CC BY
6
УДК 535.2:681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-109-113
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ОБРАБОТКИ СПЕКЛОГРАММ
Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Е.Е. Майоров
Работа посвящена экспериментальному исследованию фазоизмерительной установке обработки спеклограмм. Изучение химических, физических и оптических свойств исследуемых объектов всегда являлось важной задачей научно-технического комплекса. В научной практике успешно используют метод спекл-фотографии для исследований вибраций, углов поворота, смещений и деформированного состояния поверхности, поэтому представленная работа перспективна и актуальна. В работе приведены внешний вид и принципиальна схема разработанной установки. Получена зависимость проекции от координаты Х в плоскости спеклограммы. Выявлено, что величина отклонений смещения от среднего значения для й = 5 мкм не превышает 0,1 мкм, для й = 200 мкм - 1,5 мкм. Приведены фотографии спекл-интерференционных полей при критической величине смещения.
Ключевые слова: спеклограмма, фазоизмерительная установка, диффузор, фаза, смещение, фурье-образ, лазер, растр.
Повышение качества и надежности современных методов и технических средств измерений в машиностроении, оптическом приборостроении, химических исследованиях неразрывно связано с расширением и совершенствованием информационной и научной базы экспериментальных исследований [1, 2].
Изучение химических, физических и оптических свойств исследуемых объектов всегда являлось важной задачей научно-технического комплекса [3, 4]. Для решения указанной задачи оптическим и оптико-электронным методам и средствам отведена значимая роль. Эти методы позволяют получать высокоточную и достоверную информацию об изучаемых объектах. Оптические методы контроля являются бесконтактными методами измерений. Их преимущества над другими методами состоит в том, что они высокопроизводительны, имеют хорошую виброзащиту и лишены механического и химического воздействия на изучаемый объект. А значит, использование оптических методов снимает ограничения по классу измеряемых образцов и дает возможность решать различные задачи динамического характера
[5, 6].
В настоящее время в научной практике успешно используют метод спекл-фотографии [7, 8]. Этот метод используется для исследований вибраций, углов поворота, смещений и деформированного состояния поверхности. Метод имеет преимущества над методом голографической интерферометрии в том, что он прост в использовании и нет жестких ограничений к виброзащите [9].
При исследовании объектов сложной формы на метод спекл-фотографии в некоторых случаях накладывают ограничения, если высота вариации рельефа превышает диапазон измерений. Но этот метод дает возможность получить необходимую чувствительность при воспроизведении спеклограмм [10].
Анализ научно-технической литературы показал, что гетеродинные фазоизмерительные методы обработки спеклограмм имеют большой диапазон измеряемых смещений, высокую точность и чувствительность измерений. Но эти средства обработки спеклограмм не удовлетворяют метрологическими характеристиками экспериментаторов, а их функциональные возможности ограничены измерением лишь одной проекции вектора смещения [2, 4, 10].
Поэтому представляет интерес разработанная фазоизмерительная установка обработки спеклограмм, в которой фурье-образ смещенных спекл-структур преобразуется в электрический сигнал с использованием пространственно-частотной модуляции.
Целью работы явилось экспериментальное исследование фазоизмерительной установки обработки спеклограмм.
Постановка задачи. Используя оптический диффузор из матового стекла ^ВК7 и разработанную установку провести измерения двух проекций вектора смещения для выявления точности измерений установки.
Объект и метод исследования. Для проведения эксперимента объектом был плоский диффузор из матового стекла №ВК7.
Для экспериментальных исследований вектора смещения использовалась фазоизмерительная установка, внешний вид которой показан на рис. 1.
Данная фазоизмерительная установка позволяет исследовать смещения объектов сложных форм поверхности, изучать характер деформации, а также анализировать различные отклонения, фиксируя данные на спеклограмме (фотопластинка). На рис. 2 представлена принципиальная схема установки. На фотопластинку 6 воздействуют лучем лазера 1, (лазер ЛГ-79-1). В металлической рамке фиксировалась фотопластинка. Рамка имела подвижки, которые давали возможность смещать её в двух направлениях по оси ОХ и О2.
В задней фокальной плоскости линзы 9 появляется интерференция. Цилиндрический щелевой растр 11 формировал световые сигналы в плоскости фотоприёмников 12, 13, которые преобразовывали эти сигналы в электрические. Далее, сигналы усиливались 14, 15 и определялась их разность фазометром 16.
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки
Рис. 2. Принципиальная схема расшифровки спеклограмм: 1 - лазер; 2, 3, 4,10 - зеркала; 5, 7 - оборачивающие призмы; 6 - спеклограмма; 8 - интерферометр сдвига; 9 - линза; 11 - растр; 12,13 - фотоприемники; 14,15 - узкополосные усилители; 16 - фазометр
С помощью призмы Дове 7 производилась ориентация интерференционных полос. Интерферометр Жамена 8 служил для точного выставления периода полос.
Юстировку установки необходимо было провести для исключения «дрожания» лазерного пучка в плоскости фотопластинки при вращении призмы 5. Если разность фаз сигналов в пересчете на величину смещения не превышало 0,1 мм, то установка находилась в рабочем состоянии. При анализе фотопленки использовался один пучок, а направление изменялось оборачиваемой призмой 5. Светоделитель 3 разводил на два световых пучка падающее на него излучение, тем самым формировал опорный сигнал, фаза которого постоянна. В эксперименте освещение фотопластинки было в разное время: ДФ / под углом ао, затем - ДФ 11 - для угла - сю
/ 2 л // 2 л
ДФ = —т— Дd sin а. , ДФ =--^Ad sin аА ,
X x 0 2 x 0'
где ао - угол падения (освещения спеклограммы), Дйх - величина смещения в направлении ОХ , X - длина волны излучения.
