Ю.Н.ЗАХАРОВ
КОНТРОЛЬ РЕЛЬЕФА С СУБМИКРОННОЙ
ТОЧНОСТЬЮ МЕТОДОМ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ
ГОЛОГРАФИИ ДЕНИСЮКА
Введение
Голографический контроль рельефа диффузно-отражающих поверхностей с субмикронной точностью возможен при использовании голографического многочастотного метода получения контурных линий (ГМКЛ) на основной и удвоенной частоте рубинового лазера [1]. В этом случае интервал между линиями может быть уменьшен до значений перепада высот, равной половине длины волны используемого лазера, и становится возможным корреляционное сравнение образцов с эталонным в области неровностей порядка длины волны оптическими коррелометрами или методом вычислительной обработки изображений. В ГМКЛ необходимо использовать голограмму сфокусированного изображения и параллельные объектный и опорный пучки. Запись голограмм действительного изображения объекта, созданного объективом вблизи фотоматериала, существенно уменьшает угловые размеры зоны наблюдения и сигнальный световой поток, которые ограничены апертурой проецирующего объектива. Определенного прогресса можно достичь .применяя объемные голограммы.
Двухдлинноволновая отражательная голография
Развитием ГМКЛ является применение трехмерных отражательных голограмм. При использовании схемы Денисюка опорным пучком является свет, проходящий сквозь регистрирующий материал и освещающий голографируемую сцену. Объект никогда не затеняет опорный пучок и может располагаться вплотную к голо-грамме, полностью выявляя преимущества объемных голограмм, а именно:
1. простую оптическую схему,
2. отсутствие аберраций, вносимых оптическими элементами,
3. широкий угол обзора,
4. максимальную светосилу (вследствие полностью открытой апертуры и использования для освещения объекта практически 100% энергии излучения лазера),
5. возможность восстановления в некогерентном свете,
6. компактность установки.
Оптическая схема, позволяющая реализовать этот метод, Представлена на рис. 1.
Рис. 1. Голографическая схема
Здесь используется рубиновый лазер с модуляцией добротности; KDP- удвоитель частоты, а С/ф - светофильтр, выделяющий вторую гармонику. Расширители пучка симметрично направляют свет первой и второй гармоник на голографируемую сцену для записи двухдлинноволновой голограммы; деление пучка производится в отношении, обеспечивающем одинаковое почернение каждой из двух субголограмм с учетом эффективности преобразования частоты и спектральной чувствительности голотрафической фотопластинки, за которой располагается объект (тестируемая поверхность).
Анализ восстановленного изображения
Для ГМКЛ с большой разностью длин волн типичны осложнения: горизонтальное смещение двух восстановленных изображений и их различное поперечное увеличение. Очевидно, что они снимаются, в данном случае, если обеспечить идентичность направления распространения восстановленных с "красной" и "фиолетовой" субголограмм волн выбором соответствующих углов Брэгга и одинаковое поперечное увеличение, сохраняя постоянным отношение кривизны фронта к длине освещающей волны первой и второй гармоник.
Благодаря спектральной и угловой селективности объемных голограмм при выполнении условия
λ/2=δ/sinα,
где δ - период голограммной структуры, λ, α - длина и угол падения восстанавливающей волны, m - целое число,
восстанавливается только информационный порядок изображения.
Отраженная от голограммы световая волна с точностью до постоянных амплитудных и фазовых коэффициентов описывается выражением
где х- поперечная координата в плоскости голограммы,
R и h- радиусы и координаты центров расходимости освещающих пучков,
t и Δz- коэффициент отражения и глубина рельефа объекта. Это представляет собой изображение объекта на основной длине волны, восстановленное с голограммы, записанной на λ1, , и два изображения, восстановленные с обеих субголограмм, на удвоенной частоте, интерференция которых и дает контурную карту поверхности:
Чтобы контурные линии представляли собой горизонтали карты поверхности, то есть секущие плоскости были эквидистант-ны, параллельны фотопластине и положение изолинии не зависело от поперечной координаты, второе слагаемое аргумента cos-функции должно быть <<π, что с учетом необходимого соотношения расходимости излучения первой и второй гармоник дает:
Эксперимент подтверждает выводы теоретического анализа также относительно параметров настройки схемы и регистрируе-мого диапазона неровностей, который достигает здесь теоретиче-ского предела [2] благодаря отсутствию системы переноса изобра-жения, а следовательно, и аберраций, и аподизации. Более того. область контролируемого перепада высот может быть расширена путем перефокусировки, давая, тем самым, возможность построе-ния контурной карты рельефа всей тестируемой поверхности.
Эксперимент
В качестве тест-объекта в эксперименте, использующем описанную схему, было использовано лезвие безопасной бритвы. Часть восстановленного изображения, покрытого контурными званиями рельефа, представлена на фотографии рис.2 (с.94). Если необходимо провести сравнение с эталоном, это можно сделать, например, корреляционным методом,, описанным в нашей предшествующей работе [1].
Литература
1. Захаров Ю.Н. Голографический контроль рельефа с субмикрон-ной точностью // Голография: теория и прикладные вопросы. Москва-Тирасполь, 1995.
2. Zelenka J.S., Varner J.P.. A new method for generation depth contours holographically // Appl. Opt. 1968, V.7. P.2107-2117.
Рис. 2. Восстановленное изображение с изолиниями рельефа
