Способ голографической интерферометрии плоского объекта
Владельцы патента RU 2255308:
Новосибирский государственный технический университет (RU)
Способ голографической интерферометрии плоского объекта заключается в создании во встречных лучах двухэкспозиционной голограммы поверхности объекта, затем два изображения поверхности объекта, восстановленные голограммой, направляют в оптическую систему, в которой последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля, фиксируют интерферограммы изображений поверхности объекта. Объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от линз, что создает сфокусированное изображение поверхности объекта в плоскости интерферограммы, и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности. Технический результат - обеспечение постоянной по поверхности и варьируемой чувствительности, расширенный диапазон измерения перемещения и наклона. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к экспериментальной механике деформируемого твердого тела и может быть использовано в машиностроении для бесконтактного оптического обнаружения областей повышенных градиентов деформации и измерения параметров деформированного состояния плоских поверхностей деталей ответственных конструкций.
Известен способ голографической интерферометрии плоского объекта (Вест Ч. Голографическая интерферометрия. - М., 1982) для измерения микроскопических перемещений элементов деформируемой поверхности, при котором когерентное излучение проходит через фотопластинку и освещает по нормали исследуемую поверхность. Рассеянное поверхностью излучение попадает на фотопластинку и создается голограмма. Экспозиция повторяется после деформации объекта. Восстановленное голограммой двухэкспозиционное изображение фотографируется в коллимированных лучах и создается сфокусированная интерферограмма. Локальное расстояние между интерференционными полосами зависит от наклона элемента деформируемой поверхности. Для измерения смещения элемента необходимо освещать объект и/или фотографировать его изображение под углом к нормали.
Однако указанный способ не позволяет существенно варьировать чувствительности измерения наклона и смещения из-за отсутствия достаточного количества свободных параметров, поэтому диапазон измерений узок.
Кроме того известен способ голографической интерферометрии плоского объекта, использующий интегральное оптическое преобразование (Sheridan J.T., Patten R. Holographic interferometry and the fractional Fourier transformation // Optics Letters. 2000. V.25, №7. Р.448-450) и являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Объект, распределенный вдоль оси х, освещается плоской когерентной волной. Рассеянное излучение g(x) подвергается дробному преобразованию Фурье. Изучается отдельный участок поверхности и на расстоянии s=f(1-cosϕ) от него устанавливается собирающая линза с фокусным расстоянием f, где ϕ - параметр преобразования Фурье. В симметричной к линзе плоскости и, располагаемой на расстоянии s с другой стороны от линзы, возникает Фурье-образ u=Fu (ϕ){g(x)} дробного преобразования для исходного состояния объекта. Фотопластинка располагается в плоскости u и голографическим методом фиксирует результат преобразования. Затем на эту фотопластинку записывается результат преобразования волны от деформированного объекта еikxg(x+В), где , В и θ - перемещение и угол наклона исследуемого участка. Если параметр преобразования равен 
, то Фурье-образы исходного и деформированного объекта отличаются смещением, а сдвиг фазы между ними не зависит от аргумента u. Восстановленные голограммой образы объекта подвергаются далее традиционному преобразованию Фурье. Расстояние между полосами возникающей интерференционной картины зависит от 
. Из двух уравнений определяются В и θ. Применение этого метода к участкам с другими значениями В и θ дает общую картину деформированного состояния объекта.
Однако указанный способ содержит кроме фокусного расстояния f один параметр ϕ, который используется для разделения вкладов перемещения и наклона, что не позволяет существенно изменять чувствительности измерения каждого из параметров деформации. Исследование неоднородно деформированной поверхности складывается из измерений множества ее однородно деформированных участков с разными значениями параметра ϕ и с разными чувствительностями.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа голографической интерферометрии, обеспечивающего постоянную по поверхности и варьируемую чувствительность и расширенный диапазон измерения перемещения и наклона.
Поставленная задача достигается тем, что в способе интегрального оптического преобразования волнового поля последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля на основе оптической системы из двух собирающих линз, причем объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от системы линз, что создают сфокусированное изображение исследуемой поверхности и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности.
