CZ19525U1 - Zařízení pro detekci a vyhodnocení submikronových pohybů pole koherenční zrnitosti - Google Patents

Description

Zařízení pro detekci a vyhodnocení submikronových pohybů pole koherenční zrnitosti

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro detekci a vyhodnocení pohybů pole koherenční zrnitosti při dosažení úrovně rozlišení menší než 1 mikrometr užitím optického jevu interference.

Dosavadní stav techniky

Kvantitativní vyhodnocení pohybu pole koherenční zrnitosti bylo dosud řešeno různými způsoby. Ve fotografii na bázi koherenční zrnitosti popsané v článcích Recording of In-plane Surfdce Displacement by Double-exposure Speckle Photography (Archbold E., Burch J.M., Ennos A., J. Mod. Opt. 17, 1970, str. 883) a Displacement Measurement from Double-exposure Laser Phoio tographs (Archbold, E., Ennos, A.E., J. Mod. Opt. 19, 1972, str. 253) jsou nejprve dvě struktury koherenční zrnitosti navzájem posunuté ve směru ortogonálním ke směru pozorování zaznamenány dvojexpozicí do vrstvy světlocitlivého materiálu. Po jejím vyvolání a osvětlení pak velikost vzájemného posunutí struktur plyne z analýzy periody interferenčních proužků v oblasti Fourierovy transformace.

V interferometru na bázi koherenční zrnitosti jsou porovnávány superpoziční struktury vzniklé koherentním skládáním referenčního světelného pole a pole koherenční zrnitosti před a po změně jeho polohy. Obě pole (referenční a koherenční zrnitosti) mají identický směr šíření. Jak je popsáno v publikaci Laser speckle and related phenomena (Ed. by Dainty J.C., Springer-Verlag, Berlin, 1984, str. 215), jsou-li superpoziční struktury pozorovány okem v průběhu kmitavého pohybu pole koherenční zrnitosti ve směru jeho šíření, v bodech superpoziční struktury, v nichž se struktura nepohybuje, má struktura vyšší kontrast než v bodech, které vykazují pohyb. Oblasti superpoziční struktury s vyšším kontrastem vytváří makroskopické zrnité proužky různých tvarů, proužky tvořené zmy struktury koherenční zrnitosti, poskytující informaci o relativním pohybu pole koherenční zrnitosti. Modifikace výše uvedeného interferometru na bázi koherenční zrnitosti jsou založeny na principu zviditelnění rozdílu dvou po sobě následujících superpozičních struktur, K tomu lze využít záznamu superpoziční struktury na fotografickou desku, jak je uvedeno v pramenu Interferometrie displacement measurement on scattering surfaces utilizing speckle effecť (Leendertz J.A,, J, Phys. E: Sci. Instrum. 3, 1970, str. 214), nebo na snímací světlocítlivou kameru, jak je uvedeno v článku Holographic and video techniques applied to engineering mea30 surements (Butters J.N., Leendertz J.A., Meas. Control 4, 1971, str. 349). Rozdíl mezi superpozičními strukturami se opět projevuje vznikem soustavy makroskopických zrnitých proužků různých tvarů.

Zatímco fotografie na bázi koherenční zrnitosti vyžaduje, aby posunutí pole koherenční zrnitosti přesáhlo rozměr samotných zrn, interferometrie na bázi koherenční zrnitosti má opačnou podáš minku. Modernější způsob kvantitativního vyhodnocení pohybu pole koherenční zrnitosti nevyžadující omezující podmínku na velikost zrn ve struktuře koherenční zrnitosti, který je prezentovaný v Článku Theory and appíteations of dynamic laser speckles due to in-plane object motion (Yamaguchi E, Komatsu S.4., Opt. Acta 24, 1977, str. 705) nebo monografii Koherenční zrnitost v optice (Hrabovský M., Bača Z., Horváth P., Univerz. Palackého v Olomouci, 2001), vy40 užívá statistického přístupu. Poloha maxima funkce vzájemné korelace struktur koherenční zrnitosti zaznamenaných světlocítlivou kamerou před a po změně polohy pole koherenční zrnitosti poskytuje informaci o velikosti posunutí pole koherenční zrnitosti.

Dle pramenu Application qf speckle decorrelation method for smáli translation measurements (Horváth P., Hrabovský M., Šmíd P., Opt. Appl. 34, 2004, str. 203) je citlivost korelační metody závislá na úhlových a délkových (geometrických) parametrech měřicí sestavy. Zvýšení citlivosti korelační metody na úroveň jednotek mikrometrů lze docílit zařazením optického systému o příčném zvětšení β > 1 do detekčního řetězce, jak uvádí články Pull theory qf speckle displacement and decorrelation in the image field by wave and geometrical deseriptions and its application in mechanics” (Horváth P., Hrabovský M., Šmíd P., J. Mod. Opt. 51, 2004, str. 725), Appli?o cation of speckle decorrelation method for smáli translation measurements (Horváth P.,

Q1 19525 Ul

Hrabovský M„ Šmíd P,, Opt. Appl. 34, 2004, str. 203) a patent CZ 295817 o názvu Zařízenípro bezkontaktní snímání stability polohy předmětu. Je rovněž známo zařízení dle spisu CZ 2007797 AI, kde zdroj záření je součástí osvětlovacího bloku obsahujícího osvětlovací optickou soustavu polohovatelně ustavenou v motorickém translačním systému, který je uložen mezi pozoro5 váným subjektem a zdrojem záření a je propojen s řídícím a vyhodnocovacím systémem. Přestože je tohoto zařízení možno využít k přesné kvantitativní detekci změny pohybu sledovaného objektu, jeho nevýhodou je, že maximální dosažitelná úroveň rozlišení velikosti pohybu pole koherenční zrnitosti a následně i sledovaného objektu je na hranici 1 mikrometru.

