автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и применение интерферометрии сдвига для обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографии диффузно отражающих объектов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Анализ состояния проблемы, постановка задач исследования

1.1. Методы обработки голографических интерферограмм

1.2. Методы обработки спекл-фотографий.

1.3. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. Расчет основных параметров гетеродинного интерферометра сдвига цри измерении вектора смещения диффузно отражающих объектов

2.Х. Гетеродинный интерферометр;сдвига.

2.2. Анализ разности фаз соответственны* лучей при прохождении гетеродинного интерферометра сдвига.

2.3. Импульсный отклик интерферометра цри обработке спекл-фотографий.

2.4. Диапазон измерения вектора смещения диффузно отражающих объектов.

2.5. Импульсный отклик интерферометра при обработке голографических интерферограмм.

2.6. Контраст интерференционных полос

2.7. Зависимость результата измерения от точности 66 юстхфовки оптических элементов интерферометра

Выводы

ГЛАВА 3. Конструкция интерферометра, схемы регистрации и обработки сигналов

3.1. Оптическая схема и конструкция интерферометра

3.2. Схемы регистрации и обработки сигналов при расшифровке интерферограмм с помощью интерферометра сдвига.

3.3. Параметры сигналов в схеме регистрации интерференционных полос

Выводы.

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование интерферометра сдвига для обработки интерферограмм.

4.1. Исследование диапазона измерения вектора смещения

4.2. Исследование импульсного отклика интерферометра

4.3. Измерение вектора смещения с помощью интерферометра сдвига.

Выводы

На современном этапе развития народного хозяйства страны промышленность предъявляет повышенные требования к приборам, предназначенным для неразрушающего контроля материалов и конструкций. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1900 года" ставится конкретная задача по увеличению выпусва и совершенствованию приборов, обладающих повышенными характеристиками. Одним из перспективных методов неразрушающего контроля материалов и объектов является голографичеокая интерферометрия и спекл-фотография, которые позволили решить важную проблему -измерения смещений и деформаций диффузно отражающих объектов.

Со времени опубликования первых работ по голографической интерферометрии диффузно отражающих объектов и методов спекл-фотографии в отечественной и зарубежной литературе появилось множество работ, посвященных этому направлению. Такое повышенное внимание со стороны исследователей, работающих в области голографии и когерентной оптики, объясняется уникальными возможностями интерферометрии диффузных объектов. Голографичеокая интерферометрия и спежл-фотография позволяют с высокой точностью, чувствительностью и в широком диапазоне исследовать возмущение поверхности с любой формой и большими размерами.

На голограмме или спекл-фотографии объективно фиксируются, а затем при обработке сравниваются два состояния объекта. Задача исследователя заключ ается в том, чтобы с наибольшей точностью и в широком диапазоне получить информацию о деформации всей поверхности объекта. В настоящее время наибольшее число научных работ посвящено методам расшифровки голографических интерферограмм. Большинство рассматриваемых методов основано на возможности формирования интерференционных картин с заданными параметрами за счет изменения условий восстановления интерференционных долей. Так, использование двух опорных волн в процессе регистрации голограммы позволяет изменять при восстановлении положение плоскости локализации интерференционных полос, а также применить принцип гетеродинной интерферометрии при изучении деформаций диффузных объектов; восстановление голограмм сфокусированных изображений объектным волновым полем дает возможность значительно уменьшить спекл-шум в интерференционной картине; с помощью поворота сэндвич-голограммы относительно восстанавливающего лучка можно смещать друг относительно друга изображения объекта, зарегистрированные на фотопластинках, что позволяет измерять большие (до I мм) смещения диффузной поверхности; компенсацию перемещений объекта как жесткого тела можно осуществить, локализуя опорный пучок на поверхности исследуемого объекта.

Несмотря на значительные успехи в развитии методов обработки голографических интерферограмм, многие вопросы в настоящее время являются нерешенными. Так,при измерении сложных деформаций с использованием сэндвич-голографии исследователь должен определять плоскость локализации интерференционных полос. Эта операция производится с недостаточной определенностью. При этом практически невозможно автоматизировать процесс измерений. Схема фильтрации спекл-шума с использованием в качестве восстанавливающего пучка объектного волнового фронта применима к исследованию ограниченного класса объектов, так как при этом необходимо регистрировать голограмму сфокусированных изображений. Таким образом, проблемы устранения влияния спекл-шума на результат измерений, а также измерения больших смещений объекта (сотни микрометров) требует дальнейшего развития.

