Способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНС ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА, заключаюп-оя ось 3i,-d просвечива- / ния 0 f(x. щийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта плоским одномерным пучком проникающего, излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпендикулярной оси одномерного пучка, в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования и все преобразованные потоки пространственно совмещают, отличающийся тем, что, с целью измерения в реаль .ном времени, пространственно совмещенные потоки перемножают регистратором с коэффициентом контрастности , где N - число ракурсов зондирования. f(pcos(f}f -i-f- fln fj ) .l
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„Я1)„„ 999808
g g ;Юг 03 Н 1/16
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
t ° ЧИЖ".
-?, ?
1Ф .4 - := = - - -у:г
? ?
ЬЭь g; ?% ° ° и-Оя ю прос3еии6 ЯиЯ п+ л лу ) (21) 3243633/18-25 (22) 30,01.81 (72) Г.Н.Вишняков и Г.Г.Левин (46) 23.07.84. Бюл.К -27 (53) 772.99(088.8) (56) 1. Пресняков Ю.П. Вычисление двумерных функций показателя преломления. Оптика и спектроскопия. 1976, т. 40, вып. 1, с. 124. 2.А.P. Gmitro et al. Optical computears for reconstarting objects from their Х-Ray projections. Îptical Engineerinp v.19 (1980), р.260 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта плоским одномерным пучком проникающего. излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпенцикулярной оси одномерного пучка, в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования и все преобразованные потоки пространственно совмещают, отличающийся тем, что, с целью измерения в реальном времени, пространственно совмещенные потоки перемножают регистратором с козффициентом контрастности -=-2М, где М вЂ” число ракурсов зондирования. 1 9998 Изобретение относится к голог > фической интерферометрии. Известен способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей фазового объекта (1 1, 5 заключающийся в том, что,производя многоракурсное зондирование объекта лазерным излучением, для каждого направления зондирования записывают интерферограммы объекта и по отклонению интерференционных полос судят об измеряемой величине. Недостатком данного способа является невозможность получения искомого пространственного распределения неоднородностей в реальном времени, так как затрачивается время на ввод в ЭВМ измеренных по отклонению интерференционных полос, данных об изменении оптической длины пути внутри исследуемого объекта, расчета на ЭВМ, вывода и отображение полученного ответа. Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта (2 1, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объЗО екта плоским. одномерным пучком проникающего излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпендикулярной оси одномерного пучка, в двумерное, производят З5 поворот излучения вдоль направления зондирования .и все преобразованные потоки пространственно совмещают. Этот .способ используется в рентгенотехнике для измерения распределе4О ния коэффициента ослабления рентгеновского излучения в поперечных сечениях медико-биологических объектов (поперечная томография). Недостат. ком данного способа является то, что 45 оН не может обеспечить измерение пространственного распределения показателя преломления объекта, так как при исследовании объектов с переменным показателем преломления ампли-5О туда зондирующего излучения не изменяется, а происходит модуляция фазового фронта прошедшего излучения. Целью изобретения является иэмере-5 » ние пространственного распределения показателя преломления объектов в реальном времени. 08 2 Это достигается тем, что при реализации способа измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта, заключающем- ся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта плоским одномерным пучком проникающего излучения, для каждого направления зондирования прошедшее излучение равномерно преобразуют в направлении оси, перпендикулярной оси одномерного пучка в двумерное, производят поворот излучения вдоль направления зондирования и все преобразованные потоки пространственно совмещают, пространственно совмещенные потоки перемножают регистратором с коэффициентом контрастности у =--2, где К вЂ” число ракурсов зондирования. На фиг.1 изображено искривление фазового фронта и зависимости от направления освещенного светового потока; на фиг.2,3-схема устройства, реализующего описываемый способ, вид сверху и сбоку. В описываемом способе измеряемый объект освещают плоскими одномерными световыми пучками (световыми ножами") одновременно со многих направлений, т.