ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
РЕЛЬЕФА
С СУБМИКРОННОЙ ТОЧНОСТЬЮ
Ю.Н.Захаров
Нижегородский государственный
университет
Нижний Новгород, 603600,
пр.Гагарина, 23
Одним из интереснейших
оптических методов, обладающих большими возможностями в
области контроля диффузно отражающих поверхностей является
метод получения контурных карт рельефа поверхности объектов.
Разнообразные возможности этого метода подсказывают множество
областей его применения [1]: 1. использование в качестве
удобного способа для накопления и хранения информации о
форме объекта при изучении изменений его поверхности во
времени; 2. использование при контроле качества продукции
на конвейере; 3. применение контурных карт в качестве входной
информации для контроля в ЭВМ и т.д.
Обычно
рельеф поверхности визуализируется контурными линиями с
разницей по глубине от нескольких микрон до миллиметров.
Например, в случае голографического многочастотного метода
получения контурных линий рельефа поверхности объектов (ГМКЛ)
[2], интервал между линиями соответствует перепаду высот
где
l 1,2
- длины волн, используемые для записи голограмм. Как правило,
используются две близкие линии He-Ne (633 & 612 нм)
[3] или Ar (511& 495 нм) [2] лазера. Тогда интервал
контурных линий порядка 10 мкм. С другой стороны, методы
контроля шероховатостей требуют измерения нерегулярностей
поверхности с точностью существенно меньшей, чем длина волны
излучения (l ).
Таким образом,
в области порядка l прямое
интерференционное сравнение с эталоном невозможно вследствие
отсутствия интерференции между двумя разными диффузными
поверхностями, а использовавшиеся ранее методы получения
контурных карт поверхности не обеспечивают необходимой точности,
хотя в случае D l
=l 1-l
2=l /2, D
z уменьшается до l /2. Мы
достигли этого путем удвоения частоты рубинового лазера,
одновременной записи голограммы на 694 нм и 347 нм и ее
восстановления He-Ne лазером.
Вследствие большой D
l
становится существенным следующие осложнения ГМКЛ: горизонтальное
смещение двух восстановленных изображений и их различное
поперечное увеличение. Чтобы уменьшить эти деструктивные
эффекты необходимо поместить изображение объекта в плоскость
голограммы и использовать параллельные объектный и опорный
пучки. Голографическая схема, отвечающая этим требованиям
изображена на рси.1.
Для данной схемы амплитуда
световой волны в плоскости голограммы:
где x
- поперечная координата в плоскости голограммы, Ar,
AS - амплитуда
опорной и объектной волн, R
и
h - радиус и центр расходимости
опорного пучка, t
и D
z - коэффициент отражения
и глубина рельефа объекта, a
- угол падения объектного пучка на поверхность и опорного
на голограмму (они должны быть равными, чтобы обеспечить
эквидистантные секущие плоскости, параллельные голографической
пластинке).
Рис.1 Голографическая схема
Следовательно,
амплитуды восстановленных информационных порядков голограммы,
записанных на l 1,
l 2
и восстановленных на l 3
с точностью до коэффициента равны:
Окончательно
восстановленное изображение представляет собой результат
их интерференции в виде изображения поверхности, покрытой
контурными линиями, с интенсивностью:
и разностью высот между
соседними линиями
При этом,
первое слагаемое аргумента cos-функции I(x)
должно быть < <
p для того, чтобы эти линии
являлись горизонталями карты поверхности. Следовательно,
допустимая расходимость опорного пучка определяется 
В случае удвоения частоты
излучения рубинового лазера, 
Максимальная
величина дефокусировки изображения (или диапазон неровностей
рельефа) hmax
связаны с фокусным расстоянием телескопической системы F,
диаметром диафрагмы d
и расстоянием между контурными линиями D
выражением 2hmaxd<
DF,
иначе картина начнет размываться.
Экспериментальная схема
представлена на рис.1. Излучение рубинового лазера с модуляцией
добротности частично преобразуется во вторую гармонику.
Волны основной и удвоенной частоты проходят идентичный путь
и записывают "красную" и "фиолетовую" голограммы одновременно.
Такая установка абсолютно
не чуствительна к вибрациям и пригодна для использования
даже в промышленных условиях.
В качестве тест-объекта
использовалась обратная сторона сферического зеркала.
Восстановленное изображение,
представленное на рис.2, было также введено в IBM PC с помощью
телевизионной приставки. На монитор могут быть выведены
восстановленный профиль рельефа поверхности, его автокорреляционная
функция или кросс-корреляция с эталоном.
Рис.2. Контурная карта рельефа
тест-объекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. "Голографические неразрушающие
исследования" (Ред.Р.Эрф).- М.: Машиностроение, 1979, 448
с.
2. K.A.Haines, B.P.Hildebrand,
"Multiple-wavelength and multiple-sourse holography applied
to contour generation", J.Opt.Soc.Am., v.57, pp.152-162,
1967.
3. J.R.Varner, "Simplified
multiple-frequency holographic contouring", Appl.Opt., v.10,
pp.212-217, 1971.