Сдекл-фотография выгодно отличается от голографической интерферометрии простотой регистрации интерферограмм, а именно: понижаются требования к когерентности лазерного излучения и виброзащите установок, упрощается оборудование для регистрации интерферограмм. Однако отсутствие восстанавливающего пучка не позволяет в широких пределах регулировать частоту и параметры интерференционных полос. По этой же причине методы гетеродинной интерферометрии до настоящего времени не применялись для обработки спекл-фотографий. В результате чего такие важные характеристики этой техники как диапазон, точность и чувствительность значительно ниже в сравнении с голографической интерферометрией.

Задачей диссертационной работы является разработка методов и аппаратуры для обработки спекл-фотографий и голографических интерферограмм с использованием методов гетеродинной интерферометрии, позволяющих устранить влияние спекл-шума и повысить верхнюю границу диапазона измерения вектора смещения.

Для решения вышеупомянутых задач наиболее целесообразно применить для расшифровки интерферограмм интерферометр сдвига. Интерферометр сдвига позволяет также как и сэндвич-голограмма совмещать в пространстве соответственные лучи и точки поверхности объекта. При этом такая система, сохраняя преимущества техники сэндвич-голографии (большой диапазон измерений), свободна от указанных выше недостатков. Кроме того, использование гетеродинного интерферометра сдвига позволит обрабатывать гетеродинными методами как голографические интерферограммы, так и спекл-фотографии, обеспечивая при этом большой диапазон, высокие точность и чувствительность измерений.

В первой главе диссертации сделан обзор основных методов обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографий и поставлена задача исследования.

Во второй главе выполнен теоретический расчет основных характеристик схемы обработки интерферограмм с использованием интерферометрии сдвига. Сделан анализ разности фаз соответственных лучей, прошедших через интерферометр сдвига. Теоретически исследованы диапазон, точность, чувствительность измерений, зависимость погрешности определения вектора смещения от точности юстировки оптических элементов. Предложены оптические схемы для обработки спекл-фотографий гетеродинными методами.

В третьей главе рассмотрена конструкция интерферометра, схемы регистрации и обработки сигналов. Предложены оптические схемы устройств для расшифровки спекл-фотографий и голографических интерферограмм путем регистрации контраста интерференционных полос. Проанализированы параметры сигналов в приемных трактах устройств.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования интерферометра сдвига при обработке интерферограмм. Произведено сравнение с теоретическими расчетами основных параметров устройств - диапазона измерений, точности и чувствительности.

Краткая формулировка новизны работы

В работе предложен, исследован и практически использован принцип интерферометрии сдвига для обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографий гетеродинными методами с целью увеличения диапазона, точности и чувствительности измерения смещений и деформаций поверхностей диффузно отражающих объектов.

Основные положения, выносимые на защиту

- Доказано, что гетеродинный интерферометр сдвига позволяет цроизводить расшифровку голографичеоких интерферограмм и с пекл-фотографий путем регистрации контраста интерференционных полос.

- Теоретический расчет и экспериментальные исследования показывают, что верхняя граница оцределения вектора смещения поверхности объекта при измерениях с регистрацией контраста полос равна единицам миллиметров, а погрешность обратно цропор-циональна апертурному углу наблюдения точки исследуемой поверхности и лежит в пределах от одного до нескольких мшфометров.

- Доказано, что интерферометр сдвига позволяет обрабатывать спекл-фотографии, используя принципы гетеродинной интерферометрии.

- Теоретически и экспериментально показано, что точность и чувствительность измерений при гетеродинной обработке с пекл-фотографий увеличивается на один, два порядка.

- Теоретический расчет схем расшифровки интерферограмм и с пекл-фотографий показывает, что для достижения требуемых диапазона, точности и чувствительности измерений необходимо цроизводить юстировку оптических элементов интерферометра с точ--4 ностью 10 -10 ^ рад.

Результаты работы внедрены в Челябинском межвузовском центре обслуживания научных исследований, Институте химии силикатов АН СССР, ЖТМО на кафедре спектральных и оптико-физических приборов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретическое и экспериментальное исследование применения гетеродинного интерферометра сдвига для обработки интерферо-грамм диффузно отражающих объектов позволяет сформулировать следующие основные результаты работы.

- Разработан метод обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографий диффузно отражающих объектов с использвва-нием гетеродинного интерферометра сдвига.

- Теоретически и экспериментально доказана возможность обработки спекл-фотографий с помощью методов гетеродинной интерферометрии.

