Способ измерений деформаций объекта с повышенной чувствительностью и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01B9/21 G03H1/04 

ел ю

Од

Изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для изучения газовых потоков низкой плотности, интерференционно- дисперсионной спектроскопии разреженных атомных сред, контроле качества точных оптических элементов и т.п.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исходную голограмму объек - та, полученную по обычной схеме с внеосевым опорным пучком. Пропускани такой голограммы с точностью до постоянного коэффициента определяется выражением

Т,/ехр 1ц (х,у)+ехр iotx/ «

« 2+ехр i(f (x,y)exp-i«6x + exp - - icf(x,y)exp ioix, (0

где cf (х,у) - фаза объектной волны, зарегистрированной на голограмме;

х,у - координаты волны на голограмме;

27 . а об -7Г- 81пУ,, Л

2 где -л- - волновое число;

01 - угол падения опорного пучка при регистрации гологра1 мы.

Эту голограмму рекоструируют дву пучками когерентного света, падающими на голограмму под равными по вел чине, но противоположными по знаку углами +9j Представим эти волны в виде

exp ipj X и exp - , (2) 45

21Г где p, -.гsin 02 - регулируемая

величина, определяемая углом падения

восстанавливающих опорных пучков

на голограмму.50

.Световое поле за первой голограм-) мой при ее реконструкции определяется выражением

(ехр i|J,x + exp - , х)Т,

+ expcfi. exp-i(oi-f3, )х + exp-iifexp i (oi + fbi )х + exp icf exp-i( el + /J, )x +

+ exp-i Cf exp i (ot -,) x .

(3)

Как следует из выражения (3), световое поле за первой голограммой .содержит пару объектных комплексно-сопряженных волн, определяемых вторым и пятым членами выражения. Эти волны распространяются по направлениям, определяемым значениями ot и ,, причем /5i является регулируемой величиной. Таким образом, варьируя об -/3,, можно в процессе реконструкции задавать различные направления распространения волн. Для сохранения несу-i щей пространственной частоты голограммы после ее перезаписи положим ft, 0,5et . Вьщелим эти волны и сведем их -на втором регистраторе.После экспонирования и обработки пропускание полученной голограммы определяется выражением

Т,«/ехр icfexp - iO,5otx + + exp - iqiexp iO,5otx/ 2 + (4)

+ exp i2q exp - io6x+exp-i 2cfexp iotx

I.

Как следует из выражения 4 , на второй голограмме зафиксирована вол- , на, фаза к оторой 2 cf , т.е. увеличение в два раза по сравнению с фазой исходной голограммы.

Рассмотренные операции повторяют операции известного способа. Отличие состоит в повторной реконструкции исходной первой голограммы двумя опорными пусками и вьщелении пары объектных комплексно-сопряженных волн. Эти волны используют для реконструкции второй голограммы.

Распределение светового поля за второй голограммой определяется выражением

(ехр + exp - i q exp - ), 2(expitf expi/J x + 4-exp-i c| exp-i p,) exp

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для изучения газовых потоков жидкой плотности,интерференционно- дисперсионной спектроскопии разреженных атомных сред .контроля качества точных оптических элементов.Целью изобретения является повышение быстродействия. Это достигается тем, что при измерении деформаций объекта с повышенной чувствительностью реконструируют первую голограмму, выделяют пару объектных комплексно-сопряженных волн, используют их для реконструкции второй .голограммы. За второй голограммой выделяют пару объектных волн с максимальными фазами и используют их для записи третьей голограммы. Эти операции повторяют до достижения требуемого уровня повьппения чувствительности. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. о (О

2(exp ip, X + exp-i (3,x)

-i(ot -/ij)x + exp-iq expi(oL+/J-,)x +

+ехр itf exp-i (ul+|.)х+ exp - -iScfexp i(cl-ft)x.

(5)

Как видно из выражения (5), световое поле за второй голограммой с6- держит две пары объективных комплексно-сопряженных волн, определяемых соответственно 2,5 и 3,4 членами выражения, которые отличаются значением фа

зы.

