RU2258201C2 - Method of speckle interferometry of flat object - Google Patents

Method of speckle interferometry of flat object Download PDF

Info

Publication number
RU2258201C2
RU2258201C2 RU2003119917/28A RU2003119917A RU2258201C2 RU 2258201 C2 RU2258201 C2 RU 2258201C2 RU 2003119917/28 A RU2003119917/28 A RU 2003119917/28A RU 2003119917 A RU2003119917 A RU 2003119917A RU 2258201 C2 RU2258201 C2 RU 2258201C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
optical
focal length
frenel
measurement
Prior art date
Application number
RU2003119917/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003119917A (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 RU2003119917/28A priority Critical patent/RU2258201C2/en
Publication of RU2003119917A publication Critical patent/RU2003119917A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2258201C2 publication Critical patent/RU2258201C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: optical engineering.
SUBSTANCE: flat object is illuminated with coherent radiation to measure movement at the plane and angle of inclination of flat part of surface. Radiation dissipated by object is directed to optical system, which carries out integral optical transformation of wave field. Two inverse Fourier-Frenel transforms are used on the base of collecting lens. Intermediate and final results are fixed onto photographic plates, which form specklegram and interferogram. Object and photographic plate are disposed at different varying distances from lens. Values to be measured are divided and required sensitivities of measurement are found, which depend on focal length f of first lens, parameters of first optical inverse Fourier-Frenel transform φ, δ and on focal length f second lens and parameter α of second optical inverse Fourier-Frenel transform.
EFFECT: varying sensitivity; widened range of measurement of shift and inclination.
2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к экспериментальной механике деформируемого твердого тела и может быть использовано в машиностроении для бесконтактного оптического измерения параметров деформированного состояния плоских участков поверхности деталей ответственных конструкций с варьируемой чувствительностью и широким диапазоном измерений.The present invention relates to experimental mechanics of a deformable solid and can be used in mechanical engineering for non-contact optical measurement of the parameters of the deformed state of flat sections of the surface of parts of critical structures with varying sensitivity and a wide range of measurements.

Известен способ спекл-интерферометрии плоского объекта (Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М., 1986) для измерения микроскопических перемещений плоских элементов деформируемой поверхности, при котором диффузно рассеивающая поверхность освещается когерентным излучением, которое рассеивается и, пройдя через фокусирующую линзу, попадает на фотопластинку. Экспозиция повторяется после деформации объекта. Полученная двухэкспозиционная сфокусированная спеклограмма интенсивностей просвечивается лазерным лучом. Спекл-структура, связанная с идентичными парами точек объекта, соответствующих исходному и деформированному состояниям, образует на экране интерференционные полосы Юнга. По расстоянию между ними определяется величина перемещения в собственной плоскости участка деформируемой поверхности.There is a method of speckle interferometry of a flat object (Jones R., Wykes K. Holographic and speckle interferometry. - M., 1986) for measuring microscopic movements of plane elements of a deformable surface, in which the diffusely scattering surface is illuminated by coherent radiation that scatters and passes through the focusing lens, hits the photographic plate. Exposure is repeated after the deformation of the object. The resulting two-exposure focused speckle intensity is transmitted through a laser beam. The speckle structure associated with identical pairs of object points corresponding to the initial and deformed states forms Young interference fringes on the screen. The distance between them determines the amount of displacement in the own plane of the area of the deformable surface.

Однако указанный способ не позволяет измерить нормальные к поверхности объекта перемещения, связанные с наклоном участка, вариация чувствительности незначительна, диапазон измерений узок.However, this method does not allow measuring normal displacements to the surface of the object associated with the inclination of the plot, the sensitivity variation is insignificant, the measurement range is narrow.

