Media-security

КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ

ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

С.Б.Артеменко, Г.П.Пызин, А.Г.Игнатьев

Рассмотрены вопросы практической реализации интерференционных измерений с фазовой компенсацией в опорном пучке. Приведены результаты применения адаптивной интерферометрии для оценки уровня остаточных напряжений в сварных соединениях.

Ранее было показано /1,2/, что при записи спеклограмм в плоскости изображения при соответствующей фильтрации объектного волнового поля индивидуальные элементы спекл-структуры обладают свойствами голограмм. Действительно, спеклограмму можно трактовать как набор несфазированных между собой микроголограмм, что объясняет невозможность полного восстановления предметной волны, т.к. происходит потеря фазовой информации, при освещении такой голограммы волной с регулярным распределением фаз. Тем не менее, если в процессе пространственной фильтрации излучения, рассеянного на двухэкспозиционной спеклограмме. сходственные спеклы в плоскости регистрации информации перекрываются, то появляется возможность восстановить детерминированную разность фаз, внесенную между экспозициями, т.е. выделить спекл-интерферограмму. В голографической интерферометрии известен способ компенсации движения объекта с помощью локального опорного спекл-пучка /3/, при котором фазовые изменения опорного пучка близки к фазовым изменениям, вносимым в объектное волновое поле, вследствие перемещения тела как жесткого целого. С этой точки зрения, спекл-интерферометрия с ее индивидуальными в пределах области пространственной когерентности локальными опорными пучками является своего рода разновидностью адаптивной голографической интерферометрии. Заметим, что в спекл-интерферометрии сдвига индивидуальный локальный опорный пучок в пространстве

- 29 -

предметов удален от объектного на величину оптического сдвига, что позволяет производить в плоскости фотослоя компенсацию фазовых изменений объектного волнового поля тождественными фазовыми изменениями, сдвинутыми по пространственной координате.

Таким образом, спеклограммы двойной экспозиции легко поддаются интерпретации с позиций голографической интерферометрии с гибкой геометрией оптической схемы, т.е. схемы, в которой как объектный, так и опорный пучки в равной мере нестационарны в эксперименте и возможна вариация их фазы в соответствии с законом перемещения точек объекта. Рассмотрим подобный вариант адаптивного интерферометра.

На рис.1 показаны схемы известного спекл-интерферометра сдвига /4/(а) и его голографический аналог (б). В обоих случаях опорный и объектный пучки формируются раздельно и представляют собой субъективную спекл-структуру в плоскости изображения сравниваемых участков поверхности исследуемых объектов. Отличие заключается только в используемых приемах интерференционной записи. В том и другом вариантах регистрируют, по сути дела, спеклограмму двойной экспозиции: в первом - спеклограмма представляет совокупность микроголограмм, записанных в попутных, конаправленных, пучках, во втором - совокупность микроголограмм во встречных, контрнаправленных, пучках. При отражении от сравниваемых информируемых участков поверхности каждый из интерферирующих пучков получает определенные фазовые изменения. Рассмотрим подробнее условия записи и восстановления изображения в адаптивном голографическом интерферометре (см. рис.1,б).

Направим на исследуемые участки поверхности 1,2 взаимно-когерентные коллимированные пучки освещения, расположенные близко к нормали поверхности и оптической оси объективов 8,9. Запишем комплексную амплитуду поля после отражения от детали в плоскости: (х₀,у₀):

- 30 -

где а₀ехр[-ip z₀/λ] - волна освещения поверхности; t₁(x₀,y₀), t₂(x₀,y₀) - комплексные коэффициенты отражения для участков 1, 2, соответственно.

Согласно работе /5/, представим комплексные коэффициенту отражения в следующем виде:

(3)

Предполагая линейность и пространственную инвариантность оптической системы, запишем комплексное поле в плоскости изображения от одного из источников на каждой из поверхностей:

(4)

В выражении (4) использовано фильтрующее свойство d -функции; h⁽¹⁾(x_i,у_i), h⁽²⁾(x_i,у_i) - импульсные отклики оптических систем формирования изображения в плоскости фотослоя;- случайные фазы точечных источников на участках 1, 2.

