автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Когерентные методы и системы оптической обработки голографических интерферограмм

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

004612967

МАЙОРОВА Ольга Валериевна

КОГЕРЕНТНЫЕ МЕТОДЫ

И СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ

ИНТЕРФЕРОГРАММ

Специальность 05.11.07 Оптические в оптнко-электрониые приборы и комплексы

1 8 НОЯ 2010

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010

На правах рукописи УДК 681.787.7

¿МШес^

004612967

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Прокопенко Виктор Трофимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Потапов Анатолий Иванович

кандидат физ.-мат. наук, Ветров Андрей Анатольевич

Ведущая организация: ЗАО «Научные приборы»

Защита диссертации состоится

часов на

заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу; 197000, г. Санкт-Петербург, пер.Гривцова, д.14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГУ ЙТМО.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в 2-х экз.), заверенные печатью, просим направлять по адресу Университета: 197101, г.Савкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ученому секретарю совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан " ' ! " _2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

В.М.Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие высокотехнологичных способов производства с необходимостью обусловливает совершенствование методов и средств научной базы экспериментальных исследований. Важное место в решении указанной задачи занимают методы оптического контроля. Эти методы отличает, прежде всего, отсутствие материальных контактов с предметом исследования, а, следовательно, — возможность достижения наиболее достоверных результатов эксперимента.

В этой области наиболее универсальными методами исследований являются методы когерентной оптики, а именно, методы голографической интерферометрии. Эти методы поззоляют решать важную задачу — измерять смещения и деформации диффузио отражающих объектов. Голографическая интерферометрия благодаря своим уникальным возможностям является эффективным и во многих случаях единственным методом решения задач механики твердого и деформируемого тела, механики жидкостей и газов.

Исследования, проводимые с использованием метода голографической интерферометрии, можно разделить на следующие этапы:

—регистрация голотрафической интерферограммы;

— оптическая обработка полученной интерферограммы;

— анализ полученных данных.

Со времени первых шагов голографической интерферометрии по внедрению в научную и лабораторную практику большие успехи достигнуты в методике регистрации интерферотрамм. Современный уровень развития вычислительной техники и компьютеризация научных исследований позволяют успешно решать задачи третьего этапа - проводить качественный анализ и количественную интерпретацию получешшх экспериментальных данных. Однако нет достаточных оснований утверждать,' что решены все проблемы в разработке средств и методов оптической обработки гояографических интерферограмм.

Известно, что наиболее точными и информативными являются фазоизме-рительные гетеродинные системы, в которых фазовые характеристики интерференционного поля определяются с применением электронной аппаратуры. Однако в известных системах использование двух опорных пучков накладывает жесткие требования к стабильности геометрии схемы восстановления. Кроме того, применение второго опорного пучка для настройки полос путем изменения геометрии схемы восстановления с неизбежностью сопровождается деформированием восстановленной волны сравнения и, как следствие, - снижением точности считывания информации. Этот вопрос становится особенно актуальным, когда процесс измерений предполагает наличие больших величин смещений точек поверхности исследуемого объекта.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является разработка и исследование новых методов оптической обработки двухэкспозиционных голограмм, адаптированных к фазоиз-мерительным оптико-электрошшм системам расшифровки голографических интерферограмм с использованием одного опорного пучка..

Достижения поставленной цели предполагает решение следующих задач.

1. Исследование существующих методов оптической обработки голографических интерферограмм.

2. Разработка способа восстановления интерферирующих волновых полей с двухэкспозиционной голограммы, предполагающего использование интерферометра сдвига и наличие одного опорного пучка.

3. Разработка и исследование способа настройки полос топографической интерферограммы с использованием одного опорного пучка.

4. Проведение анализа применения интерферометра сдвига в голографи-ческой интерферометрии.

5. Разработка способа реализации принципа гетеродинной топографической интерферометрии с использованием одного опорного пучка.

6. Разработка на основе теоретических исследований принципиальных схем гетеродинной системы обработки голографических интерферограмм.

7. Проведение экспериментальных исследований разработанных теоретических положений.

Научные положении, выносимые на защиту

1. Применение двухчастотного излучения позволяет реализовывать принцип гетеродинной голографической интерферометрии с использованием одного опорного пучка.

2. Восстановление интерференционного поля с двухэкспозиционной голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта сохраняет постоянство направление анализа фазовых характеристик интерференционных полос.

3. Использование интерферометрии сдвига при оптической обработке голографических интерферограмм позволяет компенсировать локальные наклоны поверхности диффузно отражающих объектов.

Научная новизна работы

1. Восстановление интерференционного поля с двухэкспозиционной голограммы пучком ограниченной апертуры со стороны объекта позволяет сохранить постоянство направление анализа фазовых характеристик интерференционных полос.

2. Применение двухчастотного излучения позволяет реализовывать принцип гетеродинной голографической интерферометрии с использованием одного опорного пучка.

3. Использование интерферометрии сдвига при оптической обработке го-лографических интерферограмм позволяет компенсировать локальные наклоны поверхности диффузно отражающих объектов.

