивает два дискретных значения чувствительности и образует независимые картины.
Пониженная чувствительность муаровой картины оказывается полезной при измерении больших деформаций объекта. Используя метод двух длин волн (см. п. 1.4} и наблюдая муар между двумя контурными картами, можно получить шаг полос в 120 мкм, что соответствует трехсоткратному понижению чувствительности исходного метода [30J и соответственному увеличению диапазона измерений.
Голографическая сфокусированная топограмма с повышенной чувствительностью. Способ компенсации сдвига микроструктуры излучения
Известно, что статистические свойства диффузной поверхности приводят к образованию в отраженном ею излучении случайной модуляции интенсивности или пятнистой (спекл) структуры. Ее статистические характеристики детально обсуждены в монографиях [31-33]. В случае когерентного освещения спекл-структуры имеют практически единичный контраст [34], что позволяет использовать их пространственную корреляцию для дифференциального измерения смещений и углов поворота поверхности, составляющего сущность одного из мето дов так называемой "спекл-интерферометрии".
Важным компонентом спекл-интерферометра является оптическая система, которая не только фокусирует изображение объекта на светочувствительный носитель, но и формирует элементы спекл-структуры в пространстве изображений. Поперечник э элемента спекл-I структуры совпадает, в частности, с размером диска Эйри, определяющим область пространственной корреляции волновых полей в плоскости изображения: где ID- расстояние от объектива до изображения; Э- действующий диаметр входного зрачка. , Величина з служит основной характеристикой чувствительности в ( спекл-фотографии, являющейся частным случаем спекл-интерферометрии.
Результат пространственной корреляции смещенных спекл-струк-тур, возникающих вследствие деформации или смещения объекта, можно наблюдать либо в виде интерференционной картины на изображении объекта, сформированном объективом, переотображающим спекл-фотографию с существенным ограничением ее пространственной частоты, либо в дальней зоне дифракции узкого лазерного пучка, последовательно сканирующего эту фотографию (полосыЮнга). Контраст полос является второй характеристикой чувствительности и определяется, в основном, степенью декорреляции спекл-структур, зависящей от физических свойств материала поверхности [36]. Кроме того, при использовании светосильных объективов с малой глубиной резкости существенное влияние на контраст полос приобретают толщина и зернистость фотоэмульсии, в связи с чем необходимо применение тонких слоев, способных разрешить малые элементы 5 [35]. Однако, как будет показано в главе ІУ, эти требования существенно ниже предъявляемых к голографическим фотоматериалам.
Несмотря на ограничения контраста полос, для большинства металлических поверхностей измерительный диапазон спекл-фотографии довольно широк (см. табл. I.I). Это связано с использованием масштабного фактора: смещению спекл-структуры в плоскости изображения на величину о соответствует смещение поверхности объекта М 5, где М 1 . Максимально достигнутая чувствительность с апертурой 1:1,5 соответствует перемещению 0,1 мкм [37], что приближает спекл-фотографию к классической интерферометрии. В то же время использование пространственной корреляции интенсивностей снимает требования виброзащиты и высокой когерентности излучения, что позволяет применять спекл-методы при внестендовых испытаниях натурных объектов и решать с их помощью задачи получения топографических контуров, определения линейных и угловых (0,3 35 мрад "в плоскости" и 0,02 2 мрад "из плоскости" [36]). смещений и даже производить сравнение диффузно отражающих объектов по размерам и форме, что невыполнимо классическими методами.
Двухэкспозиционная спекл-фотография является своеобразным аналогом фотографии с несущей пространственной частотой. При исследовании смещений поверхности этим простейшим методом последнюю освещают пучком когерентного излучения и фотографируют до и после смещения (рис. 1.4а) [36],
Обработанный негатив анализируют одним из указанных выше способов. Чувствительность при этом обратно пропорциональна отношению \/ck и, следовательно, возрастает для малых и близко расположенных к оптической системе объектов, наблюдаемых в более широком угловом интервале d . При исследовании удаленных объектов со значительной площадью поверхности можно увеличить чувствительность, используя два симметричных пучка с большим углом между ними [38]. Следует отметить, что в случае больших объектов, когда использование когерентных источников ограничено их малой мощностью, возможно применение ретрорефлексных покрытий (красок-катафотов), которые сужают индикатрису рассеянного объектом излучения, а также работа с более мощными (тепловыми), источниками [39].
Некоторые модификации методов спекл-фотографии предоставляют дополнительные возможности дифференциального измерения формы объекта, т.е. позволяют выделить отдельные компоненты смещения и поворота поверхности. В этих модификациях: дважды фотографируется! либо дефокусированная поверхность объекта [40] для определения поворота в направлении нормали (рис. 1.4а), либо интерференционная! картина, образованная диффузно-когерентными волновыми полями, распространяющимися по двум выделенным направлениям [4-І] для определения тангенциальных составляющих смещения (рис. 1.46).
