Электронная интерферометрия спекл-паттернов

Электронная спекл-интерферометрия ( ESPI ), ^[1] также известная как телевизионная голография , представляет собой метод, который использует лазерный свет вместе с обнаружением, записью и обработкой видео для визуализации статических и динамических смещений компонентов с оптически шероховатыми поверхностями. Визуализация осуществляется в виде полос на изображении, где каждая полоса обычно представляет собой смещение на половину длины волны используемого света (т.е. четверть микрометра или около того).

ESPI можно использовать для измерения напряжений и деформаций , анализа режимов вибрации и неразрушающего контроля . ^[2]ESPI во многом похожа на голографическую интерферометрию , но есть и существенные различия. ^[3] между двумя техниками.

Как это работает

Исследуемый компонент должен иметь оптически шероховатую поверхность, чтобы при его освещении расширенным лазерным лучом формируемое изображение представляло собой субъективный спекл-паттерн . Свет, попадающий в точку пятнистого изображения, рассеивается от конечной области объекта, и его фаза , амплитуда и интенсивность , которые являются случайными, напрямую связаны с микроструктурой этой области объекта.

Второе световое поле, известное как опорный луч, создается тем же лазерным лучом и накладывается на изображение видеокамеры (различные конфигурации позволяют проводить разные измерения). Два световых поля интерферируют , и результирующее световое поле имеет случайную амплитуду, фазу и интенсивность и, следовательно, также представляет собой спекл-паттерн. Если объект сместится или деформируется, расстояние между объектом и изображением изменится, и, следовательно, изменится фаза спекл-паттерна изображения. Относительные фазы опорного и объектного луча изменяются, и, следовательно, изменяются интенсивности объединенного светового поля. Однако, если изменение фазы светового поля объекта кратно 2π, относительные фазы двух световых полей не изменятся, и интенсивность всего изображения также не изменится.

Для визуализации этого эффекта изображение и опорный лучи объединяются на видеокамере и записываются. Когда объект был смещен/деформирован, новое изображение вычитается по точкам из первого изображения. Полученное изображение представляет собой спекл-паттерн с черными «бахромками», представляющими контуры постоянной 2nπ.

Конфигурации

Измерение смещения вне плоскости

Опорный луч представляет собой расширенный луч, полученный из лазерного луча, и добавляется к изображению объекта, формируемому на видеокамере.

Амплитуда света в любой точке изображения представляет собой сумму света от объекта (предметный луч) и второго луча (опорный луч). Если объект движется в направлении обзора, изменяется расстояние, пройденное предметным лучом, изменяется его фаза, а следовательно, изменяется и амплитуда объединенных лучей. Когда второй рисунок спеклов вычитается из первого, получаются полосы, которые представляют собой контуры смещения вдоль направления наблюдения (смещение вне плоскости). Это не интерференционные полосы, их иногда называют «корреляционными» полосами, поскольку они отображают области спекл-рисунка, которые более или менее коррелированы. Строго говоря, полосы представляют собой чисто внеплоскостное смещение только в том случае, если поверхность освещена нормально (для этого необходимо использовать светоделитель для освещения объекта), но зависимость от перемещения в плоскости относительно невелика, если только освещение объекта не находится далеко от нормального направления.

Полосы на изображении выше — это полосы, выходящие за пределы плоскости. Пластина повернута вокруг вертикальной оси, а полосы представляют собой контуры постоянного смещения. Интервал контура составляет около 0,3 мкм, поскольку He-Ne-лазер в системе использовался . Как и во многих интерферометрических методах, невозможно идентифицировать полосу нулевого порядка без дополнительной информации от системы. Это означает, что движение твердого тела на половину длины волны (0,3 мкм) по направлению к камере не меняет рисунок полос.

Голографическая интерферометрия дает ту же информацию, что и внеплоскостные полосы ESPI.

Измерение внеплоскостной вибрации

Полосы ESPI, показывающие одну из форм вибрации зажатой квадратной пластины.

