SU1179259A1 - Способ получения измерительной голограммы - Google Patents

Description

Изобретение относится к технике голографии и может быть использовано при изготовлении голограмм, предназначенных для применения в качестве чувствительного элемента измерительных приборов, в основу работы 5 которых положено явление усадки и набухания носителей голографической записи, например голографического гигрометра, а также при голографировании неглубоких объектов, цапример барельефов, при нелазерном интерференционном копировании лазерных голограмм и в системах оптической обработки информации.

Целью изобретения является увеличение точности измерений в процессе использования измерительной голограммы при одновременном получении объемных изобразительных эффектов.

С целью улучшения условий визуальйой индикации восстанавливаемого измерительной 20 голограммой изображения опорное волновое ноле может быть сформировано в виде изображения спектра, плоскость которого накло- , йена на угол £ к оптической оси объектива, строящего это изображение, а формирова- 25 ние сигнального поля может быть осуществлено посредством такой промежуточной трехмерной голограммы, поверхность которой параллельна плоскости изображения спектра . и общее направление восстанавливаемого ею зд волнового поля при этом составляет угол £ с этой поверхностью.

I

С целью увеличения дифракционной эффективности измерительной голограммы формирование сигнального волнового поля может 35 быть осуществлено посредством такой промежуточной трехмерной голограммы, у которой восстанавливаемое ею волновое поле позонно согласовано с опорным волновым полем так, что для каждого спектрального компонента 40 значение его парциального коэффициента к-ι..

В качестве трехмерного объекта, используемого для формирования сигнального волнового поля, могут быть применены, например, объемная растровая фотография, неглубокий барельеф, или полученная в лазерном свете трехмерная промежуточная голограмма с записью одного из таких или более глубоких объектов (промежуточной здесь и далее называется такая голограмма, которая используется при записи основной измерительной голограммы и получение которой предшествует этой записи). Диффузный характер сигнального волнового поля, применяемого при записи измерительной голограммы, позволяет на этапе ее использования производить реконструкцию точечным источником света, и восстанавливаемый при этом участок голографического изображения, служащий отсчетным указателем, виден одновременно по всей его площади при наблюдении невооруженным глазом. Кроме того, объемный характер восстанавливаемого изображения позволяет при необходимости с высокой степенью воспроизводимости фиксировать угол зрения для невооруженного глаза. Все это дает возможность существенно увеличить точность измерения при использовании измерительной голограммы по сравнению с существующими способами.

Применение предлагаемого способа дает возможность разнести на значительный угол световые пучки нулевого и восстанавливаемого дифракционных порядков, в результате чего причины, приводящие к затруднению визуальной индикации изображений, которые восстанавливаются измерительными голограммами, записанными по существующим способам, полностью устраняются.

Дифракционная эффективность измерительной голограммы, полученной по предлагаемому способу, не уступает дифракционной эффективности голограмм, полученных известными спо1179259

собами, предполагающими наличие зеркальной симметрии опорного и сигнального волновых полей.

Согласно предлагаемому способу получения голограммы запись производят в условиях, 5 когда спектр излучения с широким непрерывным интервалом длин волн изображается на поверхности трехмерного объекта с диффузным характером рассеяния, вследствие чего глубина картины стоячих волн для каждого 10

из спектральных компонентов используемого излучения невелика, поэтому приходится учитывать не только толщину регистрирующей среды и величину зазора между фотослоем и поверхностью объекта, но и протяженность 15 объекта по глубине, а также влияние диффузного характера сигнального волнового поля на контраст картины стоячих волн.

Проведем оценку протяженности по глубине картины стоячих волн для указанного вы- 20 ше случая и зависящих от этой протяженности толщины фотослоя, глубины объекта и до- . нустимого расстояния между ними.

Известно, что при формировании картины стоячих волн вблизи плоского зеркала ква- 25 зимонохроматическим излучением с длиной волны и спектральной шириной за меру протяженности картины стоячих волн с достаточным для регистрации контрастом (К=2,2) можно принять их глубину, на которой амплитуда колебаний интенсивности ,

уменьшается в раз

(И

Выражение (1) получено для случая ква- . ²¹ зимонохроматического освещения объекта, однако, используя параксиальное приближение, нетрудно показать правомерность его распространения на случай картины стоячих волн, сформированной с использованием изображения спектра излучения с широким непрерывным интервалом длин волн Λ Ά, , · содержащим спектральные компоненты Ά; (ί = 1,2.....

