SU1705706A1

SU1705706A1 - Holographic measurement of amplitude of oscillations

Info

Publication number: SU1705706A1
Application number: SU874328276A
Authority: SU
Inventors: Владимир Георгиевич Гусев
Priority date: 1987-11-16
Filing date: 1987-11-16
Publication date: 1992-01-15

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к способам измерени параметров колебаний твердых тел. Цель изобретени - снижение уровн пороговой чувствительности измерений. Способ включает запись голограммы при одновременном освещении колеблющейс поверхности объекта когерентным излучением и светочувствительной среды когерентной опорной плоской волной и регистрацию распределени ркости при восстановлении голограммы. Указанное освещение колеблющейс поверхности провод т диффузно рассе нным когерентным излучением , образованным при пропускании через диффузный рассеиватель сход щейс сферической волны,:С радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивател , равным рассто нию от рассеивател до колеблющейс поверхности объекта. 1 ил. kThe invention relates to a measurement technique, in particular, to methods for measuring vibration parameters of solids. The purpose of the invention is to reduce the threshold sensitivity of measurements. The method includes recording a hologram with simultaneous illumination of the oscillating surface of an object with coherent radiation and a photosensitive medium with a coherent reference flat wave and recording the distribution of brightness when the hologram is restored. This illumination of the oscillating surface is carried out by diffusely scattered coherent radiation formed by passing a converging spherical wave through the diffuse scatterer: With a radius of curvature of the front in the scatterer plane equal to the distance from the scatterer to the oscillating surface of the object. 1 il. k

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к способам измерени параметров колебаний твердых тел, и может быть использовано в машиностроении и строительстве дл измерени амплитуды колебани , например, происход щего в плоскости колеблющейс поверхности.The invention relates to a measurement technique, in particular, to methods for measuring the vibration parameters of solids, and can be used in mechanical engineering and construction to measure the amplitude of a vibration, for example, occurring in a plane of an oscillating surface.

Известен фотометрический способ измерени амплитуды поперечных колебаний объекта, заключающийс в размещении нз одной оси с объектом миры, жестко св занной с фотометром, маски, нанесенной на исследуемый объект, и последующей регистрации изменени интенсивности световых потоков, регистрируемых даум идентичными каналами фотометра, обусловленного изменением положени маски относительно миры вследствие колебани объекта.A photometric method is known for measuring the amplitude of transverse oscillations of an object, which consists of placing a single axis with the object of the world rigidly connected to the photometer, a mask applied to the object under study, and then recording changes in the intensity of the light fluxes recorded by the photometer's changing channels. relative to the worlds due to the oscillation of the object.

Недостатком способа вл етс необходимость нанесени маски на объект, вследствие чего способ не бесконтактный и низка чувствительность, обусловленна дифракцией света на штрихах миры и маски.The disadvantage of the method is the necessity of applying a mask to the object, as a result of which the method is not contactless and the sensitivity is low due to the diffraction of light on the strokes of the worlds and masks.

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому способу вл етс гологра- фический способ измерени амплитуды колебани объекта, по которому при записи голограммы одновременно освещают колеблющуюс поверхность объекта сферической волной, а светочувствительную среду плоской волной, и при восстановлении голограммы плоской волной регистрируют распределение ркости на рассто нии Lrl ±F от голограммы, где I - рассто ние от поверхности объекта до светочувствительной среды при записи голограммы, F - радиус криоизCJThe closest in technical essence to the proposed method is a holographic method of measuring the amplitude of an object's oscillation, according to which, when recording a hologram, simultaneously illuminate the oscillating surface of an object with a spherical wave, and a photosensitive medium with a flat wave, and when a hologram is restored, the plane wave records the distribution of brightness at a distance Lrl ± F from the hologram, where I is the distance from the object surface to the photosensitive medium when recording the hologram, F is the radius of cryoiscJ

V1V1

с оwith about

мы фронта сферической волны, освещающей эту поверхность.we are the front of a spherical wave illuminating this surface.

Недостатком этого способа вл етс большой уровень пороговой чувствительности . Уровень пороговой чувствительности св зан с пространственной прот женностью Фурье-образа пол , рассе нного колеблющейс поверхностью, в пределах которого наблюдаетс усредненна по времени интерферограмма. Чем больше пространственна прот женность Фурье- образа пол в плоскости локализации интерферограммы, тем ниже уровень пороговой чувствительности.The disadvantage of this method is a large threshold sensitivity. The threshold sensitivity level is associated with the spatial extent of the Fourier transform of the field scattered by the oscillating surface, within which the time-averaged interferogram is observed. The greater the spatial extent of the Fourier transform of the field in the interferogram localization plane, the lower the threshold sensitivity level.

