ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ НАКЛОНОВ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
32 И. Р. Котов, О. В. Майорова, В. Т. Прокопенко
УДК 681.787.7
И. Р. КОТОВ, О. В. МАЙОРОВА, В. Т. ПРОКОПЕНКО
ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ НАКЛОНОВ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Обсуждается проблема разработки голографических методов и систем контроля напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов, адаптированных к использованию при конструировании автоматизированных измерительных систем. Предложена принципиальная схема устройства системы оптической обработки двухэкспозиционных голографических интерферограмм для измерения локальных наклонов поверхности контролируемых объектов.
Ключевые слова: голографическая интерферометрия, интерферометр сдвига, диффузно отражающий объект.
Метод голографической интерферометрии широко используется при решении задач неразрушающего контроля и исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов. Особый интерес к этому методу обусловлен его высокой информативностью, возможностью получения трехмерных изображений изучаемых объектов и отсутствием материальных связей с ними.
При исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов нередко осуществляется наклон поверхности контролируемого объекта. При значительных смещениях плоскости интерференционные полосы становятся неразличимы на фоне шумов. Так, при смещениях поверхности более 10 мкм на 1 см ее длины проведение измерений практически невозможно. Известные способы и устройства контроля наклона поверхности либо обладают крайне низкой чувствительностью, либо не позволяют получать информацию о локальных смещениях [1, 2]. В настоящей статье для компенсации наклона исследуемой поверхности предлагается использовать интерферометрию сдвига.
Принципиальная схема предлагаемого устройства для измерения локальных наклонов поверхности представлена на рис. 1. Источник когерентного излучения 1 освещает голограмму 2, на которой зарегистрированы два состояния исследуемого объекта: до и после действия возмущения. Для обеспечения возможности исследования различных точек поверхности объекта голограмма жестко связана с двухкоординатной подвижкой. Для выделения конкретной точки поверхности объекта в плоскости локализации его действительного изображения расположена диафрагма 3. Линза 4 переводит изменение направления распространения объектных волн в
смещение соответственных лучей на величину d , определяемую соотношением [3]
d = f (1+cos θ)γ,
(1)
где f — фокусное расстояние линзы; θ — угол падения светового пучка, освещающего объ-
ект; γ — угол наклона поверхности объекта в окрестности анализируемой точки.
Для определения ориентации вектора смещения d за линзой 4 установлена оборачи-
вающая призма 5, которая вращается с постоянной скоростью вокруг нормали, опущенной в точку пересечения голограммы с оптической осью устройства. Свет, прошедший через призму, падает на голографические дифракционные решетки 6 и 7 интерферометра, одна из которых закреплена неподвижно, а вторая перемещается. В результате движения решетки 7 периодически изменяется расстояние между решетками и относительное положение их штрихов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Измерение локальных наклонов диффузно отражающих объектов
33
Фотоприемник 8 регистрирует контраст интерференционных полос, который меняется в про-
цессе вращения призмы.
На выходе фотоприемника 8 формируется серия радиоимпульсов (Ui) (рис. 2). Временное
положение вершины импульса с макси-
мальной амплитудой относительно начала вращения призмы определяет ориентацию 1
9 11
10
вектора смещения, а расстояние между решетками 6 и 7 в этот момент времени однозначно связано с его величиной.
Расстояние между дифракционными решетками интерферометра измеряется с помощью канала устройства,
2 34 5
12
68 7
Рис. 1
который содержит эталонную двухэкспозиционную спеклограмму 9 и фотоприемники 10
и 11. На спеклограмме регистрируется эталонное смещение диффузного объекта. Вектор
U
смещения ориентирован перпендикулярно штрихам решеток интерферометра. В момент времени,
когда расстояние между решетками соответствует
U8
t
величине эталонного вектора смещения, амплитуда сигнала на выходе фотоприемника 9 становится
максимальной. Изменение расстояния между ре-
шетками с этого момента времени можно опреде-
U11 t лить, отсчитывая число импульсов с выхода фотоприемника 10, и, следовательно, можно измерять
U23 t абсолютную величину вектора смещения d . Эта операция осуществляется при помощи
U22
t блока обработки сигналов 12 (см. рис. 1), измеряющего временной интервал между вершинами
U14
t
радиоимпульсов, формируемых на выходах фотоприемников 8 и 11. Для определения этого интер-
вала производится дифференцирование огибаюU13 t щей импульсов с выходов фотоприемников 8 и 11,
а затем формируется импульс, длительность кото-
UU1168
t t
рого равна временному интервалу между вершинами радиоимпульсов. Длительность этого им-
U15 t пульса измеряется счетчиком, на вход которого U17 t поступают импульсы счета с выхода фотоприем-
U19
t ника 10. Так как расстояние между решетками интерферометра, соответствующее появлению вер-
U10
t
шины импульса с выхода фотоприемника 11, известно, можно определить абсолютное расстояние
U20 Рис. 2
между решетками, соответствующее временному t положению вершины сигнала приемника 8.
