|
(21), (22) Заявка: 2003131135/28, 22.10.2003
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
22.10.2003
(45) Опубликовано: 27.06.2005
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
Patten R., Sheridan J.T., Larkin A. Speckle photography and the fractional Fourier transform. Opt. Eng. 2001, 40, N 8, р.1438-1440. SU 934215 A, 28.07.1980. SU 1603193 A1, 30.10.1990. SU 853380 A1, 07.08.1981.
Адрес для переписки:
630092, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, НГТУ, А.Г.Вострецову
|
(72) Автор(ы):
Краснопевцев Е.А. (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Новосибирский государственный технический университет (RU)
|
(54) СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ПЛОСКОГО ОБЪЕКТА
(57) Реферат:
Способ голографической интерферометрии плоского объекта заключается в создании во встречных лучах двухэкспозиционной голограммы поверхности объекта, затем два изображения поверхности объекта, восстановленные голограммой, направляют в оптическую систему, в которой последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля, фиксируют интерферограммы изображений поверхности объекта. Объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от линз, что создает сфокусированное изображение поверхности объекта в плоскости интерферограммы, и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности. Технический результат – обеспечение постоянной по поверхности и варьируемой чувствительности, расширенный диапазон измерения перемещения и наклона. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к экспериментальной механике деформируемого твердого тела и может быть использовано в машиностроении для бесконтактного оптического обнаружения областей повышенных градиентов деформации и измерения параметров деформированного состояния плоских поверхностей деталей ответственных конструкций.
Известен способ голографической интерферометрии плоского объекта (Вест Ч. Голографическая интерферометрия. – М., 1982) для измерения микроскопических перемещений элементов деформируемой поверхности, при котором когерентное излучение проходит через фотопластинку и освещает по нормали исследуемую поверхность. Рассеянное поверхностью излучение попадает на фотопластинку и создается голограмма. Экспозиция повторяется после деформации объекта. Восстановленное голограммой двухэкспозиционное изображение фотографируется в коллимированных лучах и создается сфокусированная интерферограмма. Локальное расстояние между интерференционными полосами зависит от наклона элемента деформируемой поверхности. Для измерения смещения элемента необходимо освещать объект и/или фотографировать его изображение под углом к нормали.
Однако указанный способ не позволяет существенно варьировать чувствительности измерения наклона и смещения из-за отсутствия достаточного количества свободных параметров, поэтому диапазон измерений узок.
) от него устанавливается собирающая линза с фокусным расстоянием f, где – параметр преобразования Фурье. В симметричной к линзе плоскости и, располагаемой на расстоянии s с другой стороны от линзы, возникает Фурье-образ u=Fu ( ){g(x)} дробного преобразования для исходного состояния объекта. Фотопластинка располагается в плоскости u и голографическим методом фиксирует результат преобразования. Затем на эту фотопластинку записывается результат преобразования волны от деформированного объекта еikxg(x+В), где , В и – перемещение и угол наклона исследуемого участка. Если параметр преобразования равен , то Фурье-образы исходного и деформированного объекта отличаются смещением, а сдвиг фазы между ними не зависит от аргумента u. Восстановленные голограммой образы объекта подвергаются далее традиционному преобразованию Фурье. Расстояние между полосами возникающей интерференционной картины зависит от . Из двух уравнений определяются В и . Применение этого метода к участкам с другими значениями В и дает общую картину деформированного состояния объекта.
Однако указанный способ содержит кроме фокусного расстояния f один параметр , который используется для разделения вкладов перемещения и наклона, что не позволяет существенно изменять чувствительности измерения каждого из параметров деформации. Исследование неоднородно деформированной поверхности складывается из измерений множества ее однородно деформированных участков с разными значениями параметра и с разными чувствительностями.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа голографической интерферометрии, обеспечивающего постоянную по поверхности и варьируемую чувствительность и расширенный диапазон измерения перемещения и наклона.
Поставленная задача достигается тем, что в способе интегрального оптического преобразования волнового поля последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля на основе оптической системы из двух собирающих линз, причем объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от системы линз, что создают сфокусированное изображение исследуемой поверхности и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности.
Схема, реализующая предложенный способ голографической интерферометрии плоского объекта, приведена на чертеже, где: 1 – поверхность объекта, 2 – голограмма, 3 – плоская когерентная волна, 4 – полупрозрачное зеркало, 5 и 6 – собирающие линзы, 7 – плоскость изображения первой линзы, 8 – интерферограмма. Способ осуществляется следующим образом: сначала создается во встречных лучах двухэкспозиционная голограмма исследуемой поверхности, затем изображение, восстановленное голограммой, подвергается преобразованию Фурье-Френеля и создается набор интерферограмм, далее интерферограммы анализируются и определяется поле деформации. При создании голограммы плоская когерентная волна 3 отражается от полупрозрачного зеркала 4, пересекает фотопластинку 2 и освещает объект 1. Рассеянная объектом волна g(x) пересекает фотопластинку 2. Экспозиция повторяется после деформации объекта, испускающего теперь волну , где В – перемещение исследуемого участка, =29, – угол наклона участка. Для получения интерферограмм объект убирается, двухэкспозиционная голограмма устанавливается в исходное положение и восстанавливает оба изображения исследуемой поверхности. Линза 5 с фокусным расстоянием f1 и линза 6 с фокусным расстоянием f2 осуществляют последовательно два преобразования Фурье-Френеля. В плоскости 8 волны g1(u) и , пришедшие от диффузно рассеивающей поверхности, когерентны, если сдвиг В1 не превышает размера индивидуального спекла. Условие выполняется при , где d – диаметр апертурной диафрагмы линзы. В плоскости 8 образуется сфокусированное изображение исследуемой поверхности и на ее фоне – система интерференционных полос. Расстояние между полосами зависит от величин В и , а также от параметров оптической системы: f1, f2, s1, s2. Изменяя один или несколько параметров, создается вторая интерференционная картина. С помощью оставшихся трех свободных параметров подбирается желаемая чувствительность измерения В и . Поскольку чувствительности одинаковы для всей поверхности, то по сгущениям интерференционных полос обнаруживаются области повышенных градиентов деформации. Используя теоретические соотношения, по интерферограммам определяется поле деформаций В и .
Теоретические соотношения основаны на преобразовании Фурье-Френеля, осуществляемом собирающей линзой
где u – координата в плоскости образа, q2= f(sin + ctg ), 0   . Параметры преобразования и определяются соотношениями где f – фокусное расстояние линзы, s и s’ – расстояния объект-линза и линза-образ. Преобразование функции со сдвинутым аргументом и линейным фазовым множителем имеет вид 

