CZ302803B6 - Zpusob detekce pohybu pole koherencní zrnitosti a zarízení k provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Zpusob detekce pohybu pole koherencní zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního zárení ze zdroje zárení pracujícího ve viditelné, blízké infracervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, jehož podstata spocívá v tom, že svazek koherentního nebo kvazikoherentního zárení se nejdríve rozdelí na fázove koordinovaná referencní pole a pole, které je objektem transformováno na pole koherencní zrnitosti, a poté jsou tato dve pole podrobena interferenci za vzniku obrazce modulujícího rozložení intenzity svetla v oblasti zrna struktury koherencní zrnitosti a menícího svou polohu se zmenou polohy pole koherencní zrnitosti, nacež se ve zvolených casových intervalech tento obrazec kvalitativne a kvantitavine vyhodnocuje a analyzuje. Zarízení k provádení zpusobu obsahující delic (1) svazku zárení vložený mezi zdroj (2) zárení a objekt (3) generující pole koherencní zrnitosti, pricemž za objektem nebo v jím odraženém poli je ustavena zvetšovací optická soustava (4) pro pozorování interferencního obrazce v oblasti zrna struktury koherencní zrnitosti, za níž je umísten obrazový snímac (5), který je napojen na vyhodnocovací systém (6).

Description

Způsob detekce pohybu pole koherentní zrnitosti a zařízeni k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu detekce pohybu pole koherenční zrnitosti a zařízení k provádění tohoto způsobu 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 Surface 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 Photographs“ (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 vprůběhu 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 zrny 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. Ktomu lze využít záznamu superpoziční struktury na fotografickou desku, jak je uvedeno v pramenu „Interferometrů: displacement measurement on scattering surfaces utilizing speckle effect“ (Leendertz J. A., J. Phys. E: Sci. Instrum. 3, 1970, str. 214), nebo na snímací světlocitlivou kameru, jak je uvedeno v článku „Holographic and video techniques applied to engineering measurements“ (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 zm, interferometrie na bázi koherenční zrnitosti má opačnou podmínku. Modernější způsob kvantitativního vyhodnocení pohybu pole koherenční zrnitosti nevyžadující omezující podmínku na velikost zm ve struktuře koherenční zrnitosti, který je prezentovaný v Článku „Theory and applications of dynamic laser speckles due to in-plane object motion“ (Yamaguchi I., Komatsu S-I., Opt. Acta 24, 1977, str. 705) nebo monografii „Koherenční zrnitost v optice“ (Hrabovský M., Bača Z., Horváth P., Univerz. Palackého v Olomouci, 2001), využívá statistického přístupu. Poloha maxima funkce vzájemné korelace struktur koherenční zrnitosti zaznamenaných světlocitlivou kamerou před a po změně polohy pole koherenční zrnitosti poskytuje informaci o velikosti posunutí pole koherenční zrnitosti.

Dle pramenu „Application of 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 přič-1 CZ 302803 B6 ném zvětšení β > 1 do detekčního řetězce, jak uvádí články „Full ťheory of speckle displacement and decorrelation in the image field by yvave and geometrical descriptions and its application in mechanics (Horváth P., HrabovskýM,, Šmíd P., J. Mod. Opt. 51, 2004, str. 725), „Application of speckle decorrelation method for smáli translation measurements“ (Horváth P., 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 2007— 797 Al, kde zdroj záření je součástí osvětlovacího bloku obsahujícího osvětlovací optickou soustavu polohovatelně ustavenou v motorickém translaěním systému, který je uložen mezi pozorovaným subjektem a zdrojem záření a je propojen s řídicím 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 vln, uvedených například v monografiích „Fundamentals of photonics“ (Saleh B. E. A., Teich M. C., John Wiley & Sons, New York, 1991) a „Principles of optics“ (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 trans lační pohyby pole koherenční zrnitosti menší než jeden mikrometr.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je způsob detekce pohybu pole koherenční zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního záření ze zdroje záření pracujícího ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, jehož podstata spočívá v tom, že svazek koherentního nebo kvazikoherentního záření se nejdříve rozdělí na fázově koordinovaná referenční pole a pole, které je objektem transformováno na pole koherenční zrnitosti, a poté jsou tato dvě pole podrobena interferenci za vzniku obrazce modulujícího rozložení intenzity světla v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti a měnícího svou polohu se změnou polohy pole koherenční zrnitosti, načež se ve zvolených časových intervalech tento obrazec kvalitativně a kvantitativně vyhodnocuje a analyzuje.

