Способ определения направления перемещения диффузно отражающего объекта Советский патент 1991 года по МПК G01P13/04 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при определении направления перемещения объекта методом голографической интерферометрии.

Цель изобретения - повышение достоверности определения направления перемещения.

На чертеже представлена оптическая схема с ходом лучей.

Исследуемый объект 1 освещают пучком излучения 2 и записывают его голограмму на регистрирующей среде 3 с помощью опорного пучка 4. Плоское зеркало 5 располагают между объектом 1 и регистрирующей средой 3 и используют для формования зеркального изображения 6 объекта 1. Р-точ- ка объекта с нормалью пр, в которой необходимо определить знак (направление) нормального перемещения On, S-ось, лежащая в плоскости зеркала 5 и перпендикулярная нормали пр, сГп - вектор контролируемого перемещения, вносимого поворотом зеркала 5 вокруг оси S.

Способ осуществляется следующим образом.

Освещают диффузно отражающий объект 1 пучком 2 когерентного излучения. Между объектом 1 и регистрирующей средой 3 устанавливают плоское зеркало 5 так, чтобы его плоскость была параллельна нормали пр в исследуемой точке Р поверхности объекта 1 и часть диффузно отраженного от объекта 1 излучения, зеркально отразившись от зеркала 5, попадала на регистрирующую среду 3. После этого на регистрирующей среде 3 записывают с помощью опорного пучка 4 голограммы объекта 1 и его зеркального изображения 6 в зеркале 5. После фотохимической обработки регистрирующей среды 3 полученную на ней голограмму устанавливают в первоначальное положение и восстанавливают ее пучком 4. После нормального перемещения

(

сл ю

00

о ю

обьекта при наблюдении через голограмму получают в реальном времени интерференционные полосы как на объекте 1, так и на его зеркальном изображении 6. Интерференционные полосы на изображении 6 возникают в результате наложения восстановленного с голограммы пучка излучения, отраженного зеркалом 5 при записи голограммы, и отраженного зеркалом 5 пучка от объекта 1 после его смещения на величину (Jn в точке Р. При заданной ориентации зеркала 5 вектор oV смещения точки Р , являющейся зеркальным изображением точки Р, будет коллинеарен вектору dn. Затем одновременно с наблюдением интерференционных полос на зеркальном изображении 6 осуществляют поворот зеркала 5 вокруг оси S, лежащей в плоскости деркала 5 и перпендикулярной нормали пр в исследуемой точке Р. Поворот зеркала 5 приводит к смещению изображения объекта 1, существующего в реальном времени, относительно его изображения в начальный момент, которое восстановлено с голограммы. При заданной ориентации зеркала 5 и выборе оси его поворота также смещение происходит по нормали к поверхности, т.е. обусловливает дополнительное смещение 3V либо вдоль вектора dn, либо в противоположном направлении. При выбранном направлении поворота зеркала 5 определяют направление (знак) вектора сГп1. После чего, наблюдая интерференционную картину в окрестности точки Р, можно по увеличению или уменьшению числа полос при повороте зеркала однозначно определить знак нормального перемещения в исследуемой точке поверхности. В частности, для случая, показанного на чертеже, при повороте по часовой стрелке направление (знак) добавочного смеще- совпадает с нормалью пр , а число полос в окрестности этой точки при повороте зеркала 5 уменьшается, что позволяет заключить, что вектор сГп ориентирован в направлении, противоположном вектору гГр.

Обоснуем выбор соотношения между расстоянием L от исследуемой точки Р до регистрирующей среды и расстоянием Р от исследуемой точки до плоскости зеркала, ориентации плоского зеркала, угла а освещения исследуемой точки и положения точки наблюдения на голограмме.

Пусть положение исследуемой точки характеризуется радиус-вектором 7 и она находится на расстоянии Р от плоского зеркала с нормалью гГ. Положение этой точки на зеркальном изображении имеет радиус-векTs г - 2 (7,n) n - 2ргГ.

При повороте зеркала зеркальное изображение точки занимает положение 7S + А Т- 2(г,п+Д п) (ти- Д n) - 2(р+Д рНгТ+До), т.е. смещается на величину

Ј Д п) + {г ,п)+Р -2(г,ДгО -2ДР(). В предположении малости угла поворо0 ДР/Р,ДР/(Т)«1,гГ1ДгГ.

Условие, заключающееся в том, что плоское зеркало ориентируют так, чтобы нормаль пр к поверхности объекта в исследуемой точке была параллельна плоско- 5 сти зеркала, обеспечивает наличие в векторе Дг нормальной компоненты, кол- линеарной с вектором

BV 2 (г. Д ri) + (f,n) + Р Д Т, и компоненты, вносящей вклад в тангенциальную 0 составляющую перемещения: аУ -2(Дг§п.

Обе компоненты вносят дополнительную разность, хотя и в общем случае оказывают влияние на число интерференционных 5 полос в окрестности исследуемой точки, Дополнительная разность хода в результате поворота зеркала равна

АГ1 АДМ,

0 где К1 - вектор чувствительности в точке зеркального изображения;

ДМ - изменение числа полос в результате поворота зеркала.