' Пусть В — диапазон длин волн со средней длиной волны , получающийся при

формировании непрерывного спектра в фокальной плоскости камерного объектива спектрографа в результате наложения аппаратных функций от каждой из монохроматических составляющих спектра источника. Тогда, если аппаратная функция является щелевой, то спектральный диапазон В ?1 *, равен спектраль. ной ширине монохроматической аппаратной функции для каждой из составляющих спектра Ά 5 . Однако для записи голограмм выгоднее использовать нещелевую аппаратную

функцию. В этом случае, несмотря на то, что 8 Ά/ несколько превышает спектральную ширину монохроматической аппаратной функции, можно существенно увеличить глубину картины стоячих волн используя предельную разрешающую способность спектрального прибора.

Если совместить плоскость сформированного камерным объективом спектрографа изображения спектра с поверхностью плоского зеркала, то вблизи поверхности зеркала возникает стоячая волна с расстоянием между пучностями β; / 2 , непрерывно изменяющимся от коротковолновой границы спектра ( Ά ) к его длинноволновой границе ( ). При

этом полезная глубина картины стоячих волн также будет зависеть от длины волны А 2; =

= £ (.Άί 5 Л;').

Согласно предлагаемому способу получения измерительной голограммы сигнальное волновое поле формируется объектом с диффузным характером рассеяния (например, проме- , жуточной голограммой, барельефом, объемной растровой фотографией). Учитывая, что реальные значения дифракционной эффективности и коэффициентов отражения таких объектов всегда меньше 100%, введем для Δ Янесколько более жесткие ограничения, чем для л V

Если линейная дисперсия равна <К; а линейная ширина аппаратной функции равна

, то

ν А ±

' о)

Таким образом, при малых относительных отверстиях камерного объектива спектрографа (параксиальное приближение) протяженность полезной глубины 4 ζ ; картины стоячих волн в каждой конкретной зоне непрерывного спектра обратно пропорциональна линейной ширине аппаратной функции и прямо пропорциональна линейной дисперсии.

В частном случае, когда аппаратная функция является дифракционной

, (4)

где О - диаметр выходного зрачка камерного объектива;

ί; — его фокусное расстояние для спектрального компонента , для аХ;

получаем следующее соотношение

ί

1179259

6

4,88^ '4*.

(5)

т.е. в случае дифракционной аппаратной функции при тех же условиях полезная глубина картины стоячих волн прямо пропорциональна светосиле камерного объектива и линейной дисперсии спектрографа.

И, наконец, в терминах разрешающей способности β · соотношение (2) имеет вид

где δΤι; ’

т.е. в параксиальном приближении протяжен- 2д ность полезной глубины картины стоячих волн прямо пропорциональна разрешающей способности К; спектрографа в каждой конкретной области сплошного спектра.

До сих пор мы не учитывали диффузный 25 характер рассеяния объекта, в результате которого в сигнальном волновом поле происходит дополнительное "перемешивание” соседних спектральных компонентов непрерывного спектра. Это "перемешивание” тем существеннее, чем больше ширина индикатрисы рассея- ³⁰ ния объекта в данной зоне по сравнению с величиной апертурного угла в опорном изображении соответствующего компонента непрерывного спектра и чем больше угол между направлениями осей соответствующих им све- 35 товых пучков отличается от 180°.

Для упрошенной количественной оценки влияния этого фактора на протяженность полезной глубины картины стоячих .волн введем величину - парциальный коэффициент 40 позонного согласования сигнального волнового поля, с опорным. Для произвольного диффузно рассеивающего объекта

где φ ’ - полуширина индикатрисы рассеяния

для участка объекта, освещаемого ι -м спектральным компонентом; .5®

δ; - величина апертурного угла в опорном изображении этого спектрального компонента;

у; - угол между осями интерферирующих пучков, сформированных 55 ί -м спектральным компонентом.

Предположим, что максимальное значение К; « 1 соответствует оптимальному согласоваНию сигнального волнового поля с опорным в данной зоне спектра, когда / θ = I и ΊΪ- ^; = 0. Значение К; = 1 характерно, например, для способа получения измерительной голограммы согласно которому для формирования сигнального волнового поля используется плоское зеркало. В случае диффузного характера сигнального волнового поля необходимы специальные меры для оптимального позонного согласования его с опорным волновым полем.

Для- произвольного диффузно рассеивающего объекта всегда

(6) 15

К· < < (8)

I г 44'

Подробный вывод выражения для г (-θ-, ,

4) - 2*) ) в соотношении (7) для случая произвольного объекта мог бы оказаться чрезвычайно громоздким. Между тем, при обосновании основного существенного признака в виде зависимости (3; Н; ,δ -а;) для ограничения величины входящего· в это выражения параметра X ( вполне достаточно неравенства (8).

