RU2276355C1 - Устройство распознавания внутренних неоднородностей объекта - Google Patents

Abstract

Использование: для распознавания внутренних неоднородностей объекта. Сущность: заключается в том, что устройство содержит оптически последовательно связанные источник света, коллиматор, пластинку из фотоупругого вещества, анализатор света, объектив и экран, при этом источником света является лазер, пластинка из фотоупругого вещества помещена в установленный в оптический тракт между коллиматором и анализатором света интерферометр Фабри-Перо под углом Брюстера относительно направления светового потока и ортогонально относительно направления распространения ультразвуковых колебаний объемного ультразвукового резонатора, выполненного из оппозитно расположенных идентичных первой и второй пьезоэлектрических пластин с помещенным между ними исследуемым объектом в виде плоскопараллельной пластины, имеющим внутренние неоднородности и установленным между первой пьезоэлектрической пластиной и пластинкой из фотоупругого вещества, причем последняя установлена в плоскости узлов стоячей ультразвуковой волны для ее фоновой компоненты, кроме того, устройство включает последовательно электрически соединенные высокочастотный генератор, аттенюатор и фазовращатель, при этом выход высокочастотного генератора дополнительно подключен к первой пьезоэлектрической пластине, а выход фазовращателя - ко второй. Технический результат: увеличение чувствительности регистрации наличия и дислокации, а также конфигурации распределения внутренних неоднородностей в многослойных плоских структурах, содержащих слои металла, диэлектриков (кристаллов) и другого рода непрозрачных покрытий при условии квазиоднородности каждого из таких слоев по толщине и физическим свойствам. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области физической оптики и акустоэлектронике и может быть использовано для контроля качества многослойных плоских пластин на предмет выявления дислокации и формы внутренних неоднородностей в таких объектах путем визуализации неоднородностей в видимом свете.

Известны способы и устройства ультразвуковой интроскопии различного рода неоднородностей внутри различного рода объектов (например, раковин, трещин, посторонних примесей), использующие принципы ультразвуковой локации. Такие способы и устройства обычно оперируют с однородными по составу вещества объектами. Известны также методы ультразвуковой голографии для визуализации, например, донной поверхности моря или подводных лодок, батискафов и т.д., когда речь не идет о внутреннем строении исследуемого объекта, а лишь регистрируется внешний его вид (см. Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л.Д.Розенберга, т.1-3, М., 1967-70). Наконец, известны устройства ультразвуковой томографии, которая дает пространственное распределение параметров распространения ультразвука - коэффициента затухания или его скорости, и при этом исследуемое сечение объекта прозвучивается многократно в различных направлениях, а информация о координатах прозвучивания и об ответных сигналах обрабатывается на ЭВМ, в результате чего на экране дисплея отображается реконструируемая томограмма соответствующего среза ткани того или иного органа. В последнем случае процесс обработки информации весьма сложен, томографические исследования, если речь идет о медицинских применениях, внутренней структуры тканей различных органов, весьма дороги и уникальны, требуют весьма сложного оборудования (см. И.Матаушек, Ультразвуковая техника, М., 1962; Руководство по ультразвуковой диагностике, Таш., 1969).

В технике создания многослойных печатных плат для различных функциональных применений микроэлектроники (многослойных микросхем высокой и сверхвысокой степени интеграции), при разработке многослойных акустоэлектронных приборов, например дисперсионных линий задержки, содержащих слои металла, акустопроводящих кристаллов и диэлектрических покрытий, проверка однородности таких многослойных образований представляет интерес для оценки ожидаемого качества изделий на основе таких заготовок. Большая разнородность материалов в слоях таких многослойных структур не позволяет использовать методы ультразвуковой интроскопии (локации), поскольку отражение от металлического слоя намного сильнее отражений от неметаллических неоднородностей, и последние практически становятся невидимыми на основе известных методов измерения. Применение в этом случае томографических устройств неоправданно дорого и требует их перепрофилирования под конкретные задачи микроэлектроники.

