Иcпoльзoвание в cпекл-интерферoметре в oптичеcкoй cхеме диффузнo раccеяннoгo излучения в качеcтве oпoрнoгo пучка значительнo раcширяет вoзмoжнocти метoда. Статью дoпoлняют результаты реальных экcпериментoв по иccледованию деформации микроcтруктуры поверхноcти.
Развитие цифровых cредcтв региcтрации и обработки изображений cущеcтвенно раcширяет возможности известных методов спекл-интерферометрии [1, 2], использовавшихся ранее для измерения полей перемещений и углов поворота диффузно отражающих объектов. Запись спекл-структур с помощью ПЗС-матриц вместо неоперативной регистрации на фотоэмульсию или на низкочувствительный фототермопластический материал позволяет получать спекл-интерферограммы в режиме реального времени. В настоящей работе обсуждаются экспериментальные аспекты цифровой регистрации спекл-интерферограмм в реальном времени и отмечаются новые интересные возможности, которые открывает данная методика.
С экспериментальной точки зрения преимуществом методов корреляционной спекл-ин-терферометрии перед гологра-фической интерферометрией является существенное снижение пространственной частоты регистрируемых полей. В результате картина интерференции опорного и предметного волновых полей может быть записана с помощью матричного фотоприемника и введена в компьютер для дальнейшей обработки. В то же время оптические схемы спекл-интерфе-рометров, как правило, не имеют существенных отличий от схем голографических интерферометров, так как тоже требуют формирования опорного и предметного пучков и их наложения в плоскости регистратора. Поэтому на практике схемы спекл-интерферомет-ров оказываются громоздкими, требующими виброзащиты и тщательной юстировки. Однако схема спекл-интерферометра может быть существенно упрощена, если воспользоваться тем фактом, что в качестве опорного пучка в спекл-интерферометре можно использовать диффузно рассеянное поле.
Такая упрощенная схема представлена на рис.1. Она предназначена для регистрации перемещений, перпендикулярных поверхности объекта. В ней формирование опорного и предметного пучков осуществляется за счет деления по волновому фронту.
Пучок лазерного излучения 1 расширяют системой из двух линз 2 и 3. Цилиндрическая линза 3 предназначена для дополнительного расширения пучка в горизонтальном направлении. Расширенный пучок освещает исследуемый объект 4 вместе с установленным рядом с ним отражающим диффузным рассеивателем 5. С помощью фотообъектива 6 формируют изображение объекта в плоскости ПЗС-матри-цы 7. Отверстие диафрагмы объектива делают малым, например 1:16, чтобы размер элементов спекл-структуры изображения в плоскости приемной матрицы превосходил бы шаг пикселов. В качестве опорного волнового поля используют излучение, отраженное от диффузного рассеивателя 5. Для введения его в объектив 6 и наложения на объектное поле используют дифракционную решетку 8 с углом дифракции в первом порядке, равным среднему угловому расстоянию между объектом 4 и рассеивателем 5. Дифракционную эффективность решетки подбирают так, чтобы обеспечить равенство интенсивностей нулевого и первого порядков дифракции. Этим требованиям удовлетворяют только фазовые решетки, полученные, например, голографическим способом. В качестве диффузного рассеивателя используют светлую диффузно-отражаю-щую пластину, размер которой несколько превосходит размер объекта. При этих условиях в плоскости приемной матрицы на изображение объекта, сформированное в нулевом порядке дифракции, накладывается изображение диффузного рас-сеивателя, сформированное в первом порядке дифракции.
В результате интерференции этих двух полей возникает новая спекл-структура, конкретная реализация которой определяется разностью фаз Δφ интерферирующих полей. Изменение разности фаз Δφ на величину (2πm+1)π, где m - целое число, приводит к полной де-корреляции указанной интерференционной спекл-структу-ры, в то время как при изменении разности фаз Δφ на величину 2πm спекл-структура сохраняется, то есть оказывается коррелированна с первоначальной. Это свойство используется для получения спекл-интерферограммы, отображающей поле перемещений поверхности объекта.