Цель изобретени - снижение уровн пороговой чувствительности при определении амплитуды колебаний диффузно рассеивающих свет поверхностей.The purpose of the invention is to reduce the threshold sensitivity level when determining the amplitude of oscillations of diffuse light-scattering surfaces.

Поставленна цель достигаетс тем, что в предлагаемом способе при записи голограммы одновременно освещают колеблющуюс поверхность объекта когерентным излучением и светочувствительную среду когерентной плоской опорной волной, а при восстановлении голограммы регистрируют распределение ркости.This goal is achieved by the fact that in the proposed method, when recording a hologram, at the same time illuminate the oscillating surface of the object with coherent radiation and the photosensitive medium with a coherent flat reference wave, and when restoring the hologram, the luminance distribution is recorded.

В отличие от известного указанное освещение колеблющейс поверхности производ т диффузно рассе нным когерентным излучением, образованным при пропускании через диффузный рэссеиватель сход щейс сферической волны с радиусом кривизны фронта в плоскости рассеивател , равным рассто нию от рассеивател до колеблющейс поверхности объекта.In contrast to the known, the indicated illumination of the oscillating surface is produced by diffusely scattered coherent radiation produced by passing through a diffuse scattering a converging spherical wave with a radius of curvature of the front in the scatterer plane equal to the distance from the scatterer to the oscillating surface of the object.

Известны технические решени , в которых используетс диффузно рассе нное когерентное излучение, образованное при пропускании через диффузный рассеива- тель сферической волны. Однако известные решени не содержат указаний на возможность уменьшени пороговой чувствительности при голографическом измерении амплитуды колебани объекта за счет выбора радиуса кривизны фронта сход щейс сферической волны о плоскости рассеиоате- л , равным рассто нию от рассеивател до колеблющейс поверхности объекта. Таким образом, предлагаемое решение про вл ет новое свойство - способность измер ть малые амплитуды колебани колеблющегос объекта.Technical solutions are known that use diffusely scattered coherent radiation produced by passing a spherical wave through a diffuse scatterer. However, the known solutions do not indicate the possibility of reducing the threshold sensitivity in holographic measurement of the amplitude of an object's oscillation by choosing the radius of curvature of the front of a converging spherical wave on the plane of the scatterio equal to the distance from the scatterer to the oscillating surface of the object. Thus, the proposed solution exhibits a new property - the ability to measure small amplitudes of oscillations of an oscillating object.

На чертеже изображено одно из возможных устройств записи и восстановлени голограммы, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.The drawing shows one of the possible devices for recording and restoring a hologram, with which the proposed method can be implemented.

Устройство включает когерентный источник 1 света, светоделитель 2, линзы 3 и 4, матовое стекло 5. объектна 6, фотопластинку 7, зеркала 8 и 11. коллимирующуюThe device includes a coherent light source 1, a beam splitter 2, lenses 3 and 4, frosted glass 5. object 6, photographic plate 7, mirrors 8 and 11. collimating

систему линз 9 и 10, обьектив 12. и регистратор 13.lens system 9 and 10, lens 12. and recorder 13.

Способ реализуют следующим образом. Когерентное излучение от источника 1 сThe method is implemented as follows. Coherent radiation from a source of 1 s

помощью светоделител 2 делитс на два канала - канал формировани опорной волны и канал формировани объектного пучка. В канале формировани опорной волны излучение , отразившеес от светоделител 2 иusing the splitter 2 is divided into two channels - the channel of formation of the reference wave and the channel of formation of the object beam. In the channel for the formation of the reference wave, the radiation reflected from the beam splitter 2 and

зеркала 8, расширенное коллимирующей системой линз 9 и 10, после отражени от зеркала 11 поступает на фотопластинку 7. 8 канале формировани объектного пучка прошедшее светоделитель 2 когерентноеmirrors 8, extended by a collimating system of lenses 9 and 10, after reflection from mirror 11 enters the photographic plate 7. The channel of the object beam is transmitted by the beam splitter 2, coherent

излучение с помощью системы линз 3 и 4 преобразуетс в излучение со сход щимс волновым фронтом, освещающим матовое стекло 5. Рассе нное им излучение освещает колеблющуюс поверхность объекта 14,radiation using a lens system 3 and 4 is converted into radiation with a converging wave front illuminating frosted glass 5. The diffuse radiation illuminates the oscillating surface of an object 14,

наход щуюс на рассто нии от матового стекла 5, равном радиусу кривизны волнового фронта в плоскости матового стекла 5. С помощью объектива 6 на фотопластинке 7 записываетс голограмма сфокусированного изображени колеблющейс поверхности объекта с усреднением по времени, После закреплени и про влени фотопластинки 7 голограмма восстанавливаетс исходной опорной волной и с помощьюlocated at a distance from ground glass 5 equal to the radius of curvature of the wave front in the plane of ground glass 5. Using a lens 6 on a photographic plate 7, a hologram of the focused image of the oscillating surface of the object is recorded with time averaging. After the photographic plate 7 is fixed and developed, the hologram is restored to the original reference wave and using

объектива 12 и регистратора 13 (например, фотоаппарат) регистрируетс интерферограмма , по которой суд т о величине амплитуды колебани колеблющейс поверхности объекта.the lens 12 and the recorder 13 (for example, a camera) an interferogram is recorded, by which the amplitude of oscillation of the oscillating surface of the object is judged.