Сочетание методов акустоэлектроники и физической оптики позволяет решать различные задачи, связанные, например, с исследованием натяжений в различных частях механических объектов, распределения нагрузок в сложных трудно рассчитываемых конструкциях на основе использования эффекта фотоупругости, обнаруженного Брюстером в 1816 году и состоящего в том, что прозрачные изотропные вещества становятся анизотропными, если они подвергаются механическим натяжениям, что рассматривается в теории дифракции света на ультразвуковых волнах с учетом изменения эллипсоида Френеля кристалла под действием механических напряжений в нем (см. М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, М., Наука, 1970, стр.654-669). Фотоупругость описывается тензором 4-го ранга и в общем случае характеризуется 36 компонентами. Фотоупругость наблюдается не только в кристаллах, но и в изотропных телах. Фотоупругие материалы (стекла, полимеры и кристаллы) используются, как указывалось выше, при моделировании распределения механических напряжений в деталях сложной формы, а также для модуляции частоты излучения лазера с помощью различных акустооптических устройств. Эффективными фотоупругими материалами являются халькогенидные стекла и кристаллы а-HIO₃, TeO₂.

Так, если пучок света сформировать в виде плоской волны, пропустить его последовательно через поляризатор света, образец-пластинку из фотоупругого вещества и анализатор света, скрещенный относительно плоскости поляризации света, создаваемой поляризатором, то с помощью объектива можно сфокусировать на экран изображение указанной пластинки в случае, если она будет испытывать местное натяжение, то есть когда в пластинке или в ее отдельных участках (дифференциальных объемах) будет возникать оптическая анизотропия. При отсутствии механических натяжений в такой пластинке скрещенные поляризатор и анализатор плоскую волну света не пропускают, и экран остается темным. Если образец подвергается натяжению (сжатию или растяжению), то свет начнет проходить через указанную систему. Как установлено, оси эллипсоида диэлектрической проницаемости ε в подвергнутом деформации образце совпадают с направлениями главных напряжений. Если n_P и n_Q - показатели преломления при направлениях D, параллельных главным напряжениям Р и Q в любой точке, то n_P-n_Q=С(Q-Р), где С - упругооптическая постоянная, величина которой существенно зависит от свойств вещества, используемого в качестве образца (см. Акустические кристаллы, справочник под ред. М.П.Шаскольской, М., Наука, 1982). При использовании монохроматического света и при увеличении натяжения в образце интенсивность проходящего света в рассматриваемой системе достигает максимума при условии, что соблюдается условие: (n_P-n_Q)d=λ/2, где d - толщина пластинки из фотоупругого вещества, λ - длина волны света. Для различных веществ упругооптическая постоянная изменяется в пределах 10^-13-10^-10 см²/дин, причем вещества могут быть как кристаллическими, так и пластичными, как, например, целлулоид. Оптическую анизотропию имеют также и жидкости, в которых могут образовываться некоторые области, обладающие кристаллическими свойствами, когда жидкость образует тонкий слой с толщиной, соизмеримой с длиной молекулярной цепочки таких жидкостей, и в этом случае образуются стабильные жидкие кристаллы (М.В.Волькенштейн, Молекулярная оптика, М.-Л., Гостехиздат, 1951).

Основными излучателями ультразвука в диапазоне средних частот от 100 кГц до 10 МГц являются электромеханические - магнитострикционные и пьезокварцевые. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания указанных излучателей на их собственной частоте. Предельная интенсивность излучения ультразвуковых излучателей определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями их использования. Диапазон интенсивностей ультразвуковых колебаний средних частот чрезвычайно широк. Так, относительно малыми считаются интенсивности от 0,1 Вт/см² до 10-15 Вт/см². Для достижения больших интенсивностей (порядка 100 Вт/см²) используют методы фокусировки совокупности отдельных излучателей, располагаемых по поверхности параболоида, в результате чего в его фокусе образуется сильное ультразвуковое поле, и с помощью акустических линз такое поле может быть превращено в квазиплоское волновое поле повышенной интенсивности (см. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; И.Г.Михайлов, В.А.Соловьев, Ю.П.Сырников, Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У.Мэзона, Р.Терстона, пер. с англ., т.1-7, М., 1966-74; Р.Труэлл, Ч.Эльбаум, Б.Чик, Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер с англ., М., 1972; Ультразвуковая технология, под ред. Б.А.Агранта, М., 1974).

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемому техническому решению может быть взято устройство для исследования фотоупругого эффекта (см. Р.Дитчберн, Физическая оптика, М., Наука, стр.491-495, рис.16.29а). Это устройство содержит последовательно оптически связанные источник света, коллиматор, создающий плоскую световую волну, поляризатор (николь), исследуемую пластинку из фотоупругого вещества, анализатор света (скрещенный николь), объектив и экран. Эта комбинация известного технического решения используется при решении поставленной задачи, которую устройство-прототип не решает (при этом прототип выбран по большинству совпадающих элементов в известном и заявляемом техническом решении, а не по близости характеров решаемых задач).

Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении, содержащем оптически последовательно связанные источник света, коллиматор, пластинку из фотоупругого вещества, анализатор света, объектив и экран, и отличающимся тем, что источником света является лазер, пластинка из фотоупругого вещества помещена в установленный в оптический тракт между коллиматором и анализатором света интерферометр Фабри-Перо под углом Брюстера относительно направления светового потока и ортогонально относительно распространения ультразвуковых колебаний объемного ультразвукового резонатора, выполненного из оппозитно расположенных идентичных первой и второй пьезоэлектрических пластин с помещенным между ними исследуемым объектом, установленным между первой пьезоэлектрической пластиной и пластинкой из фотоупругого вещества, причем последняя установлена в плоскости узлов стоячей ультразвуковой волны для ее фоновой компоненты, кроме того, устройство включает последовательно электрически соединенные высокочастотный генератор, аттенюатор и фазовращатель, при этом выход высокочастотного генератора дополнительно подключен к первой пьезоэлектрической пластине, а выход фазовращателя - ко второй.

Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении благодаря эффекту накопления с помощью интерферометра Фабри-Перо малых фазовых сдвигов на неоднородностях в исследуемом объекте, перенесенных ультразвуковой волной на анизотропию в соответствующих дифференциальных объемах среды пластинки из фотоупругого вещества, а также за счет установки этой пластинки в плоскость узлов ультразвуковой стоячей волны для ее фоновой компоненты, вследствие чего исключается воздействие последней на величину отношения сигнал/шум в процедуре распознавания внутренних неоднородностей исследуемого объекта. Взаимное расположение светового и ультразвукового потоков, в центре пересечения которых создается настройками аттенюатора и фазовращателя плоскость узлов стоячей ультразвуковой волны, определяется углом Брюстера, под которьм пластинка из фотоупругого вещества установлена по световому потоку в интерферометре Фабри-Перо, что существенно снижает потери в последнем и увеличивает число эффективных переотражений в нем, то есть число накоплений малых вариаций анизотропии, увеличивая тем самым полезную светоотдачу на выходе анализатора света.

Заявляемое устройство понятно из представленных фиг.1-3.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства распознавания. Устройство состоит из лазера 1, например, газового гелий-неонового непрерывного действия, создающего плоскополяризованное излучение с длиной волны λ=0,63 мкм, коллиматора из окуляра 2 и объектива 3, создающего плоскую волну требуемого поперечного сечения, первого отражателя 4 (в действительности его может не быть, указан для удобства чтения фигуры), интерферометра Фабри-Перо из двух плоских полупрозрачных зеркал 5 и 6 с многослойными диэлектрическими покрытиями, пластинки из фотоупругого вещества 7, например, на основе тонкого жидкокристаллического слоя, анализатора света 8 (николя, скрещенного по поляризации относительно поляризации лазерного излучения, поэтому в системе отсутствует поляризатор), объектива 9, длиннофокусного по сравнению с величиной проекции рабочей длины пластинки из фотоупругого вещества 7 на оптическую ось интерферометра Фабри-Перо, при этом центр указанной пластинки совмещен с двойным фокусным расстоянием объектива 9, второго отражателя 10 (его также может не быть в действительности), экрана 11, на котором возникает видимое изображение внутренней неоднородности исследуемого объекта 12 из многослойной структуры с однородными слоями постоянной по сечению толщины из разнородных по физическим свойствам материалов, первой 13 и второй 14 пьезоэлектрических пластин, полностью идентичных (по резонансной частоте и геометрическим размерам рабочего излучающего сечения) и взаимно параллельных и оппозитно друг по отношению к другу расположенных, образующих ультразвуковой объемный резонатор, высокочастотный генератор 15, возбуждающий ультразвуковые продольные колебания внутри ультразвукового резонатора с помощью первой и второй пьезоэлектрических пластин 13 и 14, аттенюатор 16 для регулировки амплитуды и фазовращатель 17 для регулировки фазы ультразвуковой волны, излучаемой второй пьезоэлектрической пластиной 14.

На фиг.2 изображен фрагмент ультразвукового резонатора с включенными в него исследуемым объектом и пластинкой из фотоупругого вещества, даны эпюры амплитудных распределений ультразвуковой волны - бегущей и стоячей, указано помещение пластинки из фотоупругого вещества в плоскость узлов стоячей волны для ее фоновой компоненты, показана внутренняя неоднородность исследуемого объекта (жирной черточкой).

