Устройство для определения скоростей перемещения поверхности деформируемого объекта Советский патент 1986 года по МПК G01B11/16 

1

изобретение относится к области измерения деформаций деформируемых тел оптическими методами.

Цель изобретения повышение точности и расширение диапазона определения скоростей перемещения поверхности деформируемого объекта путем одновременного освещения объекта тре мя монохроматическими источниками света при фотографировании в трех ц.ветах.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства- на фиг. 2 - схема расположения штрихов на визуализирующей диафрагме.

Устройство содержит расположенные вдоль оптической оси источник 1 монохроматического света (фиг, 1), расширитель 2 пучка света, полупрозрачное зеркало 3, .коллиматор 4,, интерферометр 5 Фабри-Перо, собирающий объектив 6, визуализирующую диафрагму 7, установленную в фокальной плоскости собирающего объектива 6, и скоростную фотокамеру 8, два полу- прозрачньгх зеркала 9 и 0, размещенные последовательно за первым полупрозрачным зеркалом 3 с той же стороны от коллиматора 4, два расширителя П и 12, три ослабителя 13-15 света, расположенные между расшири - телями 11 и 12 и полупрозрачными зеркалами 9 и 10, а также два источника 16 и 17 монохроматического света расположенные за расширителями 11 и 12 пучков света. Длины волн источников 1, 16 и 17 света различны и лежат в сине-фиолетовой, зеленой и красной областях спектра.

Визуализирующая диафрагма 7 выполнена в виде трех групп прозрачных штрихов (фиг.2) в виде концентрических окружностей на непрозрачной пластине , каждый штрих группы расположен между штрихами двух других групп а радиус каждого из этих трех штрихов обратно пропорционален длине вол ны соответствующего источника света

Исследуемый объект 18 установлен

за полупрозрачным зеркалом 10, (

Устройство работает следующим образом.

Сформированные с помощью расширителей 2, 11 и 12 и полупрозрачных зеркал 3, 9 и 10 световые пучки от монохроматических источников 1, 16 и 17 света освещают исследуемый объект 18 с диффузно отражающей поверх314012

, ност1 ю после коллиматора, и отраженное излучение направляется в интерфр- рометр 5 Фабри-Перо, где разлагается в спектр, В фокальной плоскости

5 собирающего объектива 6 образуется интерференционная картина в виде трех систем концентрических колец разл гчногр цвета. В месте локализации интерференционной картины уста10 навливают визуализирующзта диафрагму, выполненную в виде трех групп прозрачных штрихов в виде концентрических окружностей на непрозрачной основе, имеющих ширину интерферен15 ционкых колец и расположенных таким образом, что положение штрихов, соответствующих излучению со средней длиной волны, совпадает с положением аналогичных интерференционных ко2С лец, а штрихи, соответств-ующие коротковолновому и длинноволновому излучениям, соответственно сдвинуты по направлению к периферии и центру интерференционной картины на величину,

25 равную их собственной ширине. По- сколы у в начальный момент, когда объект 18 неподвижен, через визуализирующую диафрагму 7 проходит только свет со средней длиной волны,

30 изображение объекта имеет зеленый цвет. По мере -увеличения скорости участки объекта, удаляющиеся от интерферометра, приобретают окраску, изменяющуюся от зеленого цвета до красJ5 ного, а участки, приближаюшлеся к интерферометру, - от зеленого до сине-фиолетового . Неподвижные участки сохраняют зеленую окраску. С помощью расширителей 2, 11 и 12 можно

40 попарно подобрать интенсивности монохроматических пучков света (с учетом цветовой чувствительности пленки) таким образом, чтобы суммарная яркость изображения при перемещении колец по штрихам диаграммы сохранялась, а изменялась лишь окраска изображения. В этом случае мерой скорости является степень изменения окраски. Так продолжается до

50 тех пор, пока зеленые интерференционные кольца не уйдут за пределы соответствующих прозрачных штрихов. В этот момент удаляющиеся участки объекта окрашиваются в цвет только

55 длинноволнового излучения, а приближающиеся - только в цвет коротковолнового излучения, С этого момента дальнейшее увеличение скорое

ти перемещения будет приводить к уменьшению монохроматической яркости изображе ия, которую можно также использовс.ть в качестве меры скорости. Это позволяет наряду с обес- печением возможности измедения знака скорости вдвое увеличить диапазон измерения скорости каждого направления по сравнению с прототипом

Для осуществления предлагаемого технического решения необходимы обеспечение пропорциональности ширины интерференционного кольца длине волны излучения и выбор трех длин волн источников цвета в разных об- ластях спектра и толщины распорного кольца таким образом, чтобы исключить переналожение интерференционных картин различного цвета.

Обеспечение пропорциональности ширины интерференционного кольца длине волны излучения выполняется пут специального подбора спектральных характеристик отражающего покрытия зеркал интерферометра. Поскольку в од- ночастотном режиме-работы лазера форма линии излучения практически не зависит от длины волны, а пол- но.стью определяется аппаратной функцией интерферометра

I 1 l ,

Макс

,. «-„- ,

, (1)

ТО ДЛЯ выполнения условия пропорциональности ширины S интерференционного кольцадлине волны излу чения необходимо, чтобы коэффициент отражения R был определенным для различных длин волн. В частности, если для длины волны 11 5145 А R вы- бран равным 0,90, то для Л- 4416 А он должен быть равным 0,915, для Д 6328 А 0,88.