е. осуществляют многоракурсное (N-ракурсное) зондирование объекта. Все световые ножи" должны распространяться в одной плоскости, например в плоскости (Х,у), где система координат (х,у, х) привязана к объекту (см.фиг.1а). Пересечение плоскостей распространения одномерных световых пучков выделяет то поперечное сечение исследуемого объекта,в котором по данному способу можно измерить распределение показателя преломления в реальном времени. Про- свечивая объект сбоку под разлччными ракурсами можно в реальном времени получить, например, интерферограмму поперечного сечения объекта, которая будет одновременно картой линий равных значений показателя преломпения в данном сечении. Перемещая плоскость распространения "световых ножей" вдоль оси 7, можно измерить трехмерное пространственное распределение неоднородностей объекта. Рассмотрим последовательность операций, выполняемых в одном канале освещения, направленном, например, под углом М„ к оси Х, (см.фиг. 1а). Плоский одномерный лазерный пучок амплитуды Ао, пройдя через фазовый 3 9 объект, будет иметь вид Л е) ) (Р) Это схематично отражено на фиг.1а искривлением фазового фронта. Ось р перпендикулярна направлению распространения. Интегральный фазовый набег ф (Р) связан с показателем преломлеп ния f (х, ) в данном выделенном сечении (х,у) преобразованием Радона, которое в линейном приближении можно записать в виде Ф„ Р)= Ф„(Р,У (= — Р ) f (xp)d(P-хсоьУ— - > 5 > l1 4 ) (j x d 3 40 где Л вЂ” длина волны зондирующего излучения; Ро — радиус круга, вне которого % l X,g) =(l Прошедшее через объект излучение 20 Д p n< раВИОмерно растягивают (размазывают ) в направлении оси с 8 параллельной оси Z (см.фиг.1б), т.е. преобразуют его в двумерный поток, описываемый выражением А С )Ч (Ф р где Ф„(Р, )=Ф„(Р1, T.е. вдоль Оси Р это поле Описывается функцией Ф„(Р), а вдоль Оси с Оно постоянно. Эту операцию можно выполнить, например, с помощью двух цилиндрических линз, 30 образующие которых параллельны оси P. Преобразованный таким образом двумерный световой поток поворачивают вокруг данной п-ой оси просве, 180 (()„= tl — — — -1,2,...М {см.фиг.1в), т.е. перехо Ф„Ж 1 дят от поля Е " к световому ) полю, которое в координатах (Р)Я,) описывается следующим выражением 8 ),(РС 5 nnl выполнить с помощью призмы Дове или системой из нескольких зеркал. Все описанные операции осуществляются одновременно в каждом из Й каналов (ракурсов), после чего все 45 преобразованные световые потоки "") пространственно совмещают в плоскости регистратора, т. е. образуется сумма световых 50: полей. — "@n (Рсо Yn+с sinVn)+joL с— n=1 В=1 где () „= - 0 8 угол между 55 направлением падения излучения данного n-ro канала на регистратор и нормалью к плоскости регистратора, Ой 4 A — длина волны зондирующего излучения, с — комплексные величины, r.e. (a I =1, п =1,2,...М. Если регистратор имеет коэффициент контрастности г =-2М, то амплитудное пропускание регистратора после экспонирования световым полем (2) и фотообработки будет равно = Е.„Е.„ М Н1 11 Н1 (.„(,Е . Е..„"- к,. 7."., В=1 n=1 1с 1 п 1ф,7 H-1 (Ч "Е" (1 (4 1 1 ) где выражение в,круглых скобках уже действительное. Подробно (3) можно переписать в виде: 1= N+a„P +, +0(+g a +...НХ" )-Ф. 2 N1 2 1 " N + aq (и"„+... a"„) a„(++...+î"))" (а(Таким образом, при освещении регистратора восстанавливается несколько световых полей, распространяющихся под различными углами к нормали регистратора. Нас интересует поле вида: M-1 " „ 1с("„-8(a ) (1 о(ф в=1 Л распространяющиеся под углом 82;, с к нормали регистратора. Это слагаемое образуется следующим образом: при возведении в N-ую степень, т.е ° при перемножении N Одинаковых выражений, записанных в квадратных скобках в (4), из 1-го сомножителя берется 1-ое слагаемое, равное И,из 2-го-слагаемое a a N, « из 3-ro — a a и т..д. из N-ro 1(2 N .)(. сомножителя — слагаемое В (4) члены,"участвующие" в образовании слагаемого (5), подчеркнуть. Если N-ый канал выбрать опорным, т.