измеритель перемещений с объемной голограммой

Формула изобретения

Измеритель перемещений, содержащий оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, формирующий опорный и предметный световые потоки, отражатель, отличающийся тем, что светоделитель представляет собой фотопластинку с объемной фурьеголограммой, содержащей страты в виде совокупности усеченных гиперболоидов, "вложенных" друг в друга и имеющих эллиптическую форму в плоскости сечения эмульсии голограммы, экспонированной по закону

0 < sin Q < d/h,

где d < h;

Q - угол между голограммой и отражателем, установленным за ней при экспонировании и формирующим предметный световой поток;

h - расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;

d - расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника, а для регистрации оптической разности хода предметного и опорного световых потоков по измерению параметров информационной интерферограммы служит фотоприемное устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптических измерителей перемещений и может быть использовано для высокоточного бесконтактного интерференционно-голографического измерения перемещений объектов и элементов конструкций, пьезодатчиков и датчиков давления, измерения кривизны фазового фронта когерентного светового потока.

Известен интерферометрический измеритель перемещений (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.), содержащий источник когерентного оптического излучения, полупрозрачное зеркало, прозрачную пластинку, компенсирующую дополнительную оптическую разность хода одного из лучей, два отражательных зеркала вдоль оптической оси светового потока. Измеритель имеет следующие недостатки:

- высокие пространственные частоты информационного изображения, что усложняет обработку сигнала;

- низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений, что ограничивает пороговую чувствительность и точность измерителя;

- сравнительно узкий диапазон измеряемых перемещений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является голографический интерферометрический измеритель перемещений (Батраков А.С., Бутусов М. М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы./ Под редакцией Д.П. Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с.), содержащий точечный источник когерентного оптического излучения, светоделитель, отражательное зеркало, голограмму. После перемещения начальное и конечное положения точечного источника фиксируются на голограмме при ее экспонировании в виде микроинтерференционной структуры. При реконструкции изображения в плоскости голограммы формируется интерферограмма, параметры которой определяются величиной и направлением перемещения точечного источника. Измеритель имеет следующие недостатки:

- интерференционная картина наблюдается сквозь голограмму, что усложняет съем информации;

- невозможность измерения динамики перемещений точечного источника в реальном масштабе времени;

- низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений;

- узкий диапазон измеряемых перемещений.

В области оптических голографических измерителей перемещений задача состоит в повышении пороговой чувствительности, надежности измерений, в расширении диапазона измерений и упрощении конструкции и возможности автоматизации измерений.

Техническим результатом является повышение пороговой чувствительности измерителя, упрощение съема информации о перемещении объекта измерений, расширение диапазона измеряемых перемещений и возможность автоматизации измерений.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагается измеритель перемещений, содержащий оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель и фотоприемное устройство, в котором светоделитель представляет собой фотопластинку с объемной Фурье-голограммой, содержащей страты в виде совокупности усеченных гиперболоидов, "вложенных" друг в друга и имеющих эллиптическую форму в плоскости сечения эмульсии голограммы, экспонированной по закону:

0 < sin Q < d/h,

где d < h;

Q - угол между голограммой и отражателем, установленным за ней при экспонировании и формирующим предметный световой поток;

h - расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;

d - расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника, а для регистрации оптической разности хода предметного и опорного световых потоков по измерению параметров информационной интерферограммы служит фотоприемное устройство.

На фиг. 1 представлена схема измерителя, на которой использованы следующие обозначения: 1 - точечный источник когерентного оптического излучения; 2 - оптическая система; 3 - светоделитель - фотопластинка с объемной Фурье-голограммой; 4 - отражатель; 5 - фотоприемное устройство; 6-6" - направление светового потока, падающего на голограмму; 7-7" - направление светового потока, реконструированного голограммой; 8-8" - направление светового потока, дважды прошедшего через голограмму и направляемого отражателем в плоскость фотоприемного устройства; U_вых - электрический сигнал на выходе фотоприемного устройства. В качестве оптической системы (2) могут быть использованы оптические элементы, фокусирующие или рассеивающие световой поток, или коллиматор. В качестве светоделителя (3) используется объемная Фурье-голограмма, экспонированная в линейном режиме по оптической схеме в соответствии с фиг. 2, на которой использованы следующие обозначения: S - точечный источник когерентного оптического излучения; 3 - голограмма; 4 - отражатель; 9-9" - направление светового потока, падающего на голограмму; 10-10" - направление светового потока, дважды прошедшего через голографическую фотопластинку и направляемого отражателем в плоскость ее эмульсии; Q - угол между голограммой и отражателем; z - центральная оптическая ось светового потока от точечного источника S; h - расстояние от точки S до плоскости голограммы вдоль оси z; d - расстояние между голограммой и отражателем вдоль оси z. В качестве точечного источника S может быть использована точка фокусировки светового потока оптическими элементами. При экспонировании голограммы выполняется условие:

0 < sin Q < d/h, (1)

где d < h;

Q - угол между голограммой и отражателем, установленным за ней в процессе экспонирования;

h - расстояние по нормали от опорного точечного источника до плоскости голограммы;

d - расстояние между голограммой и отражателем вдоль нормали к голограмме, измеряемое от опорного точечного источника.

