Голографический способ измерения амплитуды колебаний 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

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1705706 А1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КО ЛИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

4vi i, th!!".; Ä

":Й4Р)1 ;- (,",,", Я Щ йги ;о « А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOViÓ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4328276/63 (22) 16.11.87 (46) 15.01.92. Бюл. ¹ 2 (71) Сибирский физико-технический институт им. В,Д. Кузнецова при Томском государственном университете им. B.В, Куйбышева (72) В.Г. Гусев (53) 620.179.1:778.38(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 721679, кл. G 01 Н 9/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1004772, кл. G 01 Н 9/00, 1983. (54) ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕ КТА (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измереИзобретение 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 разме цен«и на одной оси с обьектом миры, жестко связанной с фотометром. маски. нанесенной на исследуемый объект, и последующей регистрации изменения интенсивности светоBUx потоков, регистр«ýóàìüõ двумя идентичными каналами фотометрз, обусловленного изменением положения маски относительно миры вследствие колебания объекта. (я)з G 01 Н 9/00, G 03 H3/00 ния параметров колебаний твердых тел.

Цель изобретения — сн«жен«е 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 пропускан«и через диффузный рассеиватель сходящейся сферической волны,.с радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивателя, равным расстоянию от рассеивателя до колеблющейся поверхности обьекта. 1 ил.

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

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому способу является голографический способ измерения амплитуды колебания объекта, по которому при записи голограммы одновременно освещают колеблющуюся поверхность объекта сферической волной, а светочувств«тельную среду плоско«волной. и при восстановлении голограммы плоско«волной рег«стр..ру:от распределе «е яркости на расгтояни« t-! Р от голограммы. где I — расстояние от по ерхност«абьекта до светочувствительной среды при записи голограммы, F — радиус кривиз1705706

50 г5 ны фронта сферической волны. освещающей зту поверхность.

Недостатком этого способа является большой уровень пороговой чузстоительности. Уровень пороговой чувствительности связан с пространственной протяженностью Фурье-образа поля, рассеянного колеблющейся поверхностью, в пределах которого наблюдается усредненная по времени интерферограл1ма, Чем больше пространственная протяженность Фурьеобраэа 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.

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

Известны технические решения, в которых используется диффузно рассеянное когерентное излучение, образованное при пропускании через диффузный рассеиватель сферической волны. Однако известные решения не содержат указаний на возможность уменьшения пороговой чувствительности при голографическом измерении амплитуды колебания объекта за счет выбора рад;1уса кривизны фронта сходящейся сферической волны о плоскости рассеиоателя, рэоныгл расстоянию от рэссеиоателя до колеблющейся поверхности ооъекта. Таким образом, предлагаемое решение проявляет новое свойство — способность измерять малые амплитуды колебания колеблющегося объекта.

На чертеже изображено одно из возможных устройств записи и васс гэнооления голограммы, с помощью которого может быть р" элизовэн 1)р,длэгэемь)й способ.

Ус. poéñTFIo включает кагерентный источник 1 света, светод"литель 2, линзы 3 и

4, л)этооое стекло 5. объекти в 6, фотопластинку 7, зеркала 6 и 11 ) ол))ил1ируюгцую

35 систему линз 9 и 10, объектив 12, и регистра op 13.

Способ реализуют сл-.дующим образом.

Когере))тное излучение от источника 1 с помощью светодел;»еля 2 делится на два канала — канал формирования опорной волны и канал формирования объектного пучка.

В канале формироггания опорной волны излучение, отразившееся от светоделителя 2 и зеркала 6, расширенное коллимирующей системой линз 9 и 10, после отражения or зеркалз 11 поступает на фотопластинку 7. В канале формирования обьект ного пучка прошедшее светоделитель 2 когерентное излучение с помощью системы линз 3 и 4 прсобразуется в излучение со сходящимся волновым фронтом, освеща)ощим 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 «э 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 колсбания колеблющейся поверхности объекта.