Представим h⁽¹⁾, h⁽²⁾ в виде

(5)

где Р(x,у) - функции зрачка; (x,у) - координаты изображающей линзы. Представим зрачок оптических систем в виде щелевых диафрагм:

p(x,y)=rect(x/l_x)rect(y/l_y) (6)

Осуществляя преобразование фурье-функции rect(x/l_x)rect(y/l_y) по пространственным частотам, получим выражения для комплексных полей в плоскости изображения:

(7)

- 31 -

где l_x, l_y размеры щелевых диафрагм.

Запишем распределение интенсивности в изофазном слое полученной отражательной спеклоголограммы до и после деформирования исследуемых участков изделия:

(8)

(9)

Восстановим распределение детерминированной разности фаз и виде интерференционной картины, осветив отражательную спеклограмму волной единичной амплитуды, направленной по нормали

(10)

где . Закoн распределения интерференционных полос в координатах (х_i, у_i), имеет вид:

(11)

Таким образом, интенсивность наблюдаемого изображения объекта модулирована функцией с уравнением светлых полос

2Δw(х_i, у_i)=nλ (12)

где Δw(х_i, у_i) - разность перемещений одного знака сравниваемых участков изделия.

Описанный способ получения отражательных голографических интерферограмм был использован в задаче определения остаточных напряжений в сварных соединениях. Эксперимент осуществляли следующим образом.

Коллимированным лазерным излучением освещали сравниваемые участки поверхности с различными величинами остаточных напряжений, один из которых совпадал с зоной сварного шва. Между экспозиций в окрестности специально выделенных точек вдавливали

- 32 -

шарик, создавая локальную зону пластического деформирования и возвращали объект в первоначальное положение.

На рис.2 приведены интерферограммы. полученные с помощью предлагаемого адаптивного интерферометра для случаев непосредственной визуализации зоны локального пластического деформирования (рис.2.а) в области существования остаточных напряженней результаты компенсационных измерений (рис.2.б), когда шарик вдавливали в оба сравниваемых участка поверхности. На рис.2.б выделена информация о нормальных перемещениях, вызванных только остаточными напряжениями без учета пластического деформирования материала от внедрения индентора.

Применение описанного адаптивного интерферометра ограничено случаем, когда требуется определить разность полей перемещений одного знака. Для компенсации перемещений поверхностей разных знаков возможно использование интерферометра, предложенного в работе /б/.

Л и т е р а т у р а

1. Н.Г.Власов. Интерференционные измерения в диффузно-когерентном излучении на основе голографии интенсивностей. // Материалы v Всесоюзной школы по голографии. Л. ЛИЯФ. 1973. С.293-304.

2. С.Б.Артеменко, В.Г.Речкалов, Б.П.Кузьменко. О едином подходе к интерпретации голографических и спекл-интерферограмм. // Применение методов лазерной интерферометрии для повышения качества изделий. 1984. С.39-40.

3. waters j.p., object motion compensation by spechle reference interferometry - appl.opt., 11, 630(1972).

4. Н.Г.Власов, Ю.П.Пресняков. Интерферометрия сдвига диффузно-отражаюших объектов. // Квантовая электроника. 1973. №2. С.199-201.

5. laser spechle and related phenomena (ed, by j.c.dainty) -topics in appl.phyr., 1975, 9(9). 248 р.

6. С.Б.Артеменко, Г.П.Пызин. О голографических интерферометрах сдвига диффузно-отражающих объектов. // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. М.: ВНИИОФИ, 1986. С.260.

- 33 -

а)

б)

Рис.1. Оптические схемы спекл-интерферометра сдвига /а/ и его голографического аналога /б/.

1,2 - исследуемые участки поверхности,

3,4,10,11 - зеркала,

5,6 - регулируемые диафрагмы,

7’,7 - спеклограмма сдвига и голограмма во встречных пучках, соответственно

8,9 - объективы,

8’,9’ - билинза.

- 34 -

а) б)

Рис.2. Голографические интерферограмма области сварного шва

при вдавливании шарика.

а- визуализация абсолютных перемещений;

б- проявление остаточных напряжений, как результат оптической компенсации перемещений от локального пластического деформирования.