RU2085838C1

RU2085838C1 - Method of determination of relief of object

Info

Publication number: RU2085838C1
Authority: RU
Inventors: Сергей Алексеевич Александров; Леонид Викторович Танин
Original assignee: Сергей Алексеевич Александров
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: instrumentation, contactless unambiguous determination of relief of surface of reflecting and phase objects. SUBSTANCE: examined object is placed into chamber with optically active medium and is illuminated with linearly polarized wave. Value and direction of relief of object are determined by value and direction of angle of turn of polarization plane of object wave for which measurement analyzer is used. EFFECT: increased accuracy of determination thanks to diminished influence of external effects and enhanced resolving power, expanded functional capabilities thanks to determination of direction of relief, simplification of method due to use of one illuminating wave with decreased requirements for coherence. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение для бесконтактного однозначного определения рельефа поверхности отражающих и фазовых объектов. The invention relates to instrumentation and may find application for contactless unambiguous determination of the surface topography of reflective and phase objects.

Известны способы определения рельефа объектов, заключающиеся в том, что формируют два когерентных изображения исследуемого объекта путем изменения параметров освещающих волн, причем по крайней мере одно изображение восстанавливают с голограммы (Кольер Р. Беркхарт К. Лин Л. Оптическая голография. М. Мир, 1973, с. 501-508). Known methods for determining the topography of objects, consisting in the fact that they form two coherent images of the investigated object by changing the parameters of the illuminating waves, and at least one image is restored from the hologram (Collier R. Burkhart K. Lin L. Optical holography. M. Mir, 1973 p. 501-508).

Однако известные способы обладают высокими трудоемкостью и сложностью. However, the known methods have high complexity and complexity.

Известен способ определения рельефа объектов, заключающийся в том, что освещают исследуемый объект когерентной световой волной и измеряют распределение интенсивности в полученном изображении (Бакут П.А. и др Теория когерентных изображений. М. Радио и связь, 1987, с. 199-202). There is a method of determining the topography of objects, which consists in illuminating the studied object with a coherent light wave and measuring the intensity distribution in the resulting image (Bakut P.A. et al. Theory of coherent images. M. Radio and communications, 1987, pp. 199-202) .

Однако известный способ не позволяет определить высоту рельефа исследуемого объекта, с его помощью определяют лишь производную от высоты рельефа. However, the known method does not allow to determine the height of the relief of the investigated object, with it only the derivative of the height of the relief is determined.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ определения рельефа объектов путем проекции полос. Способ заключается в том, что исследуемый объект освещают двумя взаимокогерентными коллимированными волнами, распространяющимися под малым углом друг к другу, определяют изменение разности фаз в анализируемых точках изображения исследуемого объекта относительно исходной точки путем измерения периода интерференционной картины, представляющей собой топограмму исследуемого объекта, по которой и находят высоту рельефа в этих точках (Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М. Мир, 1982, с. 467-468). The closest in technical essence to the claimed technical solution is a method for determining the topography of objects by projecting strips. The method consists in the fact that the studied object is illuminated with two mutually coherent collimated waves propagating at a small angle to each other, the change in the phase difference in the analyzed image points of the studied object relative to the starting point is determined by measuring the period of the interference pattern, which is a topogram of the studied object, according to which find the height of the relief at these points (West Ch. Holographic interferometry. M. Mir, 1982, p. 467-468).

