Исследование и применение интерферометрии сдвига для обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографии диффузно отражающих объектов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Краткая формулировка новизны работы.

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— Разработаны электронные схемы обработки сигналов.

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

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