Таким образом, выражение для протяженности полезной глубины д И; картины стоячих волн, формируемых с использованием Непрерывного спектра при диффузном характере объектного волнового поля, с учетом (2),

(7) и (8), принимает

(9)

Если <3, — оптическая глубина участка объекта, освещаемого 1 -м спектральным компонентом (для промежуточной голограммы, например, <3; — оптическая толщина носителя) ; Т; — оптическая толщина участка регистрирующей среды, освещаемого ΐ -м спектральным компонентом, — расстояние между поверхностями этих участков регистрирующей среды и объекта, то высокое качество фоторегйстрации сформированной картины стоячих волн обеспечивается при выполнении следующего равенства

«сЗ; +т. + и₍ (<о)

Окончательно, для оценки допустимой оптической _ глубины <3; участка объекта, освещенного ♦ -м спектральным компонентом, вводя коэффициент С - 1 для пропускающего объекта и С = 2 для отражающего, в параксиальном приближении получим следующее выражение

1179259

— Ь; -Т;, ή = 1.2 ,..., νη .

(«ϋ

-· 5

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема поясняющая принцип получения промежуточной голограммы, позволяющей произвести оптимальное согласование опорно- ю го и сигнального волновых полей.

Устройство для получения измерительной голограммы содержит протяженный источник 1 белого света, оптический блок для разложения излучения в спектр с конденсо- ,5 ром 2, входной шелью 3, плоским зеркалом 4, сферическим зеркалом 5 входного, коллиматора и дифракционной решеткой 6, поворотную платформу 7 со сменными цилиндрическим зеркалом 8 и цилиндрическим 20 хроматическим объективом 9, дающими изображение спектра в плоскости 10, с промежуточной голограммой 11 и регистрирующей средой 12.

На фиг. 1 приняты следующие обозначе- 25 ния: А — центральная точка изображения спектра 10; Р - центр зеркала 8; Н вторая главная точка объектива 9; 0 — ось вращения платформы 7;· ΡΝ — нормаль к зеркалу 8; (3 — центр дифракционной решетки;

£ — угол наклона плоскости спектра к оси объектива 9;«; -ί АР N = Ь ί/ΑΟ = έ.РА0, Р0 = ОН¹.

Получение измерительной голограммы производится следующим образом.

Изображение светящегося тела ленточной ' лампы 1 накаливания строится на входной щели 3 с помощью конденсора 2. Коллимированный пучок белого света направляется на дифракционную решетку 6 (600 мм ), которая формирует спектр излучения, а опор-. ное изображение спектра с помощью цилинд- . рического высокоразрешающего зеркала 8 формируется в плоскости 10. В качестве трехмерного объекта 11 можно .использовать полученную в лазерном свете отражающую промежуточную голограмму, восстанавливающую изображение двух взаимно параллельных шкал, расположенных на некотором расстоянии одна от другой и ориентированных своими осями вдоль изображения спектра.

При этом на одной из них, основной (непрозрачной), которая расположена на заднем плане, следует нанести в виде моноштрихов с оцифровкой значения измеряемой величины. На другой, вспомогательной (прозрачной), которая расположена на переднем ^5 плане, каждое значение измеряемой величины нужно продублировать биштрихом с соответствующей оцифровкой. Излучение, падающее на промежуточную голограмму 1 1, восстанавливает диффузное сигнальное волновое поле, распространявшееся в обратном направ лении, в результате чего происходит совмещение во встречных пучках одинаковых пространственных и спектральных компонентов опорного и сигнального волновых полей. В результате вблизи поверхности промежуточной голограммы 11 образовывается картина стоячих волн, пространственная частота которых уменьшается от длинноволнового участка спектра к короткополновому. При этом трехмерный характер изображения, восстанавлива. емого голограммой, и диффузный характер создаваемого ею сигнального волнового поля обусловливает сложность геометрического профиля изофазных поверхностей, являющихся элементами образовавшейся картины стоячих волн. Регистрирующая среда в виде пластинки с фотоэмульсионным слоем типа ЛОИ-2, расположенным в области, где образуются стоячие волны, регистрирует измерительную голограмму. При использовании этой голограммы для точного отсчета оператор должен выбирать такой угол зрения, при котором моноштрих основной шкалы расположен симметрично между двумя линиями биштриха с одноименной оцифровкой.

