Голографический способ измерения амплитуды колебаний объекта Советский патент 1992 года по МПК G01H9/00 G03H3/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения параметров колебаний твердых тел, и может быть использовано в машиностроении и строительстве для измерения амплитуды колебания, например, происходящего в плоскости колеблющейся поверхности.

Известен фотометрический способ измерения амплитуды поперечных колебаний объекта, заключающийся в размещении нз одной оси с объектом миры, жестко связанной с фотометром, маски, нанесенной на исследуемый объект, и последующей регистрации изменения интенсивности световых потоков, регистрируемых даумя идентичными каналами фотометра, обусловленного изменением положения маски относительно миры вследствие колебания объекта.

Недостатком способа является необходимость нанесения маски на объект, вследствие чего способ не бесконтактный и низка чувствительность, обусловленная дифракцией света на штрихах миры и маски.

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому способу является гологра- фический способ измерения амплитуды колебания объекта, по которому при записи голограммы одновременно освещают колеблющуюся поверхность объекта сферической волной, а светочувствительную среду плоской волной, и при восстановлении голограммы плоской волной регистрируют распределение яркости на расстоянии Lrl ±F от голограммы, где I - расстояние от поверхности объекта до светочувствительной среды при записи голограммы, F - радиус криоизCJ

V1

с о

мы фронта сферической волны, освещающей эту поверхность.

Недостатком этого способа является большой уровень пороговой чувствительности. Уровень пороговой чувствительности связан с пространственной протяженностью Фурье-образа поля, рассеянного колеблющейся поверхностью, в пределах которого наблюдается усредненная по времени интерферограмма. Чем больше пространственная протяженность Фурье- образа поля в плоскости локализации интерферограммы, тем ниже уровень пороговой чувствительности.

Цель изобретения - снижение уровня пороговой чувствительности при определении амплитуды колебаний диффузно рассеивающих свет поверхностей.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе при записи голограммы одновременно освещают колеблющуюся поверхность объекта когерентным излучением и светочувствительную среду когерентной плоской опорной волной, а при восстановлении голограммы регистрируют распределение яркости.

В отличие от известного указанное освещение колеблющейся поверхности производят диффузно рассеянным когерентным излучением, образованным при пропускании через диффузный рэссеиватель сходящейся сферической волны с радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивателя, равным расстоянию от рассеивателя до колеблющейся поверхности объекта.

Известны технические решения, в которых используется диффузно рассеянное когерентное излучение, образованное при пропускании через диффузный рассеива- тель сферической волны. Однако известные решения не содержат указаний на возможность уменьшения пороговой чувствительности при голографическом измерении амплитуды колебания объекта за счет выбора радиуса кривизны фронта сходящейся сферической волны о плоскости рассеиоате- ля, равным расстоянию от рассеивателя до колеблющейся поверхности объекта. Таким образом, предлагаемое решение проявляет новое свойство - способность измерять малые амплитуды колебания колеблющегося объекта.

На чертеже изображено одно из возможных устройств записи и восстановления голограммы, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.

Устройство включает когерентный источник 1 света, светоделитель 2, линзы 3 и 4, матовое стекло 5. объектна 6, фотопластинку 7, зеркала 8 и 11. коллимирующую

систему линз 9 и 10, обьектив 12. и регистратор 13.

Способ реализуют следующим образом. Когерентное излучение от источника 1 с

помощью светоделителя 2 делится на два канала - канал формирования опорной волны и канал формирования объектного пучка. В канале формирования опорной волны излучение, отразившееся от светоделителя 2 и

зеркала 8, расширенное коллимирующей системой линз 9 и 10, после отражения от зеркала 11 поступает на фотопластинку 7. 8 канале формирования объектного пучка прошедшее светоделитель 2 когерентное

излучение с помощью системы линз 3 и 4 преобразуется в излучение со сходящимся волновым фронтом, освещающим матовое стекло 5. Рассеянное им излучение освещает колеблющуюся поверхность объекта 14,

находящуюся на расстоянии от матового стекла 5, равном радиусу кривизны волнового фронта в плоскости матового стекла 5. С помощью объектива 6 на фотопластинке 7 записывается голограмма сфокусированного изображения колеблющейся поверхности объекта с усреднением по времени, После закрепления и проявления фотопластинки 7 голограмма восстанавливается исходной опорной волной и с помощью

объектива 12 и регистратора 13 (например, фотоаппарат) регистрируется интерферограмма, по которой судят о величине амплитуды колебания колеблющейся поверхности объекта.

Распределение яркости, в плоскости (ХА,УЛ имеет вид

I (Х , а (Х4 . Y4) I2 1 ( К Х4 АХ ) .

1 (1)

где 0 - функция Бесселя;

И - расстояние от колеблющейся поверхности до главной плоскости объектива 6;

2 расстояние от главной плоскости объектива 6 до плоскости фотопластинки; ЛХ- амплитуда колебания; а - ширина яркой полосы в плоскости регистратора 13 интерферограммы, и представляет собой полосы яркости, ширина ко- торых определяется функцией Бесселя 02, ориентированные в направлении, перпендикулярном направлению колебания объекта. Тзк как первый гчшимум функции Бссссля пул с по,о nopp;j.Kri получается при раеснстие ее аргумента величине 2 .44, то амплитуда колебания связана с шириной а яркой полосы следующим образом.

