Например, Бобцов

ФОРМИРОВАНИЕ МУАР-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ ПРИ ДИФРАКЦИИ НА ЩЕЛИ МЕЖДУ КРАЕМ С КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ И ЗЕРКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

69
УДК 531.7.082.5:535.42

В. Н. НАЗАРОВ, А. Н. ИВАНОВ
ФОРМИРОВАНИЕ МУАР-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ ПРИ ДИФРАКЦИИ НА ЩЕЛИ МЕЖДУ КРАЕМ С КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ
И ЗЕРКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Рассматривается модель формирования муар-интерференционных полос при дифракции излучения на щели, образованной между краем объекта, имеющим конечную толщину, и плоской отражающей поверхностью. Выведена зависимость, связывающая толщину края и форму полос.

Ключевые слова: дифракция, муар, измерения.

Введение. Совершенствование методов дифракционного контроля в целях увеличения

их точности и чувствительности возможно, как показано в работах [1—3], при использовании особого распределения фазы входного сигнала на поверхности контролируемого объекта. Один из способов формирования необходимого распределения фазового сигнала — освещение объекта двумя волновыми фронтами, распространяющимися под углом 2 θ , где θ — угол

падения волны на объект [1, 2]. Тогда, в соответствии с теоремой трансляции для преобразования Фурье, изменение формы объекта приведет к появлению разности фаз частотных спектров, формирующихся при дифракции света:

Φ = 2k∆ θ ,

(1)

где k — волновое число, ∆ — смещение оси симметрии объекта.
В случае когда ∆ = f ( y) , т.е. когда ось симметрии объекта смещается в соответствии с
каким-либо законом, разность фаз Φ изменяется пропорционально смещению ∆ . Наложение частотных спектров с разными значениями фазы приводит к появлению муар-интерференционных полос.
Для проверки данного положения были исследованы дифракционные картины на щели между краем объекта, имеющим малую толщину, и плоской отражающей поверхностью. Благодаря делению волнового фронта на зеркале формируются два волновых фронта, распространяющиеся под углом 2 θ . В ходе расчетов было получено выражение, описывающее рас-
пределение амплитуды на щели в дальней области:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

70 В. Н. Назаров, А. Н. Иванов

U (ωx , y ') = Asinc(k ωx a( y) / 2) cos((k ωx a( y) + k ∆a( y) θ) / 2) ,

(2)

где ωx = x′ / z — пространственная частота; a( y) = a0 + ∆a( y) — функция, описывающая из-

менение ширины щели (а) между зеркалом и краем объекта; A = a( y) z λ , y = y ' .

Численное моделирование в соответствии с выражением (2) показало, что при

∆ a ( y) = α y , где α — угол наклон края относительно поверхности зеркала, возникает муар-

интерференционная картина полос равной ширины. Эти результаты были подтверждены экс-

периментально.

Расчет муар-интерференционной картины. С позиции практического применения ме-

тода дифракционного контроля целесообразно рассмотреть формирование муар-интерферен-

ционной картины на щели, образованной краем объекта, имеющим определенную толщину.

В качестве примера рассмотрим обладающий абсолютно поглощающей нижней гранью

объект с прямоугольным краем (рис. 1). В этом случае муар образуется наложением частот-

ных спектров, сформированных при дифракции света на кромках А и В. Так как прямая и от-

раженная волны падают на кромки объекта с разными по знаку углами, то при смещении

кромок между их частотными спектрами появляется фазовый сдвиг, пропорциональный ве-

личине смещения:

Φ = k θ∆a / 2 + k θ∆b / 2 ,

(3)

где ∆ a и ∆ b — смещения кромок А и В.

d

A

a θ

A′

B B′

Рис. 1
Если объект наклонить относительно поверхности зеркала, то вдоль щели возникнет градиент фазы, и в дифракционной картине появится дополнительная система муаровых полос равной ширины.
Схему, приведенную на рис. 1, можно представить как объект типа бипланарная щель [4, 5], образованную кромкой А и изображением кромки В в зеркале (В′). Ширина волнового фронта, проходящего через такую щель, зависит от расстояния d и определяется выражением W = a + b′, b′ = b − d θ , где a и b — расстояния между кромками и зеркалом. Отраженный
волновой фронт не будет проходить через щель, если выполняется условие b = d θ . С учетом
вышеизложенного распределение амплитуды в дальней области характеризуется выражением

⎛0

b'( y) ⎞

∫ ∫U (ωx

,

y)

=

(exp(i

k

z)

/

i

k

λ)

⎜ ⎜⎝

C1

−a(

y)

exp(i

k

(ωx

+

θ)) d

x

+ C2

0

exp(i

k

(ωx



θ))

d

x

⎟ ⎟⎠

,

(4)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

Формирование муар-интерференционной картины

71

C1 = exp(−i k ∆a( y) (ωx + θ) / 2) exp(−i k d (ωx + θ)2 / 2) ,

C2 = exp(−i k ∆a( y) (ωx − θ) / 2) . Полагая ∆a = ∆b и пренебрегая виньетированием части волнового фронта, так как это

приводит лишь к изменению начального значения разности фаз, упрощаем выражение (4):

U (ωx , y ') ≈ Asinc(k ωx a( y) / 2) cos((k ωx a( y) + k ∆a( y) θ) / 2 − k ω2x dθ / 4) .