Схема блока обработки сигналов представлена
на рис. 3, где 8, 10, 11 — фотоприемники; 22, 23 — детекторы; 13, 14, 17, 18 — дифференциа-
торы; 15, 16 — усилители-ограничители; 19 — триггер; 20 — ключ, 21 — счетчик импульсов.
Абсолютная величина вектора смещения соответственных лучей определяется формулой
d = 2htgα ,
(2)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
34 И. Р. Котов, О. В. Майорова, В. Т. Прокопенко
где α — угол Брегга для диффракционных решеток 6 и 7; h — расстояние между решетками, соответствующее максимуму сигнала приемника 8.
11 22
13 15 17
10
19 20
8 23 14 16 18
21
Рис. 3
С учетом уравнений (1) и (2) выражение для определения угла наклона поверхности объекта в окрестности исследуемой точки примет следующий вид:
γ=
f
2htgα (1+cos θ)
.
Процесс измерений с использованием метода голографической интерферометрии мож-
но разделить на три основных этапа:
— выбор методики исследования и регистрация голограммы;
— оптическая обработка голографической интерферограммы и счет интерференцион-
ных полос;
— расшифровка и математическая обработка полученной информации.
В настоящее время хорошо разработаны первый и третий этапы. Однако второму эта-
пу — процессу исследований и приборной реализации обработки голографических интерфе-
рограмм — уделено недостаточное внимание. Настоящая статья направлена на частичную
ликвидацию пробела в этом вопросе. Предложенное устройство может быть использовано
при разработке аппаратуры для исследования напряженно-деформированного состояния
диффузно отражающих объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982. 504 с.
2. Клименко И. С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука, 1985. 224 с.
3. Tiziani H. J. A study of the use a laser speckle to measure small tilts of optically rough surfaces accurately // Optical Communication. 1972. Vol. 5, N 12. P. 271—276.
Сведения об авторах
Игорь Ростиславович Котов
— канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный медицинский
университет им. И. П. Павлова, лаборатория голографии
Ольга Валериевна Майорова
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотель-
ной оптоэлектроники; E-mail: maiorova_olga@yahoo.com
Виктор Трофимович Прокопенко — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра твердотельной оптоэлектроники
Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
УДК 681.787.7
И. Р. КОТОВ, О. В. МАЙОРОВА, В. Т. ПРОКОПЕНКО
ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ НАКЛОНОВ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Обсуждается проблема разработки голографических методов и систем контроля напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов, адаптированных к использованию при конструировании автоматизированных измерительных систем. Предложена принципиальная схема устройства системы оптической обработки двухэкспозиционных голографических интерферограмм для измерения локальных наклонов поверхности контролируемых объектов.
Ключевые слова: голографическая интерферометрия, интерферометр сдвига, диффузно отражающий объект.
Метод голографической интерферометрии широко используется при решении задач неразрушающего контроля и исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов. Особый интерес к этому методу обусловлен его высокой информативностью, возможностью получения трехмерных изображений изучаемых объектов и отсутствием материальных связей с ними.
При исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов нередко осуществляется наклон поверхности контролируемого объекта. При значительных смещениях плоскости интерференционные полосы становятся неразличимы на фоне шумов. Так, при смещениях поверхности более 10 мкм на 1 см ее длины проведение измерений практически невозможно. Известные способы и устройства контроля наклона поверхности либо обладают крайне низкой чувствительностью, либо не позволяют получать информацию о локальных смещениях [1, 2]. В настоящей статье для компенсации наклона исследуемой поверхности предлагается использовать интерферометрию сдвига.
Принципиальная схема предлагаемого устройства для измерения локальных наклонов поверхности представлена на рис. 1. Источник когерентного излучения 1 освещает голограмму 2, на которой зарегистрированы два состояния исследуемого объекта: до и после действия возмущения. Для обеспечения возможности исследования различных точек поверхности объекта голограмма жестко связана с двухкоординатной подвижкой. Для выделения конкретной точки поверхности объекта в плоскости локализации его действительного изображения расположена диафрагма 3. Линза 4 переводит изменение направления распространения объектных волн в
смещение соответственных лучей на величину d , определяемую соотношением [3]
d = f (1+cos θ)γ,
(1)
где f — фокусное расстояние линзы; θ — угол падения светового пучка, освещающего объ-
ект; γ — угол наклона поверхности объекта в окрестности анализируемой точки.