В случае, когда между экспозициями происходит лишь тангенциальный сдвиг объекта, фотографирование дефокусированной поверхности позволяет определить ее кривизну и локальные неровности по результатам измерения смещения АХ спекл-структуры в плоскости регистрации (рис. 1.4а). При этом локальный наклон поверхности описывается выражением [40]:
Рефлексная спекл-топография в частично когерентном излучении
Вопрос получения максимального контраста полос при использовании телекамеры может быть решен в схеме интерферометра Майкель-сона [47], где кубический светоделитель обеспечивает одинаковые направления распространения обоих волновых полей. Ограничением чувствительности ЭСПИ является декорреляция спекл-структур при изменении длины волны и шероховатость поверхности. По результатам работы [48] шаг интерференционных плоскостей топограммы в ЭСПИ может быть не менее, чем 8hCi ( hc дисперсия неровностей), т.е. при hCK= 0,2 мкм чувствительность составляет 2,2 мкм при контрасте полос, равном 0,4.
Голографические методы, основанные на интерференционной записи и восстановлении волнового фронта, позволяют проводить как дифференциальные, так и абсолютные измерения геометрии объекта. Эти методы реализуются в голографических интерферометрах, в основном, сходных по схемам с классическими, но имеющих принципиальную особенность, которая состоит в распространении сигнального фронта и фронта сравнения по одному оптическому каналу.
Дифференциальные измерения возможны при использовании методов наблюдения в реальном времени и двухэкспозиционного [49]. Эти методы эффективны в диапазоне от единиц до сотен мкм (табл. I.I), а минимальная разность уровней, соответствующая их чувствительности, приближается к значению, характерному для классических интерферометров - Л/16 [50].
Наблюдение в реальном времени применяется для сравнения формы изделия с образцом, голограмма которого служит "лучевым шаблоном". При точной относительной юстировке изделия и голограммы сквозь ее апертуру наблюдается разностная топограмма, указывающая на отличия в форме сравниваемых объектов. Голограмма - "лучевой шаблон" в качестве первичного теста зачастую предпочтительнее реального образца.
Например, провести сравнение двух асферических поверхностей в непосредственном контакте невозможно, в то время как сравнение двух волновых копий вполне осуществимо. Голограмму исходной заготовки можно использовать в качестве вторичного теста при последовательном наблюдении сквозь нее детали и оценке величины слоя материала, снятого полировкой. Наконец, применяя синтезированную голограмму, возможно проводить сравнение с теоретической поверхностью или эталоном. Чувствительность при этом характеризуется: разностью уровней в А/20 [51]. Принципиальный недостаток метода состоит в ограничении класса измеряемых объектов изделиями с зеркально отражающей поверхностью.
Двухэкспозиционннй метод используется для контроля изменений геометрии объекта после некоторого воздействия на него. При первой экспозиции регистрируется невозмущенный объект, а при второй - его состояние после теплового, механического или химического воздействия. Восстановленная интерферограмма отражает смещения точек поверхности объекта между экспозициями.
Информацию об абсолютных геометрических характеристиках поверхности можно получить, если в интервале между экспозициями изменить оптическую длину пути сигнального пучка интерферометра без воздействия на сам объект. В настоящее время известны три способа изменения оптического пути, лежащие в основе трех методов получения голографических топограмм.х)
Поворот пучка, освещающего объект, на малый угол дЫ приводит к последовательной регистрации на голограмме двух точечных источников и восстановлению их интерференционного поля - семейства двуполостных гиперболоидов - детектируемого во всем объеме пересечения пучков.
При использовании источников, расположенных в бесконечности, картина имеет вид полос Юнга, секущих профиль поверхности объекта с шагом: где П - показатель преломления среды; А- длина волны излучения. В случае одновременного существования обоих источников голо-графическая регистрация может быть исключена, и метод становится сходным с методом проекции полос (см. п. I.I). При увеличении угла До( чувствительность метода растет до максимального предела, соответствующего минимуму ь\\ 100 мкм. Минимальный шаг полос связан с принципиальным ограничением, причины, которого анализируются в главе Ш. Максимальный шаг полос ограничен точностью устройства, обеспечивающего поворот пучка, и при Ad Ю"1 мрад достигает значения h б мм. В указанном диапазоне техническая реализация метода достаточно проста. Основным недостатком в случае диффузно отражающего объекта является условие скользящего освещения и возникающее в связи с этим затенение некоторых участков поверхности. Этот недостаток был устранен в работе [54] с помощью схемы когерентной подсветки теневой стороны объекта частью освещающего пучка (рис. 1,6),. Однако, вследствие усреднения интенсивностей двух пар волновых полей в данной схеме в зоне перекрытия освещающих пучков на поверхности объекта топограмма не образуется.
