автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы расширения динамического диапазона и повышения точностных характеристик в автоматических измерительных системах



40 О 9 33 .

На правах рукописи

7

Гужов Владимир Иванович

/

УДК 681.518.3+681.782.473

МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В АВТОМАТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Специальности 05. 11.07-0птические и оптико-электронные приборы 05.11.16 - Информационно-измерительные системы (в промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор А.Г. Козачок

НОВОСИБИРСК-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................6

1. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН... 14

1.1. Методы получения интерферограмм..........................................................................14

1.1.1. Базовое уравнение интерферометрии......................................................14

1.1.2. Топографическая интерферометрия..........................................................16

1.1.3. Спекл-интерферометрия................................................................................................17

1.2. Методы расшифровки интерференционных картин......................20

1.3. Методы удаления фазовой неоднозначности..............................................30

1.4. Интерференционные измерительные системы для анализа оптически чистых поверхностей............................................................36

1.5. Выводы..........................................................................................................................................................................40

2. РАСШИФРОВКА ИНТЕРФЕРОГРАММ МЕТОДОМ ПОШАГОВОГО ФАЗОВОГО СДВИГА..........................................................................42

2.1. Влияние погрешностей измерений интенсивности и задания сдвига на точность определения поля

фаз...............................................................................................42

2.2. Коррекция линейных ошибок при задании фазового сдвига..................................................................................................................................................................................54

2.2.1. Коррекция линейных ошибок с помощью усредняющей технологии..........................................................................................................................55

2.2.2. Коррекция линейных ошибок с помощью усреднения углов сдвига......................................................................................................................60

2.3. Коррекция нелинейных ошибок........................................................................................67

2.3.1. Коррекция нелинейных ошибок методом наимень-

ших квадратов......................................................................................................................................68

2.3.2. Алгоритм для высокоточных измерений фазы......................71

2.4. Выводы..........................................................................................................................................................................80

3. МЕТОДЫ РАСШИФРОВКИ ЦИФРОВЫХ СПЕКЛ-ИНТЕР-

ФЕРОГРАММ..................................................................................................................................................................82

3.1. Формирование корреляционных полос................................................................84

3.2. Методы расшифровки с использованием управляемого фазового сдвига................................................................................................................................................91

3.3. Методы расшифровки, основанные на рассмотрении спекл-структуры как информационной части сигнала................94

3.4. Алгоритмы расшифровки устойчивые к линейным ошибкам при задании сдвига....................................................................................................105

3.5. Использование усреднения на элементе детектора 105

3.6. Выводы..........................................................................................................................................................113

4. РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ

МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ..........................................................................................................................115

4.1. Использование теоремы об остатках для восстановления полной фазы............................................................................................................................................................116

4.2. Сравнение с двухчастотным методом......................................................................122

4.3. Влияние эффектов квантования и дискретизации на определение полной фазы..............................................................................................................126

4.4. Погрешности от неопределенности задания длины волны 131

4.5. Коррекция ошибок....................................................................................................................................132

4.6. Устранение относительного постоянного сдвига исходных фазовых полей................................................................................................................150

4.7. Компьютерное моделирование целочисленного алгоритма

восстановления полной фазы..............................................................................154

4.8. Определение полной фазы при изменении угла между интерферирующими пучками....................................................................................................161

4.9. Выводы............................................................................................................................................................................165

5. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ................................................................................................... 167

5.1. Структура и основные элементы автоматизированной интерференционной системы................................................... 167

5.1.1. Фазовые модуляторы........................................................ 170

5.1.2. Устройства ввода оптической информации................... 173

5.1.3. Программное обеспечение.............................................. 180

5.2. Анализ напряженно-деформированного состояния объектов при использовании голографических накладных интерферометров....................................................................... 184

5.3. Определение отклонений от плоскости поверхности оптических элементов....................................................................... 191

5.4. Определение поля прогиба и рельефа поверхности............. 197

5.5. Система для определения внеплоскосных деформаций методом цифровой спекл-интерферометрии.......................... 203

5.6. Разработка измерителя абсолютных линейных перемещений............................................................................................... 208

5.7. Выводы....................................................................................... 217

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................... 219

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................221

ПРИЛОЖЕНИЯ 244 Приложение А. Необходимые условия для однозначного

определения разности фаз......................................................................................................................................244

Приложение Б. Нахождение границ окрестности грубых

сбоев............................................................................................................................................................................................................248

Приложение В. Материалы, подтверждающие внедрение и

использование результатов диссертации.............................................................253

Введение

Актуальность. Современный уровень развития промышленных технологий и научных исследований требует применения высокоточных методик контроля и измерений.