Однако данный способ чувствителен к влиянию внешних воздействий (вибраций, колебаний воздуха и т.д.), не позволяет определять направление рельефа объекта и исследовать рельеф фазовых объектов. However, this method is sensitive to the influence of external influences (vibrations, air vibrations, etc.), it does not allow to determine the direction of the relief of the object and to study the relief of phase objects.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения направления рельефа, обеспечения возможности определения рельефа фазовых объектов и снижения чувствительности к влиянию внешних воздействий в способе определения рельефа объектов, заключающемся в том, что объект освещают коллимированным излучением и измеряют параметры светового поля в анализируемых точках изображения, отличием является то, что предварительно объект помещают в камеру с оптически активной средой, освещают объект линейно поляризованным излучением, а в качестве измеряемого параметра светового поля в анализируемых точках изображения выбирают угол поворота плоскости поляризации излучения относительно исходной точки, по величине и знаку которого находят высоту и направление рельефа объекта. The essence of the invention lies in the fact that to determine the direction of the relief, to enable the determination of the relief of phase objects and to reduce sensitivity to the influence of external influences in the method of determining the relief of objects, which consists in the fact that the object is illuminated with collimated radiation and the parameters of the light field are measured at the analyzed image points, the difference is that previously the object is placed in a camera with an optically active medium, the object is illuminated with linearly polarized radiation, and as e measured light field parameter in the monitored points of the image is selected the rotation angle of the plane of polarization of the radiation relative to the original point, the magnitude and sign of which are the direction and height of the relief of the object.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Объект помещают в камеру, содержащую оптически активную среду и освещают линейно поляризованным излучением. К оптически активным средам относятся, например, скипидар, никотин, растворы сахара и другие органические соединения, пары натрия и т.д. Пусть направление наблюдения будет перпендикулярно стенке камеры и составляет с направлением освещения угол γ (фиг. 1). Разность длин пути в оптически активной среде для лучей, отраженных от точек C и D, принадлежащих объекту, несущего информацию об исследуемом рельефе, будет равна
Dd= CG-AB (1)
так как BP=CG, то

где n показатель преломления среды.The object is placed in a chamber containing an optically active medium and illuminated with linearly polarized radiation. Optically active media include, for example, turpentine, nicotine, sugar solutions and other organic compounds, sodium vapor, etc. Let the observation direction be perpendicular to the chamber wall and make angle γ with the direction of illumination (Fig. 1). The path length difference in an optically active medium for rays reflected from points C and D belonging to an object carrying information about the studied relief will be equal to
Dd = CG-AB (1)
since BP = CG, then

where n is the refractive index of the medium.

Подставив (2) в (1) и учитывая, что CG=Δz искомая высота рельефа в точке D относительно точки C, а также, что при прохождении волной в оптически активной среде расстояния Δd ее плоскость поляризации развернется на угол α=acΔd где a постоянная вращения, c концентрация оптически активной среды, получим:

При выводе формулы принимали, что если анализируемая точка более приближена к наблюдателю, то Dz < 0, и наоборот, если анализируемая точка более удалена, то Δz > 0.Substituting (2) into (1) and taking into account that CG = Δz is the desired elevation of the relief at point D relative to point C, and also that when a wave travels a distance Δd in an optically active medium, its plane of polarization will unfold at an angle α = acΔd where a is a constant rotation, c is the concentration of the optically active medium, we obtain:

When deriving the formula, it was assumed that if the analyzed point is closer to the observer, then Dz <0, and vice versa, if the analyzed point is more distant, then Δz> 0.

Таким образом, измерив в интересующих точках, например в точке D, угол разворота Δα (x, y) плоскости поляризации отраженной волны, определяют высоту рельефа Dz (x, y) в этой точке относительно исходной точки, например, C. Для определения направления рельефа, т.е. приближенности или удаленности анализируемой точки относительно исходной, необходимо знать, правое или левое направление вращения осуществляет используемая оптически активная среда. Если среда "правая", то в формуле (3) необходимо поставить знак "минуc", а если левая "плюс". Определение величины и направления угла поворота плоскости поляризации осуществляют с помощью поляризатора, который в этом случае называют анализатором. Например, для определения величины и направления рельефа в точке D относительно точки C (фиг. 1), в точке C устанавливают некоторое фиксированное (например, максимальное) значение интенсивности путем разворота анализатора. Далее разворачивают анализатор до тех пор, пока эта фиксированная интенсивность не переместится в точку D. Считаем, что используется правовращающая активная среда, т.е. в формуле (3) стоит знак "минус". Поскольку анализатор развернулся по часовой стрелке, то угол поворота Δα будет положительным. Измерив этот угол и подставив в (3), определим величину высоты рельефа Dz (X_D, Y_D). Эта высота получается отрицательной, что свидетельствует о том, что точка D более приближена к плоскости наблюдения, чем точка C.Thus, by measuring at the points of interest, for example, at point D, the rotation angle Δα (x, y) of the plane of polarization of the reflected wave, determine the relief height Dz (x, y) at this point relative to the starting point, for example, C. To determine the direction of the relief , i.e. the proximity or remoteness of the analyzed point relative to the initial one, it is necessary to know whether the optically active medium used is the right or left direction of rotation. If the environment is “right”, then in the formula (3) you must put a “min” sign, and if the left is a “plus”. The determination of the magnitude and direction of the angle of rotation of the plane of polarization is carried out using a polarizer, which in this case is called an analyzer. For example, to determine the magnitude and direction of the relief at point D relative to point C (Fig. 1), a certain fixed (for example, maximum) intensity value is set at point C by turning the analyzer. Next, the analyzer is deployed until this fixed intensity moves to point D. We assume that a dextrorotatory active medium is used, i.e. in the formula (3) there is a minus sign. Since the analyzer turned clockwise, the rotation angle Δα will be positive. By measuring this angle and substituting in (3), we determine the relief height Dz (X _D , Y _D ). This height is negative, which indicates that point D is closer to the observation plane than point C.

