Интерферометрический способ контроля трехмерного фазового объекта

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социапистичесиик

Республик

Ъ (ii) 879553 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 11.09. 79 (21) 2816969/18-21 с присоединением заявки №

{23) Приоритет

Опубликовано 07,11.81. Бюллетень № 41

Дата опубликования описания 09.11.81 (53)М. К,д.

Q 03 Н 1/04 (еаударстаанный камнтет

СССР ав делам нзобретеннй н открытнй (53) УЙК772.99 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В. Г. Гусев и Б. Н. Пойзнер

Сибирский физико-технический институт при Томском ордена Трудового Красного государственном университете им. В. В. Куйбышева (7i ) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРОИЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ

ТРЕХМЕРНОГО ФАЗОВОГО ОБЪЕКТА

Изобретение относится к оптическим измерениям на основе голографической интерферометрии в реальном масштабе времени и предназначено для исследования динамических, т.е. изменяющихся во времени, прозрачных объектов, например плазменных струй, ударных волн, газовых потоков и т.д.

В настоящее время существует проблема реализации трехмерного контроля таких объектов с предельно высокой разрешающей способностью с помощью голографических способов.

Известен способ голографического контроля трехмерного фазового объекта в реальном масштабе времени с рассеи- 1 вателем 1, осуществляющийся путем освещения светочувствительной среды посредством рассеивания, затем освещения обработанной светочувствительной среди и объекта посредством рас20 сеивателя, регистрации динамической интерференционной картины, образованной восстановленной и искаженной в данный момент объектом волнами, и расшифровки интерференционной картины по сдвигу полое конечной ширины с помощью точечной диафрагмы либо объектива с малой апертурой.

Недостатки указанного способа— во-первых, низкая разрешающая способность, так как возникают оптические помехи в виде пятнистой структуры, во-вторых, необходимость в специальных схемах восстановления, Ближайшим техническим решением является способ голографического контроля трехмерного фазового объекта в реальном масштабе времени без рассеивателя, осуществляющийся путем освещения светочувствительной среды волнами от двух источников, обработки светочувствительной среды, установки ее на прежнее место, установки объекта на пути одной из волн и расшифровки интерференционной картины (2).

Недостатком указанного-способа является невозможность трехмерного

879553 йия светочувствительной среды. 8 этом случае экспозиция

Е =х l-i, (1) где — коэффициент пропорциональности, l — интенсивность света на поверхности светочувствительной среды:

; (q — 2(,x ь п6,)

I=(А +

А и A — амплитуды сферических волн на поверхности светочувствительной среды, направления распространения которых с нормалью к плоскости среды составляют соответственно LS МИ

1 и 1.S ММ = "0 ; k — волновое число; — мнимая единица; (x у) — плоскость светочувствительной среды, причем для упрощения рассматривается одномерная запись, когда координата х лежит в плоскости рисунка перпендикулярно МИ ; Т вЂ” время экспозиции выбирается настолько большим, чтобы после обработки светочувствительной среды коэффициент ее пропускания по амплитуде можно было представить в форме степенного полинома относительно величины экспозиции: — Со+ С,Е + С Е + ... (3) и пренебречь членом с Е . Здесь

Со, С, и С вЂ” постоянные коэффициенT6I> характеризующие форму кривой почернения .

Затем проводят обработку светочувствительной среды и установку ее на прежнее место. После этого изменяют нее местоположение и ориентацию с тем, чтобы компенсировать неточность А в выборе расстояний от источников сферических волн до светочувствительной среды при записи:

= 2fа -Ь

Контроль трехмерного фазового объекта по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Для освещения светочувствительной среды исполъзуют источники сферических волн, формируемых, например, линзами 5 и б, расстояния S М = 0, и

Я М = 1, от которых до плоскости светочувствительной среды 9 отличаются примерно в два раза: 3, = (1,9850

-2,02) t ., т.е. с точностью +1X, как показывает эксперимент, достаточной.

Далее изменяют интенсивность освещения, напр1лмер, регулируя мощность из-, лучения лазера 1, до достижения не- 55 линейного режима голографической записи., которому соответствует работа в области передержек кривой почернеконтроля динамического неоднородного неосесимметричного фазового объекта.