Для определения ориентации вектора смещения d за линзой 4 установлена оборачи-
вающая призма 5, которая вращается с постоянной скоростью вокруг нормали, опущенной в точку пересечения голограммы с оптической осью устройства. Свет, прошедший через призму, падает на голографические дифракционные решетки 6 и 7 интерферометра, одна из которых закреплена неподвижно, а вторая перемещается. В результате движения решетки 7 периодически изменяется расстояние между решетками и относительное положение их штрихов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
Измерение локальных наклонов диффузно отражающих объектов
33
Фотоприемник 8 регистрирует контраст интерференционных полос, который меняется в про-
цессе вращения призмы.
На выходе фотоприемника 8 формируется серия радиоимпульсов (Ui) (рис. 2). Временное
положение вершины импульса с макси-
мальной амплитудой относительно начала вращения призмы определяет ориентацию 1
9 11
10
вектора смещения, а расстояние между решетками 6 и 7 в этот момент времени однозначно связано с его величиной.
Расстояние между дифракционными решетками интерферометра измеряется с помощью канала устройства,
2 34 5
12
68 7
Рис. 1
который содержит эталонную двухэкспозиционную спеклограмму 9 и фотоприемники 10
и 11. На спеклограмме регистрируется эталонное смещение диффузного объекта. Вектор
U
смещения ориентирован перпендикулярно штрихам решеток интерферометра. В момент времени,
когда расстояние между решетками соответствует
U8
t
величине эталонного вектора смещения, амплитуда сигнала на выходе фотоприемника 9 становится
максимальной. Изменение расстояния между ре-
шетками с этого момента времени можно опреде-
U11 t лить, отсчитывая число импульсов с выхода фотоприемника 10, и, следовательно, можно измерять
U23 t абсолютную величину вектора смещения d . Эта операция осуществляется при помощи
U22
t блока обработки сигналов 12 (см. рис. 1), измеряющего временной интервал между вершинами
U14
t
радиоимпульсов, формируемых на выходах фотоприемников 8 и 11. Для определения этого интер-
вала производится дифференцирование огибаюU13 t щей импульсов с выходов фотоприемников 8 и 11,
а затем формируется импульс, длительность кото-
UU1168
t t
рого равна временному интервалу между вершинами радиоимпульсов. Длительность этого им-
U15 t пульса измеряется счетчиком, на вход которого U17 t поступают импульсы счета с выхода фотоприем-
U19
t ника 10. Так как расстояние между решетками интерферометра, соответствующее появлению вер-
U10
t
шины импульса с выхода фотоприемника 11, известно, можно определить абсолютное расстояние
U20 Рис. 2
между решетками, соответствующее временному t положению вершины сигнала приемника 8.
Схема блока обработки сигналов представлена
на рис. 3, где 8, 10, 11 — фотоприемники; 22, 23 — детекторы; 13, 14, 17, 18 — дифференциа-
торы; 15, 16 — усилители-ограничители; 19 — триггер; 20 — ключ, 21 — счетчик импульсов.
Абсолютная величина вектора смещения соответственных лучей определяется формулой
d = 2htgα ,
(2)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4
34 И. Р. Котов, О. В. Майорова, В. Т. Прокопенко
где α — угол Брегга для диффракционных решеток 6 и 7; h — расстояние между решетками, соответствующее максимуму сигнала приемника 8.
11 22
13 15 17
10
19 20
8 23 14 16 18
21
Рис. 3
С учетом уравнений (1) и (2) выражение для определения угла наклона поверхности объекта в окрестности исследуемой точки примет следующий вид:
γ=
f
2htgα (1+cos θ)
.
Процесс измерений с использованием метода голографической интерферометрии мож-
но разделить на три основных этапа:
— выбор методики исследования и регистрация голограммы;
— оптическая обработка голографической интерферограммы и счет интерференцион-
ных полос;
— расшифровка и математическая обработка полученной информации.
В настоящее время хорошо разработаны первый и третий этапы. Однако второму эта-
пу — процессу исследований и приборной реализации обработки голографических интерфе-
рограмм — уделено недостаточное внимание. Настоящая статья направлена на частичную
ликвидацию пробела в этом вопросе. Предложенное устройство может быть использовано
при разработке аппаратуры для исследования напряженно-деформированного состояния
диффузно отражающих объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982. 504 с.
2. Клименко И. С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука, 1985. 224 с.
3. Tiziani H. J. A study of the use a laser speckle to measure small tilts of optically rough surfaces accurately // Optical Communication. 1972. Vol. 5, N 12. P. 271—276.
Сведения об авторах
Игорь Ростиславович Котов
— канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный медицинский
университет им. И. П. Павлова, лаборатория голографии
Ольга Валериевна Майорова
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотель-
ной оптоэлектроники; E-mail: maiorova_olga@yahoo.com
Виктор Трофимович Прокопенко — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра твердотельной оптоэлектроники
Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4