Вьзделяют пару объектных комплексно-сопряженных волн, определяемых 2 и 5 членами выражения, обладающих максимальными фазами, и используют их для записи третьей голограммы, При этом варьируя значением j, уста- навливается требуемый угол голографирования. Пропускание полученной голограммы определяется выражением

Т, « /ехр i3tf exp-iO,5ct X + + ехр -13 q ехр iO,5oix/ 2 + ехр i6cpexp-ic6x + + ехр - i6cf ехр i(s6x.

Как следует из выражения (6)на третьей голограмме зафиксирована объектная волна с фазой 6с.

Затем вновь повторяют указанные операции способа, а именно: вновь реконструируют первую голограмму, вьзделяют за ней волны с фазами +Ч (х,у) и -tf(x,y), эти волны ис- Польэуют для реконструкции второй голограммы, выделяют за второй голо- граммой волны с максимальными фазами +3tp(x,y) и -3tf(x,y) и исполь- зуют их для реконструкции третьей голограммы, выделяют третьей голограммой волны с максимальными фазами +9(f(x.y) и -ЭфСх.у) и используют их для записи следующей голограм мы, на которой зафиксирована волна с фазой 18 (х.у), и повторяют указанный процесс перезаписи голограмм с накоплением фазы объектной волны.

В результате получают последова- тельйость голограмм, у которых фазы объектной волны соответствуют ряду

Cf,(x,y),Lp(x,y), у, (х,у),.,., . Ч (х,у) tf (x,y),2cf (х.у), 6tf(x,y),

18q(x,y) ,544- (x,y), 162tp(x,y), 486ч (х,у), 1458cp(x,y)..,,

определяемого да

из закономерности ви10

ц.„(х,у) ,(x,y) + cp(x,y) +

+ М ,(х.у)+...+Я ,(х,у) , (7)

егде п

1,2,

15

30

35

40

, 50

,

- порядковый номер голограммы.

Рассмотренный случай непрерывного накопления фазы объектной волны можно рассматривать как один цикл перезаписи. Другой вариант осуществления способа состоит в повторении циклов, накопления фазы объектной волны. В этом случае устанавливают требуемое число голограмм цикла перезаписи и накопление фазы осуществляют повторением циклов перезаписи. 25 Этот вариант осуществления способа рассмотрен ниже в описании работы устройства для реализации описываемо-, го способа.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит осветитель, включающий лазер 1, телескопическую систему 2,3; светоделитель и зеркала 4 - 7, формирующие два восстанавливающих опорных пучка, откидное зеркало 8, первую голограмму 9, оптическую систему пространственного разделения пучков, содержащую линзу 10,зеркало с диафрагмами 11, вторую линзу 12, причем эта система обеспечивает оптическое сопряжение исходной голо-; граммы 9 с регистратором 13, второе откидное зеркало 14, второй осветитель 15-21, вторую оптическую систе- му 22-24, второй регистратор 25, третье откидное зеркало 26 и третий . осветитель 27-33, третью оптическую систему 34-36, подобную первым двум.

Устройство работает следующим образом.

В позицию 9 устанавливают исходную первую голограмму объектной вол- -ны с фазой tf (х,у) .Вводят откидное зеркало 8 и реконструируют голограм- му 9 двумя пучками когерентного света, сформированного лазером 1, расширяющей телескопической системой 2,3, светоделителем 4 и зеркалами 5-7. Из