Цель изобретения — обеспечение возможности трехмерного контроля динамического неоднородного неосесимметричного фазового объекта в реальном масштабе времени при одновременном повышении разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, что при контроле трехмерного фазового 0 объекта интерферометрическим способом путем нелинейной голографической записи на светочувствительную среду, восстановления интерферограммы волнами от двух источников сферических 15

;волн и расшифровки интерферограммы выбирают расстояния от источников до плоскости светочувствительной среды в отношении 1:2, устанавливают обработанную светочувствительную среду в положение записи, изменяют оптическую длину пути одной из волн, устанавливают объект на пути указанной волны, регистрируют инчерферограмму в направлении плюс первого дифракционного IIQ рядка; при этом расшифровку интерферограммы осуществляют по сдвигу колец

Ньютона.

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа: лазер 1, свето30 делитель 2, зеркала 3, 4, линзы 5, 6, динамический трехмерный фазовый объект 7, плоскопараллельная пластинка 8, светочувствительная среда 9,штрихпунктирная линия ММ -нормаль,.к поверх- 35

1 ности светочувствительной среды, источники сферических волн S и Sg, со"здаваемых линзами 5 и 6 соответственно.

Расчет показывает, что при смещении обработанной светочувствительной среды относительно ее положения при записи на величину

6 = -242(/(t!,-Ь) (4) восстановленное за нею поле 1 и содержит среди других следующие две компоненты: во-первых, плоскую волну сравнения

u р = (С,МТ+ 2С м (А +А ))" х jp д qiax(2cltl8l + sif16g) (5) г во-вторых, плоскую волну, обусловленную нелинейным режимом голографической записи, которая распространяется

879553 в том же направлении, что и плоская

1 волна сравнения:

1 г

i<>cp » << = Г л Г, слл < ) г

Pac><,. (23 <((1) (8) где Г,= (С,хТ. +2 СгФ Т (A, + А,)1

Г, = Сгаег 1 (С,м, +2С х 7 (A, +A )j A, Аа

Аргумент косинуса в i 8) описывает интерференционные кольца, или кольца у, г. г ir><ин.= <" Ф 7 А, Аг G (6)

Другие расходящиеся или сходящиеся пространственно-ограниченные световые пучки идут в направлениях, отличающихся от направления распространения волн (5) и (6), поэтому не создают оптических помех. Результат ин- 10 терференции плоских волн (5) и {6) представляет собой интерференционную полосу бесконечной ширины, поэтому местоположение и ориентацию обработанной светочувствительной среды 9 изменяют до достижения условий (4), о котором легко судить по получению равномерно освещенного поля зрения за средой 9.

После этого изменяют оптическую среду одной из волн, например, за счет внесения плоскопараллельной пластинки 8 толщиной d с показателем преломления и на пути волны от источника света

S<.Чтобы определить в этом случае световое поле за светочувствительной

1 средой, надо рассчитать на основе (3), (1) и (2) произведение Т - t, заменив в (2) величину 2 Р íà 20 +2L, где

L = d(n-1) — изменение оптической длины пути. Из расчета следует, что восстановленное световое лоле попрежнему содержит плоскую волну сравнения (5). Кроме того, среди других компонент имеется волна с малой угловой расходимостью, определяемой изменением оптической длины пути волны от источника S, распространяющаяся в том же направлении, что и плосI кая волна сравнения: ф - неяин, = Сг рог ь лАг 6 х

„расх, K f.r> л е 21,<л, л (7)

Другие световые пучки идут в направлениях, отличающихся от направле45 ния волн (5) и (7), поэтому не созда ют оптических помех. Результат интерференции волн (5) и (7)представляет собой совокупность двух членов:

Ньютона, координаты максимумов которых равны

Х . = 2НА 4@2")

N р<ак<., р () координаты минимумов—

>((21>1. 1)Д 2(г )

Ф

L где hJ — номер (порядок интерференции колец (М = p,1 2р ° ° ° ) °

Из (9) и фиг. 2 нетрудно видеть,что ширина колец Ньютона, т.е. разность

I> »,I„»„-Õ»»»»»= 2Л-— Л<- — Л <><»Л<-<<11) тем меньше, чем больше изменение оп,тической длины пути L одной из волн.

