RU2255308C1 - Mode of hologram interferometering of a flat object - Google Patents

Mode of hologram interferometering of a flat object Download PDF

Info

Publication number
RU2255308C1
RU2255308C1 RU2003131135/28A RU2003131135A RU2255308C1 RU 2255308 C1 RU2255308 C1 RU 2255308C1 RU 2003131135/28 A RU2003131135/28 A RU 2003131135/28A RU 2003131135 A RU2003131135 A RU 2003131135A RU 2255308 C1 RU2255308 C1 RU 2255308C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hologram
distances
lenses
images
interferometering
Prior art date
Application number
RU2003131135/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003131135A (en
Inventor
Е.А. Краснопевцев (RU)
Е.А. Краснопевцев
Original Assignee
Новосибирский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Новосибирский государственный технический университет filed Critical Новосибирский государственный технический университет
Priority to RU2003131135/28A priority Critical patent/RU2255308C1/en
Publication of RU2003131135A publication Critical patent/RU2003131135A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2255308C1 publication Critical patent/RU2255308C1/en

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: hologram interferometering of a flat object.
SUBSTANCE: the mode of hologram interferometering of a flat object is in making of a double exposure hologram of the surface of the object in counter rays. Then two images of the surface of the object reconditioned by the hologram are directed in an optical system in which one after another two direct Fournier-Frenel transform are carried out, interferograms of the images of the surface of the object are fixed. The object and the interferogram are located at such distances from the lenses that the in-focus image of the surface of the object in the surface of the interferogram is made and at the expense of variations of these distances and the focal distances of the lenses, measured sizes are divided and wishful sensitivities of measurements of travel and inclination constant along the whole surface are chosen.
EFFECT: ensuring constant surface and variable sensitivity, increased range of measuring of travel and inclination.
1 dwg

Description

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.The present invention relates to experimental mechanics of a deformable solid and can be used in mechanical engineering for non-contact optical detection of areas of increased deformation gradients and measurement of the parameters of the deformed state of flat surfaces of critical structures.

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.There is a method of holographic interferometry of a flat object (West Ch. Holographic interferometry. - M., 1982) for measuring microscopic movements of elements of a deformable surface, in which coherent radiation passes through a photographic plate and illuminates the surface under investigation normally. The radiation scattered by the surface enters the photographic plate and a hologram is created. Exposure is repeated after the deformation of the object. The two-exposure image restored by the hologram is photographed in collimated beams and a focused interferogram is created. The local distance between interference fringes depends on the inclination of the element of the deformable surface. To measure the displacement of an element, it is necessary to illuminate the object and / or photograph its image at an angle to the normal.

Однако указанный способ не позволяет существенно варьировать чувствительности измерения наклона и смещения из-за отсутствия достаточного количества свободных параметров, поэтому диапазон измерений узок.However, this method does not allow to significantly vary the sensitivity of the slope and bias measurements due to the lack of a sufficient number of free parameters, therefore the measurement range is narrow.

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

Figure 00000002
, В и θ - перемещение и угол наклона исследуемого участка. Если параметр преобразования равен
Figure 00000003
, 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
Figure 00000004
. Из двух уравнений определяются В и θ. Применение этого метода к участкам с другими значениями В и θ дает общую картину деформированного состояния объекта.In addition, there is a method of holographic interferometry of a flat object using an integrated optical transformation (Sheridan JT, Patten R. Holographic interferometry and the fractional Fourier transformation // Optics Letters. 2000. V.25, No. 7. P. 448-450) and is a prototype the present invention. An object distributed along the x axis is illuminated by a plane coherent wave. The scattered radiation g (x) undergoes a fractional Fourier transform. A separate surface area is studied and at a distance s = f (1-cosφ) from it, a collecting lens with a focal length f is established, where φ is the Fourier transform parameter. In the plane symmetric to the lens and located at a distance s on the other side of the lens, a Fourier transform of u = F u (φ) {g (x)} of the fractional transformation for the initial state of the object appears. The photographic plate is located in the u plane and the holographic method captures the result of the conversion. Then, the result of the wave transformation from the deformed object e ikx g (x + B), where
Figure 00000002
, B and θ are the displacement and angle of the investigated section. If the conversion parameter is
Figure 00000003
, then the Fourier transforms of the initial and deformed objects differ in bias, and the phase shift between them does not depend on the argument u. The images of the object restored by the hologram are further subjected to the traditional Fourier transform. The distance between the bands of the resulting interference pattern depends on
Figure 00000004
. From two equations, B and θ are determined. Application of this method to areas with different values of B and θ gives an overall picture of the deformed state of the object.

