О повышении чувствительности измерений в спекл-интерферометрии | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/178

О повышении чувствительности измерений в спекл-интерферометрии

On increasing the sensitivity of measurements in speckle interferometry.pdf Цифровая спекл-интерферометрия основана на применении компьютерной обработки изображений для корреляционного сравнения спекл-интерферограмм исходной и деформированной поверхностей объекта [1-3]. Благодаря компьютерной расшифровке спекл-интерферограмм [4, 5] и отсутствию необходимости регистрации интерферограмм на фотографических носителях методы спекл-интерферометрии хорошо адаптируются к условиям промышленного производства. Рассеивающая излучение шероховатая поверхность наблюдается в начальном и смещенном положениях. Оптическую схему настраивают так, чтобы достичь нужной чувствительности интерференционных полос к смещениям исследуемого объекта [1, 6]. Повышение чувствительности спекл-интерферометра может существенно расширить область его практического применения. В работах [7, 8] описан дифференциальный спекл-интерферометр, использованный для сравнения деформаций идентичных объектов. При определенных условиях схема дифференциального спекл-интерферо¬метра может быть использована для удвоения чувствительности измерения локальных перемещений объекта, например, при исследовании прогибов пластин и тонких оболочек, когда поверхность объекта доступна для освещения и наблюдения с двух противоположных сторон. В этом случае нормальные по отношению к плоскости объекта перемещения приводят к увеличению длины оптического пути отраженного излучения с одной стороны объекта и одновременно к такому же по величине уменьшению оптического пути для излучения, отраженного от противоположной его стороны. В итоге при интерференции волн, отраженных от двух противоположных сторон объекта, может быть достигнута чувствительность в четверть длины волны на одну интерференционную полосу, т.е. удвоение чувствительности спекл-интерферометра по сравнению с вариантом одностороннего освещения объекта. В настоящей работе предложена оптическая схема спекл-интерферометра, позволяющего осуществить указанную идею, и продемонстрирована возможность ее применения на примере визуализации распределения малых амплитуд вибраций мембраны. Соответствующая оптическая схема спекл-интерферометра с двухсторонним освещением и наблюдением объекта представлена на рис. 1. Излучение полупроводникового лазера 1 расширяют линзой 2 и с помощью светоделителя 3 расщепляют на два пучка, направляемых с двух противоположных сторон на исследуемую мембрану 4 зеркалами 5 и 6. В качестве мембраны используется тонкая пластина, обе стороны которой представляют собой диффузно рассеивающие поверхности. Пучки, рассеянные обеими сторонами мембраны, в обратном ходе объединяются светоделителем 3 и формируют на приемной матрице регистрирующей фотокамеры 7 два наложенных друг на друга изображения противоположных сторон мембраны. Фотокамера подсоединена к компьютеру 8. Юстировкой зеркал 5 и 6, а также светоделителя 3 достигают полного совмещения одних и тех же точек мембраны на изображениях двух ее сторон в фотокамере. Интенсивности двух изображений делают равными соответствующим подбором коэффициента отражения светоделителя. Для записи спекл-интерферограмм, отображающих вибрации мембраны, был использован стробоскопический режим излучения. С этой целью излучение лазера модулировали стробирующими импульсами, подаваемыми на управляющую шину лазера. Частота следования импульсов равнялась частоте колебаний мембраны. Импульсы были синхронизированы с колебаниями мембраны и подавались в моменты ее крайнего амплитудного отклонения. Отношение периода к длительности импульсов составляло 15. Запись производили методом двух экспозиций, причем на обеих экспозициях регистрировали вибрирующую мембрану. В промежутке времени между экспозициями фазу колебаний мембраны изменяли на π по отношению к стробирующим импульсам. В результате вторая экспозиция записывалась в моменты крайнего амплитудного отклонения, но противоположного по своему положению по отношению к отклонению во время первой экспозиции. После поэлементного вычитания распределений интенсивности двух отснятых кадров в компьютере возникала картина полос, являющихся линиями равных амплитуд вибраций мембраны. В тех областях мембраны, где изменение разности фаз двух накладываемых волн между экспозициями произошло на величину (m - целое число), результат интерференции этих волн не изменился, поэтому при вычитании двух кадров эти области должны иметь нулевую интенсивность (темные полосы). Светлым полосам соответствует изменение разности фаз на . Рис. 1. Оптическая схема спекл-интерферометра с удвоенной чувствительностью: 1 - лазер, 2 - линза, 3 - светоделитель, 4 - исследуемый объект, 5, 6 - зеркала (глухие), 7 - фотокамера, 8 - компьютер Поскольку, как отмечено выше, смещение мембраны вызывает приращение длины оптического пути одной волны на величину , а другой на величину , то общее изменение разности хода волн составит . (1) Первая темная полоса (после нулевой) соответствует смещению, определяемому из условия , (2) где λ - длина волны. Таким образом, цена одной интерференционной полосы составляет . Следует, однако, учесть, что в соответствии с описанной методикой в двух экспозициях регистрировались два противоположных амплитудных отклонения мембраны. Измеряемая по интерференционной картине величина смещения мембраны является в данном случае не амплитудой, а размахом колебаний. Соответственно амплитуда будет вдвое меньше, и цена одной интерференционной полосы для амплитуды составит . Даже без использования методов отсчета дробных долей периода полос мы получаем достаточно высокую чувствительность к измерению амплитуд вибраций. Например, уверенно регистрируемая первая светлая полоса (половина периода) будет соответствовать амплитуде колебаний , что при длине волны 0.53 мкм составит 33.1 нм (умножаем число полос на цену полосы в одну восьмую длины волны). Фактически получается увеличение чувствительности в 2 раза за счет двухстороннего освещения и наблюдения объекта. Отметим, что альтернативная методика [9, 10] регистрации вибраций на основе спекл-интерферометрии с использованием метода усреднения во времени уступает по чувствительности в 4 раза. С помощью спекл-интерферометра, собранного по описанной выше схеме, была получена интерферограмма, представленная на рис. 2. Рис. 2. Интерферограмма распределения амплитуд вибраций мембраны Интерферограмма отображает возбуждаемые пьeзоэлементом колебания круглой мембраны диаметром 120 мм, закрепленной в трех точках на контуре. Источником излучения служил полупроводниковый лазер со средней мощностью излучения 50 мВт на длине волны 0.53 мкм. Регистрация изображений производилась цифровой зеркальной камерой с приемной матрицей форматом 3000×2000 пикселей и относительным отверстием объектива 1:16. Из полученной спекл-интерферограммы были определены амплитуды вибраций мембраны для крайних максимумов, которые получились порядка 0.2 мкм. Для этого цена полосы (одна восьмая длины волны) умножалась на количество полос (три полосы). Предложенный метод может использоваться при исследовании мод резонансных колебаний пластин и оболочек. Спекл-интерферометр с двухсторонним освещением объекта может оказаться также полезным при изучении статических деформаций.