Кроме того, известен способ спекл-интерферометрии плоского объекта - Patten R., Sheridan J.T., Larkin A. Speckle photography and the fractional Fourier transform // Opt. Eng. 2001. 40, N 8. Р.1438-1440, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором для измерения перемещения в плоскости и угла наклона плоского участка поверхности освещают объект когерентным излучением, рассеянное объектом излучение направляют в оптическую систему, которая выполняет интегральное оптическое преобразование - дробное преобразование Фурье. При этом исследуемый участок поверхности, от которого идет рассеянная волна с амплитудой f(x), устанавливается на расстоянии s=f(1-cosφ) от собирающей линзы с фокусным расстоянием f, где

Figure 00000002
, p - порядок преобразования Фурье. В симметричной к линзе плоскости u, располагаемой на расстоянии s с другой стороны от линзы, регистрируется интенсивность Фурье-образа
Figure 00000003
дробного порядка р. Затем регистрация повторяется после деформации объекта, что дает интенсивность
Figure 00000004
, где а - величина, связанная с внутриплоскостным перемещением исследуемого участка, u0 - с углом его наклона. Полученная с помощью фотопластинки функция интенсивности I(u)=I0(u)+I0(u+acosφ-u0sinφ) переводится с помощью традиционного преобразования Фурье в координатное представление, что дает распределение интенсивности
Figure 00000005
в виде интерференционных полос, расстояние между которыми зависит от параметров деформации a, u0 и от параметров преобразования φ, f.In addition, a known method of speckle interferometry of a flat object is Patten R., Sheridan JT, Larkin A. Speckle photography and the fractional Fourier transform // Opt. Eng. 2001. 40, N 8. P.1438-1440, which is the prototype of the present invention, in which, to measure the displacement in the plane and the angle of inclination of a flat surface area, the object is illuminated with coherent radiation, the radiation scattered by the object is sent to an optical system that performs integral optical conversion - fractional Fourier transform. In this case, the investigated surface area from which the scattered wave with amplitude f (x) comes is set at a distance s = f (1-cosφ) from the collecting lens with focal length f, where
Figure 00000002
, p is the order of the Fourier transform. In the plane u symmetric to the lens, located at a distance s on the other side of the lens, the intensity of the Fourier image is recorded
Figure 00000003
fractional order p. Then the registration is repeated after the deformation of the object, which gives the intensity
Figure 00000004
, where a is the value associated with the in-plane movement of the investigated area, u 0 - with the angle of its inclination. The intensity function I (u) = I 0 (u) + I 0 (u + acosφ-u 0 sinφ) obtained using a photographic plate is translated using the traditional Fourier transform into a coordinate representation, which gives an intensity distribution
Figure 00000005
in the form of interference fringes, the distance between which depends on the deformation parameters a, u 0 and on the transformation parameters φ, f.

Однако указанный способ содержит кроме фокусного расстояния линзы лишь один варьируемый параметр 0≤φ≤π, который используется для разделения вкладов перемещения и наклона, что не позволяет существенно изменять чувствительность измерения каждого из параметров деформации. В результате диапазон измерений оказывается узким.However, this method contains, in addition to the focal length of the lens, only one variable parameter 0≤φ≤π, which is used to separate the contributions of displacement and tilt, which does not allow to significantly change the measurement sensitivity of each of the deformation parameters. As a result, the measurement range is narrow.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа спекл-интерферометрии плоского объекта с варьируемой чувствительностью и расширенным диапазоном измерения смещения и наклона.The objective of the invention is to develop a method for speckle interferometry of a flat object with variable sensitivity and an extended range of measurement of displacement and tilt.

Поставленная задача достигается тем, что освещают объект когерентным излучением, рассеянное объектом излучение направляют в оптическую систему, которая выполняет последовательно два преобразования Фурье-Френеля на основе собирающей линзы, фиксируют промежуточный и окончательный результаты на фотопластинки, образующие спеклограмму и интерферограмму, при этом объект и фотопластинку располагают на разных варьируемых расстояниях от линзы, за счет чего разделяют измеряемые величины и подбирают желаемую чувствительность измерения каждой из величин.The problem is achieved by illuminating the object with coherent radiation, the radiation scattered by the object is sent to the optical system, which sequentially performs two Fourier-Fresnel transforms based on the collecting lens, record the intermediate and final results on photographic plates that form a specklegram and an interferogram, while the object and photographic plate positioned at different variable distances from the lens, due to which the measured values are divided and the desired measurement sensitivity is selected each oh of the quantities.