Перед записью измерительной голограммы прецизионная позонная оценка допустимой глубины голографируемой сцены Н; = 4; 4- Ь; с учетом конкретных значений к · и Т; для каждого спектрального компонента должна производиться по формуле (11).

При необходимости улучшения условий визуальной индикации изображения, восстановленного измерительной голограммой, перед записью платформа 7 поворачивается вокруг оси 0 против часовой стрелки так, что точка Н занимаем положение Р. Тогда объектив 9 занимает положение объектива 8 и его ось Н.‘ А. становится продолжением оси Р . Далее все операции по записи измерительной голограммы производятся так же, как и в предыдущем случае, с" тем отличием, что для формирования сигнального волнового поля используется промежуточная голограмма 11, у которой общее направление восстанавливаемого ею волнового поля составляет угол £ с ее поверхность».

При использовании более сложных, чем изображено на фиг. 1, устройств с амплитудным делением поля изображения спектра возможно формирование сигнального волнового поля посредством пропускающего трехмерного объекта.

Усложнение устройства при этом может

быть оправдано, например, тем, что при рав9

1179259

10

ных 3 Ά; здесь могут быть вдвое увеличены значения и Т; (С*1).

Оптимизацию значении парциальных коэффициентов К; (ΐ ^е 1,2,,,,-, ,го) можно осуществить, если геометрические особенности поля изображения спектра, используемого в процессе получения измерительной голограммы, будут учтены при выборе геометрии опорного волнового поля, освещающих объект пучков и формировании рассеянного объектом поля в процессе изготовления промежуточной голограммы, осуществляемого, например, в лазерном свете. При этом детальное позон- ное согласование волнового поля, восстанавливаемого промежуточной голограммой, с опорным волновым полем включает оптимальное согласование их одинаковых спектральных компонентов по углу встречи, т.е. необходимо, чтобы

? -у; , (12)

и оптимальное согласование по угловым размерам их диаграмм, направленности, т.е. необходимо, чтобы

Тогда величина каждого парциального козф' фициента согласования опорного и сигнального волновых полей достигает своего максимального значения

являющегося оптимальным и позволяющего достигать высоких значений дифракционной эффективности полученной по предлагаемому способу измерительной голограммы.

Устройство для получения оптимально согласованной промежуточной голограммы (см. фиг. 2) содержит рычаг 13 с осью вращения 14, кулисным механизмом 15, цилиндром 16 с продольным отверстием 17 (щель), подвижный непрозрачный экран 18 с направляющими 19 его поступательного перемещения и жестко связанными с ним цилиндрическими направляющими 20, которыми охватывается цилиндр 16, волоконный световод 21, на входной торец которого подается опорный пучок света 22, а выходной конец 23 закреплен на рычаге 13, пропускающий объект 24 с диффузным характером рассеяния. На фиг.2 обозначены: пучок света 25 с цилиндрическим волновым фронтом, освещающий объект 24 и сходящийся в линию на оси 14, и фотопластинку 11 для записи промежуточной голограммы^ И¹ - вторая главная точка объектива 9; А, - центр промежуточной голограммы п; £. -- угол наклона плоскости голограммы 11 к оси А, И .

Получение оптимально .согласованной промежуточной голограммы 11 осуществляют следующим образом.

С помощью волоконного световода 21 преобразуют опорный пучок света 22 круглого сечения в линию на его выходном торце 23. Эту линию ориентируют параллельно щели 17.

В результате получают локализованную в пространстве между выходным отверстием 17 и выходным торцом 23 световода узкую полоску стоячих волн, ширина которой определяется шириной щели 17 и толщиной плоского конца световода 21. Запись промежуточной голограммы производят последовательным позонным экспонированием фотопластинки. 11 путем сканирования вдоль ее поверхности полученной узкой полоски стоячих волн при вращении рычага 13 вокруг оси 14. При этом плоскости симметрии щели 17 и выходного конца 23 световода совмещают с плоскостью, проходящей через ось вращения 14 рычага 13, чем выполняется условие (2), а геометрические параметры плоского выходного конца 23 световода и щели 17, формирующей волновое поле, рассеиваемое объектом 24, выбирают такими, чтобы выполнялось условие (3).

При получении измерительной голограммы восстановление зарегистрированной с помощью описанного выше устройства промежуточной голограммы 11 осуществляют изображением спектра, направление дисперсии которого совпадает с направлением сканирования при записи голограммы 11. Кроме того, вторую главную точку II' объектива 9, строящего изображение спектра, совмещают с линией, которую занимала ось 14. В результате для каждого спектрального компонента при записи измерительной голограммы получают оптимальное согласование опорного и восстановленного сигнального волновых полей, т.е.

