Способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта Советский патент 1985 года по МПК G01B9/21 G03H1/16 

Изобретение относится к области голографичёской интерферометрии. Известен способ измерения пространственного распределения внутренних неодноррдностей фазового объекта П , заключающийся в Том, что производят многоракурсное зондирование объекта лазерным излучением, для калсдого направления зондирования записьшают :ИНтерферограммы объекта и по отклонению штерференциониых поло судят об измеряемой величине. Недостатком данного способа является невозможность получения искомого пространственного распределения неоднородностей в реальном времени, так как затрачивается время на ввод в ЭВМ из 1еренных по отклоненшо интер ференционных полос, данных об изме нении оптической длины пути .внутри объекта, расчета на ЭВМ, вьтода и от бражения полученного решения. Наиболее близким по технической сути к предложенному является способ измерения пространственного распреде ления внутренних неоднородностей объ екта 2j , заключайщийся в том, что производят многоракурсное зондировани измеряемого объекта двумерньми плоск ми пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке последо вательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирующего излучения и производят регистрацию полученного волнового фронта Этот способ используется для измерения распределения внутренних неоднородностей в поперечном сечении объекта, образованном пересечением плос костей распространения зондирующих одномерных пучков. Недостатком данного способа является то, что он не может обеспечить измерение в реальном времени распределение внутренних неоднородностей в продольном сечении объектаJ которое перпендикулярно плоскости Зондирующего излучения. 1 В ряде технических зада4, наприме при измерении температурного распределания в ппамени различного рода горелок.., форсунок, концентрации электронной плотности в плазменном разряде, возникающем между электродами и т.д., для исследователей важна информация:о распределении внутренних неоднородностей в продольном сечении объекта, т.е. в сечении, проходящем через устройства, инициирующие данные процессы (горелки, форсунки и т.д.). По способу, взятому за прототип, измерить это распределение в продольной плоскости в реальном времени невозможно, так как в этом случае плоскость зондирующих одномерных пучков и все оптические элементы должны лежать в продольной плоскости, что технически невозможно реализовать из-за присутствия в этой плоскости устройств производящих исследуемые процессы. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения в реальном времени пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования.. . Цель достигается тем, что в способе измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта, заключаюгщемся в том, что производят многоракурснрё зондирование измеряемого объектадвумерными плоскими пучками проникающего излучения, оси которьк лежат в одной плоскости и пересекаются & одной точке, последовательно перемножают прошедшие через объект волновью фронты зондирующего излучения и производят .регистрацию полученного волнового фронта, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования изменяют масштаб волнового фронта по оси, параллельной плоскости зондирования, а,величину изменения масш таба К выбирают из соотношений sin sin cf.v 1, 2,,.., N - 2} - число ракурсов зондирования; 9 п угол зощиров ания В предлагаемом способе измеряемой бъект зондируют плоским двумернь1м учком проникающего (например, оптиеского) излучения, ось которого X ерпендиЦулярна, например, оси Z и оставляет („ с осью X. Систеа координат Х, Y, Z) привязана к бъекту. Пусть система координат X , Y , Z ) связана: с зондирующим учком, причём ось X совпада;ет с осью распространения пучка, а ось z параллельна оси 2 объекта и Z -Zf т.е. штрихованная, система координат (X , Y, z) повернута вдоль оси Z Z по отношению к (X, Y, Z). Таким образом, в этих координатах плоский двумерньш зондирующий пучок света можно описать вьфажением Ад(у, z) const Ад. Пусть функция1(х, у, 2) описывает пространственнае распределение внутренних неод нородностей объекта и пусть f (х, у, z ) вне шара радиуса р. Для поглощающих амплитудных) объектов f(x,y,z) пропорциональна коэффициент ту поглощения (к, у, z) для опре деленной длины волны зондирукщего излучения , т.е. f(x, у, z) , у, z). Для фазовых объектов f(x, у, z) - Ре п(х, у, z)-n3 где п(х, у, ss) и П(, - показатель преломления, соответственно, исследу емого объекта и окружшощей среды. Без учета эффектов дифракции и рефракции прошедший через объект под ракурсом п зондирующий ВФ можно описать вьфажениями А (у, Z) A expitP, (yi z) А„(у,г) - (yVz), соответственно, для фазовых и амплитудных, объектов. Интегральная выходная характерист ка Р (у, z), называемая проекцией объекта в направлении (j связана с искомым распределением f(x, у, г) преобразованием Радйна ео ... - . (. Рассмотрим далее последовательност операций, выполняемых над ВФ(). Дл определенности рассмотр1й фазовъ об объект н пусть первый ракурс зондиро вания каправ лен под углом Iff к оси X После первого зондирования изменяют масштаб про1&едшего волнов(го фронта А,(у, Z) « Ci f,(yV 2) .