Распределение ркости, в плоскости (ХА,УЛ имеет видThe distribution of brightness, in the plane (XA, UL has the form

I (Х , а (Х4 . Y4) I2 1 ( К Х4 АХ ) .I (X, a (X4. Y4) I2 1 (K X4 AH).

1 (1)eleven)

где 0 - функци Бессел ;where 0 is the Bessel function;

И - рассто ние от колеблющейс поверхности до главной плоскости объектива 6;And, the distance from the oscillating surface to the main plane of the lens 6;

2 рассто ние от главной плоскости объектива 6 до плоскости фотопластинки; ЛХ- амплитуда колебани ; а - ширина ркой полосы в плоскости регистратора 13 интерферограммы, и представл ет собой полосы ркости, ширина ко- торых определ етс функцией Бессел 02, ориентированные в направлении, перпендикул рном направлению колебани объекта . Тзк как первый гчшимум функции Бссссл пул с по,о nopp;j.Kri получаетс при раеснстие ее аргумента величине 2 .44, то амплитуда колебани св зана с шириной а ркой полосы следующим образом.2 is the distance from the main plane of the lens 6 to the plane of the photographic plate; LH - oscillation amplitude; a is the width of a bright band in the plane of the interferogram recorder 13, and represents the brightness bands whose width is determined by the function Bessel 02, oriented in the direction perpendicular to the direction of oscillation of the object. Tsk as the first Bssssl function of the pool with to, o nopp; j.Kri is obtained when its argument is 2,444, then the amplitude of oscillation is related to the width of the stripe as follows.

2,44.111,12ы2,44.111,12

,2 ... Г7 , 2 ... G7

АХлз п +1(Н -Н2)AHLZ p +1 (H-H2)

Объектив 12, установленный за голограммой при ее восстановлении, переносит распределение ркости из плоскости (Хз.Уз) в плоскость регистратора 13. Без потери общности рассуждений, полага увеличение объектива 12 равным единице, получает распределение ркости в плоскости регистратора 13, соответствующее выражению (1), и амплитуда колебани определ етс согласно выражению (2).Lens 12, installed behind the hologram when it is restored, transfers the luminance distribution from the plane (Xs.Uz) to the recorder plane 13. Without loss of generality of reasoning, supposing the magnification of lens 12 is equal to one, gets the luminance distribution in the recorder plane 13 corresponding to expression (1) and the amplitude of oscillation is determined according to expression (2).

В прототипе пространственный масштаб пол , в пределах которого измен етс ркость, определ етс пространственной прот женностью Фурье-образа пол , рассе нного колеблющейс поверхностью. Уровень пороговой чувствительности - величина амплитуды колебани , при которой рка полоса занимает всю прот женность распределени спектра Фурье-образа. В предлагаемом способе изменение ркости происходит не в пределах области, занимаемой Фурье-образом пол , рассе нного колеблющейс поверхностью, а в пределах области, определ емой сверткой Фурье-образа пол , рассе нного колеблющейс поверхностью с полем,определ емым прозрачностью матового стекла. В результате этого пространственный размер, в пределах которого измен етс ркость, увеличиваетс на величину соответствующей освещенной области матового стекла, и с ее увеличением уменьшаетс уровень порога чувствительности.In the prototype, the spatial scale of the field within which the brightness varies is determined by the spatial extent of the Fourier transform of the field dispersed by the oscillating surface. The threshold sensitivity level is the magnitude of the oscillation amplitude at which the rca band occupies the entire extent of the distribution of the spectrum of the Fourier transform. In the proposed method, the brightness change occurs not within the region occupied by the Fourier transform of the field scattered by the oscillating surface, but within the region defined by the Fourier transform of the field scattered by the oscillating surface with the field determined by the opaque glass transparency. As a result, the spatial size, within which the brightness changes, increases by the value of the corresponding illuminated area of ground glass, and as it increases, the level of the sensitivity threshold decreases.

