Когерентные методы и системы оптической обработки голографических интерферограмм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Майорова, Ольга Валериевна

• Майорова, Ольга Валериевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Майорова, Ольга Валериевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Когерентные методы и системы оптической обработки голографических интерферограмм»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Майорова, Ольга Валериевна

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,

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Майорова, Ольга Валериевна, 2010 год

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.