На фиг.3 рассматривается плоскость узлов стоячей волны - плоскость равных фаз (условно нулевых) для ультразвуковых парциальных потоков, соотнесенных к тем площадкам исследуемого объекта, в которых отсутствует неоднородность, а также показан пример фазового возмущения (отклонения от нулевой фазы на данной плоскости), возникшего из-за наличия в определенном месте исследуемого объекта соответствующей конфигурации неоднородности, не видимой снаружи.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

С помощью высокочастотного генератора 15, вырабатывающего электрические колебания частоты f с требуемой амплитудой и стабильностью, возбуждаются встречно направленные ультразвуковые колебания в объемном ультразвуковом резонаторе, образованном первой и второй плоскими пьезоэлектрическими пластинами 13 и 14 (по аналогии с резонатором интерферометра Фабри-Перо). Эти колебания образуют две плоские волны необходимого поперечного сечения, соизмеримого с рассматриваемым рабочим сечением исследуемого объекта 12 в виде плоской пластины с многослойной структурой, помещенного ортогонально оси ультразвукового резонатора (на фиг.1 эта ось показана штрих-пунктирной линией). В первом приближении, учитывая значительные потери ультразвуковой волны, распространяющейся от первой пьезоэлектрической пластины 13, в исследуемом объекте 12 и его акустическую согласованность по входному импедансу с падающей на него ультразвуковой волной, можно считать, что в пространстве между первой пьезоэлектрической пластиной 13 и исследуемым объектом 12 образуется бегущая ультразвуковая волна с амплитудой A₁ на входной для этой волны поверхности исследуемого образца 12. Если при этом полагать, что амплитудное затухание этой волны на выходной поверхности исследуемого образца равно η, то для образования режима стоячей ультразвуковой волны в промежутке между исследуемым объектом 12 и второй пьезоэлектрической пластиной 14 амплитуда ультразвуковых колебаний на выходе последней должна быть уменьшена до величины А₂=ηA₁, и эту задачу выполняет аттенюатор 16 (с плавной регулировкой), ослабляющий амплитуду электрических колебаний высокочастотного генератора, возбуждающих вторую пьезоэлектрическую пластину 14.

При фиксированном пространственном размещении плоской пластинки из фотоупругого вещества 7 ортогонально оси ультразвукового резонатора необходимо обеспечить ее совмещение с плоскостью узлов стоячей волны для ее фоновой компоненты. Поясним это обстоятельство подробнее. Поскольку излучаемые ультразвуковые волны являются плоскими в рабочем их сечении (теория дифракции, строго говоря, отрицает существование строго плоских волн неограниченного поперечного сечения), соизмеримым с сечением рабочего участка исследуемого образца 12 (или его соответствующей части!), то сложение встречно направленных двух одинаковых по частоте ультразвуковых пучков плоских (в заданном рабочем сечении!) волн образует стоячую волну с неизменным во времени для стационарной задачи распределением пучностей и узлов такой стоячей волны относительно оси резонатора. Фактор плоскостности складываемых ультразвуковых волн обеспечивает нахождение всех узлов стоячей волны для парциальных составляющих пучков волн в одной плоскости, ортогональной оси резонатора. В случае многомодовости образования стоячей волны число таких плоскостей может быть весьма велико, поскольку расстояние между смежными плоскостями расположения узлов стоячей волны равно v/2f, где v - скорость распространения ультразвуковой волны в среде образования стоячей волны. Так, при выборе достаточно высокой частоты f, например в несколько мегагерц, число мод стоячей волны может быть порядка нескольких сотен или тысяч (при v=500 м/с и f=2,5 МГц получаем v/2f=10^-4 м=0,1 мм, и при расстоянии между исследуемым объектом 12 и второй пьезоэлектрической пластиной 14, равном 50 мм, число таких плоскостей узлов стоячей волны достигает 500). Это, во-первых, указывает на необходимость весьма точного размещения пластинки из фотоупругого материала по длине ультразвукового резонатора (чтобы вместо плоскости узлов не попасть, наоборот, в плоскость пучностей стоячей волны), и эта точность составляет менее 10% от половины междумодового интервала в расположении смежных плоскостей узлов стоячей волны. Во-вторых, угловое положение пластинки из фотоупругого материала 7 относительно плоскости узлов стоячей волны, то есть отклонение пластинки от ее строго ортогонального положения относительно оси ультразвукового резонатора также должно юстироваться с высокой точностью, чтобы краевые зоны этой пластинки не выходили за пределы допустимого разброса установки пластинки по длине оси резонатора (в указанном выше 10%-ном пределе). И наконец, в-третьих, толщина самой рабочей части пластинки из фотоупругого вещества должна быть также не более 0,1 v/2f (что в случае использования жидких кристаллов легко обеспечивается). Следует, однако, заметить, что снижение толщины пластинки из фотоупругого вещества 7 приводит к линейному уменьшению интегрального эффекта от возникающей анизотропии соответствующих ее дифференциальных объемов под действием ультразвукового поля, создающего в этих дифференциальных объемах фотоупругого вещества механические натяжения. Так что выбор толщины этой пластинки и вещества с фотоупругими свойствами необходимо производить, исходя из компромиссных соображений между выполнением требуемой точности совмещения пластинки с плоскостью узлов стоячей волны и обеспечением необходимой эффективности интегральной анизотропии в фотоупругом веществе пластинки, поскольку выполнение этих двух важных требований взаимно противоречиво.