В эксперименте, реализующем предлагаемый способ, в качестве когерентного источника света использовалс HI-Me лазер типа ЛГ-44 на 0.65 мкм. В качестве объекта .исследовани использовалась неполированна металлическа пластина, колеблюща с с частотой 20 Гц. Освещение объекта проводилось диффузно рассе нным лазерным излучением путем пропускани через матовое стекло сход щейс сферической волны, сформированной парой положительных линз. Дл формировани плоскопараллельного опорного пучка использовалс коллиматор из комплекта оптической скамьи ОСК-2. Голограмма сфокусированного с помощью объектива с фокусным рассто нием 10см изображени колеблющейс поверхности металлической пластины записывалась на фотопластинках типа Микрат-ВРЛ со временем экспозиции 2 мин. При восстановлении записи регистраци усредненной по времени ин- терферограммы проводилась с помощью фотоаппарата Зенит.In the experiment that implements the proposed method, an HI-Me laser of the type of LG-44 at 0.65 microns was used as a coherent light source. An unpolished metal plate was used as the object of the study, oscillating with a frequency of 20 Hz. The object was illuminated by diffusely scattered laser radiation by passing through a ground glass a converging spherical wave formed by a pair of positive lenses. A collimator from the OSK-2 optical bench kit was used to form a plane-parallel reference beam. A hologram of the image of the oscillating surface of a metal plate focused with a lens with a focal length of 10 cm was recorded on photographic plates of the type Mikrat-VRL with an exposure time of 2 min. When the recording was restored, the registration of the time-averaged interferogram was performed using a Zenit camera.

Целью экспериментальных, исследований вл лось сравнение регистрируемыхThe purpose of the experimental studies was to compare the recorded

интерферограмм с интерферограмм,эми, полученными в способе-прототипе. Дл этого при записи голограммы использовалс объект квадратной формы и на фиксированном рассто нии устанавливалось матовое стекло. С помощью набора квадратных диафрагм , устанавливаемых в плоскости матового стекла, освещаемого сход щейс сферической волной с радиусом I кривизныinterferograms from interferograms, amy, obtained in the method prototype. To do this, a square-shaped object was used to record the hologram and a matte glass was installed at a fixed distance. Using a set of square diaphragms mounted in a plane of ground glass, illuminated by a converging spherical wave with a radius I of curvature

волнового фронта в его плоскости, можно было измен ть площадь освещенной области матового стекла. При записи голограммы по способу-прототипу дл сохранени такой же ширины центральной интерференционной полосы дл одной и той же амплитуды колебани объект освещалс расход щейс сферической волной с радиусом кривизны в плоскости объекта, равным фиксируемому рассто нию I от объекта доthe wavefront in its plane, it was possible to change the area of the illuminated area of ground glass. When recording a hologram in the prototype method, in order to maintain the same width of the central interference band for the same oscillation amplitude, the object was illuminated by a spherical wave with radius of curvature in the object plane equal to the fixed distance I from the object to

матооого стекла при реализации предлагаемого способа.glass in the implementation of the proposed method.

Результаты экспериментальных исследований показали, что распределени ркости в интерферограммах описываютс Experimental results have shown that luminance distributions in interferograms are described

квадратом функции Бессел нулевого пор дка первого рода, и по измеренной ширине центральной ркой полосы амплитуда колебаний составл ла 10 мкм. Но в предлагаемом способе число полос ркостиthe square of the Bessel function of the zero order of the first kind, and over the measured width of the central bright band, the amplitude of the oscillations was 10 µm. But in the proposed method, the number of bands of brightness

увеличиваетс с увеличением площади освещенной области матового стекла и, как следствие, уменьшаетс уровень пороговой чувствительности.increases with increasing area of the illuminated area of ground glass and, as a result, the level of threshold sensitivity decreases.

Таким образом, предлагаемый способThus, the proposed method

решает актуальную задачу, позвол бесконтактным методом уменьшить уровень пороговой чувствительности определени амплитуды колебани диффузно рассеивающей свет поверхности.solves the actual problem by allowing the contactless method to reduce the threshold sensitivity of determining the amplitude of the oscillation of a diffusely scattering light surface.

Claims

Invention Formula

A sophisticated method for measuring the amplitude of an object, including recording a hologram with irradiation by coherent radiation of an oscillating surface, as well as irradiating a photosensitive medium with a coherent flat reference wave, and registering the luminance distribution when restoring a hologram, characterized in that, in order to reduce the threshold level of the sensation. in determining the amplitude of oscillations of diffusely scattering light

surfaces, the irradiation of the oscillating surface is carried out by radiation, formed by the transmission of a spherical full through a diffuse scatterer, using the lens that forms a wave

radiation with the radius of curvature of the front in the scattering plane, the step distance from the scatter head to the surface of the object.

AT

ten

m