Патент на изобретение №2169348

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ОБЪЕМНОЙ ГОЛОГРАММОЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области оптических измерителей перемещений и может быть использовано для высокоточного бесконтактного интерференционно-голографического измерения перемещений объектов. Измеритель перемещений содержит оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, в котором светоделитель представляет собой фотопластинку с объемной фурье-голограммой, содержащей страты в виде совокупности усеченных гиперболоидов, “вложенных” друг в друга и имеющих эллиптическую форму в плоскости сечения эмульсии голограммы, экспонированной по закону 0 < sin Q < d/h, где d < h; Q – угол между голограммой и отражателем, установленным за ней при экспонировании и формирующим предметный световой поток; h – расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы; d – расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника, а для регистрации оптической разности хода предметного и опорного световых потоков по измерению параметров информационной интерферограммы служит фотоприемное устройство. Перемещения определяются на основе измерения и анализа изменений параметров интерферограммы в плоскости фотоприемного устройства, которые обусловлены перемещениями объекта измерений. Техническим результатом является повышение пороговой чувствительности измерителя, упрощение съема информации о перемещениях объекта измерения и расширение диапазона измеряемых перемещений. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерителей перемещений и может быть использовано для высокоточного бесконтактного интерференционно-голографического измерения перемещений объектов и элементов конструкций, пьезодатчиков и датчиков давления, измерения кривизны фазового фронта когерентного светового потока.

Известен интерферометрический измеритель перемещений (Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985. – 351 с.), содержащий источник когерентного оптического излучения, полупрозрачное зеркало, прозрачную пластинку, компенсирующую дополнительную оптическую разность хода одного из лучей, два отражательных зеркала вдоль оптической оси светового потока. Измеритель имеет следующие недостатки:
– высокие пространственные частоты информационного изображения, что усложняет обработку сигнала;
– низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений, что ограничивает пороговую чувствительность и точность измерителя;
– сравнительно узкий диапазон измеряемых перемещений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является голографический интерферометрический измеритель перемещений (Батраков А.С., Бутусов М. М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы./ Под редакцией Д.П. Лукьянова. – М.: Радио и связь, 1981. – 456 с.), содержащий точечный источник когерентного оптического излучения, светоделитель, отражательное зеркало, голограмму. После перемещения начальное и конечное положения точечного источника фиксируются на голограмме при ее экспонировании в виде микроинтерференционной структуры. При реконструкции изображения в плоскости голограммы формируется интерферограмма, параметры которой определяются величиной и направлением перемещения точечного источника. Измеритель имеет следующие недостатки:
– интерференционная картина наблюдается сквозь голограмму, что усложняет съем информации;
– невозможность измерения динамики перемещений точечного источника в реальном масштабе времени;
– низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений;
– узкий диапазон измеряемых перемещений.

В области оптических голографических измерителей перемещений задача состоит в повышении пороговой чувствительности, надежности измерений, в расширении диапазона измерений и упрощении конструкции и возможности автоматизации измерений.

Техническим результатом является повышение пороговой чувствительности измерителя, упрощение съема информации о перемещении объекта измерений, расширение диапазона измеряемых перемещений и возможность автоматизации измерений.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагается измеритель перемещений, содержащий оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель и фотоприемное устройство, в котором светоделитель представляет собой фотопластинку с объемной Фурье-голограммой, содержащей страты в виде совокупности усеченных гиперболоидов, “вложенных” друг в друга и имеющих эллиптическую форму в плоскости сечения эмульсии голограммы, экспонированной по закону:
0 < sin Q < d/h,
где d < h;
Q – угол между голограммой и отражателем, установленным за ней при экспонировании и формирующим предметный световой поток;
h – расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;
d – расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника, а для регистрации оптической разности хода предметного и опорного световых потоков по измерению параметров информационной интерферограммы служит фотоприемное устройство.