Учитывая сказанное выше, ясно, что пластинка из фотоупругого вещества 7 должна быть жестко зафиксирована в устройстве относительно ультразвукового резонатора, чтобы сохранялась ортогональность ее ориентации относительно оси резонатора. Тогда выполнение задачи совмещения этой пластинки с плоскостью узлов стоячей волны легко осуществляется регулировкой фазы электрических колебаний, воздействующих на вторую пьезоэлектрическую пластину 14, с помощью фазовращателя 17. Изменение в нем фазы электрических колебаний, как нетрудно понять, приводит к пространственному перемещению вдоль оси ультразвукового резонатора плоскостей пучностей и узлов стоячей волны, что и позволяет получить указанное совмещение путем перемещения плоскости узлов стоячей волны относительно фиксированного положения пластинки из фотоупругого вещества 7.

На фиг.2 представлен фрагмент устройства - ультразвуковой резонатор из первой и второй пьезоэлектрических пластин 13 и 14 с установленными в резонатор исследуемым многослойным объектом 12 с содержащейся внутри него неоднородностью и пластинкой из фотоупругого вещества 7, размещенной в плоскости узлов стоячей волны. Пунктирными линиями изображены амплитудные распределения ультразвуковых волн вдоль оси резонатора.

Указанные регулировки амплитуды и фазы электрических колебаний, возбуждающих вторую пьезоэлектрическую пластину 14, с помощью аттенюатора 16 и фазовращателя 17 могут быть (и должны!) всякий раз осуществляться при замене или каком-либо перемещении исследуемого объекта 12 в ультразвуковом резонаторе, что очевидно. Эти регулировки обеспечивают получение в необходимом месте установки пластинки из фотоупругого вещества 7 совмещения ее с плоскостью узлов стоячей волны для ее фоновой компоненты. Расшифруем это понятие подробнее. Фоновой будет считаться компонента плоской ультразвуковой волны, проходящая от первой пьезоэлектрической пластины 13 через те однородные послойно части исследуемого объекта, которые не содержат выявляемую внутреннюю неоднородность. При этом если исследуемый объект 12 не содержит вообще каких-либо неоднородностей, плоскость узлов чисто стоячей волны представляет собой некоторое сечение, волновая поверхность которого (плоская) есть поверхность с постоянной фазой, принимаемой условно за нулевую фазу. При этом нигде на поверхности пластинки из фотоупругого вещества не возникнет анизотропии, поскольку на всей ее поверхности будут отсутствовать механические натяжения, которые от узлов стоячей волны не могут быть созданы. Таким образом, в задачу регулировки амплитуды и фазы электрических колебаний, подводимых ко второй пьезоэлектрической пластине 14, входит практическое получение минимальной фоновой засветки экрана 11 по всей его поверхности. При этом неустраненная засветка экрана 11 в какой-то его части будет свидетельствовать о наличии неоднородности внутри (равно как и снаружи) исследуемого объекта, а также укажет на дислокацию и конфигурацию этой невидимой неоднородности.

На фиг.3 представлена плоскость узлов стоячей волны для ее фоновой компоненты, где условно нулевые фазы φ(X,Y)=const везде на плоскости, кроме некоторой ее области, где фаза отличается от нулевой, то есть в этом участке пластинки из фотоупругого вещества 7 имеет место действие механических напряжений от ультразвуковой волны, поскольку на этом участке возникает некоторый сдвиг узлов стоячей волны в ту или другую сторону вдоль оси ультразвукового резонатора на ту или иную величину, определяемую степенью неоднородности, находящейся в исследуемом объекте 12.