4. Исследовано применение двухчастотного излучения в гетеродинной топографической интерферометрии.

Практическое значение результатов работы

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что погрешность измерений, обусловленная перекрестной интерференцией при использовании интерферометра сдвига, составляет величину порядка 0,01-2л рад. Указанная погрешность может быть значительно снижена при регистрации топографических интерферограмм в полосах конечной ширины.

2. Разработанный способ восстановления интерферирующих волновых фронтов с двухэкспозиционной голограммы позволяет использовать интерферометр сдвига в широком апертурном угле изменения направления наблюдения изображения контролируемого объекта.

3. Показано, что использование интерферометра сдвига при расшифровке голографических интерферограмм позволяет производить измерение вектора смещения до величины порядка 2 мм.

4. Проведенное в работе сравнение способов настройки параметров интерференционного поля показало, что использование интерферометра сдвига при прочих равных условиях на два порядка снижает погрешность измерений по отношению к использованию двух опорных пучков.

5. Показано, что применение интерферометра сдвига в голографической интерферометрии для измерения наклонов поверхности позволяет производить измерения до 0,01 рад. при погрешности измерений - 10"5 рад.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII, IX, X, XI, XII и XIII Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования в технических университетах», ка III конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, на научной конференции «Инновационные технологии в морфологии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе получен один патент на изобретение. Из них - 3 публикации из Перечня ВАК.

Обоснованность и достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, подтверждаются

— актом об использовании результатов исследований, проведенных в диссертационной работе;

— обсуждением основных положений работы на 8 научно-технических конференциях;

Г; ~~ удовлетворительным совпадением теоретических выводов с экспериментальными исследованиями, а также - результатов измерений с показаниями аттестованных измерительных приборов.

Структура и объем диссертаци

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Материал изложен на 156 стр., содержит 51 рис., список литературы состоит из 113 библиографических источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи, представлены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные методы регистрации и восстановления голографического интерференционного поля, методы оптической обработки и расшифровки интерферограмм. Показаны возможности методов голо-'графической интерферометрии. Отмечено, что топографическая интерферометрия благодаря своим уникальным возможностям является эффективным и во Многих случаях единственным методом решения задач механики диффузно отражающих объектов.

Важное место в первой главе отведено анализу проблем существующих методов оптической обработки голографических интерферограмм. Показано, что голографическая интерферометрия является наиболее точным методом считывания информации с интерференционной картины. Однако использование двух опорных пучков делает систему считывания крайне чувствительной к взаимной пространственной ориентации восстанавливающих пучков и голограммы и, таким образом, снижает положительный эффект от использования принципа гетеродинирования. Также, есть проблемы в существующих системах и с настройкой интерференционных полос, где также используется техника двух-опорной голографии; Использование двух опорных пучков при регистрации и восстановлении волновых фронтов имеет значительные ограничения по диапазону настройки интерференционных полос.

Вторая глава посвящена разработке новых методов оптической обработки голографических интерферограмм. В работе предложен новый способ восстановления интерферирующих волновых фронтов с двухэкспозиционной голограммы (патент №2289098), который заключается в освещении голограммы нёразведенньш лазерным пучком со стороны объекта. При этом интерференционная картина наблюдается в направлении распространения исходного опорного пучка, используемого при записи голограммы. Такой способ освещения голограммы обеспечивает постоянство направления регистрации интерферограм-МЬ1, а также избавляет от необходимости диафрагмировать действительное изображение объекта с целью выделения анализируемой точки поверхности. На рис.1 представлены элементы физической системы для реализации предлагав-

мого способа, где Р и Р' - соответственные элементы поверхности объекта, смещение которых между экспозициями определяется вектором а; г0 и гн -единичные векторы соответственно для направления распространения света, освещающего окрестность исследуемой точки поверхности (на стадии регистрации голограммы), и света, распространяющегося в направлении наблюдения (на стадии восстановления); в - опорный пучок, Б' - освещающий объект пучок; 8"- восстанавливающий пучок; Н - голограмма, Е - плоскость регистрации.

Полученное уравнение интерференции ^ —" 3-(гн г0)

А

полностью совпадает с уравнением для интерпретации интерференционных полос в методе Александрова и Бонч-Бруевича.

Нахождение искомого вектора смещения с! для анализируемой точки поверхности объекта производится путем решения системы уравнений, получаемых для различных направлений наблюдения гн(. В предложенном способе направление наблюдения г„ и направление распространения восстанавливающего пучка Б" совпадают (рис.1), т.к. эквивалентное направление наблюдения определяется восстанавливающим пучком. Поэтому различные направления наблюдения г^ задаются изменением направления распространения восстанавливающего пучка 8". Выбор точки поверхности объекта, в окрестности которой необходимо определить вектор смещения, однозначно задается положением голограммы относительно восстанавливающего пучка в". В качестве экспериментального подтверждения существования интерференционных полос для предложенного выше способа восстановления приведены результаты наблюдения шгтерференционного поля для различной геометрии смещения объекта (рис.2). Для визуализации интерференционного поля использовались наиболее характерные типы смешений: интерференционные картоны представляют собой классические виды интерференционных полос, формируемых для соответствующих смещений контролируемого объекта.