Рис.1. Оптическая схема спекл-иитерферометра
С этой целью производят двукратную регистрацию спекл-структуры - до и после деформирования объекта. Оба изображения вводят в компьютер и производят поэлементное вычитание их интенсивностей. В качестве меры степени корреляции двух введенных изображений используют усредненное по малой области значение |ΔI| модуля поэлементной разности их интенсивностей. В тех зонах, где корреляция сохранилась, среднее значение |ΔI| будет близко к нулю, а там, где корреляция нарушилась, значение |ΔI| будет существенно отлично от нуля. Таким образом, на разностном изображении черные полосы будут являться геометрическим местом точек, в которых изменение фазы объектного волнового поля вследствие его деформации кратно 2π. Если направления освещения и наблюдения объекта близки к нормали к его поверхности, то указанное изменение фазы будет происходить при перемещении поверхности на величину λ/2 вдоль нормали. Эта величина и представляет собой цену полосы на полученной спекл-интерферограмме.
Рис.2. Визуализация динамики деформации мембраны
Современная цифровая техника позволяет вводить в компьютер спекл-структуры в режиме видеосъемки и оперативно вычислять меру их корреляции, что открывает возможность регистрации и наблюдения полей деформаций в реальном времени. Такой метод наблюдения был осуществлен нами с помощью описанного выше спекл-интерферометра (рис.1).
В качестве регистрирующего устройства была использована монохромная камера с матрицей Kodak, 1288x1032, площадью ~1см². Объектом исследования служила зажатая по контуру круглая стальная мембрана диаметром 120 мм, деформируемая избыточным давлением воздуха с внутренней стороны. Изображение мембраны проецировал на приемную матрицу фотообъектив (фокусное расстояние 50 мм). Пространственная частота дифракционной решетки, совмещающей изображения объекта и формирующего опорное поле диффузного рассеивателя, составляла 350 мм-1. Источником излучения служил твердотельный одномодовый лазер (SLM, TEM00) MH-GreenLight мощностью 80 мВт с длиной волны 0,532 мкм. При использовании малого значения диафрагмы (1:16) оптимальная экспозиция составляла 1 с.
Для получения интерферо-грамм в реальном времени в компьютер вводили первый кадр, называемый кадром сравнения, на котором была зафиксирована исходная спекл-структура, соответствующая недеформированному состоянию объекта. Затем с интервалом времени в 1 с камера регистрировала текущие спекл-структуры, отображающие деформирование объекта. На рис.2 приведены три кадра ин-терферограмм, последовательно отображающих плавно нарастающий прогиб мембраны.
Эти кадры в реальном времени вводились в компьютер, и вычислялась мера их корреляции с первым кадром. Время, затрачиваемое на такое вычисление, было существенно меньшим, чем время экспонирования одного кадра. Результат вычислений в виде интер-ферограммы немедленно выводился на монитор. В итоге можно было наблюдать фильм, отображающий процесс деформирования объекта.
Описанный спекл-интерферометр реального времени позволяет существенно расширить возможности использования спекл-интерферометрии для исследования полей перемещений объектов. До настоящего времени фактором, ограничивающим диапазон исследуемых полей перемещений, являлось падение контраста интерференционных полос на интерферограмме, которое наблюдалось при увеличении их пространственной частоты в ходе нагружения объекта. Чтобы гарантировать хороший контраст полос на интер-ферограммах, получаемых методом двойной экспозиции, приходилось ограничиваться сравнительно малыми уровнями деформаций объекта. Наблюдение интерферограмм в реальном времени позволяет вводить обновление исходного кадра сравнения. Каждый раз, как только контраст интерфе-рограммы падает до некоторого порогового уровня, берут новый кадр сравнения из текущих кадров. Теперь перемещения измеряются относительно нового начала отсчета. При этом информация о предыдущем интервале нагружения объекта относительно первого кадра сравнения не пропадает - она остается в памяти компьютера. Подобное изменение начала отсчета можно производить многократно и по завершении цикла нагружения вычислить полную величину перемещений путем суммирования данных по серии интерферограмм, полученных во всей последовательности кадров сравнения. В результате окажется возможным непрерывно наблюдать процесс деформирования объекта вплоть до его разрушения.
Методика обновления кадра сравнения существенно расширяет также возможности спекл-интерферометрии при исследовании полей перемещений в условиях, когда вследствие механических или химических процессов происходит постепенное изменение микроструктуры поверхности исследуемого объекта, что также вызывает падение контраста интерференционных полос. Примером таких процессов являются пластические деформации и коррозия. Своевременное обновление кадра сравнения в этих случаях позволит сохранять информацию о процессе деформирования в течение любого времени наблюдения.