Сформированная на пластинке из фотоупругого вещества 7 картина распределения анизотропии, возникшей из-за соответствующего распределения неоднородностей внутри исследуемого объекта 12, взаимодействует с плоской поляризованной световой волной лазера 1 внутри интерферометра Фабри-Перо с полупрозрачными плоскими отражателями 5 и 6. Те участки пластинки из фотоупругого вещества 7, которые не были подвержены действию ультразвукового поля стоячей волны, сохраняют свою исходную изотропность, следовательно, не преобразуют поляризацию проходящих через эти участки пластинки световых волн, и такие световые волны не пропускаются анализатором света 8, который скрещен по отношению к поляризации излучения лазера 1, то есть не образуют на экране какой-либо освещенности в местах экрана 11, соответствующих указанным местам на пластинке из фотоупругого вещества 7. Объектив 9 проецирует на экран элементы поверхности пластинки 7 с достаточной для практического наблюдения достоверностью по глубине резкости при выполнении условия малости величины проекции рабочей части пластинки из фотоупругого вещества 7 на оптическую ось интерферометра Фабри-Перо по отношению к длине фокусного расстояния объектива 9. Выполнение этого условия элементарно путем выбора длиннофокусного объектива 9. Указанное условие возникает в связи с тем, что пластинка из фотоупругого вещества 7 не ортогональна оптической оси объектива 9, что приводит к аберрациям при изображении такой пластинки, которые, однако, невелики при выполнении указанного условия и не влияют существенно на понимание того, что за неоднородность имеется внутри исследуемого объекта, какова ее пространственная дислокация и конфигурация. Улучшения качества изображения по всему полю зрения можно добиться соответствующим поворотом экрана 11, на который проецируется изображение выявляемой неоднородности, относительно фокальной плоскости объектива 9, что усматривается из фиг.1.

Как отмечалось выше, в тех местах на рабочей части пластинки из фотоупругого вещества 7, где на нее действовало упругое натяжение со стороны ультразвуковой волны, вызванное неоднородностью внутри исследуемого объекта 12, и соответственно этому натяжению возникла оптическая анизотропия, световые волны будут изменять свою поляризацию. Причем за счет работы интерферометра Фабри-Перо, использующего многократные переотражения светового поля от его плоских полупрозрачных отражателей 5 и 6, эффект поляризационной модуляции будет накапливаться пропорционально числу эффективных переотражений в интерферометре Фабри-Перо, увеличивая тем самым светоотдачу на выходе анализатора света 8, то есть увеличивая яркость засветки на экране 11 тех мест внутри исследуемого объекта, где имеется неоднородность. Эффект накопления светового поля с модулированной поляризацией, реализуемый с помощью интерферометра Фабри-Перо, позволяет увеличить чувствительность заявляемого технического решения задачи выявления малых неоднородностей внутри исследуемого объекта путем повышения отношения сигнал/шум, понимая под сигналом силу света, возникшего из-за действия неоднородностей, а под шумом - силу света фоновой засветки экрана, которая по тем или иным причинам не могла быть устранена путем регулировки аттенюатора 16, фазовращателя 17 и юстировки углового положения пластинки из фотоупругого вещества 7 ортогонально оси ультразвукового резонатора. Фоновая засветка на краях экрана может возникнуть из-за неплоскостности ультразвуковых волн в резонаторе за счет явлений дифракции. Последнее лишь ограничивает величину рабочего сечения, внутри которого обеспечивается удовлетворительная работа по визуализации внутренних неоднородностей исследуемого объекта 12. Уменьшение рабочего сечения просматриваемой части исследуемого объекта вызывает необходимость сканирования этого объекта внутри ультразвукового резонатора вдоль координатных осей Х и Y, что всякий раз потребует дополнительной регулировки уровня амплитуды и значения фазы электрических колебаний высокочастотного генератора 15 с помощью соответственно аттенюатора 16 и фазовращателя 17 для обеспечения условия получения чисто стоячей волны в ультразвуковом резонаторе и совмещения плоскости узлов стоячей волны с фиксированной плоскостью пластинки из фотоупругого вещества 7. Отметим, что получение чисто стоячей волны существенно, поскольку в случае смешанной ультразвуковой волны будет иметь место значительная мешающая фоновая засветка всего рабочего поля экрана 11.