- Предложены оптические схемы обработки голографических интерферограмм и с пекл-фотографий при помощи интерферометра сдвига, в которых расшифровка интерферограмм основана на анализе контраста интерференционных полос.

- Предложены оптические схемы обработки спекл-фототрафий с использованием принципов гетеродинной интерферометрии.

- Произведен теоретический расчет основных характеристик устройства для обработки интерферограмм - диапазона , точности, чувствительности измерений.

- Показано, что верхняя граница диапазона измерений вектора смещения поверхности диффузно отражающих объектов равна единицам миллиметров, а погрешность обратно пропорциональна апертур-ному углу наблюдения и лежит в пределах от долей до нескольких микрометров.

- Доказано, что чувствительность и точность измерений при гетеродинной обработке спекл-фотографий соответствует 1/30-1/100 долям интерференционной полосы, что на один-два порядка выше по сравнению с традиционными методами счета полос.

- Произведен теоретический расчет требований к точности юстировки оптических элементов интерферометра. Показано, что для доотижения требуемых точностных параметров системы измерения вектора смещения необходима юстировка оптических элементов ин

-4 -Б терферометра с точностью 10 -10 рад.

- Разработаны электронные схемы обработки сигналов.

- Произведено экспериментальное исследование интерферометра при обработке интерферограмм. Измерены основные характеристики устройств расшифровки интерферозтрамм - диапазон, точность и чувствительность. Из сравнения теоретических и экспериментальных данных следует вывод о правильности допущений, сделанных при построении теоретической модели интерферометра.

Дальнейшее развитие техники интерферометрии сдвига для обработки интерферограмм диффузно отражающих объектов, по нашему мнению, связано с разработкой оптических схем, позволяющих измерять и компенсировать повороты и наклоны исследуемой поверхности применением современной элементной базы для смещения частоты одной из интерферирующих волн и на этой основе с увеличением точности и чувствительности измерений.

1.Haines К.A., HUdeièzancl B.P. Sut/ace- defozmaiionmtcLstAiment usîny ihe wave-fioni zeconsizucéion ¿echnityuô.-Appf. Opè., /966, nS,y3,pS9f-60Z.

2. Кольер P., Беркхарт К., ta Л. Оптическая голография. -M.:: Мир, 1973, 686с.

3. A&zamson л/., The> hoto-dîaçtam E: Apxuciicat, cUvice -fox. V infûim&iion teiue.\/e£ en hoiûgzarn inU*f**ûmêit.yt

4. Appt. Opt., 1970, v.9, p. 97-101.

5. SciamcLielta, C.A., G-Héett XA. Sizain anatytùs о/ a dis A suijecied to cLiameiiat compression £>y me.ans o-f hoêoçza•v" phi't LnHx.ftzomiiiy.-Appt. Opt/973, V.12, a/8,P.I9S1-IVS6.

6. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982, 504 с.

7. Лисин О.Г. Оточности измерения пространственных перемещенийдиффузных объектов по данным голографических интерферограш. -Опт. и спектр., 1981» т.50, ЖЗ, с.521-531.

8. Де С.Т., Козачок А.Г., Логинов А.В. Голографический интерферометр с минимальной погрешностью измерения смещении и деформаций. В сб. Голографические измерительные системы, Ы., НЭТИ, НГУ, 1978, с.30-50.

9. Pxyputniewich /?.±. Ho ¿graphic, sitain analysis an experiment a £ implementation of the fringe-vectoz theoty-App£ Opi., f97Z, К17, A 36/3-36/8.

10. Neumann 13. B,, Penn fi.C. Off-¿atie hoiogxaphy £xp. Mich., /975", v. л/ 21 p

11. Watets I.P. O&jeci motion compensation & у sped He zefezens ¿earn inhrfezometzy.-Appt. Opt., /972, vJ/, л/3 , p. 6 30 636.

12. Schumann W.t 2) и ¿as M. On -6he motion of hofogrpphic images caused by movements of ¿he zeconstzuction tight source, with the aim of application to defocma-iion anatysisOptiA, /976, v. , p.377- 332.

13. Голография. Методы и аппаратура. Под ред. Гинзбург В.М., Степанова Б. М. М.: Сов. радио, 1974, с.376.

14. Aixamson /V. Sandwich hologiam interferometry.a new dimeniion in holographic comparison.- Appl. Opt., 1974, i/13 , л/9, p. 2019-202$.