Литература
1. Duffy D. Moire Gauging of In-plain Displacement Using Double Aperture Imaging. - Appl. Opt. 1972. v. 11. № 8.
2. Leendertz J. A. - J. Phys. E: Sci.Instmm. 1970, v. №3.
Развитие цифровых cредcтв региcтрации и обработки изображений cущеcтвенно раcширяет возможности известных методов спекл-интерферометрии [1, 2], использовавшихся ранее для измерения полей перемещений и углов поворота диффузно отражающих объектов. Запись спекл-структур с помощью ПЗС-матриц вместо неоперативной регистрации на фотоэмульсию или на низкочувствительный фототермопластический материал позволяет получать спекл-интерферограммы в режиме реального времени. В настоящей работе обсуждаются экспериментальные аспекты цифровой регистрации спекл-интерферограмм в реальном времени и отмечаются новые интересные возможности, которые открывает данная методика.
С экспериментальной точки зрения преимуществом методов корреляционной спекл-ин-терферометрии перед гологра-фической интерферометрией является существенное снижение пространственной частоты регистрируемых полей. В результате картина интерференции опорного и предметного волновых полей может быть записана с помощью матричного фотоприемника и введена в компьютер для дальнейшей обработки. В то же время оптические схемы спекл-интерфе-рометров, как правило, не имеют существенных отличий от схем голографических интерферометров, так как тоже требуют формирования опорного и предметного пучков и их наложения в плоскости регистратора. Поэтому на практике схемы спекл-интерферомет-ров оказываются громоздкими, требующими виброзащиты и тщательной юстировки. Однако схема спекл-интерферометра может быть существенно упрощена, если воспользоваться тем фактом, что в качестве опорного пучка в спекл-интерферометре можно использовать диффузно рассеянное поле.
Такая упрощенная схема представлена на рис.1. Она предназначена для регистрации перемещений, перпендикулярных поверхности объекта. В ней формирование опорного и предметного пучков осуществляется за счет деления по волновому фронту.
Пучок лазерного излучения 1 расширяют системой из двух линз 2 и 3. Цилиндрическая линза 3 предназначена для дополнительного расширения пучка в горизонтальном направлении. Расширенный пучок освещает исследуемый объект 4 вместе с установленным рядом с ним отражающим диффузным рассеивателем 5. С помощью фотообъектива 6 формируют изображение объекта в плоскости ПЗС-матри-цы 7. Отверстие диафрагмы объектива делают малым, например 1:16, чтобы размер элементов спекл-структуры изображения в плоскости приемной матрицы превосходил бы шаг пикселов. В качестве опорного волнового поля используют излучение, отраженное от диффузного рассеивателя 5. Для введения его в объектив 6 и наложения на объектное поле используют дифракционную решетку 8 с углом дифракции в первом порядке, равным среднему угловому расстоянию между объектом 4 и рассеивателем 5. Дифракционную эффективность решетки подбирают так, чтобы обеспечить равенство интенсивностей нулевого и первого порядков дифракции. Этим требованиям удовлетворяют только фазовые решетки, полученные, например, голографическим способом. В качестве диффузного рассеивателя используют светлую диффузно-отражаю-щую пластину, размер которой несколько превосходит размер объекта. При этих условиях в плоскости приемной матрицы на изображение объекта, сформированное в нулевом порядке дифракции, накладывается изображение диффузного рас-сеивателя, сформированное в первом порядке дифракции.
В результате интерференции этих двух полей возникает новая спекл-структура, конкретная реализация которой определяется разностью фаз Δφ интерферирующих полей. Изменение разности фаз Δφ на величину (2πm+1)π, где m - целое число, приводит к полной де-корреляции указанной интерференционной спекл-структу-ры, в то время как при изменении разности фаз Δφ на величину 2πm спекл-структура сохраняется, то есть оказывается коррелированна с первоначальной. Это свойство используется для получения спекл-интерферограммы, отображающей поле перемещений поверхности объекта.
Рис.1. Оптическая схема спекл-иитерферометра
С этой целью производят двукратную регистрацию спекл-структуры - до и после деформирования объекта. Оба изображения вводят в компьютер и производят поэлементное вычитание их интенсивностей. В качестве меры степени корреляции двух введенных изображений используют усредненное по малой области значение |ΔI| модуля поэлементной разности их интенсивностей. В тех зонах, где корреляция сохранилась, среднее значение |ΔI| будет близко к нулю, а там, где корреляция нарушилась, значение |ΔI| будет существенно отлично от нуля. Таким образом, на разностном изображении черные полосы будут являться геометрическим местом точек, в которых изменение фазы объектного волнового поля вследствие его деформации кратно 2π. Если направления освещения и наблюдения объекта близки к нормали к его поверхности, то указанное изменение фазы будет происходить при перемещении поверхности на величину λ/2 вдоль нормали. Эта величина и представляет собой цену полосы на полученной спекл-интерферограмме.