При исследовании рельефа фазовых объектов, если они однородны и имеют плоскость симметрии, перпендикулярную падающему излучению, формула (3) принимает вид

Но в этом случае, при использовании правовращающей активной среды, в (4) необходимо поставить знак "плюс", а левовращающей "минус". Процесс определения высоты и направления рельефа фазового объекта аналогичен описанному выше.When studying the relief of phase objects, if they are homogeneous and have a plane of symmetry perpendicular to the incident radiation, formula (3) takes the form

But in this case, when using a dextrorotatory active medium, it is necessary to put a plus sign in (4), and a minus sign for levorotatory. The process of determining the height and direction of the relief of a phase object is similar to that described above.

В качестве примера рассмотрим осуществление заявляемого способа для фазовых объектов с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на фиг. 2. Устройство содержит источник 1, коллимирующий объектив 2, поляризатор 3, камеру 4 с оптически активной средой, анализатор 5. As an example, we consider the implementation of the proposed method for phase objects using a device, the circuit diagram of which is presented in FIG. 2. The device contains a source 1, a collimating lens 2, a polarizer 3, a camera 4 with an optically active medium, an analyzer 5.

Исследуемый объект А помещают в камеру 4 с оптически активной средой, освещают коллимированным линейно поляризованным излучением с помощью источника света 1, коллимирующего объектива 2 и поляризатора 3. Величину и знак угла поворота плоскости поляризации прошедшей через исследуемый объект А световой волны в анализируемых точках измеряют с помощью анализатора 5. Высоту и направление рельефа исследуемого фазового объекта в случае, если этот объект однороден и имеет плоскость симметрии, перпендикулярную падающему излучению, определяют по формуле (4). При этом в отличие от известных интерференционных методов результат не зависит от величины показателя преломления исследуемого фазового объекта. Стенки камеры с активной средой также не влияют на результат измерений. The object A to be studied is placed in a chamber 4 with an optically active medium, illuminated by a collimated linearly polarized radiation using a light source 1, a collimating lens 2 and a polarizer 3. The magnitude and sign of the angle of rotation of the plane of polarization of the light wave transmitted through the object A under study is measured at the analyzed points using analyzer 5. The height and direction of the relief of the investigated phase object in case this object is homogeneous and has a plane of symmetry perpendicular to the incident radiation is determined by formula is (4). In this case, in contrast to the known interference methods, the result does not depend on the value of the refractive index of the investigated phase object. The walls of the chamber with the active medium also do not affect the measurement result.

Таким образом, заявляемый способ позволяет определить величину и направление рельефа отражательных и фазовых объектов, повысив точность измерений. Thus, the inventive method allows to determine the magnitude and direction of the relief of reflective and phase objects, increasing the accuracy of measurements.

Claims

The method for determining the relief of an object, which consists in illuminating the object with collimated radiation and measuring the parameters of the light field at the analyzed image points, characterized in that, in order to expand the class of controlled objects, to increase the information content and accuracy of determination, the object is preliminarily placed in a camera with optically active medium, the object is illuminated with linearly polarized radiation, and the angle of rotation of the plane is chosen as the measured parameter of the light field at the analyzed image points and the polarization of the radiation relative to the origin, the magnitude and sign of which determine the height and direction of the relief of the object.