45

совокупности волн, распространяющих- ся за голограммой 9 с помощью оптической системы 10-12, выделяют пару комплексно-сопряженных волн с фазами +((х,у) и -ц(х,у) и сводят на регистраторе 13. Откидное зеркало 14 в этот момент убрано. В результате |получают вторую oлoгpaммy, на которой зафиксирована объектная волна с фазой 2q (x,y). Эту голограмму реконструируют, используя две комплексно- сопряженные волны (х%у) и -4 (x,y)j восстановленные с первой голограммы. Из совокупности волн, восстановленных с второй голограммы, выделяют - пару комплексно-сопряженных волн с максимальными фазами +3с| (х,у) и -3cf(x,y), и сводят на втором регистраторе 25 с помощью оптической системы 22-24. Откидное зеркало 26 в этот момент убрано. В результате на втором регистраторе регистрируют третью голограмму, на которой зафиксирована объектная волна с фазой 6cf(x,y). Затем вводят второе откидное зеркало 14 и реконструируют вторую голограмму 13 двумя пучками когерентного света, сформированными в оспетителе 15-21. За голограммой выделяют пару комплекс о-сопряженных волн с фазами +2cf(x,y) и -2cf(x,y) и,используя их в качест- ;зе восстанавливающих, направляют их третью голограмму 25. Это осу- |цествляется с помощью оптической системы пространственного разведения и |;ведения пучков 22-24. За третьей го- юграммой с помощью оптической систе- Цг 34-36, 25 выделяют пару комплекс- ;|1о-сопряженных волн с максимальными фазами +8cf(x,y) и -8q (x,y) и сводят на регистраторе, установленном вза- ikeH голограммы 9. Желательно использование реверсивных сред, например термопласт, тогда первая голограмма 9 стирается и записьюается четвертая голограмма, .на которой зафиксирована волна с фазой 16. После записи четвертой голограммы вводят откидное зеркало 26 и реконструируют третью голограмму двумя когерентными опорными пучками, сформированными осветителем 27-33. С помощью оптической системы 34-36 выделяют с тертьей голо- Граммы пару объектных комплексно-сопряженных волн с максимальными фазами + 6ср(х,у) и -6(f(x,y) и, используя их в качестве восстанавливающих сводят на четвертой. Выделяют из со

5

0

5

о

5

0

5

0

вокупности волн пару комплексно-сопряженных волн с максимальными фазами +22(f(x,y) и -22q (x,y) и сводят на новом регистраторе или предварительно стирают вторую голограмму 13. На новом регистраторе (в позиции 3 записывают пятую голограмму, на которой зафиксирована объектная волна с фазой 44cf (х,у). Затем вводят откидное зеркало 8 и повторяют указанные циклы для получения голограммы с тре- (буемой степенью накопления фазы объектной волны.

Для компенсации аберраций оптической системы регистрации исходной голограммы, несущей информацию о деформации объекта и аберраций оптической системы перезаписи голограмм, дополнительно Получают голограмму волны сравнения, определяющей аберрации оптической системы регистрации исходной голограммы, и таким же образом подвергают перезаписи с накоплением фазы волны сравнения. Полученные после накопления чувствительности фазы (в одинаковое число раз) голограммы сравнения и,рабочей волны, отличающейся от волны сравнения фазовыми сдвигами, вносимыми исследуемыми деформациями объекта, используют для получения оптической информации, например интерференционных картин, путем совмещения голограмм, и по виду интерференционной картины определяют деформации объекта.

Использование изобретения позволяет увеличить скорость накопления фазы объектной волны за счет уменьшения числа перезаписи голограмм и снизить уровень когерентного щума, обусловленного оптической системой перезаписи.

Формула изобретения

комплексно-сопряженных волн, затем используют эти волны для реконструкции второй голограммы, выделяют за второй голограммой.пару объектных комплексно-сопряженных волн с максимальными фазами и используют их для записи третьей голограммы, затем повторяют указанную последовательность ойераций для получения следующих голограмм до достижения требуемого уровня повьшения чувствительности. I

маций объекта с повьшенной чувствительностью, содержащее осветитель, состоящий из источника света и оптической системы фбрмирования двух восстанавливающих опорных каналов, и приемную часть, включающую голограм- ,му, оптическую систему перезаписи го

0

5

0

лограмм и регистратор, оптически сопряженный с голограммой, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия, в него введены система поворотных зеркал с диафрагмами,расположенных перпендикулярно биссектрисам углов правильного п-угольника, п-1 дополнительных осветителей и п-2 регистраторов, которые расположены последовательно по периметру п-угольника так, что голограмма и регистраторы последовательно оптически сопряжены, образуя кольцевую систему перезаписи, и введены зеркала с возможностью поворота перед голограммой и каждым регистратором, ориентированные под углом к оптической оси системы перезаписи, оптически связывающие соответствующие осветители с голограммой или регистратором.

23

35