V možných provedeních je směr šíření svazků paprsků po rozdělení na referenční pole a pole koherenční zrnitosti po průchodu průhledným objektem nebo po odrazu od neprůhledného objektu buď kolineámí nebo obě pole svírají nenulový úhel.

Další podstatou vynálezu je zařízení k provádění způsobu obsahující dělič svazku záření vložený mezi zdroj záření a objekt generující pole koherenční zrnitosti, přičemž za objektem nebo v jím odraženém poli je ustavena zvětšovací optická soustava pro pozorování interferenčního obrazce v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti, za níž je umístěn obrazový snímač, který je napojen na vyhodnocovací systém.

Způsobem podle vynálezu se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že interferometrickým porovnáním pohybujícího se pole koherenční zrnitostí s koherentním referenčním světelným polem a následnou analýzou změny polohy interferenčního obrazce pozorovaného v oblasti libovolného zrna struktury koherenční zrnitosti, lze detekovat trans lační pohyby pole koherenční zrnitosti ve všech třech osách kartézského souřadného systému na úrovni zlomků vlnové délky použitého světla. V podstatě lze jíž 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 vynálezu a grafické znázornění způsobu vyhodnocování pohybu pole koherenční zrnitosti jsou schématicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. I je blokové schéma základního provedení zařízení pro transmisní předměty s naznačením alternativy užití pro difúzně reflexní předměty.

obr. 2 je příklad grafického znázornění průběhu intenzity světla v řezu oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti, obr. 3 je příklad grafického znázornění průběhu intenzity světla v řezu oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti modulovaného interferenčním obrazcem s vyznačením bodů X) a na horizontální ose, mezi kterými je sledován pohyb interferenčního obrazce, obr. 4 je zobrazení průběhu interferenčního obrazce uvedeného na obr. 3 mezi body jq a xi před posunutím pole koherenční zrnitosti, obr. 5 je příklad průběhů interferenčních obrazců po (a) jednom a (b) dvou identických posunutí pole koherenční zrnitosti.

Příklady provedení vynálezu

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 něhož je objekt 3 generující pole koherenční zrnitosti osvětlován úzkým svazkem paprsků. Mezi zdrojem 2 záření a objektem 3 je vložen dělič i 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 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 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 pole je 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

Způsob a zařízení podle vynálezu 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. PATENTOVÉ NÁROKY

   5 1. Způsob detekce pohybu pole koherenční zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního záření ze zdroje (2) záření pracujícího ve viditelné, blízké infračervené nebo blízké ultrafialové, oblasti spektra, vyznačující se tím, že svazek koherentního nebo kvazikoherentního záření se nejdříve rozdělí na fázově koordinovaná referenční pole a pole, které je objektem (3) transformováno na pole koherenční zrnitosti, a poté jsou tato dvě pole podrobena io interferenci za vzniku obrazce modulujícího rozložení intenzity světla v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti a měnícího svou polohu se změnou polohy pole koherenční zrnitosti, načež se ve zvolených časových intervalech tento obrazec kvalitativně a kvantitativně vyhodnocuje a analyzuje.

   15 2. Způsob vyhodnocování podle nároku 1, vyznačující se tím, že směr šíření svazků paprsků po rozdělení na referenční pole a pole koherenční zrnitosti je po průchodu průhledným objektem (3) nebo po odrazu od neprůhledného objektu (3) buď kolineámí nebo obě pole svírají nenulový úhel.

   20 3. Zařízení k detekcí pohybu pole koherenční zrnitosti pomocí svazku koherentního nebo kvazikoherentního záření ze zdroje (2) záření pracujícího ve 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 nebo v jím odraženém polije ustavena zvětšovací optická soustava (4) pro pozorování

   25 interferenčního obrazce v oblasti zrna struktury koherenční zrnitosti, za níž je umístěn obrazový snímač (5), který je napojen na vyhodnocovací systém (6).