-( n(fz ПО оси Y в К. раз, где Va направление 2-го ракурса, т.е. формируют ВФ О) А,(К„ у, z) -Р, (к;, у, z) (3) который далее направляют под ракур сом (fj на измеряемый объект. Операцию изменения масштаба ВФ вдоль одной оси Y можно вьшолнить двумя разнофокусными цилиндрическими линзами или зеркалами, а также используя в качестве зондирующего слабо расходящийся по одной оси пучок. При повторном прохождении ВФ СЗ) через объект его перемножают с волновым фронтом Ai(y, z), несувдф информацию о вто.рой проекции 1(у, z). После двух разноракурсных проходов формируется ВФ. ,, у, z) Аг(у, z) Aoexpi P,(K,, у, z) + + 7 (У, z) Перед треть104 перемножением изменяют масштаб ВФ (4 на величину К« -.. .Vi где с - направление третьего ракурса зондирования, т.е. ползгчаю ВФ A,(Ki-K,-y, А, (К После третьего зондирования ВФ (5) под направлением з выполняют третье перемножение и формируется ВФ, А,(, Z) , 2) .гО, у которого перед четвертым перемножением изменяют масштаб в ..-i ein. ., ( раз и т.д. Вся эта последоватеяьность %пвР крьюакодих (равномерно или неравномерно) диапазон углов от О до 180. Пусть Vi О, а tp,, 180. Закон изменения масштаба в любом п-ом ракурсе для п , 2, .,,,N-2 следующий; Sin Ун Для Ы-1 и N-ro ракурса коэффициенты изменения масштаба определяются соотношениямиц- . J В результате N-ракурсного прохода с изменением масштаба ВФ по оси Y перед п-ым ракурсом по закону (6) и (7) лолучш на выходе ВФ А(у, z),, опнсьшаемьш выражением . А(у,г) A( ., z))(.., (8) ;к.., А(К.,.-К у, z)x А;,(К,;, у, z).A(yS .). Подставляя в (8) значения коэффициентов (6), легко получить А(у ,z) A,(sinC)),y5 z} .. A( у, z) X о,.. ..А„,,(з1пЦ) N-rys z)(jX X АДу ,,z) - A expfw. ( ys ) ix Какследует из алгоритма обратньк проекций, при решении интегрального уравнения Ра,цона (2) в пренебрежении операцией свертки решение уравнения (2) можно записать в виде f(x% у, г) Г Фп C cosC,) j -f у sin Ср , z) Из (ID) следует, что распределени внутренних неоднородностей в плоскости X 0 равно f(0, у, z) (sinCj X (11 Из сопоставления (П) и (9) следует, что А(уу 2) (0, у, z) (12 .Аналогично для амплитудных объектов А(у ,z) - .f(0, у, z) (13 Ось .у направлена под углом 180 к -осн X и перпендикулярна оси. N-ro ракурса. Для визуализации БФ (13) не обходимо использовать регистраторы с логарифм -1Ч еским откликом на входной сигнал. Для визуализаций фазового ВФ (l2) можно, например, использовать.техник голографической интерф.ерометрии. Тог да при записи, например, 2-х экспозиционной ннтерферограммы в полосах бесконечной ширины интенсивность восстановлениого поля будет описывйт ся выражением 1(у,z) 2 1 + cos(Nf(0, уz)) 1 и- cos21 lpo n(0,: y,z) -По . (14) Из (14) следует, что искомая информация о распределении показателя преломления в сечении X О (продольном) заключена в виде системы интерференционных полос, которая одновременно является картой линий равных значений показателя преломления, причем при переходе от одной линии к другой . значение показателя преломления изменяется на величину. JL- . .Отметим, что в предлагаемом способе восстанавливается двумерное сечение 3-х мерного распределения внутренних неоднородностей в плоскости (у Z), которая по отношению к оси Z (пусть Z - большая ось объекта ) является продольной и направлена перпендикулярно направлению последнего N-ro ракурса, В способе, в-зятом за прототип, восстанавливалось сечение (X, Y), которое по отношению к оси Z является поперечным. Дпя восстановления по предлагаемому способу любой другой продольной плоскости X const необходимо сместить объект или точку пересечения осей зондирующих пучков на расстояние X const вдоль оси N-ro зондирующего пучка. Набор таких продольных плоскостей дает полную информацию о распределении внутренних, неоднородностей объекта.. Таким образом, предлагаемый способ позволяет в реальном времени измерять распределение оптических неоднородностей в продольном сечении объекта T.et перпендикулярном плоскости зондирующих пучков. Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является то, что он значительно проще способа, взятого за прототип, за счет исключения операции нелинейной голографической регистрации световых потоков. Это особенно важно Для бодее точных измерений простраиственного распределения сложных объектов, когда необходимо большое (N 3) число ракурсов зондирования, так как в этом случае в способе, взятом за. прототип, доллдаа быть реализована регистрация с коэффициентом контрастности больше 6, Схема устройства}- реализующего предлагаемьй способ, представлена на чертеже.