15. Ahramson Ы. Sandwich hologram intczfezometry: 1 Same practical calcuiations.- Appl. Opt., ISIS, v/^s л/у,p. 9&S-9&4.

16. AbtamsonM Sandwich hologram interferometiy4'. Measurement of in-p ¿cint displacement and compensation for rigid body motion.- Appl. Opt., 1379, vU , ¿16,p2S70-2Z&0.

17. Ekl., Biedermann K. Implementation of ho tog ran? intez-faometzy ui-ih. a continuous ¿y scanning reconstruction ieam.-Appt, Opt., /972, v. 47, /7//, p. /727- /752.

18. Применение спекл-интерферометрии для контроля качества промышленных изделий. Под ред. Н.Г. Власова, - Горький, ВНИШМАШ, 1980, - ТЗбс.

19. Mabuntoh T.,IviaiaK.t A/agataA. distortion/ess recocting in doubiz exposure hofogtaphic in tezjezo grams

20. Appl Opt., /973, v./2, у/73 p/660-/662.

21. Beliany V.F., Son a A. Measurement о/ three ¿¿mention cLispictsements by scanning a dot/Me- exposure hofocj-Zam.- Appi. Dpi., /974, V. /3, /76J p /337-134/.

22. Landzy H.X., Wise С. M. Automatic, date redactiomai <?/ certain holographic intezfezogzams.- Appt. Opt7973, v. 12, /7/0, р2Ъ20-2Ъ27.

23. Франсон M. Оптика спеклов. М.: Мир, 1980, 171с.36. tothioid £.} Bnnos А.£. Hisptacement measurement ftom douite exposure ¿user, photograph e.-Opt, AcM., 1972, v. 13, /74, p 2 f3-27/.

24. Кhctan Я.Е} Chiang Strain analysis ¿y one ¿eat £asez specTLi intexfezometty. 1. ¿ingfe aperture method.- App£. Opt., /976, V/Г, л/9, Р220Г-22//Г.

25. Энное А.Е. Измерение деформаций. В кн. Голографические нераз-рушающие исследования. М.:

26. Машиностроение, 1979, с.287-299.

27. Власов Н.Г., Смирнова С.Н., Пресняков Ю.П. Выделение отдельных компонентов вектора деформации в интерференционных измерениях.-ЖТФ, 1973, т.43, Ш, c.II04-II06.

28. Daffy JO. Е. Noire gciunging of in-plane displacement . using doulle apextuxe imaging.- Appl. Opt., /972, v//, d6, p. 117$, -11&1.

29. Duffy Д. E. Measurement of surface displacement nomal to the line of sight- Exp. Mech., 1974, , V9,p. 37&-3S4.

30. Жилкин Ю.А., Бондаренко А.И. Определение перемещений и деформаций деформируемых тел методом спекл-интерферометрии.- Известия вузов, Строительство и архитектура, 1977, т. 9,с.157-162.

31. Зоусоп д. Real time measurement of very smali transverse displacement of diffusely o&jects ly random Noire-1: TheoryAppl. Opt., 1976, v./S, a/S, p. /241-1247.

32. Goodman J.H. Some fundamental properties of speckles. -J. Opt. Soc. Am., 1976, v. 66, a/// , p. 114£-/150.

33. Vried J). 2, Statistic of the laser cross section of a random xouh target.- J. Opt. Soc. Am., /976, v. 66, rJ/1,p. //SO-1/60.

34. Tiziani //.7. A stady of the use of laser speckt to measure small tilts of optically rough surface accazately.-Opt. Comm., 1972, v.S', a/2 , p 27/-274.

35. Tiziani //.J. Application of speckling for ¿n-p lane v ¿'¿ration analysis.- Opt. Acta., f971, v./S, л/6, p.X$i-S9S,

36. Власов F.Г., Степанов Б.М. Новое направление в интерц.;т:госнованное на фотографировании в когерентном и частично когерентном излучении.В кн. Научные труды ВНИИ стандартизации. 1979, №38, с.22-44.

37. Зубарев В.Е., Суэтина Н.В., Бондал В.Г. Лазерные интерферометры сдвига. В сб. Труды МВТУ им. Баумана, 1978, JS285, с.41-49.

38. Колышкина А.Л., Шевцов В.Д., Архипов В.В. Применение дифракционного интерферометра сдвига в исследованиях на ударной трубе. ЖТФ, 1980, т.50, МО, с. 2201-2209.

39. Коммисарук В.А., Мартынов В.П., Менде Н.П. Применение дифракционного интерферометра в баллистическом эксперименте. -ПТЭ, 1979, И, с.207-209.