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.However, this method contains, in addition to the focal length f, one parameter φ, which is used to separate the contributions of displacement and tilt, which does not allow significantly changing the measurement sensitivity of each of the deformation parameters. The study of a nonuniformly deformed surface consists of measurements of the set of its uniformly deformed sections with different values of the parameter φ and with different sensitivities.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа голографической интерферометрии, обеспечивающего постоянную по поверхности и варьируемую чувствительность и расширенный диапазон измерения перемещения и наклона.The objective of the invention is to develop a method of holographic interferometry, providing a constant surface and variable sensitivity and an extended range of measurement of displacement and tilt.

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.The problem is achieved in that in the method of integrated optical wave field conversion, two Fourier-Fresnel transforms are successively performed based on an optical system of two collecting lenses, the object and interferogram being located at such distances from the lens system that they create a focused image of the surface under study and due to variations of these distances and focal lengths of the lenses separate the measured values and select the desired sensitivities for measuring displacement and tilt, constantly all over the surface.

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

Figure 00000005
, 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
Figure 00000006
, пришедшие от диффузно рассеивающей поверхности, когерентны, если сдвиг В1 не превышает размера индивидуального спекла. Условие выполняется при
Figure 00000007
, 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.A diagram that implements the proposed method for holographic interferometry of a flat object is shown in the drawing, where: 1 is the surface of the object, 2 is a hologram, 3 is a plane coherent wave, 4 is a translucent mirror, 5 and 6 are collecting lenses, 7 is the image plane of the first lens, 8 - interferogram. The method is as follows: first, a two-exposure hologram of the investigated surface is created in the opposite rays, then the image reconstructed by the hologram is subjected to the Fourier-Fresnel transform and a set of interferograms is created, then the interferograms are analyzed and the deformation field is determined. When creating a hologram, a plane coherent wave 3 is reflected from the translucent mirror 4, intersects the photographic plate 2 and illuminates the object 1. The wave g (x) scattered by the object intersects the photographic plate 2. The exposure is repeated after the deformation of the object that is now emitting the wave
Figure 00000005
where B is the displacement of the investigated area, γ = 29, θ is the angle of inclination of the area. To obtain interferograms, the object is removed, the two-exposure hologram is set to its original position and restores both images of the investigated surface. A lens 5 with a focal length f 1 and a lens 6 with a focal length f 2 carry out two successive Fourier-Fresnel transforms. In plane 8 of the wave g 1 (u) and
Figure 00000006
coming from a diffusely scattering surface are coherent if the shift B 1 does not exceed the size of an individual speckle. The condition is satisfied when
Figure 00000007
where d is the diameter of the aperture diaphragm of the lens. In plane 8, a focused image of the surface under study is formed and, against its background, a system of interference fringes. The distance between the bands depends on the values of B and γ, as well as on the parameters of the optical system: f 1 , f 2 , s 1 , s 2 . By changing one or more parameters, a second interference pattern is created. Using the remaining three free parameters, the desired measurement sensitivity of B and γ is selected. Since the sensitivities are the same for the entire surface, regions of increased deformation gradients are detected by thickening interference fringes. Using theoretical relationships, the interferogram determines the strain field B and γ.