На фиг.1 приведена структурная схема, реализующая предложенный способ спекл-интерферометрии плоского объекта, и изображены следующие элементы: 1 - плоский участок объекта, 2 - собирающая линза, 3 - фотопластинка, 4 - двухэкспозиционная спеклограмма, 5 - собирающая линза, 6 - интерферограмма. На фиг.2 дана оптическая схема интегрального преобразования Фурье-Френеля и показана плоскость π мнимого изображения в линзе участка объекта.Figure 1 shows a structural diagram that implements the proposed method of speckle interferometry of a flat object, and the following elements are depicted: 1 - flat portion of the object, 2 - collecting lens, 3 - photographic plate, 4 - double exposure speckleogram, 5 - collecting lens, 6 - interferogram . Figure 2 shows the optical scheme of the integrated Fourier-Fresnel transform and shows the plane π of the imaginary image in the lens area of the object.

Способ осуществляется следующим образом: плоский участок объекта 1 освещается когерентным излучением, рассеянная волна f(х) попадает на линзу 2 с фокусным расстоянием f, расположенную на расстоянии s. Далее излучение падает на фотопластинку 3, расположенную от линзы на расстоянии s'. При этом осуществляется преобразование Фурье-Френеля волнового поляThe method is as follows: the flat portion of the object 1 is illuminated by coherent radiation, the scattered wave f (x) hits the lens 2 with a focal length f located at a distance s. Then the radiation falls on the photographic plate 3, located from the lens at a distance s'. In this case, the Fourier-Fresnel transform of the wave field

Figure 00000006
Figure 00000006

где s=f(1-cosφ), s'=s+δf,

Figure 00000007
, 0<φ<π, x и u безразмерные. Размерные переменные связаны с безразмерными x'=xq, u'=qu, где q2=q0 2 (sinφ+δctgφ),
Figure 00000008
. Параметрами преобразования являются: f - фокусное расстояние линзы 2, φ - определяет расстояние между объектом 1 и линзой 2, δ - определяет расстояние между линзой 2 и фотопластинкой 3.where s = f (1-cosφ), s' = s + δf,
Figure 00000007
, 0 <φ <π, x and u are dimensionless. Dimensional variables are associated with dimensionless x '= xq, u' = qu, where q 2 = q 0 2 (sinφ + δctgφ),
Figure 00000008
. The transformation parameters are: f - focal length of lens 2, φ - determines the distance between object 1 and lens 2, δ - determines the distance between lens 2 and photographic plate 3.

Фотопластинка 3 регистрирует спеклограмму, т.е. интенсивность волны

Figure 00000009
. После деформации исследуемая поверхность испускает волну exp(i2πu0x)f(x+а), где
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
,
Figure 00000013
, A - перемещение исследуемого участка вдоль оси x, γ - угол наклона участка по отношении к оси x. На ту же фотопластинку регистрируется новый сигнал
Figure 00000014
.Photoplate 3 registers a specklegram, i.e. wave intensity
Figure 00000009
. After deformation, the studied surface emits a wave exp (i2πu 0 x) f (x + а), where
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
,
Figure 00000013
, A is the displacement of the studied section along the x axis, γ is the angle of inclination of the section with respect to the x axis. A new signal is recorded on the same photographic plate.
Figure 00000014
.

Проявленная фотопластинка 4 является двухэкспозиционной спеклограммой и содержит распределение интенсивности в виде I(u)=I0(u)+I0(u+acosφ-u0sinφ-аδ).The developed photographic plate 4 is a two-exposure specklegram and contains the intensity distribution in the form I (u) = I 0 (u) + I 0 (u + acosφ-u 0 sinφ-aδ).