Для определения знака нормального 5 перемещения необходимо, чтобы вклад от нормальной компоненты приводил к изменению полос, а от тангенциальной - не приводил, т.е.:

0 ffn1 1Г -j-, dr % 4 (1)

Для упрощения выкладок без нарушения общности предположим, что центр координат совпадает с точкой наблюдения. Выберем точку наблюдения на голограмме, 5 лежащей на нормали к поверхности объекта в исследуемой точке. Тогда система условий (1) запишется в виде

, 2LKTI - - . (2)

0 где L - расстояние от голограммы до исследуемой точки;

K if ,Kr - нормальная и тангенциальная компоненты вектора чувствительности. В явной форме эти компоненты имеют вид:

5 .. ,|

i

Кп

Кг

VL + 4 р2

2Р

VL + 4 р2

4- cos a;

- sin а.

W

где а - угол падения освещенного пучка в исследуемой точке.

С учетом (2) и (3) для случая Р а условия (1) принимают вид:

2L(1+cos«),4P-2Lsina -j .(4)

Поскольку реально L 10 4 мкм, а Я мкм, то первое из выражений (4) выполняется автоматически, а из второго следует

Р Т sin а ® Учитывая, что должно выполняться соотношение между расстояниями от иссле- дуемой точки до голограммы и до зеркала P«L, неравенство (5) выполнимо при условии, если угол освещения а л/2 т.е. освещение должно быть близким (в пределах не более 10-15°) к нормальному..

Пример. Определение направления нормального перемещения при изменении внутреннего давления в цилиндрической оболочке, находящейся в вакуумной камере. Исследуемую оболочку освещают пучком когерентного излучения от лазера ЛГ-38 под углом 10° к нормали в исследуемой точке объекта и между ней и фотопластинкой типа ВР-Л, на которую записывают голограмму, расположенную на расстоянии 300 мм от объекта, устанавливают плоское зеркало так, чтобы его плоскость была параллельна нормали в исследуемой точке цилиндрической поверхности, а расстояние до контролируемой точки составляло 60 мм. После этого записывают на фотопластинку голограмму объекта и его изображения в зеркале и после фотохимической обработки фотопластинки полученную голограмму устанавливают в первоначальное положение. Затем изменяют величину внутреннего давления в оболочке и в направлении зеркального изображения наблюдают интерференционные полосы. После этого в реальном времени поворачивают зеркало вокруг оси, лежащей в его плоскости и перпендикулярной нормали в исследуемой точке поверхности (эта ось в данном случае параллельная образующей цилиндрической Оболочки). Направление поворота выбира- . ют так, чтобы перемещение нормали к поверхности зеркала совпадало с

направлением нормали в исследуемой точке, что соответствует введению дополнительного нормального перемещения, направленного внутрь оболочки. При таком повороте зеркала число полос в исследуемой точке уменьшается, т.е. направление нормального перемещения в этой точке совпадает с направлением нормали. Таким образом удается определить направление нормального перемещения точек объекта, контакт с которым затруднен.

Формула изобретения Способ определения направления перемещения диффузно отражающего объекта, заключающийся в том, что объект освещают пучком когерентного излучения, записывают на регистрирующей среде голограмму, обработанную голограмму устанавливают в первоначальное положение, восстанавливают с голограммы изображение, после перемещения объекта одновременно осуществляют наблюдение интерференционной картины и вводят контролируемое измерение фазы в объектный пучок, а по изменению картины полос в исследуемой точке судят о направлении перемещения в этой точке, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения направления перемещения, перед записью голограммы между объектом и регистрирующей средой устанавливают плоское зеркало так, что расстояние от плоскости зеркала до исследуемой точки объекта много меньше расстояния от исследуемой точки до плоскости регистрирующей среды, ориентируют зеркало параллельно нормали к поверхности объекта в исследуемой точке, освещение объекта в исследуемой точке осуществляют под острым углом, на регистрирующей среде записывают голограмму зеркального изображения объекта, наблюдение интерферограммы проводят через точку на голограмме, лежащую на нормали к поверхности объекта в исследуемой точке, интерференционную картину наблюдают на зеркальном изображении объекта, а контролируемое изменение фазы объектного пучка осуществляют путем поворота зеркала вокруг оси, лежащей в его плоскости и перпендикулярной нормали к поверхности объекта в исследуемой точке.

пр

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при определении перемещений объекта методом голографической интерферометрии. Целью изобретения является повышение достоверности определения направления перемещения. Для этого между объектом и регистрирующей средой устанавливают плоское зеркало и одновременно записывают голограмму объекта и его зеркального изображения. Затем голограмму устанавливают в первоначальное положение, наблюдают в реальном времени интерференционную картину, поворачивают зеркало и по соотношению полос на ин- терферограммах объекта и его зеркального изображения судят о знаке перемещения. 1 ил.