где

Для сфокусированного действительного изображения При относительно малом перемещении элемента в плоскости объекта находим преобразованную функцию .
Для системы из двух собирающих линз при малом перемещении элемента в плоскости объекта волна , идущая от деформированного объекта, получает в плоскостях 7 и 8 вид соответственно и . Используя (1), находим

Полагая s1= f1, s2’=(1+ )f2, где параметры , >0, и накладывая условие сфокусированности изображений в плоскостях 7 и 8, получаем тогда из (2) следует

Интерференция волн g2(x’) и создает в плоскости 8 распределение интенсивности
, где I0(x’)=|g2(x’)|2. Расстояние между интерференционными полосами равно где чувствительности следуют из (3)

При получаем kB=0, тогда по расстоянию ( x’)1 между интерференционными полосами определяется с варьируемой чувствительностью угол наклона

где =s1/f1 и =(s2’-f2)/f2 определяются параметрами s1, s2’, показанными на чертеже, и фокусными расстояниями линз. Значения других параметров чертежа следуют из формул и При a 1 получаем из (4) малую величину k , тогда по расстоянию ( х’)2 между интерференционными полосами определяется перемещение

с варьируемой чувствительностью.
Таким образом, преимущества предлагаемого способа измерения по сравнению с прототипом состоят:
– в измерении параметров деформации с постоянной по поверхности и варьируемой чувствительностью,
– в расширении диапазонов измерения перемещения и наклона благодаря тому, что соответствующие чувствительности зависят от варьируемых параметров s1, s2’, f1, f2.
Способ применим при малых перемещениях элементов объекта и сильном диафрагмировании линз.
Формула изобретения
Способ голографической интерферометрии плоского объекта, при котором для измерения перемещения и угла наклона поверхности объекта создают во встречных лучах двухэкспозиционную голограмму поверхности объекта, затем два изображения поверхности объекта, восстановленные голограммой, направляют в оптическую систему, в которой последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля, причем оптическая система выполнена на основе двух собирающих линз, фиксируют интерферограммы изображений поверхности объекта, причем объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от линз, что создают сфокусированное изображение поверхности объекта в плоскости интерферограммы и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз, разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности.
РИСУНКИ
|
|