2,44.111,12ы

,2 ... Г7

АХлз п +1(Н -Н2)

Объектив 12, установленный за голограммой при ее восстановлении, переносит распределение яркости из плоскости (Хз.Уз) в плоскость регистратора 13. Без потери общности рассуждений, полагая увеличение объектива 12 равным единице, получает распределение яркости в плоскости регистратора 13, соответствующее выражению (1), и амплитуда колебания определяется согласно выражению (2).

В прототипе пространственный масштаб поля, в пределах которого изменяется яркость, определяется пространственной протяженностью Фурье-образа поля, рассеянного колеблющейся поверхностью. Уровень пороговой чувствительности - величина амплитуды колебания, при которой яркая полоса занимает всю протяженность распределения спектра Фурье-образа. В предлагаемом способе изменение яркости происходит не в пределах области, занимаемой Фурье-образом поля, рассеянного колеблющейся поверхностью, а в пределах области, определяемой сверткой Фурье-образа поля, рассеянного колеблющейся поверхностью с полем,определяемым прозрачностью матового стекла. В результате этого пространственный размер, в пределах которого изменяется яркость, увеличивается на величину соответствующей освещенной области матового стекла, и с ее увеличением уменьшается уровень порога чувствительности.

В эксперименте, реализующем предлагаемый способ, в качестве когерентного источника света использовался HI-Me лазер типа ЛГ-44 на 0.65 мкм. В качестве объекта .исследования использовалась неполированная металлическая пластина, колеблющаяся с частотой 20 Гц. Освещение объекта проводилось диффузно рассеянным лазерным излучением путем пропускания через матовое стекло сходящейся сферической волны, сформированной парой положительных линз. Для формирования плоскопараллельного опорного пучка использовался коллиматор из комплекта оптической скамьи ОСК-2. Голограмма сфокусированного с помощью объектива с фокусным расстоянием 10см изображения колеблющейся поверхности металлической пластины записывалась на фотопластинках типа Микрат-ВРЛ со временем экспозиции 2 мин. При восстановлении записи регистрация усредненной по времени ин- терферограммы проводилась с помощью фотоаппарата Зенит.

Целью экспериментальных, исследований являлось сравнение регистрируемых

интерферограмм с интерферограмм,эми, полученными в способе-прототипе. Для этого при записи голограммы использовался объект квадратной формы и на фиксированном расстоянии устанавливалось матовое стекло. С помощью набора квадратных диафрагм, устанавливаемых в плоскости матового стекла, освещаемого сходящейся сферической волной с радиусом I кривизны

волнового фронта в его плоскости, можно было изменять площадь освещенной области матового стекла. При записи голограммы по способу-прототипу для сохранения такой же ширины центральной интерференционной полосы для одной и той же амплитуды колебания объект освещался расходящейся сферической волной с радиусом кривизны в плоскости объекта, равным фиксируемому расстоянию I от объекта до

матооого стекла при реализации предлагаемого способа.

Результаты экспериментальных исследований показали, что распределения яркости в интерферограммах описываются

квадратом функции Бесселя нулевого порядка первого рода, и по измеренной ширине центральной яркой полосы амплитуда колебаний составляла 10 мкм. Но в предлагаемом способе число полос яркости

увеличивается с увеличением площади освещенной области матового стекла и, как следствие, уменьшается уровень пороговой чувствительности.

Таким образом, предлагаемый способ

решает актуальную задачу, позволяя бесконтактным методом уменьшить уровень пороговой чувствительности определения амплитуды колебания диффузно рассеивающей свет поверхности.

Формула изобретения

Гологргфический способ измерения амплитуды колебаний объекта, включающий запись голограммы с облучением когерентным излучением колеблющейся поверхности, а также с облучением светочувствительной среды когерентной плоской опорной волной, и регистрацию распределения яркости при восстановлении голограммы, отличающийся тем, что, с целью снижения уровня пороговой чувстви- . тельности при определении амплитуды колебаний диффузно рассеивающих свет

поверхностей, облучение колеблющейся поверхности проводят излучением, образованным пропусканием сферической полны через диффузный рассеиватель, при этом используют объектив, формирующий волну

излучения с радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивателч, рапным расстоянию от рассеивэтсля до поверхности объекта.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения параметров колебаний твердых тел. Цель изобретения - снижение уровня пороговой чувствительности измерений. Способ включает запись голограммы при одновременном освещении колеблющейся поверхности объекта когерентным излучением и светочувствительной среды когерентной опорной плоской волной и регистрацию распределения яркости при восстановлении голограммы. Указанное освещение колеблющейся поверхности проводят диффузно рассеянным когерентным излучением, образованным при пропускании через диффузный рассеиватель сходящейся сферической волны,:С радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивателя, равным расстоянию от рассеивателя до колеблющейся поверхности объекта. 1 ил. k

В

10

м