ПРИМЕНЕНИЕ КОНАПРАВЛЕННОЙ СХЕМЫ ЗАПИСИ ИНТЕРФЕРОГРАММ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ

В настоящее время огромное внимание уделяется развитию высокотехнологичных методов и технических средств измерений [1, 2]. Научно-исследовательские организации, центры вынуждены постоянно совершенствовать и развивать научную базу экспериментальных исследований, чтобы не отставать от мирового научно-технического прогресса [3, 4]. Существует широкий класс методов и технических средств контроля, диагностики исследуемых объектов и сред. Одно из ведущих мест занимают оптические методы и средства измерений.

От того, на каком этапе развития находятся методы и средства исследований и измерений (точность, чувствительность, диапазон измерений), зависит достоверность результатов эксперимента, а также естественность представления окружающего мира [5, 6]. Из всех существующих методов измерений одними из самых точных являются оптические и оптико-электронные методы и средства, а именно методы когерентной оптики.

Из научных литературных источников известно, что чувствительность и точность измерений у этих методов находятся на уровне длины волны излучения и имеют диапазон от 1500 мкм до 0.1 мкм [7, 8]. Среди методов когерентной оптики важное место занимают методы голографической интерферометрии, которые являются высокоинформативным и высокоточным инструментом получения информации.

Методы голографической интерферометрии позволяют исследовать статистические и динамические процессы, сравнивать волновые процессы в разные моменты времени, получать данные о процессе в количественной и качественной интерпретации, позволяют воспроизводить трехмерную видеокопию [9, 10].

С развитием электроники и компьютерных технологий у оптических и оптико-электронных приборов и комплексов появилась возможность увеличить точность и чувствительность измерений в несколько десятков раз [11, 12]. Важность таких приборов и комплексов заключается в том, что они дают наглядность, надежность и убедительность измерениям. Поэтому эти приборы и комплексы применяются в большинстве естественнонаучных и научно-технических направлений, в технической, медицинской и биологической практике.

Представляет интерес изучение метрологических возможностей голографической интерференционной установки для исследования интерферограмм.

Цель работы состояла в применении конаправ-ленной схемы записи интерферограмм для определения элементарного смещения голографической интерференционной установкой.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Записать интерферограммы на пластинках высокого разрешения при смещении поверхности объекта вдоль оси O X и вдоль оси O Z . Провести анализ воспроизведенной интерференционной картины для плоскости XZ .

ОБЪЕКТЫ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования использовался фрагмент отражателя на основе SiO 2 +H 2 O+ZnO 2 с размерами записывающей плоскости 90 × 90 мм. Для получения интерферограмм применялись пластинки фотографические высокоразрешающие ПФГ-04 на основе бихромированного желатина с размерами 102 × 102 мм.

Экспериментальная голографическая интерференционная установка используется для исследования интерференционной картины с интерферограммы, где произведена запись в разные моменты времени лазерным излучением ограниченной апертуры. Внешний вид установки показан на рис. 1. Интерференционные полосы определяются установкой, как и в классическом голографическом интерферометре [13–15].

На рис. 2 представлена оптическая схема записи интерферограмм по конаправленной схеме. В эксперименте интенсивности в объектном и опорном каналах были в отношении 1 : 3, и изменять их возможно было по поляризационному признаку.

Рис. 2. Оптическая схема экспериментальной установки.

• 1    — источник излучения; 2, 6, 12 — оптические отсекатели; 3, 9, 13, 16 — зеркала;

• 4 , 7, 14 — полуволновые пластины; 5 — поляризационный светоделитель; 8, 15 — коллиматоры; 10 — исследуемый объект;

11 — интерферограмма

Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки

Табл. Технические параметры

Источник излучения	He-Ne — лазер (ЛГ-79)
Длина волны излучения, мкм	0.6328
Диапазон измерений смещений, мкм	1500…0.01
Апертура освещения, рад	0.1
Погрешность измерений, мкм	0.001

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Световой пучок от источника когерентного излучения 1, пройдя световой отсекатель 2 и попадая на зеркало 3, фокусируется на поляризационном светоделителе 5. Светоделитель 5 разводит световой пучок в объектный и опорный каналы, где лучи через полуволновые пластины 7 и 14 попадают в коллиматоры каналов измерений 8 и 15. В объектном канале луч, попадая на зеркало 9 и отражаясь от него, освещает исследуемый объект и регистрирует его на 11 (ПФГ-04). В опорном канале световой пучок направляется на зеркало 16, отражаясь от него, попадает на 11 (ПФГ-04).