Схема, реализующая предложенный способ голографической интерферометрии плоского объекта, приведена на чертеже, где: 1 - поверхность объекта, 2 - голограмма, 3 - плоская когерентная волна, 4 - полупрозрачное зеркало, 5 и 6 - собирающие линзы, 7 - плоскость изображения первой линзы, 8 - интерферограмма. Способ осуществляется следующим образом: сначала создается во встречных лучах двухэкспозиционная голограмма исследуемой поверхности, затем изображение, восстановленное голограммой, подвергается преобразованию Фурье-Френеля и создается набор интерферограмм, далее интерферограммы анализируются и определяется поле деформации. При создании голограммы плоская когерентная волна 3 отражается от полупрозрачного зеркала 4, пересекает фотопластинку 2 и освещает объект 1. Рассеянная объектом волна g(x) пересекает фотопластинку 2. Экспозиция повторяется после деформации объекта, испускающего теперь волну 
, где В - перемещение исследуемого участка, γ=29, θ - угол наклона участка. Для получения интерферограмм объект убирается, двухэкспозиционная голограмма устанавливается в исходное положение и восстанавливает оба изображения исследуемой поверхности. Линза 5 с фокусным расстоянием f1 и линза 6 с фокусным расстоянием f2 осуществляют последовательно два преобразования Фурье-Френеля. В плоскости 8 волны g1(u) и 
, пришедшие от диффузно рассеивающей поверхности, когерентны, если сдвиг В1 не превышает размера индивидуального спекла. Условие выполняется при 
, где d - диаметр апертурной диафрагмы линзы. В плоскости 8 образуется сфокусированное изображение исследуемой поверхности и на ее фоне - система интерференционных полос. Расстояние между полосами зависит от величин В и γ, а также от параметров оптической системы: f1, f2, s1, s2. Изменяя один или несколько параметров, создается вторая интерференционная картина. С помощью оставшихся трех свободных параметров подбирается желаемая чувствительность измерения В и γ. Поскольку чувствительности одинаковы для всей поверхности, то по сгущениям интерференционных полос обнаруживаются области повышенных градиентов деформации. Используя теоретические соотношения, по интерферограммам определяется поле деформаций В и γ.
Теоретические соотношения основаны на преобразовании Фурье-Френеля, осуществляемом собирающей линзой
где u - координата в плоскости образа, q2=λf(sinϕ+δctgϕ), 0≤ϕ≤π. Параметры преобразования ϕ и δ определяются соотношениями 
где f - фокусное расстояние линзы, s и s’ - расстояния объект-линза и линза-образ. Преобразование функции 
со сдвинутым аргументом и линейным фазовым множителем имеет вид 
где
Для сфокусированного действительного изображения 
При относительно малом перемещении элемента в плоскости объекта 
находим преобразованную функцию 
.
Для системы из двух собирающих линз при малом перемещении элемента в плоскости объекта волна 
, идущая от деформированного объекта, получает в плоскостях 7 и 8 вид соответственно 
и 
. Используя (1), находим
Полагая s1=αf1, s2’=(1+ε)f2, где параметры α, ε>0, и накладывая условие сфокусированности изображений в плоскостях 7 и 8, получаем 
тогда из (2) следует
Интерференция волн g2(x’) и 
создает в плоскости 8 распределение интенсивности
, где I0(x’)=|g2(x’)|2. Расстояние между интерференционными полосами равно 
где чувствительности следуют из (3)
При 
получаем kB=0, тогда по расстоянию (Δx’)1 между интерференционными полосами определяется с варьируемой чувствительностью угол наклона
где α=s1/f1 и ε=(s2’-f2)/f2 определяются параметрами s1, s2’, показанными на чертеже, и фокусными расстояниями линз. Значения других параметров чертежа следуют из формул 
и 
При a→1 получаем из (4) малую величину kγ, тогда по расстоянию (Δх’)2 между интерференционными полосами определяется перемещение
с варьируемой чувствительностью.
Таким образом, преимущества предлагаемого способа измерения по сравнению с прототипом состоят:
- в измерении параметров деформации с постоянной по поверхности и варьируемой чувствительностью,
- в расширении диапазонов измерения перемещения и наклона благодаря тому, что соответствующие чувствительности зависят от варьируемых параметров s1, s2’, f1, f2.
Способ применим при малых перемещениях элементов объекта и сильном диафрагмировании линз.
Способ голографической интерферометрии плоского объекта, при котором для измерения перемещения и угла наклона поверхности объекта создают во встречных лучах двухэкспозиционную голограмму поверхности объекта, затем два изображения поверхности объекта, восстановленные голограммой, направляют в оптическую систему, в которой последовательно выполняют два преобразования Фурье-Френеля, причем оптическая система выполнена на основе двух собирающих линз, фиксируют интерферограммы изображений поверхности объекта, причем объект и интерферограмму располагают на таких расстояниях от линз, что создают сфокусированное изображение поверхности объекта в плоскости интерферограммы и за счет вариации этих расстояний и фокусных расстояний линз, разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения перемещения и наклона, постоянные по всей поверхности.