Спеклограмма 4, собирающая линза 5 с фокусным расстоянием f' и фотопластинка 6 выполняют второе преобразование Фурье-Френеля. В результате происходит переход к пространственной переменной x' и формируется амплитуда

Figure 00000015
. Параметрами преобразования являются: f' - фокусное расстояние линзы 5, α - определяет расстояние между спеклограммой 4 и линзой 5. На фотопластинке 6, являющейся интерферограммой, регистрируется распределение интенсивности
Figure 00000016
. Обозначая
Figure 00000017
и учитывая
Figure 00000018
, находим
Figure 00000019
. Образуется система интерференционных полос, расстояние между которыми зависит от параметров деформации А, γ и от параметров преобразования f, f', φ, δ, αSpecklegram 4, a collecting lens 5 with a focal length f 'and photographic plate 6 perform the second Fourier-Fresnel transform. As a result, a transition to the spatial variable x 'occurs and an amplitude is formed
Figure 00000015
. The transformation parameters are: f '- the focal length of the lens 5, α - determines the distance between the specklegram 4 and lens 5. On the photographic plate 6, which is an interferogram, the intensity distribution is recorded
Figure 00000016
. Marking
Figure 00000017
and considering
Figure 00000018
we find
Figure 00000019
. A system of interference fringes is formed, the distance between which depends on the deformation parameters A, γ and on the transformation parameters f, f ', φ, δ, α

Figure 00000020
Figure 00000020

где δ≥cosφ-1, 0<φ<π. Чувствительности измерений kA и kγ связаны с расстоянием между интерференционными полосами соотношением

Figure 00000021
и, согласно (2), равныwhere δ≥cosφ-1, 0 <φ <π. The sensitivities of measurements of k A and k γ are related to the distance between interference fringes by the relation
Figure 00000021
and, according to (2), are equal

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000023

Чувствительности зависят от фокусных расстояний линз f, f' и от параметров φ, α, δ, определяющих расстояния между объектом, первой линзой, спеклограммой и второй линзой.Sensitivity depends on the focal lengths of the lenses f, f 'and on the parameters φ, α, δ, which determine the distance between the object, the first lens, specklegram and the second lens.

Для нахождения А и γ выполняют два двухэкспозиционных измерения с отличающимися наборами параметров φ1, δ1, α1 и φ2, δ2, α2. При первом измерении полагают δ1=cosφ1, тогда

Figure 00000024
, и из (2) получают угол наклона участка
Figure 00000025
. При втором измерении полагают q2=εq0, ε≪1, тогда
Figure 00000026
, и, если при этом вклад наклона в (2) несущественный, то определяют смещение участка в собственной плоскости
Figure 00000027
.To find A and γ, two two-exposure measurements are performed with different sets of parameters φ 1 , δ 1 , α 1 and φ 2 , δ 2 , α 2 . In the first measurement, it is assumed that δ 1 = cosφ 1 , then
Figure 00000024
, and from (2) get the angle of the plot
Figure 00000025
. In the second measurement, q 2 = εq 0 , ε ≪ 1, then
Figure 00000026
, and if, in this case, the contribution of the slope to (2) is insignificant, then the displacement of the section in its own plane is determined
Figure 00000027
.

Таким образом, преимущество предлагаемого способа измерения по сравнению с прототипом состоит в расширении диапазона измерения смещения и наклона благодаря тому, что соответствующие чувствительности зависят от варьируемых параметров f, f', φ, α, δ.Thus, the advantage of the proposed measurement method compared with the prototype is to expand the range of measurement of displacement and slope due to the fact that the corresponding sensitivity depends on the variable parameters f, f ', φ, α, δ.