Выполнение условия (1) позволяет в процессе экспонирования сформировать в эмульсии голограммы отражательные страты в виде совокупности "вложенных" друг в друга усеченных гиперболоидов (Вьюно Ж.-Щ., Смигульский П., Руайе А. Оптическая голография / Развитие и применение/. Пер. с французского канд. физ. - мат. наук С.И. Балашовой. Под ред. чл.-корр. АН СССР Ю.Н. Денисюка. - М. : Мир. 1973. - 211 с.), сечения которых в плоскости эмульсии голограммы имеют эллиптическую форму. Форма страт в сечении эмульсии по нормали к плоскости Фурье-голограммы представлена на фиг. 3, на которой использованы следующие обозначения: 11 - эмульсия голограммы; 12 - страты; K₀, K₁ - волновые векторы интерферирующих световых потоков, формирующих страты. Голограмма, экспонированная при соблюдении условия (1), обеспечивает, при ее засветке опорным световым потоком, реконструкцию оптической волны со сферическим фронтом в области перед голограммой (Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объекта на основе анализа волновых фронтов оптического поля с помощью эталонных голограмм // Оптика атмосферы и океана. Т. 8, N 6, 1995, с. 826 - 830) и позволяет сконцентрировать порядка 84% энергии реконструированного светового потока в пределах центральной части прожекторной зоны (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с. ). Необходимо отметить, что оптическая ось изображения, реконструируемого такой голограммой, не совпадает с оптической осью опорного светового потока, создаваемого оптическим излучателем, и имеет дополнительный угол поворота, обусловленный формой страт и разностью оптических плотностей окружающей среды и материала эмульсии голограммы. Это позволяет размещать фотоприемное устройство в стороне от оптической оси перед фотопластинкой с объемной голограммой, что упрощает конструкцию устройства. В качестве отражателя (4) на фиг. 1 может быть использовано зеркало или поверхность объекта измерений, а в качестве фотоприемного устройства (5) - матрицы фоточувствительных элементов, отдельные дискретные фотоприемники, фотоумножители и другие фоточувствительные приборы.

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. Световой поток от опорного точечного источника (1) попадает на оптическую систему (2), которая расширяет его и направляет в плоскость голограммы (3). В результате дифракции светового потока 6-6" на голограмме (3) формируется реконструированный световой поток 7-7", направляемый в плоскость фотоприемного устройства (5). Кроме того, создается световой поток, пронизывающий голограмму (3) насквозь и попадающий на отражатель (4), который направляет его обратно на голограмму (3). Часть светового потока от отражателя (4) проходит сквозь голограмму (3) (поток по направлению 8-8") и попадает в плоскость фотоприемного устройства (5). Световые потоки по направлениям 7-7" и 8-8" интерферируют в плоскости фотоприемного устройства (5) и образуют интерференционную картину в виде темных и светлых колец эллиптической формы с малым эксцентриситетом. Перемещение отражателя (4) вызывает изменение параметров интерферограммы, фиксируемые фотоприемным устройством (5). С выходов последнего электрические сигналы, адекватные изменениям характера интенсивности света в его плоскости, поступают на устройства обработки, хранения и индикации, позволяющие осуществить процесс автоматизации измерений. Чувствительность измерителя к перемещениям отражателя (4) по нормали к плоскости голограммы (3) по уровню смены фазы интерференционного члена в плоскости изображения на определяется соотношением:

= (2n+1)/4, (2)

где n - номер интерференционного порядка,

- длина волны оптического излучения.

Отметим, что интерференционное кольцо нулевого порядка, обеспечивающее максимальную чувствительность измерителя, находится в центре интерферограммы. В силу особенностей дифракции света на эталонной голограмме (Матвеев А.Н. Оптика. М., Высшая школа, 1985. - 351 с., Д.А. Безуглов, А.Г. Прыгунов, В. В. Трепачев. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом. // Автометрия СО РАН N 5, 1998, с. 27 - 37) в центральной части интерферограммы наблюдается максимум энергии дифрагировавшего от голограммы светового потока, что обеспечивает повышение пороговой чувствительности по сравнению с известными схемами (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с., Батраков А. С. , Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы./ Под редакцией Д. П. Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с.) и позволяет упростить устройства съема информации. В отличие от известных схем интерферометрических измерителей перемещений (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа. 1985. - 351 с., Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы./ Под редакцией Д.П. Лукьянова. - М.: Радио и связь. 1981. - с. 456), в плоскости фотоприемного устройства (5) на фиг. 1 формируется интерферограмма с низкими пространственными частотами, что позволяет обойтись без дополнительных оптических элементов при согласовании размеров интерференционных полос с размерами фоточувствительных элементов. Это также позволяет упростить съем информации и повысить пороговую чувствительность по сравнению с известными схемами интерферометрических измерителей (Матвеев А. Н. Оптика. - М.: Высшая школа. 1985. - 351 с.; Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы./ Под редакцией Д. П. Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с.). Кроме того, информационная интерферограмма формируется в плоскости фотоприемника за пределами голографической фотопластинки, в стороне от оптической оси реконструирующего светового потока, что также упрощает съем информации. Фурье-голограмма (3) имеет несколько направлений оптимальной реконструкции изображения и оптическая ось z (фиг. 1) может не совпадать с нормалью к плоскости галограммы, а угол Q в этом случае можно задавать при измерениях приближенно равным нулю. Световой поток 6-6" (фиг. 1) может иметь в процессе измерений как сферический, так и плоский волновые фронты. Измеритель на фиг. 1 имеет особенность, состоящую в том, что при удалении отражателя (4) от голограммы (3) интерференционные кольца в плоскости фотоприемного устройства (5) разбегаются от центра изображения, а при сближении отражателя (4) с голограммой (3) - сбегаются к центру изображения.