Способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта Советский патент 1984 года по МПК G03H1/16 

Изобретение относится к гологрчфической интерферометрии. Известен способ измерения пространственного распределения внутренни неоднородностей фазового объекта 1 заключающийся в том, что,производя многоракурсное зондирование объекта лазерньи излучением, для каждого направления зондирования записывают интерферограммы объекта и по отклонению интерференционных полос судят об измеряемой величине. Недостатком данного способа являет ся невозможность получения искомого пространственного распределения неоднородностей в реальном времени, так как затрачивается время на ввод в ЭВМ измеренных по отклонению интерференционных полос, данных об изменении оптической длины пути внутри исследуемого объекта, расчета на ЭВМ, вывода и отображение получен ного ответа. Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сугцности является способ измерения пространст венного распределения внутренних неоднородностей объекта 2, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объ екта плоским.одномерным пучком прони каклдего излучения, для каждого напра ления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направл нии оси, перпендикулярной оси одноме ного пучка, в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования .и все преобразованные потоки пространственно совмещают. Этот, способ используется в рентге нотехнике для измерения распределения коэффициента ослабления рентгеновского излучения в поперечйых сечениях медико-биологических объектов (поперечная томография), Недоста ком данного способа является то, что он не может обеспечить измерение пространственного распределения пока зателя преломления объекта, так как при исследовании объектов с пер менным показателем преломления ампли туда зондиругацего излучения не изме няется, а происходит модуляция фазового фронта прошедшего излучения. Целью изобретения является измер ние пространственного распределения показателя преломления объектов в реальном времени. 8 Это достигается тем, что при реализации способа измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта, заключающемся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта плоским одномерным пучком проникающего излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпендикулярной оси одномерного пучка в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования и все преобразованные потоки пространственно совмещают, пространственно совмещенные потоки перемножают регистратором с коэффициентом контрастности , где Н - число ракурсов зондирования. На фиг.1 изображено искривление фазового фронта в зависимости от направления освеп1енного светового потока; на фиг.2,3-схема устройства, реализующего описываемый способ, вид сверху и сбоку. В описываемом способе измеряемый объект освещают плоскими одномерными световыми пучками (световыми ножами) одновременно со многих направлений, т.е. осуществляют многоракурсное (N-ракурсное) зондирование объекта. Все световые ножи должны распространяться в одной плоскости / например в плоскости (Х,у), где система координат (х,у,г) привязана к объекту (см.фиг.1а). Пересечение п лоскостей распространения одномерных световых пучков выделяет то поперечное сечение исследуемого объекта, в котором по данному способу можно измерить распределение показателя преломления в реальном времени. Про-А свечивая объект сбоку под различными ракурсами можно в реальном времени получить, например, интерферограмму поперечного сечения объекта, которая будет одновременно картой линий равных значений показателя преломления в данном сечении. Перемещая плоскость распространения световых ножей вдоль оси Z , можно измерить трехмерное пространственное распределение неоднородностей объекта. Рассмотрим последовательность операций, выполняемых в одном канале освещения, направленном, например, под углом Vj, к оси X, (см.фиг.1а). Плоский одномерный лазерный пучок амплитуды АО, пройдя через объект, будет иметь вид А е Это схематично отражено на фиг.1а искривлением фазового фронта. Ось р перпендикулярна направлению распрост ранения. Интегральный фазовый набег ф (Р)связан с показателем преломления i (x,-j) в данном вьщеленном сечении (х,у) преобразованием Радона которое в линейном приближении можно записать в виде )-X-Poll«M(P-cos4 ) 53xd где Л - длина волны зондирующего изл чения; PQ - радиус круга, вне которого (х, Прошедшее через объект излучение д gHnlP равномерно растягивают (размазывают) в направлении оси с параллельной оси Z (см,фиг.16), т.е преобразуют его в двумерный поток, описываемый выражением vriC|,) где Ф(,1Р, Фг,(Р. Т.е. вдоль оси Р это поле описывается функцией (Р) а вдоль оси CJ, оно постоянно. Эту операцию можно выполнить, например, с помощью двух цилиндрических линз, образующие которых параллельны оси Р Преобразованный таким образом двумерный световой поток поворачива П-ой оси просве ют вокруг данной чивания на угол 1,2,...N (см,фиг,IB), т.е. перехо1Ф„{Р,г1 дят от ПОЛЯ е п 1 к световому полю, которое в координатах (Р,Яг) описывается следующим выражением gi JPcosV,n5inVn) операцию можно выполнить с помощью призмы Дове или системой из нескольких зеркал. Все описанные операции осуществляются одновременно в каждом из N каналов (ракурсов), после чего все преобразованные световые потоки .) пространственно совмещают в плоскости регистратора, т, е. образуется сумма световых полей. )НС1„ е - -а П 1 -где ( ; -„ 1 п - УГ-ол меж направлением падения излучения данн го п-го канала на регистратор и нормалью к плоскости регистратора Я4 Л - длина волны зондирующего излучения, комплексные величины, т.