Во второй главе рассмотрена возможность использования двухчастотного излучения для реализации принципа гетеродинной топографической интерферометрии. Такой подход к смещению оптических частот восстановленных интерферирующих волн позволяет задействовать один опорный пучок при регистрации голограммы.

Реализация указанного принципа возможна при использовании излучения, содержащего волны с различными оптическими частотами и ортогональными поляризациями в сочетании с интерферометрией сдвига. Получены основные математические соотношения для параметров выходного сигнала, и построены графические зависимости, наглядно подтверждающие возможность реализации предложенного способа гетеродинной топографической интерферометрии с одним опорным пучком. Предложены схемы устройств для практического использования двухчастотного излучения для оптической обработки голографических интерферограмм.

Рассмотрен способ компенсации локальных наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе топографической интерферометрии. Способ основан на использовании интерферометрии сдвига с целью смещения Фурье-образов интерферирующих восстановленных волн. Предложено устройство для измерения наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе топографической интерферометрии и рассмотрена его работа.

Рис.2

а - смещение объекта вдоль оси X из величину 50 мкм; б - смещение объекта вдоль оси Ъ на 20 мкм; в — наклон объекта вокруг оси X на угол Ю"4 рад.

Третья глава посвящена исследованию применения интерферометра сдвига в голографической интерферометрии при использовании оптико-электронных фазоизмерительных систем.

Практическое использование метода голографической интерферометрии сопровождается изменением шага интерференционных полос в широких пределах. Увеличение измеряемого смещения вызывает снижение амплитуды выходного сигнала системы (рис.3). Проведенный анализ выходного сигнала показал, что для минимизации погрешности измерений и с целью расширения пределов

измеряемой величины смещения необходимо настраивать параметры интерференционного поля.

Рис.3. Зависимость амплитуды выходного сигнала от величины измеряемого смещения

Произведен анализ различных способов настройки интерференционных полос. Показаны недостатки настройки полос с использованием двух опорных пучков при записи и восстановлении голограммы. В работе показано, что использование интерферометра сдвига для настройки полос при прочих равных условиях на два порядка снижает погрешность измерений по сравнению с использованием двух опорных пучков.

В диссертационной работе проанализировано использование интерферометрии сдвига для настройки параметров интерференционного поля. Сущность такого подхода в следующем. Интерферометр сдвига дает возможность смещать изображения идентичных элементов поверхности объекта и таким образом регулировать шаг интерференционных полос. При этом, как видно из графиков (рис.4), при равенстве измеряемого смещения величине смещения, вносимого интерферометром, амплитуда сигнала максимальна, Получено аналитическое выражение для амплитуды и фазы сигнала интерферометра. Отмечена специфика применения интерферометрии сдвига: смещение идентичных элементов сопровождается дублированием соответственных лучей интерферометра. Следовательно, сигнал интерферометра формируется в результате интерференции всех присутствующих на выходе интерферометра лучей. В результате перекрестной интерференции зависимость фазы выходного сигнала от фазы полос носит сложный и неоднозначный характер. В работе получены аналитические зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от фазы полос, величины измеряемого смещения, апертурного угла наблюдения, параметров интерферометра. Аналитическое выражение, устанавливающее несоответствие

измеряемой фазы сигнала фазе интерференционных полос объясняет влияние перекрестной интерференции на результаты измерений.

0,98 0,99 1,00 1,01 1,02

Рис.4. Зависимость амплитуды выходного сигнала от расстройки интерферометра для различных апертурных углов фотоприемника 2ан при X = 0,632$ мкм, (1 = 100 мкм

На рис.5 представлены графические зависимости отклонения фазы выходного сигнала интерферометра от фазы интерференционных полос.

Проведенный анализ снимает вопрос о влиянии перекрестной интерференции при оптической обработке голографических интерферограмм с применением сдвиговой интерферометрии. Возникающая при этом погрешность, во-первых, доступна оценке. Во-вторых - является величиной контролируемой и управляемой в зависимости от геометрии схемы наблюдения, шага изменения фазы полос при съеме информации, а также от несущей частоты голографиче-ского интерференционного поля.

Рассмотрены вопросы об ограничениях измеряемой величины вектора смещения. Установлено, что верхний предел измерений определяется падением амплитуды выходного сигнала (рис.6), обусловленным возрастающей деформацией интерференционного поля при увеличении величины смещения. На величину нижнего предела измерений решающее значение оказывает несоответствие фазы измеряемого сигнала фазе интерференционных полос, обусловленное влиянием перекрестной интерференции. Аналитически прослежен процесс настройки интерферометра, дана оценка чувствительности интерферометра для различных величин смещения. Анализ фазы выходного сигнала показал, что погрешность измерений, обусловленная перекрестной интерференцией, составляет 0,01 -2% рад. Также показано, что при регистрации голограмм в полосах конечной ширины влияние перекрестной интерференции на результаты измерений можно сделать пренебрежимо малым. Сравнение зависимостей выходного сигнала от величины измеряемого смещения, представленных на рис.3 и

рис.6, наглядно показывает, что использование интерферометра сдвига при обработке топографических интерферограмм на два порядка повышает верхнюю границу величины измеряемого вектора смещения.