Je proto snahou předkládaného řešení za využití poznatků o interferenci velkého počtu světelných iú vln, uvedených například v monografiích bundamentals of photonics (Saíeh B.E.A., Teich

M.C., John Wiley & Sons, New York, 1991) a Principles ofoptics (Bom M., Wolf E., Pergamon Press, London, 1959), a znalostí společně s poznatky o sčítání pole koherenční zrnitosti s koherentním pozadím, prezentovaných například v monografii Laser speckle and related phenomena (Dainty J.C., ed., Springer-Verlag, Berlin, 1975, str. 29), předložit takový způsob a zařízení detekce pohybu pole koherenční zrnitosti, které by již při použití světla o vlnové délce z viditelné oblasti spektra detekovalo translační pohyby pole koherenční zrnitosti menší než jeden mikrometr.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení pro detekci a vyhodnocení zo submikronových pohybů pole koherenční zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního záření ze zdroje záření pracujícího ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, jehož podstatou je, že obsahuje dělič svazku záření vložený mezi zdroj záření a objekt generující pole koherenční zrnitosti, přičemž za objektem nebo v jím odraženém polije ustavena zvětšovací optická soustava pro pozorování interferenčního obrazce v oblasti zma struktury koherenční zrnitosti, za níž je umístěn obrazový snímač, který je napojen na vyhodnocovací systém.

Předloženým technickým řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že interferometrickým porovnáním pohybujícího se pole koherenční zrnitosti s koherentním referenčním světelným polem a následnou analýzou změny polohy interferenčního obrazce pozorovaného v oblasti libovolného zrna struktury koherenční zrnitosti, lze detekovat translační pohyby pole koherenční zrnitosti ve všech třech osách kartézského souřadného systému na úrovni zlomků vlnové délky použitého světla. V podstatě lze již při použití světla o vlnové délce z viditelné oblasti spektra bezproblémově detekovat translační pohyby pole koherenční zrnitosti o velikosti pohybů pohybujících se v oblasti stovek nanometrů až 1 mikrometr.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklad provedení zařízení dle technického řešení a grafické znázornění způsobu vyhodnocování pohybu pole koherenční zrnitosti jsou schématicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je blokové schéma základního provedení zařízení pro transmisní předměty s naznačením alternativy užití pro diíuzně reflexní předměty, obr. 2 je příklad grafického znázornění průběhu intenzity světla v řezu oblasti zma struktury koherenční zrnitosti, obr. 3 je příklad grafického znázornění průběhu intenzity světla v řezu oblasti zma struktury koherenční zrnitosti modulovaného interferenčním obrazcem s vyznačením bodů a x₂ na hori45 zontální ose, mezi kterými je sledován pohyb interferenčního obrazce, obr. 4 je zobrazení průběhu interferenčního obrazce uvedeného na obr. 3 mezi body Xj a x₂ před posunutím pole koherenční zrnitosti,

CZ 19525 Ul obr. 5 je příklad průběhů interferenčních obrazců po (a) jednom a (b) dvou identických posunutí pole koherenční zrnitosti.

Příklady provedeni technického řešení

Zařízení k detekci pohybu pole koherenční zrnitosti je v základním provedení tvořeno zdrojem 2 záření, kterým je například laser nebo laserová dioda, pracující ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové oblasti spektra, pomocí néhož je objekt 3 generující pole koherenční zrnitosti osvětlován úzkým svazkem paprsků. Mezi zdrojem 2 záření a objektem 3 je vložen dělič 1 polí a za objektem 3 nebo v jím odraženém poli je ustavena zvětšovací optická soustava 4 pro pozorování interferenčního obrazce v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti, za níž je umístěn io obrazový snímač 5, například lineární nebo maticový, který je napojen na vyhodnocovací systém

6.

Při detekci pohybu pole koherenční zrnitosti generovaného objektem 3 je tento osvětlován ze zdroje 2 záření svazkem koherentního nebo kvazikoherentního záření, který po průchodu děličem 1, který vytváří dvě světelná pole, a to referenční pole a pole, které je průchodem objektem 3 průhledným pro užité záření nebo difúzním odrazem na objektu 3 neprůhledném pro záření transformováno na pole koherenční zrnitosti, přičemž směry šíření referenčního pole a pole koherenční zrnitosti mohou být kolineámí nebo svírat nenulový úhel, a tato dvě pole spolu interferují. Interferenční poleje pomocí zvětšovací optické soustavy 4 snímáno maticovým nebo lineárním obrazovým snímačem 5 v oblasti, ve které je pozorováno zrno ve struktuře koherenční zrnitosti, jak je znázorněno na obr. 2. Obrazový snímač 5 je napojen na vyhodnocovací systém 6 analyzující interferenční obrazce před a po změně polohy pole koherenční zrnitosti a určující kvantitativně vzájemnou změnu jejich poloh, jak je příkladně uvedeno na obr. 3 až obr. 5.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze použít v případě požadavku na zvýšení citlivosti metody korelace polí koherenční zrnitosti, a k přesnému kvantitativnímu vyhodnocení změny polohy sledovaného objektu generující pole koherenční zrnitosti.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro detekcí a vyhodnocení submikronových pohybů pole koherenční zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního záření ze zdroje (2) záření pracujícího ve

   30 viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, vyznačující se tím, že obsahuje dělič (1) svazku záření vložený mezi zdroj (2) záření a objekt (3) generující pole koherenční zrnitosti, přičemž za objektem (3) nebo v jím odraženém poli je ustavena zvětšovací optická soustava (4) pro pozorování interferenčního obrazce v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti, za níž je umístěn obrazový snímač (5), který je napojen na vyhodnocovací sys35 tém (6).