Технические параметры экспериментальной установки приведены в таблице.

В процессе эксперимента были записаны интерферограммы на ПФГ-04 исследуемого объекта, где объект передвигался вдоль оси Х и вдоль оси Z . Указанные виды движения показаны на рис. 3. Перемещения объекта осуществлялись посредством устройства с микрометрическими подвижками. При записи объект освещался по нормали к поверхности. Записанное интерференционное поле анализировалось для плоскости ХZ . Интерференционная картина для такого вида движения локализуется и наблюдается в фокальной плоскости линзы с фокусом f.

Рис. 4. Схема воспроизведения интерферограммы.

S" — восстанавливающий луч; P — записанное изображение; Н — ПФГ-04; L — собирающая линза

Рис. 3. Интерференционные поля для различных видов движений.

а — движение объекта вдоль оси X на 100 мкм; б — движение объекта вдоль оси Z на 150 мкм

Рассмотрим движение исследуемого объекта вдоль оси Х.

В этом случае d z = d y = 0, тогда

Ф = —dx r Hx - Ф о ,              ⁽¹⁾

λ где λ — длина волны излучения; dx — величина смещения объекта вдоль оси X; rHx — величина, характеризующая направление наблюдения вдоль оси Х; ϕ0 — фазовый сдвиг, обусловленный направлением освещения объекта.

С учетом (1) для направления наблюдения (рис. 4), характеризуемого углом α = α 1 , имеем

2 π

Ф1 = —dx sin а1 - фо, где угол α отсчитывается от нормали к вектору смещения.

В соответствии с рис. 4:

2 π

Ф ₂ = —d x sin а ₂ - ф ₀ .

Если изображение перемещается на одну интерференционную полосу:

Аф = Ф2 - ф1 = 2п, dx = ----—---, sin а2 - sin а1

для малых α:

sin а2 - sin а1 ~ а2 - а1 = —-, где Xi — расстояние между интерференционными полосами; f – фокусное расстояние линзы.

Тогда

λf dx = —.                  (2)

x _{X i}

При перемещении изображения объекта по нормали для обоих направлений:

2 π

Ф 1 = — d z cos а - Ф о , λ

2 π

Ф 2 = у ^dz cos ^а 2 ^- Ф о^.

Если изображение перемещается на одну интерференционную полосу, то dz =

λ cos а2 - cos а1

Итак, при α ₂ , соответствующему направлению на центр первого кольца интерференционной картины, и малом α получаем:

2λ dz =   2 .

α 2²

Данную формулу можно представить через радиус первого кольца интерферограммы r 1 , наблюдаемой в фокальной плоскости линзы с фокусом f:

r		( 2 У \П              _
а = ~,	Г 1 = f •	.	(3)
2 f		1 d z )

На практике для измерения перемещений используют пять интерференционных полос или колец, и для расчета перемещений применяют следующие соотношения:

5λf dx =----, x   А x dz = f210y, r52

где А _x — линейное перемещение в фокальной плоскости линзы.

В эксперименте в качестве независимого метода измерений применялся датчик линейных перемещений 1МИГ с ценой деления шкалы 1 мкм.

Полученные результаты перемещений изображения объекта по оси Х на 100 мкм и по оси Z на 150 мкм показаны на рис. 5. Измерения проводились поточечно посредством перемещения интерферограммы в своей плоскости на 90 мм.

Исследование показало, что величины погрешностей δx и δz зависят от неточности счета полос δN. Поэтому, согласно (4) и (5), получим fλ         2f2λ

^ x = _А ^ N , ^ z =    2 ^ N .               ⁽⁶⁾

А x              Г 5

Если N = 5 и погрешности δ N = 0.25, из (4), (5) и (6) следует, что относительная погрешность определения d x , и d z не превышает 5%, как и показано на рис. 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С появлением голографической интерферометрии в научной практике были достигнуты большие успехи в записи, воспроизведении и оптической обработке интерферограмм.

Рис. 5. Экспериментальные результаты измерений перемещений изображения объекта по осям.

а — перемещение вдоль оси X на 100 мкм; б — перемещение вдоль оси Z на 150 мкм.

Измерения сделаны поточечно посредством перемещения интерферограммы в своей плоскости на 90 мм

В работе получены экспериментальные результаты перемещений изображения объекта по оси Х на 100 мкм и по оси Z на 150 мкм. Определен параметр, который вносит основной вклад в погрешность измерений перемещений. Дана количественная интерпретация интерференционного поля, воспроизведенного лазерным лучом с фотографической высокоразрешающей пластинки ПФГ-04.