6ф/2К 0.01

0

рис.5. Фазоваи погрешность для различных ашертурных углов наблюдении 2«, I - 2а„ = ОД рад., 2 - 2а„ = 0,15 рад., 3 - 2а„ — 0,2 рад.

О 1,0 2,0 ©/2 л

Рис.6. Зависимость амплитуды выходного сигнала интерферометра от величины измеряемого смещения

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования системы расшифровки голографических интерферограмм, дала оценка погрешности измерений.

Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения теоретических положений диссертационной работы, а также проверки расчетных метрологических характеристик разработанной системы обработки голо-графических интерферограмм.

В работе получено экспериментальное подтверждение возможности восстановления голографического интерференционного поля посредством освещения голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры, распространяющимся со стороны объекта. С этой целью регистрировались двухэкспозицион-ные голограммы по конаправленной схеме. Записывались элементарные виды смещений: смещение объекта в плоскости установки; наклон объекта; смещение объекта по нормали к поверхности. Возникающие при этом виды интерференционных картин представлены на рис.2. Произведенная количественная интерпретация интерферограмм показала хорошее совпадение с результатами независимых измерений.

Рассмотрена работа устройства для измерения наклонов диффузно отражающих поверхностей с использованием метода топографической интерферометрии. Проведенное экспериментальное определение наклона поверхности показало, что применение интерферометра сдвига в голографической интерферометрии для измерения наклонов поверхности позволяет производить измерения до 0,01 рад. при погрешности - 10'3 рад.

Разработана и описана экспериментальная установка гетеродинной системы расшифровки голографических интерферограмм. Реализация принципа гетеродинирования осуществлялась за счет смещения частот интерферирующих восстановленных волн с использованием акустооптических модуляторов. Измерения производились на частоте сигнала 103 кГц. В качестве интерферометра сдвига использовался интерферометр Жамена. Обработке подлежали двухэкспозиционные голограммы, записанные по конаправленной схеме. Опорный ситнал формировался из часта излучения, ответвленного от светового пучка, освещающего голограмму. В процессе экспериментальных исследований системы определялось среднеквадратичное отклонение фазы выходного сигнала от среднего значения для однородного смещения, зарегистрированного на голограмме. Для умеренных смещений (30-60 мкм) флуктуация фазы сигнала составила величину 0,005-2я рад. Также производилось определение смещений при расшифровке интерферограммы. Независимый контроль смещений производился по индикатору линейных перемещений. Расхождение результатов не превышало 10%. Анализ экспериментальных данных показан, что с использованием разработанной гетеродинной системы обработки голографических интерферограмм можно производить измерение смещений диффузно отражающих объектов с погрешностью до 0,05 мкм в диапазоне от 0,2 мкм до 2,0 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В проведенном аналитическом обзоре методов и средств когерентной оптики показано, что голографическая интерферометрия благодаря своим уникальным возможностям является эффективным и во многих случаях единственным методом решения задач механики твердого и деформируемого тела, механики жидкостей и газов. Однако нет достаточных оснований утверждать, что решены все проблемы в разработке средств и методов оптической обработки интерферограмм.

2. Рассмотрена возможность использования двухчастотного излучения для реализации принципа гетеродинной топографической интерферометрии.

Реализация указанного принципа возможна при использовании излучения, содержащего волны с различными оптическими частотами и ортогональными поляризациями в сочетании с интерферометрией сдвига. Получены основные математические соотношения для параметров выходного сигнала, и построены графические зависимости, наглядно подтверждающие возможность реализации предложенного способа гетеродинной голографической интерферометр™ с одним опорным пучком. Предложены схемы устройств для практического использования двухчастотного излучения для оптической обработки голографических интерферограмм.

3. Рассмотрен способ компенсации локальных наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе голографической интерферометрии. Способ основан на использовании интерферометрии сдвига с целью смещения Фурье-образов интерферирующих восстановленных волн. Предложено устройство для измерения наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе голографической интерферометрии и рассмотрена его работа. Проведено экспериментальное измерение наклонов диффузно отражающих поверхностей.

4. Обоснована целесообразность настройки интерференционных полос при расшифровке голографических интерферограмм с применением гетеродинных фазоизмерительпых оптико-элекронных систем.

5. Произведена количественная оценка различных способов настройки интерференционных полос. Показаны недостатки настройки полос с использованием двух опорных пучков при записи и восстановлении голограммы.

6. Исследована работа интерферометра сдвига в качестве устройства настройки параметров топографического интерференционного поля. Проведен анализ влияния перекрестной интерференцией на измерение фазы выходного сигнала интерферометра.

7. Исследовано работа интерферометра Жамепа в качестве интерферометра сдвига. Обоснован выбор оси взаимного наклона пластин интерферометра.

8. Рассмотрены вопросы об ограничениях измеряемой величины вектора смещения. Установлено, что верхний предел измерений определяется падением амплитуды выходного сигнала, обусловленной возрастающей деформацией интерференционного поля при увеличении величины смещения. На величину нижнего предела измерений решающее значение оказывает несоответствие фазы измеряемого сигнала фазе интерференционных полос, обусловленное влиянием перекрестной интерференции.