Предельным значением ширины перифе- рийного кольца Ньютона, очевидно, является размер зерна светочувствительной .среды,обусловливающий максимально достижимую разрешающую способность голографического способа. Поэтому оптическую длину пути одной из волн из- меняют до получения минимальной ширины периферийного кольца. Если масштаб неоднородностей фазового объек-. та велик, то добиваться минимальной ширины периферийного кольца нет необходимости.

Далее производят установку фазовоI*o объекта на пути одной из волн, например, от источника 5г. Согласно

{1), (2) и (3), световое поле за обработанной светочувствительной средой к

- (Х вЂ” 24 х sin 8,)

w.=tIA,å

< ,А, -,. |x .(Е, л.) х.in &q) -; б,ц .,(1(1) гд6 Р (х, t) — искажение фазы волны динамическим неоднородным объектом.

После подстановки (2) в (1P) восстановленное sa светочувствительной средой поле по-прежнему содержит плоскую волну сравнения ® . Кроме того, восстанавливается волна с малой угловой расходимостью, несущая информацию о фазовом объекте, которая распространяется в том же направлении, что и волна сравнения: у =С г-г г з <кх(2ь<» 91+ cin8 ) аб i ЧАЕ

Х Е Лл<<ЛС> » л- " < > - <« >

Другие расходящиеся и сходящиеся пространственно-ограниченные световые пучки идут в направлениях, отличающихся от направления распространения волн (5) и (11>, и поэтому не создают оптических помех. Результат интерференции волн (5) и (11) пред879553 ческую интерфе8 формула изобретения

Ф ставляет собой динами ренционную картину г (., ) =(u„U,6)

Нетрудно видеть, что (1 —,,«,(— у(хд > 2 (, (3 + 1.) те косинуса где второй член в аргумен описывает сдвиг коле Н п авлении ц ьютона в нар нии X за счет испытанного световой сферической волной искажения . фазы пи а р распространении через объект — ср. с (8) с () . Поэтому расшифровку интерференционной ка картины осуществляют по с двигу колец Ньютона. Так как на п а расп о рактике через фазовы" б и о ъект ространяется сферическая волна, то голограмма имеет двуме н туру, т.е.: рную струк(,у, )=,+I; «st g <, „ Ф " )

Расшифровка интерференционной картины в трехмерной конической системе координат раскрывает зависимость величины Г от третьей координаты Z

Таким об

° разом, предложенный способ голографического контроля трехмерного фазового объекта в реальном масштабе времени решает актуальную в настоящее время задачу: позволяет осуществить трехмерный контроль динамического неоднородного неосесимметричного фазового объекта при повышении разрешающей способности до предельного значения с помощью ю простых голографических устройств.

Интерферометрический способ оля осо конт р трехмерного фазового объекта путeì Håëèíåéíîé голографич ескои записи на светочувствительную с е становл среду, восвления интерферограммы волнами ических волн от двух источников сферическ и расшифровки интенферограммы, о тличающийся т лью обесп с я тем, что с с я т, ценого ечения возможности т трехмерго контроля динамическо го неоднородного неосесимметричн объекта в е ного фазового о ъекта в реальном масштабе времени при одновременном повышени ении разрешающеи способности выбираю

1 а т расстояния от источников до плоскости светочувствительной средь r в отношении 1:2, устанавливают обрабо отанную светочувствительную среду в положение записи, изменяют оптическую одной из длину, пути на и з волн, устанавливают б т о ъект пути указанной волнь регистрируют интерферограмму в направлении плюс первого и д фракционного порядка, при этом расшифровку инте ф р ерогр аммы осуществляют по сдвигу ко Н лец ьютона.

Источники информации, З0 е при экспертизе

1 ° Островский Ю.И. и др. Голографическая интерферометрия, М., "Наука", 1977, с. 1б1-162.

2. Там же, 2 221-22ч (прототип} .

879553, Составитель.А„ Силаева

Релактов Б. Федотов Техред Р. Олиян Корректор С. Шекмар

Заказ 97)7/,18 Тираж 509 Подлисное ,ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035д Москва Ж-35 Раушская наб. д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r . Ужгород, ул. Проектная, 4