40. KoltopouiosC.L. Radial grating lateralshear, heterodyne interfe-rometzy- Appl Opt., 19&0, v. 19, a/9jP. 1f23~/S2S,

41. Harthar.an P. Speckle-shearing inter fezometzy: cl simp ft optical sis ten?.- Appl Opt., /975, к /V, y//, p. 2

42. HazihcLian P., Steel W.H., Wyant У. C. Double grating interferometer wilh vatia ¿aitzalshea.tr Opt. Comm.v. -ft, л/3,p. 3/7- 320.

43. V/yant 3.C. Double fzegaency grating lateral shear interferometer- Appe. Opt., 1973, v.12, d 9, p2O57-2Q60.

44. У у ant J. C. ¿ate ral-shca r int ¿rfe torn et er having va ricrlle shear, and iilt:.- J.Opt.Soc.Am., 1<27Z, \/.£,3,*/10,p, /3/2-/5/3.

45. LohmannA., ßzyngdahl O. A lateral wave front shearing interferometer with varialUe shea*.- Ajbpf. Opl., 19i7t i'6, A/11, p/934-1937.

46. Васильев Л.А'., Ершов H.B. Интерферометры с дифракционной решеткой., т М.: Машиностроение, 1976, 231с.• 59. Нагибина И.H. Интерференция и дифракция света. Л.: Машиностроение, 1974, 359с.

47. Михеев М.П. Интерферометры сдвига. ЧТУ, Чебоксары, 1971, 81с.

48. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972, 375с.

49. Hung Y.Y., Tciylot C.E. Measurement of slopes of structural deflections &y specAl-shearing interferomctryExp.Meth., 197'/, v/</, s/f, p. 2if 2SS~.

50. Hung Y. Y., Rowlands Daniel I. M. Speckle-shearing in-texfexometry technique: a full- field sixain gauge. Appt. Opt., 1975, v/4, A/3 , p.6/8-622.

51. Хопов B.B. Гетеродинная голографическая интерферометрия с одним опорным пучком. В кн. Труды II конференции молодых ученых НИИФ ЛГУ, т.2 Деп. ВИНИТИ, M84I6, 1982, с.68-70.

52. Киселев Н.Г. Расчет хода лучей через произвольно ориентированную в пространстве голографическую дифрашдионную решетку. -Опт. и спектр., 1980, т.48, JÎ2, с.352-357.

53. Нагибина И.М., Хопов В.В. Автоматизированная обработка голо-графических интерферограмм при определении вектора смещения диффузно отражающих поверхностей. Изв. вузов, Приборостроение, 1983, т.26, Ш, с.80-84.

54. Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. M.: 1977, 336 с.

55. Загорская З.А., Шевченко С.Б. Получение и обработка регнотрирующих материалов для голографии на основе бихромированной желатины. В кн. Регистрирующие среды для изобразительной голографии. Л.: Наука, 1979, с.114-116.

56. Митяков В.Г. Запись голограмм на хромированной желатине. Препринт института точной механики и вычислительной техники АНСССР, №7, 1980, с.1-24.

57. Chciny B.J. Di'chzomaded cjetcrtine. hofogzams and theiz appCitations. Opt. Eng., v 19, л/Ъ, 19&Qtp642-6*S.

58. Shctnto/f Т.Л. Phase hoiogzami ¿n dichtomaUd cjzEatine. -kppL Opt., 196&, v7, л/10, p2101-21qs.

59. Chang В.1. dichzomatert geEatine fox fair, ¿cat ton of hollo-graphic eiemenis.- App£. Opt, 1979, мit, V/*,1. P. 2Ш-2Ч1У.

60. Киселев Н.Г. Разработка и исследование дефлектора лазерного луча. Автореферат диссертации канд. техн. наук. Л. 1982, 165с.

61. Махов В.Е., Хопов В.В., Певзнер Б.С. Анализ и выбор методов экспериментального изучения кинетики формирования высоко температурных покрытий. В кн. Теория и рассчет точных приборов. -Л.: 1982, с.69-76. Деп. ЦНИИТЭП приборостроения, №1973-ХИВ.

62. Коломийцов 10.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение, 1976, 295с.

63. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: Оборонгиз, 1962,296с

64. Гальперин Е.И., Степаненко И.П. Импульсные системы на полупроводниковых приборах. М.: Сов. радио, 1970, 238с.

65. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974, 215с.