Увеличению числа эффективных переотражений в интерферометре Фабри-Перо способствует установка последнего относительно пластинки из фотоупругого вещества 7 под углом Брюстера, при котором практически не наблюдается отражение световой волны этой пластинкой (что уменьшило бы световой поток на выходе интерферометра). Такое пространственное рассредоточение оптического и ультразвукового резонаторов также является необходимым требованием выполнения устройства, при котором работа этих резонаторов взаимно независима (они конструктивно и функционально не мешают друг другу), и при этом результаты действия ультразвукового резонатора переносятся на результаты действия оптического, вследствие чего осуществляется световая визуализация ультразвукового изображения, непосредственно не наблюдаемого органами зрения человека. Отметим, что при работе интерферометра Фабри-Перо с включенной в его состав пластинкой из фотоупругого вещества 7, необходимо, чтобы последняя была плоскопараллельной, что обеспечивает многократное прохождение переотражающихся в интерферометре Фабри-Перо парциальных световых пучков через одни и те же участки этой пластинки (без сдвига), накапливая последовательно поляризационные изменения световой волны, проходящей через такие участки пластинки.

В заявляемом техническом решении операции по увеличению отношения полезный сигнал/шум (фоновая засветка) осуществляются в три этапа. На первом этапе этому способствует размещение пластинки из фотоупругого вещества 7 в плоскости узлов стоячей волны для ее фоновой компоненты. На втором этапе эту задачу выполняет интерферометр Фабри-Перо как накопитель полезной информации о неоднородностях, а на третьем - анализатор света 8, скрещенный к поляризации излучения лазера 1.

Представляет существенно важный интерес рассмотреть вопрос о выборе частоты ультразвуковых колебаний f с учетом требуемого пространственного разрешения конфигурации внутренних неоднородностей исследуемого объекта и с учетом возможности выполнения условия (n_P-n_Q)d≤v/2f, притом, что (n_P-n_Q)=С(Q-Р).

Если задано пространственное разрешение визуализации числом воспроизводимых точек (пикселей) на единицу длины рабочего поля исследуемого объекта г, например r=5 точек на 1 мм, то есть r=5.10³ м^-1 в центре рабочего поля, то при скорости ультразвуковой волны в заданной среде v=500 м/с согласно теории дифракции получаем значение частоты ультразвуковых колебаний f=1,22 r v/2=0,61·5000·500=1525000 Гц = 1,52 МГц. Это значение частоты достаточно для выявления конфигурации неоднородности (и ее дислокации) с указанной разрешающей способностью.

С другой стороны, для выявления самого факта наличия неоднородности необходимое значение частоты f определяется из условия возникающей анизотропии вещества пластинки 7 в соответствующем ее участке с учетом упругооптического коэффициента С для данного фотоупругого вещества, действующих натяжений (Q-Р) и толщины d пластинки из такого фотоупругого вещества. Из этого следует, что обеспечение условий визуализации неоднородностей может достигаться не только за счет увеличения частоты f ультразвуковых колебаний, но также за счет увеличения амплитуды ультразвукового поля, зондирующего исследуемый образец 12, а также соответственно и саму пластинку из фотоупругого вещества 7. Фазовый набег в ультразвуковой волне, проходящей через неоднородность Δφ=2πn_Ht_Hf/v, где n_H и t_H - средний показатель преломления и толщина неоднородности в направлении распространения ультразвуковой волны. Так, если принять величины n_H=2 и t_H=10 мкм = 10^-5 м, и так, чтобы набег фазы на неоднородности был не хуже 0,1 π/2, при скорости волны на неоднородности V=2000 м/с, то получаем необходимое значение частоты f≥0,025 v/n_H t_H=2,5·10^-6 Гц=2,5 МГц. Если учесть коэффициент эффективных переотражений К_эфф в интерферометре Фабри-Перо, величина которого может быть легко получена порядка 10, то становится ясным, что рассчитанное выше значение частоты f, необходимое для выявления факта наличия указанной неоднородности в исследуемом объекте, оказывается приблизительно на порядок ниже достаточного значения частоты, рассчитанной исходя из ее оценки по критерию пространственной разрешающей способности определения конфигурации (и дислокации) неизвестной неоднородности внутри исследуемого объекта. С учетом работы интерферометра Фабри-Перо при толщине неоднородности порядка 1 мкм необходимое и достаточное значения частот высокочастотного генератора 15 для визуализации неоднородности в рассмотренном выше примере приблизительно уравниваются и имеют порядок 1,5 МГц.