Оптическая схема такая же, как и для смещения вне плоскости, описанного выше. Объект вибрирует с определенной частотой. Те части объекта, которые не двигаются, продолжат оставаться пятнистыми. Можно показать, что части объекта, вибрирующие с амплитудой nλ/4, имеют более высокий спекл-контраст, чем те части, которые вибрируют с амплитудой (n+½)λ/4.

Эта система проще в эксплуатации, чем любая из систем измерения смещения, поскольку полосы получаются без необходимости какой-либо регистрации. Режим вибрации можно наблюдать на изображении с камеры как изменение контраста спеклов, а не как изменение интенсивности, но различить его довольно сложно. Когда изображение подвергается высокочастотной фильтрации, изменение контрастности преобразуется в изменение интенсивности, и наблюдается узор полос, показанный на диаграмме, где полосы четко видны.

Голографическую интерферометрию можно использовать таким же образом для картирования режимов вибрации.

Измерение в плоскости

Объект освещается двумя лучами, полученными из одного и того же лазерного луча, падающими на объект с противоположных сторон. Когда объект смещается или деформируется в направлении, нормальном к направлению наблюдения (т.е. в его собственной плоскости), фаза одного луча увеличивается, а другого уменьшается, так что относительная фаза двух лучей изменяется. Когда это изменение кратно 2π, картина спеклов совпадает сама с собой (остается прежней), а в других местах она меняется. ^[4] При использовании описанной выше техники вычитания получаются полосы, которые представляют собой контуры смещения в плоскости. ^[5]

Измерение градиента смещения в плоскости

Объект освещается двумя лучами одного и того же лазера, падающими на объект с одной стороны, но под разными углами. Когда объект смещается или деформируется в пределах своей плоскости, относительные фазы двух лучей изменяются пропорционально градиенту. ^[6] смещения в плоскости. Опять же, для отображения полос используется вычитание двух изображений.

Голографическая интерферометрия не имеет эквивалента измерениям в плоскости. ^[7] ЭСПИ. Акустическая интерферометрия, наряду с электромагнитными акустическими преобразователями, способна измерять две поляризации плоских колебаний. ^[8]

См. также

Ссылки

^ Джонс Р., Уайкс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, 1989, издательство Кембриджского университета.
^ Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .
^ Шнарс У., Фальдорф К., Уотсон Дж., Юптнер В., Цифровая голография и зондирование волнового фронта , Глава 8, второе издание, 2014 г., Springer.
^ Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .
^ Гасвик К.Дж., Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons.
^ Гасвик К.Дж., Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons.
^ Крейс Т., Справочник по голографической интерферометрии, 2004, Wiley-VCH
^ Плоские колебания прямоугольной пластины: моделирование и эксперимент по расширению плоской волны, А.Арреола-Лукас, Х.А.Франко-Вильяфанье, Г.Баес и Рамендес-Санчес, Журнал звука и вибрацииТом 342, (2015), 168–176.

Внешние ссылки

[1] Джонс Р., Уайкс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, 1989, издательство Кембриджского университета.

[2] Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .

[3] Шнарс У., Фальдорф К., Уотсон Дж., Юптнер В., Цифровая голография и зондирование волнового фронта , Глава 8, второе издание, 2014 г., Springer.

[4] Шабестари, НП (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой спекл-интерферометрии». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. дои : 10.1007/s12596-019-00522-4 . S2CID 155531221 .

[5] Гасвик К.Дж., Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons.

[6] Гасвик К.Дж., Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons.

[7] Крейс Т., Справочник по голографической интерферометрии, 2004, Wiley-VCH

[8] Плоские колебания прямоугольной пластины: моделирование и эксперимент по расширению плоской волны, А.Арреола-Лукас, Х.А.Франко-Вильяфанье, Г.Баес и Рамендес-Санчес, Журнал звука и вибрацииТом 342, (2015), 168–176.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]