Распределение яркости в плоскости (Х4У4) имеет оид

1(Х4. Y4).l à IX4. Ул) I 4(К Х ЛХ) . 11 где 1Π— функция Бесселя;

lI — расстояние от колеблющейся поверхмости до главной плоскости обьективэ 6;

1г — расстояние от главной плоскости обьектиоэ 6 до плоскости фотопластинки;

ЛХ вЂ” амплитуда колебания; а — ширина яркой полосы в плоскости регистратора 13 интерфсрогрэммы. и представляет собой полосы яркости, ширина которь)х опредсляагся функц))ей Бесселя 4, г ориентированнь-.е о направлении, перпендикулярном IIaпрэолени.о колебания обьcкTa. Taк Kак псpо1 )Й t и1I!1 лум функции

Бесселя .)уле,.о,о г)ор .. л получается при равенстве ее эргул;ента елин)1не 2,41, то

II

aìI1nëòó Ia ко.:еб-)ь я cB,",aaía с ширинои э яркой полссы c;Ic .ñþù:.I. обр зом. у 2, » i i1|2 (2}

-"- (г + (+ г } ) 1705 106

Объектив 12, установленный эа голаграммой при ее восстановлении, переносит распределение яркости иэ плоскости (Хл,Y4) е плоскость регистратора 13. Беэ 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).

8 прототипе пространственный масштаб поля, в пределах которого изменяется яркость, определяется и ространственной протяженностью Фурье-образа поля, рассеянного колеблющейся поверхностью.

Уровень пороговой чувствительности — величина а лплитуды колебания, при которой яркая полоса занимает всю протяженность распределения спектра Фурье-образа, В предлагаемом способе изменение яркости происходит не е пределах области, занимаемой Фурье-образом поля, рассеянного колеблющейся поверхностью, а в пределах области, on редел яе лой с верткой Фурье-образа поля. рассеянного колеблющейся поверхностью с поле л, 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 Hl-;÷ å лазер типа ЛГ-44 на 0.65 мкм. В качестве сбьекта исследования использовалась неполированная металлическая пластина, колеблющаяся с частотой 20 Гц, Освещение обьекта проводилось диффузна рассеянным лазерным излучением путем прапускания через матовое стекло сходящейся сферической волны, сформированной парой положительных линз. Для формирования плоскопараллельного опорного пучка использовался коллиматор иэ комплекта оптической скамьи ОСК-2. Голограмма сфокусированного с помощью объектива с фокусным расстоянием 10 см изображения колеблющейся поверхности металлической пластины записывалась на фотопластинках типа Микрат-ВРЛ со временем экспозиции 2 мин. При восстановлении записи регистрация усредненной па времени интерфераграммы проводилась с помощью фотоаппарата "Зенит .

Целью экспериментальных исследований являлось сравнение регистрируемых

t0

40 интерферограмм с интерферограммами, полученными в способе-прототипе. Для этого при записи голограммы использовался объект квадратной формы и на фиксированном расстоянии ус анавливалось матовое стекло. С помощью набора квадратных диафрагм, устанавливаемых в плоскости матового стекла, освещаемого сходящейся сферической волной с радиусом 1 кривизны волнового фронта в его плоскости, можно было изменять площадь освещенной области матового стекла, При записи голограммы по способу-прототипу дпя сохранения такой же ширины центральной интерференционной полосы для одной и той же амплитуды колебания объект освещался расходящейся сферической волной с радиусом кривизны е плоскости объекта, равным фиксируемому расстоянию I от обьекта до матового 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 диффуэно рассеивающей свет поверхности.

Формула изобретения

Голографический способ измерения амплитуды колебаний объекта, включающий запись голограммы с облучением когерентным излучением колеблющейся поверхности. а также с облучением светочувствительной среды кагерентной плоской опорной волной, и регистрацию распределения яркости при восстановлении голограммы, а т л и ч а ю шийся тем, что. с целью снижения уровня пороговой чувствительности при определении амплитуды колебаний диффузно рассеивающих сеет поверхностей, облучение колеблющейся поверхности проводят излучением. образованным прапускан е л сферической волны через диффузный рассеиватель, при этом используют объектив. формирующий волну

1705706

Составитель A.Ññðãååâ

Редактор M.Êoáûëÿíñêçÿ Техред fA.Моргентал

Корректср гЛ.ti ароaiin

Заказ 188 Тира:к Подписное

ЫНИИПИ Государственного ком.пота по из бретениям и от.-.рытиям ри ГКНТ СССР

113035, Мо ква, R-35, Ргучс;,=-л на5., м

Производ "асино-издательский ког л.1..з "И,:. ;-е:гг", г. У::;гс,,;. ул,! перина, 101 излучения с радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивателя, равным расстоянищ от рассеиватсля до поверхности сбьекта,