Оптичні методи вимірювання шорсткості поверхні

Abstract

UK: Проведено аналіз методів вимірювання параметрів шорсткості поверхні, в яких використовують характеристики відбитої оптичної хвилі, розроблено спосіб визначення шорсткості на базі аналізу спекл-структури та вимірювання кількості сингулярностей хвильового фронту при освітленні і спостереженні поверхні, що досліджується, та застосування зразків з відомою шорсткістю. В роботі розглянуто утворення та досліджено параметри спекл-полів при відбитті когерентного лазерного випромінювання від шорсткої поверхні. Застосовано методи статистичної оптики та метод Монте-Карло моделювання випадкових процесів. Отримано закон розподілу щільності ймовірності для суми модулів дійсної та уявної частин амплітуди окремого спекла поля. Розроблено алгоритм визначення кількості сингулярностей на одиницю площини поверхні спекл-поля. Обрано критерій сингулярності та розроблено метод визначення їх кількості в залежності від параметрів шорсткості поверхні для випадку нормального освітлення та спостереження. Кількість сингулярностей хвильового фронту визначається параметрами шорсткості поверхні: амплітудою та просторовою частотою виступів. RU: Проведен анализ методов измерения параметров шероховатости поверхности, в которых используются характеристики отраженной оптической волны, разработан способ определения шероховатости на базе анализа спекл-структуры и измерения количества сингулярности (дислокаций) волнового фронта и применения образцов с известной шероховатостью. В современных технологиях производства важное место имеют бесконтактные оптические методы измерения шероховатости. В работе рассмотрены возникновение и исследованы параметры спекл-полей при отражении когерентного лазерного излучения от шероховатой поверхности. Шероховатая поверхность исследуемого образца рассматривается как множество точечных когерентных источников (фазоров) с примерно одинаковой амплитудой излучения и случайной фазой (равномерное распределение значений фазы от 0 до 2π). Применены методы статистической оптики и метод Монте-Карло моделирования случайных процессов. Получен закон распределения плотности вероятности для суммы модулей действительной и мнимой частей амплитуды отдельного спекла поля. Используя условие получения сингулярности волнового фронта спекл-структуры, разработан алгоритм определения количества сингулярности на единицу площади поверхности спекл-поля. Условие получения сингулярности (неопределенности) фазы выполняется в случае, когда одновременно действительная и мнимая части комплексной амплитуды равны 0. Выбран критерий сингулярности и разработан метод определения их количества в зависимости от шероховатости поверхности (высоты выступлений и расстояния между ними) для случая нормального освещения и наблюдения. Количество сингулярности волнового фронта определяется параметрами шероховатости поверхности: амплитудой и пространственной частотой выступлений. Предложенная оптическая схема визуализации и определения количества сингулярности (дислокаций) волнового фронта и измерения шероховатости поверхности. Таким образом, определив количество сингулярности спекл-структуры, измеряют шероховатость диффузно отражающей поверхности. EN: The analysis of methods of measurement of parameters of surface roughness in which characteristics of the reflected optical wave are used is carried out, the method of definition of roughness on the basis of the analysis of speckle structure and measurement of quantity of singularities of a wave front at illumination and supervision of the investigated surface and application of samples. In modern production technologies, non-contact optical methods of radiation of roughness parameters play an important role. The formation and parameters of speckle fields in the reflection of coherent laser radiation from a rough surface are considered in the work. The rough surface of the sample under study is considered as a set of point coherent sources (phasors) with approximately the same radiation amplitude and random phase (uniform distribution of phase values from 0 to 2π). The methods of statistical optics and the Monte Carlo method of modeling random processes are applied. The law of probability density distribution for the sum of modules of real and imaginary parts of amplitude of separate sintered field is obtained. Using the condition of obtaining the singularity of the wave front of the speckle structure, an algorithm for determining the number of singularities per unit plane of the speckle field surface was developed. The condition of obtaining the singularity (uncertainty) of the phase is fulfilled in the case when both the real and imaginary parts of the complex amplitude are 0. The criterion of singularity is chosen and developed a method for determining their number depending on surface roughness parameters (height of protrusions and distance between them). The number of singularities of the wavefront is determined by the parameters of surface roughness: amplitude and spatial frequency of the protrusions. An optical scheme for visualization and determination of the number of singularities (dislocations) of the wave front and measurement of surface roughness is proposed. Thus, determining the number of singularities of the speckle structure, measure the roughness of the diffusely reflecting surface.