Рис.2. Визуализация динамики деформации мембраны
Современная цифровая техника позволяет вводить в компьютер спекл-структуры в режиме видеосъемки и оперативно вычислять меру их корреляции, что открывает возможность регистрации и наблюдения полей деформаций в реальном времени. Такой метод наблюдения был осуществлен нами с помощью описанного выше спекл-интерферометра (рис.1).
В качестве регистрирующего устройства была использована монохромная камера с матрицей Kodak, 1288x1032, площадью ~1см². Объектом исследования служила зажатая по контуру круглая стальная мембрана диаметром 120 мм, деформируемая избыточным давлением воздуха с внутренней стороны. Изображение мембраны проецировал на приемную матрицу фотообъектив (фокусное расстояние 50 мм). Пространственная частота дифракционной решетки, совмещающей изображения объекта и формирующего опорное поле диффузного рассеивателя, составляла 350 мм-1. Источником излучения служил твердотельный одномодовый лазер (SLM, TEM00) MH-GreenLight мощностью 80 мВт с длиной волны 0,532 мкм. При использовании малого значения диафрагмы (1:16) оптимальная экспозиция составляла 1 с.
Для получения интерферо-грамм в реальном времени в компьютер вводили первый кадр, называемый кадром сравнения, на котором была зафиксирована исходная спекл-структура, соответствующая недеформированному состоянию объекта. Затем с интервалом времени в 1 с камера регистрировала текущие спекл-структуры, отображающие деформирование объекта. На рис.2 приведены три кадра ин-терферограмм, последовательно отображающих плавно нарастающий прогиб мембраны.
Эти кадры в реальном времени вводились в компьютер, и вычислялась мера их корреляции с первым кадром. Время, затрачиваемое на такое вычисление, было существенно меньшим, чем время экспонирования одного кадра. Результат вычислений в виде интер-ферограммы немедленно выводился на монитор. В итоге можно было наблюдать фильм, отображающий процесс деформирования объекта.
Описанный спекл-интерферометр реального времени позволяет существенно расширить возможности использования спекл-интерферометрии для исследования полей перемещений объектов. До настоящего времени фактором, ограничивающим диапазон исследуемых полей перемещений, являлось падение контраста интерференционных полос на интерферограмме, которое наблюдалось при увеличении их пространственной частоты в ходе нагружения объекта. Чтобы гарантировать хороший контраст полос на интер-ферограммах, получаемых методом двойной экспозиции, приходилось ограничиваться сравнительно малыми уровнями деформаций объекта. Наблюдение интерферограмм в реальном времени позволяет вводить обновление исходного кадра сравнения. Каждый раз, как только контраст интерфе-рограммы падает до некоторого порогового уровня, берут новый кадр сравнения из текущих кадров. Теперь перемещения измеряются относительно нового начала отсчета. При этом информация о предыдущем интервале нагружения объекта относительно первого кадра сравнения не пропадает - она остается в памяти компьютера. Подобное изменение начала отсчета можно производить многократно и по завершении цикла нагружения вычислить полную величину перемещений путем суммирования данных по серии интерферограмм, полученных во всей последовательности кадров сравнения. В результате окажется возможным непрерывно наблюдать процесс деформирования объекта вплоть до его разрушения.
Методика обновления кадра сравнения существенно расширяет также возможности спекл-интерферометрии при исследовании полей перемещений в условиях, когда вследствие механических или химических процессов происходит постепенное изменение микроструктуры поверхности исследуемого объекта, что также вызывает падение контраста интерференционных полос. Примером таких процессов являются пластические деформации и коррозия. Своевременное обновление кадра сравнения в этих случаях позволит сохранять информацию о процессе деформирования в течение любого времени наблюдения.
Литература
1. Duffy D. Moire Gauging of In-plain Displacement Using Double Aperture Imaging. - Appl. Opt. 1972. v. 11. № 8.
2. Leendertz J. A. - J. Phys. E: Sci.Instmm. 1970, v. №3.
Г.Каленков, А.Штанько, к.ф.-м.н., OOO "Микрохоло", info@microholo.com
Статья опубликована в журнале "Фотоника" № 4 за 2010 год
Статья опубликована в журнале "Фотоника" № 4 за 2010 год