Теоретические соотношения основаны на преобразовании Фурье-Френеля, осуществляемом собирающей линзойThe theoretical relationships are based on the Fourier-Fresnel transform carried out by a collecting lens

Figure 00000008
где u - координата в плоскости образа, q2=λf(sinφ+δctgφ), 0≤φ≤π. Параметры преобразования φ и δ определяются соотношениями
Figure 00000009
Figure 00000010
где f - фокусное расстояние линзы, s и s’ - расстояния объект-линза и линза-образ. Преобразование функции
Figure 00000011
со сдвинутым аргументом и линейным фазовым множителем имеет вид
Figure 00000012
Figure 00000008
where u is the coordinate in the image plane, q 2 = λf (sinφ + δctgφ), 0≤φ≤π. The transformation parameters φ and δ are determined by the relations
Figure 00000009
Figure 00000010
where f is the focal length of the lens, s and s' are the distances of the object-lens and the image lens. Function conversion
Figure 00000011
with a shifted argument and a linear phase factor has the form
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

гдеWhere

Figure 00000014
Figure 00000014

Для сфокусированного действительного изображения

Figure 00000015
Figure 00000016
При относительно малом перемещении элемента в плоскости объекта
Figure 00000017
находим преобразованную функцию
Figure 00000018
.For a focused, valid image
Figure 00000015
Figure 00000016
With a relatively small movement of the element in the plane of the object
Figure 00000017
we find the transformed function
Figure 00000018
.

Для системы из двух собирающих линз при малом перемещении элемента в плоскости объекта волна

Figure 00000019
, идущая от деформированного объекта, получает в плоскостях 7 и 8 вид соответственно
Figure 00000020
и
Figure 00000021
. Используя (1), находимFor a system of two collecting lenses with a small movement of the element in the plane of the object, the wave
Figure 00000019
coming from a deformed object, gets a view in planes 7 and 8, respectively
Figure 00000020
and
Figure 00000021
. Using (1), we find

Figure 00000022
Figure 00000022

Полагая s1=αf1, s2’=(1+ε)f2, где параметры α, ε>0, и накладывая условие сфокусированности изображений в плоскостях 7 и 8, получаем

Figure 00000023
Figure 00000024
тогда из (2) следуетSetting s 1 = αf 1 , s 2 '= (1 + ε) f 2 , where the parameters α, ε> 0, and imposing the condition for focusing the images in planes 7 and 8, we obtain
Figure 00000023
Figure 00000024
then from (2) it follows

Figure 00000025
Figure 00000025

Интерференция волн g2(x’) и

Figure 00000026
создает в плоскости 8 распределение интенсивностиThe interference of waves g 2 (x ') and
Figure 00000026
creates an intensity distribution in plane 8

Figure 00000027
, где I0(x’)=|g2(x’)|2. Расстояние между интерференционными полосами равно где чувствительности следуют из (3)
Figure 00000027
where I 0 (x ') = | g 2 (x') | 2 . The distance between the interference strips is where sensitivities follow from (3)

Figure 00000029
Figure 00000029

При

Figure 00000030
получаем kB=0, тогда по расстоянию (Δx’)1 между интерференционными полосами определяется с варьируемой чувствительностью угол наклонаAt
Figure 00000030
we obtain k B = 0, then the inclination angle is determined with varying sensitivity by the distance (Δx ') 1 between interference fringes

Figure 00000031
Figure 00000031

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

Figure 00000032
и
Figure 00000033
При a→1 получаем из (4) малую величину kγ, тогда по расстоянию (Δх’)2 между интерференционными полосами определяется перемещениеwhere α = s 1 / f 1 and ε = (s 2 '-f 2 ) / f 2 are determined by the parameters s 1 , s 2 ' shown in the drawing, and the focal lengths of the lenses. The values of the other parameters of the drawing follow from the formulas
Figure 00000032
and
Figure 00000033
As a → 1, we obtain from (4) a small value of kγ, then the displacement between the interference bands is determined from the distance (Δх ') 2

Figure 00000034
Figure 00000034

с варьируемой чувствительностью.with variable sensitivity.

