Лазерный цифровой спекл-голографический интерферометр

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.