Итак, величина смещения
2 л
ДФ = — Mxsin а0' (1)
где ДФ = (ДФ /+ ДФ //)/2; Ps = D/f, где D/f- относительное отверстие линзы при регистрации спеклограм-мы.
Из (1) следует, что чем больше угол ао тем больше чувствительность. В свою очередь, величина а« определяется углом расхождения Ps. При измерениях угол Ps не превышает 0,3.. .0,35 рад.
Экспериментальные результаты. Измерение вектора смещения производилось с целью проверки точностных характеристик установки обработки спеклограмм. На рис. 3 представлены фотографии спекл-интерференционного поля при величинах смещения, близких к критическим.
На фотографии, рис. 3, а, величина смещения равна 12 мкм. При уменьшении величины смещения период интерференционных полос станет меньше размера дифракционного гало. На фотографии, рис. 3, а, величина смещения равна 200 мкм. Такая величина смещения также близка к критической: при
увеличении смещения период интерференционных полос уменьшится, и полосы будут неразличимы на фоне спекл-шума. Таким образом, в обоих случаях проведение измерений традиционным способом -непосредственным подсчетом интерференционных полос оказывается невозможным. Поэтому экспериментально исследовались перемещения объекта, которые невозможно измерить простым подсчетом интерференционных полос.
а) б)
Рис. 3. Спекл-интерференционные поля при критической величине смещения: а - при смещении
12 мкм; б - при смещении 200 мкм
Регистрация величины смещения на пластинку была сделана с применением диффузора из матового стекла ^ВК7. В направлении оси ОХ двигался объект и фиксировались смещения. На рис. 4 приведены экспериментальные результаты.
а) 6)
5,2 \ № i J Ж 0,1 1 -Г î, л ' т1 '-H-j 11 -
■Î 5.1 Л L I - is' 0,7 L—i [Г- А 1J
5,0 0,1
1 2 3 4 S 12 3 4 5
X, см X, см
в) г)
- II ▲ -1 - ■
j T. i 'J
X, au X, cv
Рис. 4. Экспериментальное определение проекций вектора смещения при смещении объекта
как целого вдоль оси OX: а и б - смещение d = 5 мкм; в и г - смещение d = 200 мкм
Соответственно проекции
dx = d, dy = 0.
Выявлено, что величина отклонений смещения от среднего значения (пунктирная линия) для d = 5мкм не превышает 0,1 мкм, для d = 200мкм - 1,5 мкм.
Заключение. В работе получены фотографии спекл-интерференционных полей при критической величине смещения. Экспериментально определены проекции вектора смещения и получена погрешность измерений при d = 5 мкм - 0,1 мкм и d = 200 мкм - 1,5 мкм. Исследование разработанной фазоизмерительной установки показали, что она может использоваться для расшифровки спеклограмм и
111
удовлетворяет требованиям производственного контроля. Работа может представлять интерес для оптического приборостроения и научных практик.
Список литературы
1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия / Ч. Вест; Пер. с англ. под ред. Ю. И. Островского. М.: Мир, 1982. 504 с.
2. Rastogi P.K. Specie metrology techniques // Optical Engineering. 1988. Vol.21. - N3. - Pp.411426.
3. Archbold E. Displacement measurement from double-exposure specie photography / E. Archbold, A.E. Ennos // Optica Acta. - 1988. - Vol.19. - No.4. - Pp.253-271.
4. Клименко Н.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука. 1985. 224 с.
5. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Шерстобитова А.С. Исследование оптико-электронной системы расшифровки голографических интерферограмм // Оптический журнал. 2013. Т. 80. №3. С.47-51.
6. Франсон М. Оптика спеклов / М. Франсон; Пер. с франц. под ред. проф. Ю.И. Островского. М.: Мир, 1980. 171 с.
7. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм // Приборы. 2021. № 2. С. 20-25.
8. Rastodi P.K., Burillot V., Kaufmann G.H. Comparative phase shifting holographic interferometry // Applied Optics. 1991 Vol.30 No.7 Pp.722-728
9. Майоров Е.Е. Арефьев А.В., Хохлова М.В., Дагаев А.В., Гулиев Р.Б., Таюрская И.С. Экспериментальное определение элементарного смещения в разработанной оптико-электронной системе контроля голографических объектов // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.12. С. 200-205. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-200-205
10. Майоров Е.Е, Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Исследование флуктуаций фазы выходного сигнала системы фазовых измерений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 9. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.9.2021.1287
Костин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, доцент, g kostin@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorov_ee@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)
EXPERIMENTAL STUDY OF A PHASE-MEASURING INSTALLATION FOR PROCESSING
SPECKLOGRAMS
G.A. Kostin, T.A. Chernyak, E.E. Maiorov
The work to an experimental study of a phase-measuring system for processing specklograms is devoted. The study of chemical, physical and optical properties of the studied objects has always been an important task of the scientific and technical complex. In scientific practice, the speckle photography method is successfully used to study vibrations, rotation angles, displacements and the deformed state of the surface, therefore, the presented work is promising and relevant. The paper presents the appearance and schematic diagram of the developed installation. The dependence of the projection on the X coordinate in the plane of the specklogram is obtained. It was revealed that the magnitude of the deviation of the offset from the average value for d = 5 microns does not exceed 0.1 microns, for d = 200 microns - 1.5 microns. Photos of speckle interference fields at a critical displacement value are presented.
Key words: specklogram, phase measuring unit, diffuser, phase, displacement, fourier image, laser,
raster.
Kostin Gennady Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, g_kostin@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, 79119113039@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP)