За последние годы произошел значительный прогресс в развитии интерференционных методов. С их помощью проводятся измерения напряженно-деформированного состояния объектов, вибрационных характеристик, параметров рельефа, анализ качества обработки поверхностей, дефектов структуры, параметров оптических элементов, оптических характеристик сред и т.п. С высокой точностью возможно получение информации одновременно по всей поверхности изучаемого объекта при решении как статических, так и динамических задач.

Разработка интерференционных измерительных систем перспективное направление информационно-измерительной техники, требующее серьезного внимания и дальнейшего развития. Однако при решении этой задачи возникает ряд проблем, сдерживающих широкое распространение интерференционных методик в экспериментальной практике.

Классическая интерферометрия применима для измерения небольших изменений хода световых лучей, т.е. исследуемые объекты должны создавать волны, близкие к эталонным фронтам, обычно плоским или сферическим. Это условие выполняется при исследовании полированных и зеркально отражающих поверхностей.

Появление в 60-х годах лазеров привело к возникновению методов голографической и спекл-интерферометрии, которые являются расширением классических методов интерферометрии. После изобретения голографии появилась возможность распространения

интерференционных измерений на диффузно отражающие объекты, имеющие сложную форму. Применение интерференционных систем для исследования промышленных деталей и конструкций в заводских условиях сдерживается необходимостью записи промежуточных голограмм на внешний фотоноситель. Попытки заменить фотографические пластинки другими регистрирующими средами приводили к уменьшению точности измерений и не давали существенного упрощения аппаратуры. При непосредственном вводе оптических картин в компьютер упрощается технология обработки. Для записи голограммы в дискретном виде необходимо разрешение 10002000 мм 1. Ограниченная разрешающая способность современных

устройств ввода не позволяет производить непосредственный анализ топографических изображений.

В спекл-интерферометрии требования к разрешающей способности регистрирующей среды являются более низкими и телевизионное разрешение является вполне достаточным. Этот способ является наиболее подходящим для создания промышленных измерительных систем. Но в настоящее время они значительно уступают по точности классической и топографической интерферометрии.

Интерференционная картина содержит большой объем измерительной информации об исследуемом объекте. Это, с одной стороны, является несомненным преимуществом интерференционных методов, а с другой - значительно усложняет разработку измерительных систем из-за высокой сложности количественной расшифровки.

Анализ современного состояния методов анализа интерферограмм показывает, что в настоящее время резко возрастает функциональная нагрузка на вычислительный комплекс, который превратился в один из основных элементов интерференционных систем. Интерферометр в

таких системах является первичным преобразователем поля измеряемых величин в интерференционную картину, которая с помощью электронно-оптических устройств вводится в компьютер для дальнейшей обработки. ЭВМ выполняет функции сбора и обработки данных. Использование компьютера еще и для управления параметрами оптической схемы позволяет реализовать ряд новых методик, характеристики которых значительно превосходят традиционные, и дают возможность полностью автоматизировать процесс измерений.

Разработка эффективных высокоточных способов получения и расшифровки оптических интерференционных полей в голографической и спекл-интерферометрии является актуальной задачей, решение которой позволяет создать качественно новые интерференционные измерительные системы для использования не только в лабораторных, но и в производственных условиях.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективных методов получения, обработки и расшифровки интерференционных картин для создания нового класса интерференционных измерительных систем, обеспечивающих высокое быстродействие, точность, широкий динамический диапазон, возможность полной автоматизации и работы в реальных производственных условиях.

Для достижения этой цели необходимо провести анализ методов определения характеристик оптических волновых полей с целью получения количественной информации об измеряемых параметрах; разработать новые эффективные алгоритмы получения и расшифровки интерференционных картин; способы повышения динамического диапазона фазовых методов; оценить достоверность полученных результатов; разработать и изготовить электронные и механические

узлы для управления параметрами оптической установки; программно-алгоритмическое обеспечение, и на этой основе создать автоматизированные интерференционные измерительные системы для решения ряда научных и инженерно-технических задач.

Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с Единой целевой комплексной научно-технической программой 0.1Д.047, задание 06.21 (№№ гос.рег.74029772, 01820090029, У88871, У17700, 01840035541); научно-технической программой ГКНТ 080.03, задание 06.15А (№№ гос.рег.81029971, 1850038872); координационными планами АН СССР по проблемам «Измерительные процессы и системы» (№№ гос.рег.76028712, 81044795, У00197) и «Оптика. Квантовая электроника» (№№ гос.рег.74050015, 77050215, 79000614); федеральной программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления» на 1996-2000 годы (подпрограмма «Наукоемкие технологии»); плану комплексных исследований РАН по проблеме «Неразрушающие физические методы контроля».

Методы исследований. В работе использовались методы волновой оптики, прикладной математики, функционального и спектрального анализа, теории чисел, а также компьютерное моделирование и физический эксперимент.

Научная новизна. В представленной работе предложены, обоснованы и разработаны новые методы получения и расшифровки интерферограмм, новые способы расширения динамического диапазона фазовых методов, показана возможность построения интерференционных измерительных систем с повышенными метрологическими характеристиками на основе внесения управляющих

воздействий.

Впервые предложены высокоточные способы расшифровки классических и голографических интерферограмм, устойчивые к случайным ошибкам при задании фазового сдвига, и высокоточные методы получения и расшифровки спекл-интерферограмм, основанные на рассмотрении модельных уравнений при получении спеклограмм, устойчивые к линейным ошибкам при задании фазового сдвига.

Разработан метод расширения фазовой однозначности, основанный на использовании целочисленной арифметики. Предложен новый способ коррекции ошибочных значений, позволяющий использовать этот метод при практических измерениях полной фазы. Разработаны и реализованы быстрые алгоритмы коррекции.

Разработано универсальное алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее использовать существующие способы расшифровки для анализа интерференционных картин, полученных методами классической, топографической или спекл-интерферометрии.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Использование интерференционных измерительных систем, разработанных на основе предложенных методов, существенно расширяет область применения систем, увеличивает точность и диапазон измерений, упрощает технику эксперимента. При этом достигается полная автоматизация процесса измерений.

Созданные интерференционные измерительные системы на качественно новом уровне решают задачи экспериментальной механики и оптического приборостроения, в том числе, в реальных производственных условиях: при решении задач фазометрии в НПО "Астрофизика", в НИИТО для анализа ренгенологических данных, в НПО "Новосибирский приборостроительный завод" для анализа

отклонений поверхности изделий от плоскости и сферы. Совместно с НПО "НПЗ" разработан новый измеритель абсолютных перемещений.

Полученные результаты использованы при выполнении 14 научно-исследовательских работ.

Основные положения выносимые на защиту:

- высокоточный способ расшифровки интерферограмм устойчивый к линейным и нелинейным ошибкам при задании сдвига;

- способ расшифровки спекл-интерферограмм, позволяющий приблизить точность метода цифровой корреляционной спекл-интерферометрии к интерференционной;

- метод увеличения динамического диапазона интерференционных измерений на основе расширения области фазовой однозначности при использовании нескольких измерений с различными ценами полос;

- способ коррекции ошибок при определении полной фазы по фазовым значениям в пределах периода, измеренным при различных ценах интерференционных полос;

- алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированных интерференционных измерительных систем;

- измеритель перемещений, позволяющий по серии локальных измерений определять абсолютную величину перемещений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 6-й Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск, 1981), на 16-ой Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Горький, 1982), на 19-ой Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Новосибирск, 1985), на Всесоюзном семинаре "Интерференционно-оптические методы механики твердого тела и механики горных пород" (Новосибирск, 1985), на Пятой Всесоюзной

конференции по голографии (Рига, 1985), на Всесоюзном семинаре "Методы контроля формы оптических поверхностей" (Москва, 1989), на Международной конференции "Interferometry'89" (Warsaw, 1989) на Всесоюзном симпозиуме "Методы и применение голографической интерферометрии" (Куйбышев, 1990), на Международном симпозиуме "Sino-Soviet symposium on astronautical science and technology" (Harbin, China, 1991), на конференции с международным участием "Проблемы электротехники. Автоматика." (Новосибирск, 1993), на Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (Москва, 1993), на Международной конференции "Измерительные информационные системы" (Москва, 1994), на 3-й Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных про