Лазерный цифровой спекл-голографический интерферометр

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

КАФЕДРА ОПТИКИ ЛАЗЕРОВ

Реферат

Лазерный цифровой спекл-голографический интерферометр

     Группа: 5261

Студент: Волков О.В.

                                                                            Преподаватель:

Тарлыков В.А.

Санкт-Петербург, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ3

1 ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ 5

2 СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ 11

3 ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРО-МЕТРИЯ13

4  ОПИСАНИЕ ЛАЗЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ18

ВВЕДЕНИЕ

 Существует много методов диагностики на основе интерферометрии и голографии [1]. Однако, они сложны как в процессе регистрации, так и в процессе обработки и получения полезной информации.

Лазерный компьютерный спекл-голографический интерферометр (ЛКСГИ) в отличие от наиболее прогрессивной голографической интерферометрии относится, прежде всего, к экспресс-методам контроля качества и является уникальным измерителем малых смещений и напряжений на уровне порядка нанометров в течение неограниченного времени при покадровой регистрации. Система измерений позволяет решать ряд задач:

– о местах приложения и величинах нагрузок, действующих на упругое тело; 

– о напряжениях в тонких пленках и связях их механических характеристик с напряжениями;

– о распределенных и локальных неоднородностях структуры тела при импульсном нагреве образца лазерным излучением, пучком заряженных частиц, СВЧ-энергией и т.п.; 

– о микротрещинах и внутренних расслоениях, об отслоениях покрытий и деформационных предпосылках их возникновения и т.д. 

Измерение концентрированных потоков энергии (КПЭ) малых величин, которые импульсно излучаются сверхширокополосными высокочастотными генераторами, является актуальной задачей, так как нет эффективных приемников регистрации КПЭ с пространственно-временным разрешением.

Развитие лазерной техники привело к созданию целого ряда методов диагностики материалов. Это интерферометрия, голография, голографическая интерферометрия для определения различных деформаций, смещений, изгибов, изменений формы поверхности под влиянием, например, внешнего импульсного источника нагрева. Существенным продвижением в вышеперечисленных измерениях стали методы спекл-голографии, которые позволили исключить влияния внешних вибраций и смещений на качество регистрации.

1. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. С созданием лазера стала развиваться оптическая голография – способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме, т.е. трехмерного образа объекта.

С развитием голографии возникла голографическая интерферометрия, выполняемая гораздо проще, чем обычная интерферометрия, с меньшими затратами и ограничениями. Ее сущность такова: если совместить две голограммы объекта, записанные в различное время при разных состояниях поверхности объекта, то при освещении этой фотопластинки лазерным лучом возникает результирующая интерферограмма, отражающая разницу геометрических состояний объекта. Линии интерферограммы показывают как перемещения объекта в целом, так и локальную деформацию по его поверхности. Общие и локальные перемещения обычно хорошо разделяются.

Рассмотрим более подробно основные принципы голографической интерферометрии. Взаимодействие восстанавливающей волны со структурой, записанной на голограмме, приводит к восстановлению объектной волны. Если восстанавливающая волна - точная копия опорной, то точно восстанавливаются и фазовая и амплитудная структуры объектной волны. Если осветить голограмму, убрав объект, мы увидим его изображение на том же месте и в том же состоянии, в котором он был во время записи голограммы. Если не убирать объекта, то за голограммой будет одновременно распространяться две волны: одна - восстановленная голограммой, другая - непосредственно рассеянная объектом. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Так как восстановленная волна сдвинута по фазе на π относительно объектной волны, то, если объект полностью стационарен, волны будут гасить друг друга и наблюдатель не увидит объекта. Если же объект или среда, в которой он находится, подверглись между экспозициями возмущению, то на голографическом изображении появятся интерференционные полосы. Интерференционная картина будет характеризовать те изменения, которые произошли с объектом за промежуток времени между записью голограммы и наблюдением интерференционной картины. При изменении состояния объекта во время наблюдения, например при его деформации или смещении, или же при изменении показателя преломления прозрачного (фазового) объекта интерференционная картина будет изменяться одновременно – метод реального времени (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема установки: 1 – лазер, 2 – светоделительный куб, 3 – зеркала, 4 – объектив, 5 – голограмма, 6 – восстановленное изображение объекта, 6’ – исследуемый объект,  7 – рассеивающая линза, 8 – волна, отраженная от объекта 6, 8’ – волна, отраженная от объекта 6’

В другом методе голографической интерферометрии на одной фотопластинке последовательно регистрируют две (или несколько) голограммы, соответствующие разным состояниям одного и того же объекта. Одновременно восстанавливаясь, волны, являющиеся копиями объектных волн, существовавших в разное время, интерферируют (метод двойной экспозиции). В этом случае восстановленные волны при отсутствии изменений состояния объекта складываются и дают яркое изображение объекта (рис. 2, 3)

Рисунок 2 – a) Схема получения: 1 – лазер; 2 – светоделительная пластинка; 3 и 6 – линзовые системы; 4 и 5 – зеркала; 7 – объект; 8  ̶  фотопластинка; б) Схема восстановления: 1 – лазер; 2 – линзовая система; 3 – зеркало; 4 – голограмма; в) Схематическое изображение интерференционной картины

Рисунок 3 – Голографическая интерферограмма деформируемой стальной пластинки, полученная методом двойной экспозиции

Предельный случай метода многих экспозиций - метод усреднения во времени, когда голограмма изменяющегося во времени объекта (например, деформируемого, движущегося поступательно или колебательно) экспонируется непрерывно. При этом на голограмме будут зарегистрированы волны, рассеянные объектом во всех промежуточных состояниях, которые он последовательно проходит во время экспозиции. Восстановленные такой голограммой волны образуют интерференционную картину, дающую представление о характере смещения различных точек объекта в течение экспозиции.

Голография позволила исследовать объекты с любым рельефом. Голографический метод оказался удобным, надежным, быстрым и эффективным в работе. Один из главных недостатков метода голографической интерферометрии связан с необходимостью записи интерференционной структуры на высокоразрешающие фотоэмульсионные среды. Сам процесс записи и обработки голограмм довольно сложен и трудоемок: низкая чувствительность фотоматериалов требует экспозиций порядка секунд, мокрая обработка фотопластинок или обслуживание оборудования термопластической записи и визуальное считывание интерферограмм нуждается в специальных навыках операторов.

Рассмотрим схему голографического интерферометра для определения распределения плотности энергии лазерного излучения высокой энергии в его поперечном сечении, которая была применена в экспериментах ННЦ ХФТИ (рис. 4) [2]. Целью данной работы является определение распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка концентрированного потока энергии (КПЭ), который формируется в сверхширокополосном высокочастотном генераторе (СШПВЧГ). Была предложена структурная схема прибора для измерения плотности энергии в поперечном сечении ВЧ-пучка из СШПВЧГ, определен материал-регистратор, который чувствителен к пучку КПЭ, подобраны лазерные излучатели, пригодные для диагностики изменения оптических характеристик этого материала под воздействием пучка КПЭ. Определены приемные лазерные устройства, диагностирующие пучок с последующей обработкой полученной информации при помощи ПК.

 Лазерный пучок высокой  энергии (1) проходит через лавсановую  пленку (2) и попадает на поглотитель (4). Перпендикулярно проходит рабочий пучок (3) диагностического лазера и попадает на фотопластинку (5). Опорный лазерный пучок (6) попадает на ту же фотопластинку (5) под некоторым углом к рабочему пучку (3).

Рисунок 4 – Схема голографического интерферометра для определения распределения плотности энергии пучка лазерного излучения в его поперечном сечении: 1 – лазерный пучок с высокой энергией в импульсе; 2 – лавсановая пленка с механизмом перемотки;  3 – рабочий пучок диагностического лазера;  4 – поглотитель лазерного излучения; 5 – фотопластинка – регистратор голограмм; 6 – опорный пучок диагностического лазера

Для регистрации интерферограмм можно использовать метод двойной экспозиции(рис. 2). Первая экспозиция проводится без включения лазера 1. На фотопластинку попадают лучи (рабочий 3 и опорный 6), импульсного диагностического лазера с длительностью импульса 20 нс, и регистрируется голограмма поверхности прозрачной лавсановой пленки. Вторая экспозиция проводится с включенными лазером длительностью импульса 1 мс и диагностическим лазером одновременно. В этом случае на фотопластинке регистрируется голограмма плазмы, которая образовывается при сжигании лавсановой пленки лазером с высокой энергией излучения. Плазма является фазовым объектом, поэтому суперпозиция первой и второй экспозиций приводит к образованию интерференции на фотопластинке, которая отражает изменения фазы по полю наблюдения. 

На интерферограммах, полученных во сремя прохождения диагностируемого лазерного пучка через плазму в месте расположения пленки(рис. 5) видно, как формируется плазменное облако, которое образовалось из сгоревшей лавсановой пленки. Сначала интерференция образуется локально по полю наблюдения в виде отдельных темных точек (а). Затем плотность плазмы растет, и в отдельных местах наблюдается ряд интерференционных полос (б).

Рисунок 5 - Интерферограммы, полученные по схеме  измерений на Рис.1 при различных временах  задержки времени запуска диагностического лазера относительно старта излучения лазера с высокой энергией: а – 0,3 мс; б – 0,4 мс; в – 0,6 мс

Далее плазма разогревается в местах большей концентрации энергии лазерного потока и видны островки уплотнений, которые локализуются в виде замкнутых кольцевых полос интерференции. По кольцевым интерференционным полосам можно определить среднюю плотность образующейся плазмы.

2. СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

При исследовании прозрачных фазовых объектов спекл-структура не образуется, и проблем с регистрацией голографических интерферограмм не возникает. Голографическая регистрация объектов исследования с шероховатой поверхностью сопровождается спекл-структурой, которая возникает при взаимодействии когерентных лучей, отраженных от поверхности исследуемого объекта. На шероховатостях лазерные лучи отражаются хаотически в пространстве над поверхностью и, встречаясь, взаимодействуют, создавая локальную точечную интерференционную картину у поверхности. При голографировании поверхности спекл-структура является шумом, ухудшающим изображение, но в спекл-интерферометрии это носитель информации. Для разделения спекл-структуры от голографического изображения достаточно провести регистрацию голограммы методом сфокусированного изображения объекта на регистраторе [3]. Запись и сопоставление двух спекл-структур выявляют изменения в положении или геометрии тела в виде такой же системы линий, как и в голографии, т.е. интерферограммы, причем, с той же чувствительностью.

Спекл-картины обычно формируются при отражении когерентного света от случайно рассеивающей среды. В результате интерференции световых лучей, пришедших от случайно распределенных рассеивателей, на экране создается случайная структура распределения интенсивности света в виде ярких и темных пятен – спекл-картина. Если в среде происходит изменение движения рассеивателей или изменение их физико-химического состояния, то эти изменения обязательно найдут отражение и на спекл-картине.

В качестве оптического динамического метода для наблюдения за изменением структуры поверхности в отраженном свете или структуры рассеивателей в объеме в прошедшем рассеянном свете может быть выбран метод спекл-интерферометрии. Обычно спекл-структура имеет вид хаотически расположенных мелкоструктурных темных и светлых пятен размером порядка микрометра, которые видны при сильном увеличении (Рис. 6). 

Рисунок 6 – Спекл-картина в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности

3. Спекл-структура, фиксируемая на всех видах голограмм и присутствующая на восстановленных голографических изображениях, обусловлена микроструктурой поверхности объекта и однозначно с ней связана в том смысле, что смещению поверхности между двумя экспозициями соответствует смещение спекл-структуры на голограмме, спекл-голограмме и восстанавливаемом голографическом изображении. Эта зависимость позволяет рассмотреть существующие методы расшифровки голограмм двойной экспозиции с единых позиций спекл-интерферометрического подхода [4], согласно которому образование голографических интерферограмм, формирующих идентичные (соответствующие) спекл-пятна, обусловлено интерференцией излучения. 
   ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ                                ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

Современная видео- и вычислительная техника помогла решить некоторые задачи получения, хранения, считывания и обработки голографических интерферограмм, но она же предоставила и другую возможность. Как появление лазера изменило положение в экспериментальной оптике, так и компактная компьютерная техника вызвала второе большое изменение: фотографический детектор был заменен цифровой видеосистемой с регистрацией в ЭВМ оцифрованной видеоинформации о разных, практически неограниченных по количеству экспозициях процесса измерения перемещений и дальнейшей обработкой этой информации. 

Этот компьютерный метод, называемый электронной спекл-интерферометрией, во многом совпадает с голографической интерферометрией: использование лазера, близкие оптические схемы и по существу те же результаты измерений в виде интерферограмм. Разница состоит в том, что голография фиксирует полную информацию о геометрии тела, в том числе и объем, а спекл-интерферометрия использует электронную фотографию особо тонкой, «зернистой» структуры света, отраженного диффузным объектом при лазерном освещении, – поле спеклов. Детектор – фотопластинка, видеокамера фиксирует спекл в виде зернистой структуры на изображении. 

Запись и сопоставление двух спекл-структур, легко проводимые на ЭВМ в цифровой форме, выявляют изменения в положении или геометрии тела в виде такой же системы линий, как и в голографии, т.е. интерферограммы, причем с той же чувствительностью. Уменьшение информативности спеклинтерферограммы по сравнению с голографической за счет замены объемной картины на плоскую в рассматриваемом случае несущественно, а методически неоднородный процесс голографической интерферометрии заменяется единым, технологически связанным циклом с более широкими возможностями автоматизации. 

Важной особенностью электронной спекл-интерферометрии является то, что можно записать практически неограниченное количество экспозиций и затем брать их произвольные комбинации. Каждое сочетание будет отражать сдвиг объекта между экспозициями. Можно сравнивать кадры не только статического состояния, но также кадры, сделанные во время движения объекта; необходимо только подобрать время экспозиции и время между экспозициями. Соответственно последовательность сочетаний экспозиций покажет движение объекта с субмикронной точностью.

Метод электронной спекл-интерферометрии позволяет применять цифровые камеры для регистрации декорреляции спекл-структур сравниваемых состояний зоны контакта и элементарно просто выполнять вычитание изображений и осуществлять образование корреляционных интерференционных полос непосредственно в компьютере, исключив тем самым стадию ввода интерференционных полос и упростив их обработку [5].

С использованием электронной спекл-интерферометрии была создана система нового поколения для измерения напряжений в упругих телах и конструкциях, в которой объединены идеи и методы голографической интерферометрии, разработанные ранее для анализа смещений, с преимуществами современной компьютерной техники. Кроме иссле-дования напряжений эта система позволяет решать и другие задачи: о местах приложения и величинах нагрузок, действующих на упругое тело, о напряжениях в тонких пленках и связях их механических характеристик с напряжениями, о распределенных и локальных неоднородностях структуры тела, о микротрещинах и внутренних расслоениях, об отслое-ниях покрытий и деформационных предпосылках их возникновения и т.д. Измерения можно проводить практически в режиме реального времени.

4. ОПИСАНИЕ ЛАЗЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО                          СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

На основании возможностей спекл-голографии и современной цифровой регистрации объектов вместе с развитием компьютерной техники можно создать диагностическую систему регистрации изменений в состоянии или положении исследуемых объектов нового поколения с уникальными возможностями.

Оптическая схема измерений выглядит следующим образом (Рис. 7). В ее состав входят блок спекл-голографического интерферометра и компьютер с блоком согласования работы с видеокамерой.

Рисунок 7 – Оптическая схема ЛКСГИ  без компьютерного блока

Блок интерферометра располагается на опорно-юстировочной конструкции в жестком корпусе для устранения внешних вибраций и смещений в процессе работы. В корпусе монтируется диагностический лазер, цифровая видеокамера и элементы оптической схемы: линзы LO для формирования изображения объекта исследования в видеокамере и LR для создания голограммы объекта на светочувствительном элементе видеокамеры, призма-куб для совмещения рабочего и опорного лучей лазера по одной оси с видеокамерой. В качестве диагностического лазера может служить полупроводниковый лазер с длиной волны 640 нм и мощностью излучения 10 мВт. Цифровая видеокамера должна иметь высокие показатели по чувствительности (0,1 люкс) и разрешения по полю регистрации (600 телевизионных линий на миллиметр).

Компьютерный блок состоит из ПЭВМ, имеющей видеовход для подключения цифровой видеокамеры. При отсутствии видеовхода в качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использовано внешнее устройство типа Cap View, подсоединяемое к ЭВМ через USB-порт.

Измерительная система работает по методу двух экспозиций. Сначала с помощью видеокамеры производится регистрация поверхности объекта исследования – приемника без воздействия на нее КПЭ, т.е. тепловой энергии. Вторая экспозиция осуществляется тогда, когда на приемник импульсно оказывает влияние тепловое излучение КПЭ. Под воздействием тепла поверхность в месте падения пучка КПЭ нагревается и деформируется. Эту деформацию регистрирует описанная измерительная система в виде интерференционной картины, которая образовалась путем наложения на чувствительный слой видеокамеры двух голограмм – от первой и второй экспозиций. Если подобное наложение двух спекл-голограмм не предусмотрено в цифровой видеокамере, то это действие должно быть предусмотрено в блоке согласования работы с компьютером или отдельной программой для компьютера. Со временем тепловое пятно будет расширяться по поверхности приемника, и каждое положение пятна будет фиксироваться видеокамерой вместе с компьютерным устройством. Таким образом, можно зафиксировать воздействие КПЭ во времени с момента его возникновения до полного затухания, т.е. когда тепло выровняется по величине по всей поверхности приемника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В системе ЛКСГИ объединены идеи и методы спекл-голографической интерферометрии с преимуществами современной компьютерной техники и которая позволяет проводить измерения практически в режиме реального времени.

Система измерений может записать неограниченное количество экспозиций, затем брать их произвольные комбинации, получая интерферограммы, и, таким образом, изучать перемещения (смещения) объекта исследования вплоть до нанометров. При этом автоматически решается проблема определения знака перемещения и существенно облегчается расчет полной картины разности фаз в плоскости объекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чарльз Вест. Голографическая  интерферометрия – Пер. с англ. М.: Мир, 1982. с.504.

2. Клименко, И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. – М.: Наука, 1985. с.224.

 3. Осинцев, А.В. Совместное применение методов голографической интерферометрии и спекл-фотографии для измерения контактных давлений // Заводская лаборатория. 2001. Т.67, в.6, С.42-44.

4. Джоунс Р. Голографическая и спеклинтерферометрия. –  М.: Мир, 1986. с.327.

5. Гончаров, А.В. Определение распределения плотности энергии в поперечном сечении концентрированного потока энергии // ВАНТ. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2008. №4, С.14-17.