9. В работе показано, что использование интерферометра сдвига при обработке голографических иитерферограмм на два порядка повышает верхнюю границу величины измеряемого вектора смещения.

10. Предложен способ восстановления интерферирующих волн, зарегистрированных на двухэкспозищюнный голограмме, посредством освещения голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта. Такой способ освещения голограммы обеспечивает постоянство направления регистрации интерферограммы. Для предложенного способа выведено уравнение для количественной интерпретации интерференционных полос, которое идентично уравнению в методе Александрова и Бонч-Бруевича. Наблюдаемые интерференционные картины для элементарных видов смещения представляют собой классические виды интерференционных полос, формируемых для соответствующих видов смещений. Получено экспериментальное подтверждение возможности восстановления голографического интерференционного поля освещением голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта.

11. Разработана принципиальная схема гетеродинной фазоизмерительной оптико-злектронной системы обработки топографических иитерферограмм. Проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик. Величина флуктуаций фазы сигнала при расшифровке иитерферограмм с однородным смещением не превосходит 0.005-2я рад.

«

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Патент №2289098. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Б.Е., Майорова О.В., Прокопенко В.Т., Хопов В.В. Способ определения деформаций диффузно отражающих объектов. // Бюл. №34. - 2006.

2. Котов И.Р., Майорова О.В., Прокопенко В.Т. Хопов В.В. Контроль микрорельефа диффузно отражающих поверхностей с использованием когерентно ограниченных источников излучения. // Изв. вузов. Приборостроение. - 2006. - Т.49. - №8. С.65-70.

3. Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В., Хопов В.В. Способ оптической обработки двухэкспозиционных голограмм диффузно отражающих объектов. // Изв. вузов. Приборостроение. - 2006. - Т.49. - №10. С.63-66.

4. Котов И.Р., Майорова О.В., Прокопенко В.Т. Измерение локальных наклонов диффузно отражающих объектов при использовании метода голо-графической интерферометрии. // Изв. Вузов. Приборостроение. - 2010.-Т.53 - №4 С.32-34

5. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Майорова О.В., Хопов В.В. Расшифровка топографических интерферограмм с использованием гетеродинной интерферометрии сдвига. - Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы VIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. - Изд-во СПбГТУ, 2004. -С.66.

6. Котов И.Р., Майорова О.В., Прокопенко В.Т. Голографическая интерферометрия диффузно отражающих объектов с использованием фазовых оптико-электронных преобразователей. - Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. - Изд-во СПбГТУ, 2005. -С.127.

7. Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В., Прокопенко В.Т. Хопов В.В. Оптико-электронная компьютеризированная система обработки двухэкспозиционных голограмм. - Фундаментальные исследования в техштче-ских университетах: Материалы X Всероссийской конференции но проблемам науки и высшей школы. - Изд-во СПбГТУ, 2006. - С. 124.

8. Котов И.Р., Майоров Е.Е., Майорова О.В., Хопов В.В. Использование интерферометрии сдвига для компенсации локальных наклонов в гологра-фической интерферометрии диффузно отражающих объектов. - Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. -Изд-во СПбГТУ, 2006. - С. 142.

9. Майорова О.В., Прокопенко В.Т. Исследование возможности восстановления интерференционного поля с двухэкспозиционной голограммы освещением со стороны объекта. - Научно-технический вестник. Исследование в области приборостроения. - Вып.2б. - СПбГУИ'ГМО, 2006. -С.103-107.

Ю.Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В. Настройка параметров интерференционного поля в голографической интерферометрии. — Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. - Изд-во СПбГТУ, 2007. - С. 143.

П.Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В. Двухдлинноволновое излучение как альтернатива голографии с двумя опорными пучками- Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. - Изд-во СПбГТУ, 2008. - С.79.

12.Болыдаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В. Когерентно-оптические методы отображения информации в прикладной анатомии и экспериментальной хирургии. - Инновационные технологии в морфологии: Материалы научной конференции. - СПб.: BMA, 2007. - Вьш.2. - С.44-47.

13.Арсеньева И.В., Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В. Использование методов голографической интерферометрии в медико-биологических исследованиях. - Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. - Т.1 - Изд-во СПбГТУ, 2009. -С.105.

14.Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова. Особенности использования методов голографии и когерентной оптики в медико-биологических исследованиях. - Прикладная анатомия и оперативная хирургия. Сб.статей. - Изд-во СПбГМУ, 2010. С.23-25.

15.Большаков О.П., Котов И.Р., Майорова О.В. Контроль смещений диф-фузно отражающих поверхностей с использованием гетеродинной голо-графической интерферометрии. - Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. — Т.1 — Изд-во СПбГТУ, 2010. - С.5-6.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации".

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49. Тел. (812) 233 4669. Объем 1,5 пл. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Голографическая интерферометрия: основные положения, возможности, проблемы.

1.1. Методы голографической интерферометрии.

1.2. Методы получения голографических топографических интерферограмм.