е. , ,2,...N. Если регистратор имеет коэффициент контрастности у -2N, то амплитудное пропускание регистратора после экспонирования световым полем (2) и фотообработки будет равно 2N / N N Е1а .laj / N N К-1 2ll« |2.Z5I« (%. Г1 NJ N :«fe | .. (, где выражение в .кругльгх скобках уже действительное.Подробно (3) можно переписать в виде: -i И - нд«ь-чь-о,,.Д«.....«;).а(с.П..«;)« (4) Таким образом, при освещении регистратора восстанавливается несколько световых полей, распространяющихся под различными углами к нормали регистратора. Нас интересует поле вида: oi « 2 ---N-1« «-NK)() а распространянлциеся под углом y jjf-cL к нормали регистратора. Это слагаемое образуется следующим образом: при возведении в N-ую степень, т.е. при перемножении N одинаковых вьфажений, записанных в квадратных скобках в (4), из 1-го сомножителя берется 1-ое слагаемое, равное N, из 2-го-слагаемое i из 3-го с2-м т.д. из N-ro сомножителя - слагаемое В (4) члены участвующие в образовании слагаемого (5), подчеркнуть. Если N-ЫЙ канал выбрать опорным, т.е. плоским волновым фронтом, па- дакяцим на регистратор под углом 6 -О, то (5) можно переписать в виде: i Nfl« N.n% P ° V sinVJ.,-oi, ci г.ч Н-1 -.. а{Р4)+об где 0(Р,Ь-11ф(Рсо5У„- Я,. (t) а ti. определяет угол распро I , странения волнового поля (6). Видно, что соответствующим подбором dп мож но добиться того, чтобы поле (6) не пе рекрывалось с остальными восстановленными полями. Функция Q (РI с(,) есть искомая функция f(P,) |. описывакяцая пространственное распределение оптических неоднородностей фазового объекта, несколько искаженная (размытая) on рацией свертки с функцией () т.е. Q(P.(P. Я)®| Л --- IP + cj, х) - значок двумернойсвертки. Однако для низкочастотных функций f(Xii),которые, как правило, исследуют ся в интерферометрии при малом числ ракурсов просвечивания, этим сглажи ,ванием можно пренебречь. Тогда (6) можно записать в виде i|f(P. Для того, чтобы визуализировать полученный фазовый волновой фронт, ,уже содержащий искомое распределение f(P|Q,), можно, например, сделат 2-ую экспозицию регистратора, но уже без объекта (как в методе 2-х экспозиций голографической интерферомет рии) . Тогда в направлении к нормали регистратора будет восстанавливаться поле, интенсивность кото рого равна 2 Г 27ГР N 1 D(P,c h2Nl co5- f ( . (10) Из выражения (10), следует, что иско мая информация о пространственном распределении показателя преломления в поперечном сечении объекта заключена в виде системы интерференцио ных полос, которая одновременно является картой линий равных значений показателя преломления, причем при переходе от одной линии к другой зна чение показателя преломления изменяется на величину -Отметим, что операцию перемножения (6) фазо86вых волновых фронтов, полученных под различными ракурсами, необходимую для суммирования фазовых набегов Ф, можно выполнить также путем многократного прохождения одного и того же волнового фронта через объект последовательно под различными углами просвечивания. Для коаксиальных фазовых объектов (т.е. объектов с постоянным вдоль оси Z показателем преломления типа стекловолокна) можно устранить операцию равномерного растяжения одномерного потока в двумерный в направлении оси 2 и осуществлять зондирование объекта двумерным плоским световым пучком. В настоящее время существуют регистраторы с достаточно большим коэ Ьфициентом контрастности, а также различные типы проявителей, повышающих . Заметим, что регистраторы с большими -v необходимы для многоракурсных схем с большим количеством световых каналов. Реализовать такие схемы технически трудно. Поэтому на практике обычно ограничиваются трех--.,четырех- ракурсными схемами, для которых можно использовать более распространенные регистраторы с тл/6-10. Схема устройства, реализующего описываемый способ, представлена на фиг.2. Для определенности рассмотрим трехракурсную схему. Устройство содержит лазер 1, светоделитель 2, систему из двух цилиндрических линз 3, светоделитель-мультипликатор 4, создающий нужное число направлений зондирования зеркал 5,6,7 и 8 объект 9, система цилиндрических линз 10, призма Дове 11, регистратор 12, зеркало 13, расширитель 14 пучка. Световое излучение от лазера 1, попав на светоделительную пластину 2, разделяется на две части, одна из которых проходит систему формирования опорного канала (зеркало 13, расширитель 14 пучка) и попадает на регистратор 12. Другая часть проходит систему из 2и(илнндрических линз 3, формирукщих плоский одномерньм световой пучок, попадает на светоделитель-мультипликатор, создающий нужное число направлений зондирования и с помощью зеркал 5,6 направляется на исследуемый фазовый объект 9 таким образом, чтобы осинаправлений просвечивания пересекались в одной точке, в которой расположено начало системы координат (х,у, z). Прошедшие через объект под угля

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНС ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА, заключаюп-оя ось 3i,-d просвечива- / ния 0 f(x. щийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта плоским одномерным пучком проникающего, излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпендикулярной оси одномерного пучка, в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования и все преобразованные потоки пространственно совмещают, отличающийся тем, что, с целью измерения в реаль.ном времени, пространственно совмещенные потоки перемножают регистратором с коэффициентом контрастности , где N - число ракурсов зондирования. f(pcos(f}f -i-f- fln fj) .l