Ключевые слова

спекл-интерферометр, спекл-интерферограмма, визуализация, чувствительность, вибрации, лазерное излучение

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Штанько Александр ЕвгеньевичМосковский государственный технологический университет «СТАНКИН»к.т.н., доцент МГТУ «СТАНКИН»vbnz01@mail.ru
Иванова Светлана ДмитриевнаМосковский государственный технологический университет «СТАНКИН»к.ф.-м.н., доцент МГТУ «СТАНКИН»uchenik1597@mail.ru
Шемонаев Дмитрий ДмитриевичНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»бакалавр НИЯУ МИФИuchenik1480@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Kreis T. Handbook of Holographic Interferometry: Optical and Digital Methods. - Berlin: Wiley Blackwell, 2005.
Иванова С.Д., Ошурко В.Б., Шемонаев Д.Д. // Изв. вузов. Физика. - 2021. - Т. 64. - № 3. - С. 166-167. DOI:10.17223/00213411/64/3/166.
Кречет В.Г., Ошурко В.Б., Иванова С.Д. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 10. - С. 67-73.
Власов Н.Г. // Измерительная техника. - 2010. - № 3. - С. 27-29.
Кречет В.Г., Ошурко В.Б., Иванова С.Д. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 2. - С. 89-95.
Kudryavtsev K.Y. // Int. J. Tomography and Simulation. - 2016. - V. 29. - No. 2. - P. 50-61.
Kudryavtsev K.Y., Mikhaylov D.M. // Int. J. Tomography and Simulation. - 2015. - V. 28. - No. 1. - P. 89-104.
Байдерин А.А., Денисова И.П., Ростовский В.С. // Изв. вузов. Физика. - 2021. - Т. 64. - № 1. - С. 10-15.
Шанин О. // Фотоника. - 2008. - № 3. - С. 22-24.
Novikov G.G., Yadykin I.M. // Mechanisms and Machine Science. - 2020. - V. 80. - P. 353-360.
 О повышении чувствительности измерений в спекл-интерферометрии | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/178

О повышении чувствительности измерений в спекл-интерферометрии | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/178