Claims (1)

Способ спекл-интерферометрии плоского объекта, при котором для измерения перемещения в плоскости и угла наклона плоского участка поверхности освещают объект когерентным излучением, рассеянное объектом излучение направляют в оптическую систему, которая выполняет интегральное оптическое преобразование волнового поля, отличающийся тем, что используют последовательно два преобразования Фурье-Френеля на основе собирающих линз, фиксируют промежуточный и окончательный результаты на фотопластинки, образующие спеклограмму и интерферограмму, при этом объект и фотопластинки располагают на разных варьируемых расстояниях от линзы, за счет чего разделяют измеряемые величины и подбирают желаемые чувствительности измерения, зависящие от фокусного расстояния первой линзы f, параметров первого оптического преобразования Фурье-Френеля φ, δ и от фокусного расстояния второй линзы f, параметра второго оптического преобразования Фурье-Френеля α.The method of speckle interferometry of a flat object, in which to measure the displacement in the plane and the angle of inclination of a flat surface area, the object is illuminated with coherent radiation, the radiation scattered by the object is sent to an optical system that performs an integral optical wave field transformation, characterized in that two Fourier transforms are used in series -Fresnel based on collecting lenses, fix the intermediate and final results on photographic plates forming a specklegram and an interferogram mmm, the object and photographic plates are placed at different variable distances from the lens, due to which the measured values are separated and the desired measurement sensitivities are selected, depending on the focal length of the first lens f, the parameters of the first optical Fourier-Fresnel transform φ, δ and the focal length of the second lens f, parameter of the second optical Fourier-Fresnel transform α.
RU2003119917/28A 2003-07-01 2003-07-01 Method of speckle interferometry of flat object RU2258201C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119917/28A RU2258201C2 (en) 2003-07-01 2003-07-01 Method of speckle interferometry of flat object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119917/28A RU2258201C2 (en) 2003-07-01 2003-07-01 Method of speckle interferometry of flat object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003119917A RU2003119917A (en) 2004-12-20
RU2258201C2 true RU2258201C2 (en) 2005-08-10

Family

ID=35845261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003119917/28A RU2258201C2 (en) 2003-07-01 2003-07-01 Method of speckle interferometry of flat object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2258201C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tiziani Optical methods for precision measurements: An invited paper
Reid et al. Absolute and comparative measurements of three-dimensional shape by phase measuring moiré topography
JP7231946B2 (en) SURFACE PROFILE MEASURING DEVICE AND SURFACE PROFILE MEASURING METHOD
JP2006116028A (en) Line focusing type fourier domain interference profile measuring apparatus
JPH10512955A (en) Optical device and method for using the device for optical inspection of objects
An Industrial applications of speckle techniques
Marron et al. 3-D imaging using a tunable laser source
CN101033949B (en) Strain measurement method and device of object based on misplace relative theory
RU2258201C2 (en) Method of speckle interferometry of flat object
RU2359221C1 (en) Method for determination of normal shifts of body surface
Yamaguchi Fundamentals and applications of speckle
De Backer In-plane displacement measurement by speckle interferometry
Heikkinen Defocused speckle imaging for remote surface motion measurements
Mujeeb et al. Electronic Speckle Pattern Interferometry techniques for non-destructive evaluation: a review
RU2255308C1 (en) Mode of hologram interferometering of a flat object
Rose et al. Non-contact laser speckle sensor for measuring one-and two-dimensional angular displacement
He et al. Digital phase-shifting shearography for slope measurement
US20210034863A1 (en) Method for photocopying a sequence of cut surfaces inside a light-scattering object with improved scanning
Xu et al. Design of a projection moiré system based on a nonuniform grating projection
Kranitzky et al. 3D-microscopy with large depth of field
Dupont et al. 3D triangulation system based on out-of-axis aperture configuration for micro-scaled objects shape measurement
Chien et al. Nanoscale deformation measurement by using the hybrid method of gray-level and holographic interferometry
Rajamanickam et al. Application of Fast Fourier Transform (FFT) in Laser Speckle Image Pattern Correlation technique for the metrological measurement
RU2289098C1 (en) Method of finding deformations of diffused reflecting objects
Fujigaki et al. A method of generating reference wave in interferometric measurement with multiple imaging sensors

Legal Events

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

Effective date: 20080702