На фиг. 1 представлена схема измерителя, на которой использованы следующие обозначения: 1 – точечный источник когерентного оптического излучения; 2 – оптическая система; 3 – светоделитель – фотопластинка с объемной Фурье-голограммой; 4 – отражатель; 5 – фотоприемное устройство; 6-6′ – направление светового потока, падающего на голограмму; 7-7′ – направление светового потока, реконструированного голограммой; 8-8′ – направление светового потока, дважды прошедшего через голограмму и направляемого отражателем в плоскость фотоприемного устройства; U_вых – электрический сигнал на выходе фотоприемного устройства. В качестве оптической системы (2) могут быть использованы оптические элементы, фокусирующие или рассеивающие световой поток, или коллиматор. В качестве светоделителя (3) используется объемная Фурье-голограмма, экспонированная в линейном режиме по оптической схеме в соответствии с фиг. 2, на которой использованы следующие обозначения: S – точечный источник когерентного оптического излучения; 3 – голограмма; 4 – отражатель; 9-9′ – направление светового потока, падающего на голограмму; 10-10′ – направление светового потока, дважды прошедшего через голографическую фотопластинку и направляемого отражателем в плоскость ее эмульсии; Q – угол между голограммой и отражателем; z – центральная оптическая ось светового потока от точечного источника S; h – расстояние от точки S до плоскости голограммы вдоль оси z; d – расстояние между голограммой и отражателем вдоль оси z. В качестве точечного источника S может быть использована точка фокусировки светового потока оптическими элементами. При экспонировании голограммы выполняется условие:
0 < sin Q < d/h, (1)
где d < h;
Q – угол между голограммой и отражателем, установленным за ней в процессе экспонирования;
h – расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;
d – расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника.

Выполнение условия (1) позволяет в процессе экспонирования сформировать в эмульсии голограммы отражательные страты в виде совокупности “вложенных” друг в друга усеченных гиперболоидов (Вьюно Ж.-Щ., Смигульский П., Руайе А. Оптическая голография / Развитие и применение/. Пер. с французского канд. физ. – мат. наук С.И. Балашовой. Под ред. чл.-корр. АН СССР Ю.Н. Денисюка. – М. : Мир. 1973. – 211 с.), сечения которых в плоскости эмульсии голограммы имеют эллиптическую форму. Форма страт в сечении эмульсии по нормали к плоскости Фурье-голограммы представлена на фиг. 3, на которой использованы следующие обозначения: 11 – эмульсия голограммы; 12 – страты; K₀, K₁

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. Световой поток от опорного точечного источника (1) попадает на оптическую систему (2), которая расширяет его и направляет в плоскость голограммы (3). В результате дифракции светового потока 6-6′ на голограмме (3) формируется реконструированный световой поток 7-7′, направляемый в плоскость фотоприемного устройства (5). Кроме того, создается световой поток, пронизывающий голограмму (3) насквозь и попадающий на отражатель (4), который направляет его обратно на голограмму (3). Часть светового потока от отражателя (4) проходит сквозь голограмму (3) (поток по направлению 8-8′) и попадает в плоскость фотоприемного устройства (5). Световые потоки по направлениям 7-7′ и 8-8′ интерферируют в плоскости фотоприемного устройства (5) и образуют интерференционную картину в виде темных и светлых колец эллиптической формы с малым эксцентриситетом. Перемещение отражателя (4) вызывает изменение параметров интерферограммы, фиксируемые фотоприемным устройством (5). С выходов последнего электрические сигналы, адекватные изменениям характера интенсивности света в его плоскости, поступают на устройства обработки, хранения и индикации, позволяющие осуществить процесс автоматизации измерений. Чувствительность измерителя к перемещениям отражателя (4) по нормали к плоскости голограммы (3) по уровню смены фазы интерференционного члена в плоскости изображения на определяется соотношением:
= (2n+1)/4, (2)
где n – номер интерференционного порядка,
– длина волны оптического излучения.

Формула изобретения

Измеритель перемещений, содержащий оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, формирующий опорный и предметный световые потоки, отражатель, отличающийся тем, что светоделитель представляет собой фотопластинку с объемной фурьеголограммой, содержащей страты в виде совокупности усеченных гиперболоидов, “вложенных” друг в друга и имеющих эллиптическую форму в плоскости сечения эмульсии голограммы, экспонированной по закону
0 < sin Q < d/h,
где d < h;
Q – угол между голограммой и отражателем, установленным за ней при экспонировании и формирующим предметный световой поток;
h – расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;
d – расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника, а для регистрации оптической разности хода предметного и опорного световых потоков по измерению параметров информационной интерферограммы служит фотоприемное устройство.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.09.2005

Извещение опубликовано: 27.09.2006 БИ: 27/2006