Приведенные оценки возможности практического осуществления заявляемого технического решения выявления внутренних неоднородностей многослойно-однородных плоских объектов и определения дислокации и конфигурации (рисунка) неоднородностей в наглядном зрительном представлении в световом поле с высокой чувствительностью и достаточной достоверностью процедуры распознавания позволяют сделать вывод о перспективности практического использования в различных областях техники и научного эксперимента данного устройства и его модификаций, основанных на принципе перенесения ультразвуковой картины возмущений фотоупругого вещества на оптические образы с фильтрацией фоновых засветок, мешающих выявлению полезного изображения, путем выделения из совокупной ультразвуковой картины только тех ее компонент, которые ответственны за выявленную дислокацию неоднородностей и их конфигурацию внутри исследуемого объекта, а также путем процесса накопления полезной информации использованием многолучевой интерференции и гашения неинформационной составляющей поляризованного светового поля в анализаторе света, скрещенном по отношению к этой поляризации.

Возможной модификацией рассмотренного устройства использование голографиического принципа формирования изображения, при котором коллинеарно складываются два когерентных световых потока в двулучевом интерферометре Жамена - предметный, прошедший через пластинку из фотоупругого вещества 7, и опорный, немодулированный, в результате чего на растровом гетеродинном фотоприемнике или на экране формируется интерферограмма, повторяющая конфигурацию выявляемой внутренней неоднородности исследуемого объекта. При этом гетеродинный фотоприемник должен быть выполнен в виде сканирующего приемное поле точечного фотоприемника (наподобие видикона) либо в виде многоэлементной матрицы с многоканальной параллельной обработкой.

В связи со значительными величинами затухания ультразвуковых волн среднего диапазона частот в газовой или воздушной средах желательно использовать звукопроводящие среды с малыми затуханиями, к числу которых относятся жидкости, а также твердотельные звукопроводы. В том случае, когда замена воздушной среды внутри ультразвукового резонатора по той или иной причине не допускается, приходится соответственно увеличивать интенсивность генерируемых ультразвуковых колебаний.

Следует указать на особенность действия заявляемого устройства: в том случае, если внутри исследуемого объекта имеется несколько взаимно перекрывающихся по направлению зондирующей его ультразвуковой волны неоднородностей, то на экране возникнет совокупный образ конфигураций этих неоднородностей, наложенных друг на друга, что, однако, позволит выделить их друг от друга по различию освещенностей в соответствующих частях такой совокупной картины, если число перекрывающихся изображений не слишком велико, например, при наложенных двух неоднородностей, принадлежащих разным слоям многослойно-однородной структуры исследуемого плоского образца. Но при этом нельзя будет определить, какому из этих слоев принадлежит та или иная неоднородность, если только все они являются сугубо внутренними, невидимыми.

Основным ограничением в применении заявляемого устройства является недостаточная величина упругооптической постоянной большинства известных веществ, что стимулирует поиск новых соединений, чувствительных к действию упругих УЗ-волн.

Заявляемое техническое решение может быть использовано, в частности, в микроэлектронике в качестве устройства для экспресс-анализа нарушений структуры многослойных подложек СБИС и акустоэлектронных модулей (фильтров, дисперсионных линий задержки и др. на поверхностных акустических волнах). Экспериментальный образец такого устройства может быть изготовлен и испытан в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе или во ФГУП ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова" (Санкт-Петербург), а также в институте прикладной физики РАН (Москва) и других организациях.

Claims (1)

1. Устройство распознавания внутренних неоднородностей объекта, содержащее оптически последовательно связанные источник света, коллиматор, пластинку из фотоупругого вещества, анализатор света, объектив и экран, отличающееся тем, что источником света является лазер, пластинка из фотоупругого вещества помещена в установленный в оптический тракт между коллиматором и анализатором света интерферометр Фабри-Перо под углом Брюстера относительно направления светового потока и ортогонально относительно направления распространения ультразвуковых колебаний объемного ультразвукового резонатора, выполненного из оппозитно расположенных идентичных первой и второй пьезоэлектрических пластин с помещенным между ними исследуемым объектом в виде плоскопараллельной пластины, имеющим внутренние неоднородности и установленным между первой пьезоэлектрической пластиной и пластинкой из фотоупругого вещества, причем последняя установлена в плоскости узлов стоячей ультразвуковой волны для ее фоновой компоненты, кроме того, устройство включает последовательно электрически соединенные высокочастотный генератор, аттенюатор и фазовращатель, при этом выход высокочастотного генератора дополнительно подключен к первой пьезоэлектрической пластине, а выход фазовращателя - ко второй.

Images