Если при этих условиях ширина прозрачных штрихов равна ширине интерференционного кольца для каждой длины волны, то независимо от величины скорости V, в каждой из трех систем штрихов относительное изменение светового потока будет приблизительно одинаковьм, что дает возможность по изменению цветовой окраски поверхности на ее изображении судить о скорости перемещения объекта.

Радиус интерференционного кольца описывается выражением:

401 . ,4

. f tgCf,;(2)

с условием для углов интерференции

2t COSCF,, k. ,

;

k k -l;

k k ;-2;

k; k;-n+l,

где i,j - индексы длины волны и интерференционного кольца, принимающие значения 1,2,

и 1 ,2п;

п - число используемых колец; f - фокусное расстояние собирающего объектива 6; k.- - порядок интерференционного кольца с минимальным значением радиуса для длины волны i, .

Для расчета положения колец получается система Зп уравнений со свободным параметром t, который может изменять как абсолютные значения rj , так и взаимное положение колец. Если t, ; считать также независимыми переменными и потребовать отсутствия наложения различных колец друг на друга, то число уравнений оказывается большим числа переменных, по- этому даже при ограниченном значении п может иметь место переналожение отдельных колец различных систем. Однако практически всегда можно из наличия имеющихся колец выбрать не- сколько групп, удовлетворяющих не- обходимьм требованиям (фиг.2).В частном случае, когда свободными параметрами являются t и одна из тре длин волн Л; , задача допускает точное решение для одной из групп колец.

Для расчета геометрических параметров штрихов необходимо знать ширину интерференционного кольца, значение которой определяется выражением (1). В соответствии с ним полная ширина.кольца на уровне О,1

jv -3(1-R) 2

(4)

Положение штрихов для излучения зеленого цвета точно совпадает с положением зеленых интерференционных колец, а координаты внутренней и внешней кромок находят из соотношений (2) и (3) для длин волн

231401

Формула

изобретени

(5)

Для коротковолнового излучения положение внутренних кромок прозрачных штрихов совпадает с внешней гра- ницей интерференционных колец сине- фиолетового цвета

,2 ,40,1

oOi

(6)

-А,

вкутр ° vo

а положение внешних находят также из соотношений (2) и (3) для значения длины волны

1 анеын 10

/ 2

T.

(7)

Аналогичным образом находят положение прозрачных штрихов для излучения красного цвета для граничных., значений длин волн

5 BHtjtp

Чанеши JO

(8)

STrt

Определение поля скоростей по цветовой картине осуществляется с помощью эталонной цветовой кинограммы, полученной предварительно с,помощью сканирования интерференционной картины по визуализирующей диафрагме за счет изменения давления в интерферометре, создающего интерференционный эффект, эквивалентный допплеровско- му смещению интерференционных колец.

15

0

.5

10

Устройство для определения скоростей перемещения поверхности деформируемого объекта, содержащее расположенные вдоль оптической оси источник монохроматического света, расширитель пучка света, полупрозрачное зеркало, коллиматор, интерферометр-Фаб- ри-Перо, собирающий объектив, визуализирующую диафрагму, установленную в фокальной плоскости.собирающего объектива, и скоростную фотокамеру, о. тличающееся тем, что, с цельно повыщения точности и расширения диапазона определения, оно снабжено двумя полупрозрачными зерка- Размещенными последовательно за первым полупрозрачным зеркалом с той же стороны от коллиматора, двумя расширителями пучков света, тремя ослабителями света, расположенными меж;:(у расщирителями пучков света и полупрозрачными зеркалами, двумя источт- ками монохроматического света,, расположенными за расширителями пучков света, длины волн источников света различны и лежат в сине- фиолетовой, зеленой и красной областях спектра, а визуализирующая диафрагма выполнена в виде трех групп прозрачш,х штрихов в виде концентрических окружностей на непрозрачной пластине, каждый штрих группы расположен между штрихами двух других .групп, а радиус каждого из этих трех .штрихов обратно пропорционален длине волны соответствующего источника света.

LTx

/),60 ff 22646

Л 632д, 20А К Т5В02 ,-3-5 А

, ЗЪА ,20A/ 75,60/1

фиг. 2

Изобретение относится к области измерения деформаций деформируемых тел оптическими методами. Цель изобфетения - повышение точности и расширение диапазона определения скоростей перемещений. Устройство снабжено двумя полупрозрачными зеркалами, двумя расширителями пучков света, тремя ослабителями света, расположенными между двумя источниками монохроматического света, расположен- ньми за расширителями, длины волн ИСТОЧНИКОВ света различны и лажа в сине-фиолетовой, зеленой и красной областях спектра, визуализирующая диафрагма выполнена в виде трех групп прозрачных штрихов в виде концентрических окружностей на непро-. зрачной пластине, каждый штрих группы расположен между штрихами двух других групп, а радиус каждого из этих трех штрихов обратно пропорционален длине волны соответствующего источника света. 2 ил. i (Л С 00