Таким образом, преимущества предлагаемого способа измерения по сравнению с прототипом состоят:Thus, the advantages of the proposed measurement method in comparison with the prototype are:

- в измерении параметров деформации с постоянной по поверхности и варьируемой чувствительностью,- in the measurement of strain parameters with constant surface and variable sensitivity,

- в расширении диапазонов измерения перемещения и наклона благодаря тому, что соответствующие чувствительности зависят от варьируемых параметров s1, s2’, f1, f2.- in expanding the ranges of measurement of displacement and tilt due to the fact that the corresponding sensitivity depends on the varied parameters s 1 , s 2 ', f 1 , f 2 .

Способ применим при малых перемещениях элементов объекта и сильном диафрагмировании линз.The method is applicable for small movements of the elements of the object and strong aperture of the lenses.

Claims (1)

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.A method of holographic interferometry of a flat object, in which to measure the displacement and angle of inclination of the surface of the object, a two-exposure hologram of the surface of the object is created in the counter rays, then two images of the surface of the object, restored by the hologram, are sent to the optical system, in which two Fourier-Fresnel transforms are successively performed, moreover the optical system is based on two collecting lenses, interferograms of images of the surface of the object are recorded, and the object and ogrammu positioned at such distances from the lenses that create a focused image of the object surface in the interferogram plane and by varying these distances and focal distances of lenses, shared by the measured values picked up and the desired sensitivity of the measurement of displacement and inclination constant over the entire surface.
RU2003131135/28A 2003-10-22 2003-10-22 Mode of hologram interferometering of a flat object RU2255308C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003131135/28A RU2255308C1 (en) 2003-10-22 2003-10-22 Mode of hologram interferometering of a flat object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003131135/28A RU2255308C1 (en) 2003-10-22 2003-10-22 Mode of hologram interferometering of a flat object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003131135A RU2003131135A (en) 2005-04-20
RU2255308C1 true RU2255308C1 (en) 2005-06-27

Family

ID=35634413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003131135/28A RU2255308C1 (en) 2003-10-22 2003-10-22 Mode of hologram interferometering of a flat object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2255308C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Patten R., Sheridan J.T., Larkin A. Speckle photography and the fractional Fourier transform. Opt. Eng. 2001, 40, N 8, р.1438-1440. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003131135A (en) 2005-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wyant White light interferometry
Archbold et al. Recording of in-plane surface displacement by double-exposure speckle photography
US6909509B2 (en) Optical surface profiling systems
JP2013545113A (en) Image map optical coherence tomography
CN1675515A (en) Common-path frequency-scanning interferometer
JPH10512955A (en) Optical device and method for using the device for optical inspection of objects
JP3902796B2 (en) Variable pitch grating for diffraction ranging system
Hung et al. Full-field optical strain measurement having postrecording sensitivity and direction selectivity: A coherent optical technique is described which allows for strain determination along any direction and with variable sensitivity using a single photographic recording (shearing-specklegram)
An Industrial applications of speckle techniques
Trujillo-Sevilla et al. High-resolution wave front phase sensor for silicon wafer metrology
Marron et al. 3-D imaging using a tunable laser source
US4678324A (en) Range finding by diffraction
RU2255308C1 (en) Mode of hologram interferometering of a flat object
EP0343158B1 (en) Range finding by diffraction
RU2359221C1 (en) Method for determination of normal shifts of body surface
CN115164771A (en) Three-dimensional shape measuring method and device based on wavelength tunable optical field measuring technology
US11482044B2 (en) Method for photocopying a sequence of cut surfaces inside a light-scattering object with improved scanning
RU2536764C1 (en) Method of interference microscopy
DE102017001524B4 (en) Arrangement for measuring at least partially reflective surfaces
Zhao et al. Strain microscope with grating diffraction method
RU2258201C2 (en) Method of speckle interferometry of flat object
JP2595050B2 (en) Small angle measuring device
JP2005308439A (en) Three dimensional geometry measuring arrangement by pattern projection method
Fujigaki et al. A method of generating reference wave in interferometric measurement with multiple imaging sensors
Balamurugan et al. Laser Speckle Decorrelation Technique for In-plane Deformation Measurement.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20081023