(5)

Численное моделирование в соответствии с выражениями (4) и (5) показало, что если

∆ a( y) = α y , то ширина муаровых полос не меняется

и составляет S = λ / α θ , но полосы искривляются.

Это обусловлено продольным смещением кромок А и В, приводящим к появлению разности фаз частот-

ных спектров: Φd = k d ω2x / 2 .

На рис. 2 представлена полученная в результате

компьютерного моделирования муар-интерферен-

ционная картина на щели, образованной краем тол-

щиной 1,2 мм.

Рассматривая функции sinc(⋅) и cos(⋅) выражения (5) как пространственные амплитудно-фазовые

Рис. 2

решетки, можно получить параметрическое уравнение муаровых полос

p = (2 ∆a( y) θ − ω2x d − λ) / 2 λ ,

(6)

где p — порядок полосы; в случае наклона на угол α выражение (6) принимает вид

y = (x2 d / z2 + λ (2 p + 1)) / 2 α θ .

Экспериментальное исследование. Для экспериментальной оценки предложенного метода был собран макет установки. В качестве контролируемого объекта использовался калиброванный цилиндр диаметром 13 мм с неотражающей поверхностью, изготовленный с допуском h9. Согласно методу эквивалентных диафрагм [4, 5] цилиндр можно заменить двумя полуплоскостями, смещенными относительно друг друга на расстояние d = D θ , где D —

диаметр цилиндра. Поэтому, оценив по муаровым полосам величину d , можно определить

диаметр цилиндра D . Для оценки параметра d была создана цифровая методика обработки

полос, позволяющая найти величину d по разности координат трех точек минимумов муаровой полосы:

d = (∆ y1 − ∆ y2 ) α θ z2 /(∆ x1 ∆ x2 ) ,

где ∆ x1 , ∆ y1 — разности координат первой пары точек, ∆ x2 , ∆ y2 — разности координат

второй пары точек.

Подробное описание алгоритма обработки муар-

интерференционной картины и схема макета установки

приведены в работе [6].

Экспериментально полученная муар-интерферен-

ционная картина изображена на рис. 3. Ее сравнение с

численной моделью (см. рис. 2) показало хорошее каче-

ственное соответствие. Погрешность определения диа-

метра цилиндра по координатам муаровых полос соста-

Рис. 3

вила порядка 3 %.

Заключение. Предложенный метод дифракционного контроля основан на использовании фазовой составляющей сигнала. Получено хорошее соответствие результатов численного

моделирования и эксперимента. Исследована зависимость муаровых полос от толщины краев

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

72 А. М. Бурбаев, А. И. Леонтьева, Г. А. Одиноких, Д. А. Френкель
объекта и выведено соответствующее выражение. Показано, что данный метод может быть использован для контроля геометрических параметров цилиндров большого диаметра.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Санкт-Петербурга, грант № 28-04/18.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Назаров В. Н., Иванов А. Н. Использование явления муара для увеличения точности дифракционных методов контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптич. журн. 2009. Т. 76, № 1. С. 46—50.

2. Назаров В. Н., Иванов А. Н. Дифракционный метод контроля на основе „зеркальной“ апертуры // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 4. С. 38—42.
3. Назаров В. Н., Линьков А. Е. Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптич. журн. 2002. Т. 69, № 2. С. 76—81.

4. Зебрева К. А., Чугуй Ю. В. Расчет дифракционных явлений на 3D объектах постоянной толщины при различных конфигурациях освещения // Тр. VII Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2006“. СПб, 2006. Т. 3. С. 258—267.
5. Чугуй Ю. В. Определение геометрических параметров протяженных объектов постоянной толщины по их дифракционным картинам // Автометрия. 1991. № 6. С. 76—92.

6. Иванов А. Н., Каракулев Ю. А., Михайлов В. М. Алгоритм измерения геометрических параметров объекта по его муар-интерференционной картине // Наст. выпуск. С. 33—37.

Виктор Николаевич Назаров Александр Николаевич Иванов

Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: i_off@mail.ru

Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов

Поступила в редакцию 26.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11