1.3. Количественная интерпретация голографических интерферограмм.

1.4. Методы компенсации и настройки интерференционных полос.

1.5. Методы и системы считывания информации с интерференционной картины.

1.5.1. Общие принципы построения систем расшифровки голографических интерферограмм.

1.5.2. Метод гетеродинной голографической интерферометрии.

1.5.3. Квазигетеродинная голографическая интерферометрия.

1.5.4. Цифровая голография.

1.6. Выводы.

Глава 2. Разработка оптических систем обработки голографических интерферограмм, адаптированных к фазоизмерительным методам счета интерференционных полос.

2.1. Восстановление интерференционного поля с двухэкспозиционной голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта

2.1.1. Принцип способа восстановления.

2.1.2. Виды интерференционных картин для различной геометрии смещения соответственных элементов.

2.1.3. Интерпретация интерференционной картины.

2.2. Использование двухчастотного излучения для реализации принципов гетеродинной голографической интерферометрии с одним опорным пучком.

2.2.1. Общие принципы фазовой модуляции интерференционного поля с использованием двухчастотного излучения.

2.2.2. Вывод аналитического выражения для разности хода лучей, прошедших интерферометр сдвига.

2.2.3. сигнал на выходе фотоприемника.

2.2.4. Практическая реализация применения двухчастотного излучения в гетеродинной голографической интерферометрии.

2.3. Измерение и компенсация локальных наклонов диффузно отражающей поверхности.

2.4. Выводы.

Глава 3. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в голографической интерферометрии диффузных объектов.

3.1. Требования к изменгению параметров полос голографического интерференционного поля в системах обработки интерферограмм.

3.2. Сравнительная оценка различных способов настройки интерференционных полос.

3.3. Исследование интерферометра поперечного сдвига в фазоизмерительных системах расшифровки голографических интерферограмм.

3.3.1. Влияние перекрёстной интерференции на точность измерений.

3.3.2. Уравнение интерференции для интерферометра сдвига.

3.4. Пределы измерений величины смещения.

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальное исследование системы обработки голографических интерферограмм.

4.1. Количественная интерпретация интерференционного поля, восстановленного лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта.

4.2. Измерение смещений диффузно отражающих поверхностей вне плоскости.

4.3. Проведение экспериментальных исследований системы обработки голографических интерферограмм.

4.3.1. Экспериментальная установка.

4.3.2. Исследование флуктуации фазы выходного сигнала. Апертура восстанавливающего пучка.

4.3.3. Экспериментальное определение величины смещения.

4.3.4. Погрешность измерений.

4.4. Выводы.

Развитие высокотехнологичных способов производства с необходимостью обусловливает совершенствование методов и средств научной базы экспериментальных исследований. Важное место в решении указанной задачи занимают методы оптического контроля. Эти методы отличает, прежде всего, отсутствие материальных контактов с предметом исследования, а, следовательно-возможность достижения наиболее достоверных результатов эксперимента.

В этой области наиболее универсальными методами исследований являются методы когерентной оптики, а именно, методы голографической интерферометрии. Эти методы позволяют решать такую задачу как исследование напряженно-деформированного состояния объектов с диффузной поверхностью. Голографическая интерферометрия является высокоинформативным и высокоточным инструментом получения данных. Уникальность методов голографической интерферометрии обусловлена ее возможностями. Эти методы позволяют проводить исследования статических и динамических процессов; не предъявляют требований к качеству поверхности контролируемых объектов; позволяют производить сравнение волновых полей, существовавших в различные моменты времени; позволяют получать информацию об исследуемом процессе как в количественном, так и качественном аспектах; позволяют воспроизводить трехмерную видеокопию изучаемого объекта.

При исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов используется два подхода. Первый подход заключается в получении голографических топограмм поверхности объекта. Целью второго подхода является получение голографических интерферограмм возмущенного объекта.

Методы голографических топограмм в большинстве случаев используются для качественной оценки результатов исследований.

Наиболее информативными и точными являются методы голографиче-ской интерферометрии возмущенного объекта. Эти методы используются не только при качественном анализе, но и для количественной интерпретации результатов наблюдений.

Среди методов возмущенного объекта можно выделить метод двух экспозиций. Этот метод достаточно легко реализуется, обеспечивает максимальный контраст интерференционного поля, позволяет одновременно реконструировать объектные волны, существовавшие на различных этапах исследования, а также допускает длительное хранение записанной информации.

Исследования, проводимые с использованием метода двухэкспозицион-ной топографической интерферометрии, можно разделить на следующие этапы: регистрация голографической интерферограммы; оптическая обработка полученной интерферограммы; анализ полученных данных.

Со времени первых шагов голографической интерферометрии по внедрению в научную и лабораторную практику большие успехи достигнуты в методике регистрации интерферограмм. Современный уровень развития вычислительной техники и компьютеризация научных исследований позволяют успешно решать задачи третьего этапа — проводить качественный анализ и количественную интерпретацию полученных экспериментальных данных. Однако нет достаточных оснований утверждать, что решены все проблемы в разработке средств и методов оптической обработки голографических интерферограмм.