е. плоским волновым фронтом, падающим на регистратор под углом Й р =0, то (5) можно переписать в виде: )1 (Рс039, П-1 ф(Р,q,)1.g) (<) 999808 Световое излучение от лазера 1, попав на светоделительную пластину 2, разделяется на две части, одна из которых проходит систему формирования опорного канала (зеркало 13, расши ритель 14 пучка) и попадает на регистратор 12. Другая часть проходит систему из 2 цилиндрических линз 3, формирующих плоский одномерный световой пучок, попадает на светоделитель-мультипликатор, создающий нужное число направлений зондирования и с помощью зеркал 5,6 направляется на исследуемый фазовый объект 9 таким образом, чтобы оси направлений просвечиваиия пересекались в одной точке, в которой расположено начало системы координат (х,у, Z). Прошедшие через объект под угляИз выражения (10) следует, что искомая информация о пространственном распределении показателя преломления в поперечном сечении объекта заключена в виде системы интерференцион ных полос, которая одновременно является картой линий равных значений показателя преломления, причем при переходе от Одной линии к другой 3На 55 чение показателя преломления изменяется на величину 2 Отметим Л 2Р0 ы У что операцию перемножения (б) фазогде l4-1 г*е а(Р,y)=K ф„(РсозУ„+ 1п „) . () N-1 5 а р(.=,) < „ определяет угол распрою=1 странения волнового поля (6) . Видно, что соответствующим подбором о „ мож. но добиться того, чтобы поле (6) не пе- 1п рекрывалось с остальными восстановленными полями. Функция Я(Р,с ) есть искомая функция f (Р, с), ),. описывающая пространственное распределение оптических неоднородностей фазового объекта, несколько искаженная ("размытая") операцией свертки с функцией (Р2+ 2) т.е. 2PP0Ì 2О ) 1 2 2 р2+ „2 где Qx — значок двумерной свертки. Однако для низкочастотных функций 5(y,g),которые, как правило, исследуют- ся в интерферометрии при малом числе ракурсов просвечивания, этим сглажи,ванием можно пренебречь. Тогда (6) можно записать в виде i K(Pq} +с =Ne (9) Для того, чтобы визуализировать полученный фазовый волновой фронт,,уже содержащий искомое распределение (p, @ ), можно, например, сделать 2-ую экспозицию регистратора, но уже без объекта (как в методе 2-х экспозиций голографической интерйерометрии). Тогда в направлении = 2л к нормали регистратора будет восстанавливаться поле, интенсивность которого равна 27г о" «J(P,q,)=2N 1+соз $ (P,с t, (1О) вых волновых фронтов, полученных под различными ракурсами, необходимую для суммирования фазовых набегов ф„, можно выполнить также путем многократного прохождения одного и того же волнового фронта через объект последовательно под различными углами просвечивания. Для коаксиальных фазовых объектов (т.е. объектов с постоянным вдоль оси 2 показателем преломления типа стекловолокна) можно устранить операцию равномерного растяжения одномерного потока в двумерный в направлении оси 2 и осуществлять зондирование объекта двумерным плоским световым пучком. В настоящее время существуют регистраторы с достаточно большим коэффициентом контрастности, а также различные типы проявителей, повьпиающих у, Заметим, что регистраторы с большими у необходимы для многоракурсных схем с большим количеством световых каналов ° Реализовать такие схемы технически трудно. Поэтому на практике обычно ограничиваются трех-,четырех- ракурсными схемами, для которых можно использовать более распространенные регистраторы с у,6-10. Схема устройства, реализующего описываемый способ, представлена на фиг.2. Для определенности рассмотрим трехракурсную схему. Устройство содержит лазер 1, светоделитель 2, систему из двух цилиндрических линз 3, светоделитель †мультипликатор 4, создающий нужное число направлений зондирования зеркал 5,6,7 и 8 объект 9, система цилиндрических линз 10, призма Дове 11, регистратор 12, зеркало 13, расширитель 14 пучка. 999808 Euo «Ap » 5 7 Ф Ю8. Х! Составитель В. Артамонова Редактор П. Горькова Техред Т.Фанта Корректор Л. Пилипенко Заказ 5514 Тираж 464 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1 13035, Москва, W-35, Раушская наб., д. 4/5 Подписное Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ми 4 „, V, V световые потоки е Р 1 системой цилийдрических линз 10 равномерно растягивают в направлении оси 2 до размеров 2Р и поворачивают с поо мощью призм Дове 11 вдоль направлений просвечивания на углы > С помощью зеркал 7,8 световые потоки направляют под углами 91, 8, 6 к ! нормали регистратора для их пространственного совмещения и перемножения регистратором 12, имеющим г» =-2М . Первая экспозиция регистратора 12 производится в отсутствие объекта 9. После 2-ой экспозиции в присутствии объекта и последующей фотообработки при восстановлении записанных полей в направлении 8-„, р к нормали регистратора форП 1 мируется интерферограмма поперечного сечения (х,у) объекта 9. По сравнению с известными способами описываемый способ позволяет измерять пространственное распределение показателя преломления в реальном времени и может найти применение в аэро- и гидродинамике, для измерения электронной плотности в плазме, для неразрушающего контроля качества изготовления стекловолокна в процессе его вытяжки.