- . <

К; = 1, ί - 1,2, ...., щ.

При необходимости в устройстве для получения оптимально согласованной промежуточной голограммы пропускающий объект 24 можно заменить, отражающим.

Таким образом, применение предлагаемого способа получения измерительной голограммы обеспечивает по сравнению с известными значительное увеличение точности измерения в процессе использования измерительной голограммы и устранение всех факторов, приводящих к затруднению визуальной индикации изображения, восстанавливаемого измерительной голограммой.

11

1179259

12

Предлагаемый способ получения измерительной голограммы предоставляет широкие возможности выбора наиболее подходящего варианта отсчстной шкалы в зависимости от типа и назначения прибора, в котором используется измерительная голограмма.

Предлагаемый способ может быть применен при создании товаров массового спроса. Так, например, если запись измерительной голограммы производится с целью использования ее в качестве чувствительного и отсчетного элемента бытового гигрометра, возможны различные варианты художественного решения при оформлении изображения, восстанавливаемого такой голограммой. При этом, если на этапе записи измерительной

голограммы художественный объект 11 (см. фиг. I) в виде барельефа (объемного растрового или восстанавливаемого проме5 жуточной голограммой изображения) состоит из последовательно расположенных вдоль изображения спектра объемных тематических элементов, протяженность каждого из которых в том же направлении равна сг₀ , то

Ю параметры дифракционной решетки 6, объектива 9 (зеркала 8) и эффективная толщина фотослоя регистрирующей среды 12 подбирается таким образом, чтобы при восстановлении измерительной голограммы монохро15 матическим светом размер ее светящегося фрагмента вдоль изображения спектра был бы также равен а ₀ .

7

Фиг.1

1179259

Claims (3)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОГРАММЫ, включающий разложение в спектр излучения источника света с широким непрерывным интервалом длин волн, построение изображения спектра, формирование опорного и сигнального волновых полей с использованием этого изображения спектра, совмещение во встречных пучках одноименных пространственных· и спектральных компонентов этих волновых полей и запись измерительной голограммы путем фоторегистрации образовавшейся картины стоячих волн, отличающийс я тем, что, с целью увеличения точности измерений в. процессе использования измерительной голограммы при одновременном получении объемных изобразительных эффектов, формируют сигнальное волновое поле путем освещения трехмерного объекта с диффузным характером рассеяния и с оптической глубиной <); его участка, освещаемого ί -м спектральным компонентом, удовлетворяющей условию

Л! и δΆ; ^Ь’"^Т; ’

где Т · — оптическая толщина участка регистрирующей среды, освещаемого ΐ -м спектральным компонентом;

Ь; — расстояние между поверхностями этих участков регистрирующей среды и объекта;

δ А; — разрешаемый диапазон длин Волн со средней длиной волны Ά; для этого спектрального компонента;

С - 1 для пропускающего объекта и С = 2 - для отражающего;

( — парциальный коэффициент согласования опорного и сигнального полей для л -го спектрального компонента,

при этом участок объекта, освещаемый 1 -м спектральным компонентом, рассеивает падающее излучение в диапазоне длин волн δ β; удовлетворяющем условию

8и· >, 8-д;_}

а пугрина суммарного интервала длин волн ι рассеиваемого всем объектом, удов_;летворяет условию

где А Ά, - интервал длин волн, присутствующих в изображении спектра;

— восстанавливаемый измерительной голограммой суммарный интервал длин волн, обеспечивающий заданные пределы отсчета измеряемой ею величины.

2. Способ поп. 1,отличаюшийс я тем, что, с целью улучшения условий визуальной индикации восстанавливаемого измерительной голограммой изображения, опорное волновое поле формируют в виде изображения спектра, плоскость которого наклонена на угол 6 к оптической оси объектива, строящего ЗТо изображение, а формирование сигнального волнового поля осуществляют по1179259

средством промежуточной трехмерной голограммы, у которой обшее направление восстанавливаемого ею волнового ноля составляет угол £ с се поверхностью, параллельной плоскости изображения спектра.

3. Способ по п.п. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения дифракционной эффективности измерительной

голограммы, формирование сигнального волнового поля осуществляют посредством промежуточной трехмерной голограммы, у которой восстанавливаемое его волновое поле иозонно согласовано с опорным волновым полем так, что для каждого спектрального ком понента значение его парциального коэффициента К; = 1.