Изучение существующих подходов к считыванию информации с голо-графической интерферограммы показал, что наиболее точными и информативными являются фазоизмерительные гетеродинные системы, в которых фазовые характеристики интерференционного поля трансформируется в фазу электрического сигнала. Измерение последней осуществляется с применением электронной аппаратуры. Использование указанного технического решения позволяет в значительной степени снизить погрешность измерений и расширить диапазон определяемых величин.

Гетеродинные интерферометрические комплексы для расшифровки голо-графических интерферограмм разработаны и успешно применяются для контроля материалов и изделий, а также в научных исследованиях. Однако реализуемый в этих системах принцип гетеродинной обработки интерферограмм предполагает использование двух опорных пучков при регистрации и восстановлении топографического интерференционного поля. Это обстоятельство накладывает жесткие требования к стабильности геометрии схемы восстановления.

Есть проблемы в существующих системах и с настройкой интерференционных полос, где также используется техника двухопорной голографии. Применение второго опорного пучка для настройки полос путем изменения геометрии восстановления с неизбежностью сопровождается деформированием восстановленной волны сравнения и, как следствие, — снижением точности считывания информации. Этот вопрос становится особенно актуальным, когда процесс измерений предполагает наличие больших величин смещений точек поверхности исследуемого объекта.

Отмеченные обстоятельства определили цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании новых методов оптической обработки двухэкспозиционных голограмм, адаптированных к фазоизмерительным оптико-электронным системам расшифровки голографических интерферограмм с использованием одного опорного пучка

Достижения поставленной цели предполагает решение следующих задач.

1. Исследование существующих методов оптической обработки голографических интерферограмм.

2. Разработка способа восстановления интерферирующих волновых полей с двухэкспозиционной голограммы, предполагающего использование интерферометра сдвига и наличие одного опорного пучка.

3. Разработка и исследование способа настройки полос голографической интерферограммы с использованием одного опорного пучка.

4. Проведение анализа применения интерферометра сдвига в голографической интерферометрии.

5. Разработка способа реализации принципа гетеродинной голографической интерферометрии с использованием одного опорного пучка.

6. Разработка на основе теоретических исследований принципиальных схем гетеродинной системы обработки голографических интерферограмм.

7. Проведение экспериментальных исследований разработанных теоретических положений.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применение двухчастотного излучения позволяет реализовывать принцип гетеродинной голографической интерферометрии с использованием одного опорного пучка.

2. Восстановление интерференционного поля с двухэкспозиционной голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта сохраняет постоянство направление анализа фазовых характеристик интерференционных полос.

3. Использование интерферометрии сдвига при оптической обработке голографических интерферограмм позволяет компенсировать локальные наклоны поверхности диффузно отражающих объектов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII, IX, X, XI, XII и XIII Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования в технических университетах», на III конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, на научной конференции «Инновационные технологии в морфологии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения; приложения и списка литературы.

4.4. Выводы

В настоящей главе проведено экспериментальное исследование системы обработки голографических интерферограмм, дана оценка погрешности измерений.

I. Получено экспериментальное подтверждение возможности восстановления голографического интерференционного поля посредством освещения голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры, распространяющимся со стороны объекта. Произведена количественная интерпретация интерференционных полос предложенным способом.

2. Рассмотрена работа устройства для измерения наклонов диффузно отражающих поверхностей с использованием метода топографической интерферометрии. Проведенное экспериментальное определение наклона поверхности показало, что измерения можно производить с погрешностью до 0,5-10"5 рад.

3. Разработана и описана экспериментальная установка оптико-электронной фазоизмерительной системы расшифровки топографических интерферо-грамм. Измерены флуктуации фазы выходного сигнала. Проведено экспериментальное определение смещений диффузно отражающих объектов, зарегистрированных на двухэкспозиционной голограмме.

4. Дана оценка погрешности измерений, обусловленной необходимостью поворота плоскости поляризации излучения с помощью полуволновой пластины в одном из плеч интерферометра сдвига.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В проведенном аналитическом обзоре методов и средств когерентной оптики показано, что голографическая интерферометрия, благодаря своим уникальным возможностям, является эффективным и во многих случаях единственным методом решения задач механики твердого и деформируемого тела, механики жидкостей и газов. Однако нет достаточных оснований утверждать, что решены все проблемы в разработке средств и методов оптической обработки интерферограмм.

2. Рассмотрена возможность использования двухчастотного излучения для реализации принципа гетеродинной голографической интерферометрии.

Реализация указанного принципа возможна при использовании излучения, содержащего волны с различными оптическими частотами и ортогональными поляризациями в сочетании с интерферометрией сдвига. Получены основные математические соотношения для параметров выходного сигнала, и построены графические зависимости, наглядно подтверждающие возможность реализации предложенного способа гетеродинной голографической интерферометрии с одним опорным пучком. Предложены схемы устройств для практического использования двухчастотного излучения для оптической обработки голографических интерферограмм.