Для определенности рассмотрим рехракурсную схему для исследоваия фазового объекта. На чертеже сь Z перпендикулярна плоскости исунка.5

Устройство содержит лазер 1, свеоделитель 2., двумерные расширители 3 и 4 пучка, объект 5, плоские зеркала 6-9, системы 10 и 11 из двух разнофокусных цилиндрических линз, 10 устройство 12 компенсации разности оптической длины пути регистратор 13.

Световое излучение от лазера 1. попав на светоделитель 2, разделяется 15 на две части,, одна из которых проходит систему формирования опорного канала (устройство 12, расширитель 4 пучка) и попадает на регистратор 13. Другая часть излучения проходит рас- 20 ширитель 3 пучка, формирующий плоский двумерньп световой пучок , z) const, и направляется на исследуемый объект 5 под углом у, к оси X ( Ф - угол между осью зондирутоще- 25 го пучка X и осью X). Прошедшее излучение , z) зеркалом 6 направляют на систему 10, состоящую из двух цилиндрических линз, образукщив которых параллельны оси, а их фокус- зо ные расстояния и f подобраны так, что fi /.f. К (. Прошедшее через систему 10 и измеиенное по оси Y излучение А(К,, у г) зеркалом 7 вновь направляют под углом (fi к оси X на jj исследуемьа объект 5. Пройдя объект 5, излучение А ((К,, у, 2)«Ат.(у, z) зеркалом 8 отклоняют на систему 11, состоящую также из двух цилиндрических линз с фокусными расстояниями 40 удовлетворяющих соотношению , Kj. Измененное по масштабу вдоль оси Y в.К2 раз излучение А ,(К К у, г)А(Кг.у , z) вновь направляют на объект 5 под углом j 45 к оси X и прошедшее излучение . А,(К,,К2у, 2).Аг(К2У, z).Aj(y,, z): падает на регистратор 13. Если 1-я экспозиция рег истратора 13 производится без объекта 5, то в его при- 50 сутствии на регистраторе 13 будет

формироваться ш терферограмма продольного сечения объекта (у , z), пендикулярного направлению 3-го ракурса. Описанное выше устройство, реализующее предлагаемы способ, было использовано для измерения распределения показателя преломления впродольном сечении пламени свечи. Ось Z бьша вертикальной осью, плоскость (X, Y) - горизонтальньпЧ. Углы зондирований (углы между осями X иУ ) были выбраны следующими: ф ,

60°, () О . Следовательно, коэффициенты изменения масштаба равны sin и„ sin 60

у

К{

sin 1200 1;К2 sinCf,

3 sin ( sin 60 у , К 3 1 , т.е только перед третьим просвечиванием необходимо изменить по оси Y масштаб ВФ в Kg хЗ/2 раз. Первая экспозиция регистратора 13 производилась без объекта. После введения объекта

фотоаппаратом регистрировались интерферограммы продольного сечения пламени свечи (X , Z) в реальном времени. На интерферограммах раз-ЛИЧНых продольных плоскостей пламени (х О, Z), (Х 0,5 см, Z), (X 1 см, Z), полученных последовательным смещением свечи в направлении оси Y , видно уменьшение (разрежение ) числа интерференционных полос при вьщелении периферийных плоскостей пламени свечи, что соответствует реальному уменьшению температуры на краях пламени. Таким образом по сравнению с известными способами предложенный способ позволяет измерять в реальном времени пространственное распределение внутренних неоднородкостей в продольном, т.е. перпендикулярном плоскости, образованной осями зондирующих пучков, сечении объекта. Изобретение может найти применение в аэро- и гвдродинамике, диагностике плазмы и други быстропротекающих процессов, для неразрушающего контроля качества изготовления стекловолокна и т.д.

8

/

У

/2 ---r:iJ

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВ ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекшотся в одной точке последовательно перемно- жают прошедшие через объект волновые фронты зондирующего излучения и произ водят регистрацию полученного волнового фронта, от л и ч а ю щи йс я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения в реальном времени в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования изменяют масштаб волнового фронта по оси, параллельной плоскости зондирования, а веаичину изменения масштаба К выбирают из соотношений sin -I h+ К n -I О) Ky. sinif «H ; где К 1; N 1, 2,...,N - 2; п N Фп -число ракурсов зондироваийя; г -угол зондирования.