3. Рассмотрен способ компенсации локальных наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе голографической интерферометрии. Способ основан на использовании интерферометрии сдвига с целью смещения Фурье-образов интерферирующих восстановленных волн. Предложено устройство для измерения наклонов диффузно отражающих поверхностей в методе голографической интерферометрии и рассмотрена его работа. Проведено экспериментальное измерение наклонов диффузно отражающих поверхностей.

4. Обоснована целесообразность настройки интерференционных полос при расшифровке голографических интерферограмм с применением гетеродинных фазоизмерительных оптико-элекронных систем.

5. Произведена количественная оценка различных способов настройки интерференционных полос. Показаны недостатки настройки полос с использованием двух опорных пучков при записи и восстановлении голограммы.

6. Исследована работа интерферометра сдвига в качестве устройства настройки параметров топографического интерференционного поля. Проведен анализ влияния перекрестной интерференцией на измерение фазы выходного сигнала интерферометра.

7. Исследовано работа интерферометра Жамена в качестве интерферометра сдвига. Обоснован выбор оси взаимного наклона пластин интерферометра.

8. Рассмотрены вопросы об ограничениях измеряемой величины вектора смещения. Установлено, что верхний предел измерений определяется падением амплитуды выходного сигнала, обусловленной возрастающей деформацией интерференционного поля при увеличении величины смещения. На величину нижнего предела измерений решающее значение оказывает несоответствие фазы измеряемого сигнала фазе интерференционных полос, обусловленное влиянием перекрестной интерференции.

9. В работе показано, что использование интерферометра сдвига при обработке голографических интерферограмм на два порядка повышает верхнюю границу величины измеряемого вектора смещения.

10. Предложен способ восстановления интерферирующих волн, зарегистрированных на двухэкспозиционный голограмме, посредством освещения голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта. Такой способ освещения голограммы обеспечивает постоянство направления регистрации интерферограммы. Для предложенного способа выведено уравнение для количественной интерпретации интерференционных полос, которое идентично уравнению в методе Александрова и Бонч-Бруевича. Наблюдаемые интерференционные картины для элементарных видов смещения представляют собой классические виды интерференционных полос, формируемых для соответствующих видов смещений. Получено экспериментальное подтверждение возможности восстановления топографического интерференционного поля освещением голограммы лазерным пучком ограниченной апертуры со стороны объекта.

11. Разработана принципиальная схема гетеродинной фазоизмерительной оптико-злектронной системы обработки голографических интерферограмм. Проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик. Величина флуктуаций фазы сигнала при расшифровке интерферограмм с однородным смещением не превосходит 0.005-271 рад.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18,

19.

20,

21,

22,

23,

1. Powell R.L., Stetson К.А., Interferometric analysis by wavefront reconstruction // J.Opt.Soc.Am. 1965,- V.55.-P. 1593-1599/

2. Гусев И.Г. Голографический метод контроля линз // ОМП. —1986. №3. — с.93. Neumann. D.B., Jacobson C.F., Brown G.M. Holographic technique for determining the phase of vibrating objects. // Appl. Opt. - 1970. - V.9. -№ 6,- P.1357-1362.

3. Aleksoff C.C. Time-averaged holography extendedio. // Appl. Phys. Lett. 1969. — V.14. -P.23-24.

4. Aleksoff C.C. Temporally Modulated Holography. // Appl. Opt. 1971. - V.10. - №6. -P.l 329-1341.

5. Zambuto. M.H. and Fischer W.K. Shifted Reference Holographic Interferometry. // Appl. Opt. — 1973.- V.12. №7,- P.1651—1655.

6. Aleksoff C.C. Holographic nondestructing testing. New York, 1974. - P.247-263.

7. Kellie T.F., Stevenson W.H. Experimental techniques in real time holographic interferometry. //Opt. Eng.-1973 V.12. - №3.-P.131-135.

8. Котов И.Р., Майорова O.B., Прокопенко B.T. Измерение локальных наклонов диффузно отражающих объектов при использовании метода голографической интерферометрии. // Изв. Вузов. Приборостроение. 2010.- Т.53 - №4. С.32-34

9. Powell R.L., Stetson К.А. Interferometric Hologram Evaluation and Real-Time Vibration Analysis of Diffuse Objects. //J. Opt. Soc. Am. -1965. V.55. -№12 P.1694-1695.

10. Archbold E., Ennos A.E. Observation of surface vibration. //Nature. 1968. -217. -P.942-943. La Macchia J.T. Stroboscopic holography with a mode-locked laser. // Appl. Phys. - V.39. - № 10 — P.5340-5341.

11. Shajanko P., Johnson C.D. Stroboscopic holographic interferometry. // Appl. Phys. Lett. -1968 -V.13.- №1. —P. 22-24

12. Хопов B.B. Исследование и применение интерферометрии сдвига для обработки гологра-фических интерферограмм и спекл-фотографий диффузно отражающих объектов: канд. диссер.-1984. -135с.

13. Котов И.Р. Разработка и исследование когерентных методов и систем обработки спекло-грамм: канд. диссер. -1990. 204с.

14. Майоров Е.Е. Когерентно-ограниченные методы и системы контроля формы диффузных поверхностей: канд. диссер. — 2002. — 139с.