CC BY
4
УДК 535.4;681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-200-205
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО СМЕЩЕНИЯ В РАЗРАБОТАННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Е.Е. Майоров, А.В. Арефьев, М.В. Хохлова, А.В. Дагаев, Р.Б. Гулиев, И.С. Таюрская
В приведенной работе даны экспериментальные результаты элементарных смещений в плоскости установки и по нормали, которые были зафиксированы разработанной оптико-электронной системе контроля голографических объектов. Тематика статьи перспективна и актуальна, так как оптико-электронные системы и комплексы ведут измерения с высокой информативностью, точностью и они максимально достоверны. В статье определены объект, предмет и цель исследования. В работе изложен метод воспроизведения интерференционной картины с голограммы, где были зафиксированы два волновых фронта когерентным источником излучения, ограниченным по апертуре и распространяющимся со стороны объекта. Получено уравнение для количественного описания интерференционной картины для идентификации объектов на регистрирующей среде. Проведены экспериментальные измерения элементарного смещения и сравнены полученные результаты с независимым методом измерений.
Ключевые слова: голография, метод двух экспозиций, оптико-электронная система, оптические отсекатели, поляризационный светоделитель, коллиматоры, линза.
В настоящее время в научно-технической сфере огромное внимание уделяется высокотехнологичным методам и средствам для развития научной базы [1, 2]. Высокоточные, достоверные и высокоинформативные измерения - это тот инструмент тот инструмент науки, который выдвигает её на более высокий уровень развития [3, 4]. Руководство страны принимает все необходимые меры для того, чтобы не отстать и не раствориться в современном многогранном и быстро развивающемся научно-техническом мире.
Важное место в научно-техническом развитии занимают оптические, оптико-электронные системы и комплексы [5, 6]. В отличие от химических, физических и механических методов и средств измерений оптико-электронные системы и комплексы не имеют материальных контактов с объектом или средой исследования. Практически все оптические методы и средства измерений дают возможность достигать достоверных результатов эксперимента, они высокоточные (от десятков микрометров до долей нанометров) и высокоинформативные методы [7, 8].
Рассматривая в этой области научных исследований методы измерений, можно с уверенностью сказать, что интерес представляют методы когерентной оптики [9, 10]. Существует множество методов когерентной оптики, но хотелось бы остановиться на методе голографической интерферометрии. Данный метод является уникальным по своим возможностям. Он позволяет исследовать статистические и динамические процессы, дает возможность сравнивать волновые поля в разные моменты времени, получать данные об объекте или среде в количественной или качественной интерпретации, представлять трехмерное изображение исследуемого предмета [11-15].
В работе упор был сделан на метод двух экспозиций, который просто реализуется, дает максимум контраста интерференционной картины, может одновременно восстанавливать объектные световые волны, существовавшие в разные промежутки времени и длительно хранить полученную информацию [15-20].
Поэтому целью работы явилось экспериментальное определение элементарного смещения в разработанной оптико-электронной системе контроля голографических объектов.
Постановка задачи. В работе необходимо изложить метод воспроизведения интерференционной картины с голограммы, где будут зафиксированы два волновых фронта когерентным источником излучения, ограниченным по апертуре и распространяющимся со стороны объекта. Получить уравнение для количественного описания интерференционной картины для идентификации объектов на регистрирующей среде. Провести экспериментальное определение элементарного смещения и сравнить полученные результаты с независимым методом измерений.
Объекты и метод исследования. Объектом исследования была никелевая пластина с диффуз-но отражающей поверхностью и размерами для регистрации 20 х 20 х 5 мм. Для записи голограммы применялась высокоразрешающая пластинка ВРП-М. Эта пластинка предназначена для получения голограмм по конаправленной и контрнаправленной схеме непрерывным или импульсным лазером с длиной волны генерации 530 нм для целей неразрушающего контроля изделий, оптической обработки информации, портретной съемки и съемки движущихся объектов. Запись голограммы осуществлялась по схеме, приведенной на рис. 1. Запись велась по конаправленной схеме. Изменение соотношения интенсивностей объектного и опорного лучей производилось по поляризационному признаку, а отношение интенсивностей объектного к опорным пучкам как 1:4.
Запись элементарных смещений на регистрирующей среде велась, когда объект смещался в плоскости измеряемого канала системы и по направлению нормали к его поверхности (рис. 2). Объект приводился в движение микрометрическими подвижками столика (ОСК-2). В эксперименте запись объ-
екта на регистрирующей среде по нормали к поверхности, перемещался объект вдоль оси Х и вдоль оси 2. Анализ воспроизведенного интерференционного поля был для плоскости Х 2. Интерференция при таком перемещении локализуется и наблюдается в фокальной плоскости линзы с фокусом /
11
Рис. 1. Схема записи голограммы: 1 - лазер; 2, 6,12 - оптические отсекатели; 3, 9,13,16 - высокополированные металлические пластины; 4, 7,14 -1/2 пластинки; 5 - поляризационный светоделитель; 8,15 - коллиматоры; 10 - исследуемый объект;
11 - регистрирующая среда
Экспериментальные исследования. Рассмотрим элементарные смещения вдоль оси X. Опираясь на уравнение определяющее интерференционные полосы в методе Александрова и Бонч-Бруевича для случая, когда ¿у = = 0, получим
Р = ^-¿л* Р (1)
где ф0 - фазовый сдвиг, X - длина волны излучения, а* - элементарное смещение вдоль оси X, гн* -направление наблюдения.
Из (1) следует, что для 1-го направления наблюдения (рис. 2 б), определяемого углом а = а1,
получим
2л , . Р1 = ~Т¿х ^П«! -Рo,
л
где а - угол между нормалью и элементарным смещением. Аналогично для 2-го направления наблюдения
2л
Р2 =-Тёх -Р0.
л
Если направление наблюдения претерпело изменение при смещении на 1-ну интерференционную полосу то:
Др = р2 -р1 = 2л, ё* = —
л
а для малых а
sln а2 - sln а1 « а2 -а1 =
г
где X, - расстояние между интерференционными полосами, /- фокусное расстояние тогда
а*
X,
Рассмотрим элементарные смещения вдоль оси 2. Рассматривая данный вариант смещения, то получаем
2л ,
Р =— < СОа1 -Рo, л
2л
р2 =—а2 cosа2 -р0.
Если направление наблюдения претерпело изменение при смещении на 1-ну интерференционную полосу то:
d Я
dz =- .
cos а2 - cos а1
Если а2 определяет направление центра первого кольца интерференционной картины, то учитывая минимум а,
, 2Я
dz = —•
а2
Полученная формула имеет связь с радиусом первого кольца (ri) и фокусом линзы f
Г = f
f
( 2^/2
v dz ,
(3)
На практике используют 5 интерференционных колец (полос) для определения элементарного смещения. Для расчетов формулы (2) и (3) преобразуются в
5Л/
dx =-
A x
210Я
d.z = f ^-т
(4)
(5)
где А х - линейное смещение в фокальной плоскости линзы, соответствующее пяти интерференционным полосам.
В качестве независимых измерений применялся датчик линейных перемещений 1МИГ с ценой деления шкалы 1 мкм.
Эксперимент приведен на рис. 3. При движении регистрирующей среды в своей плоскости информация с поверхности объекта снималась по точечно.
r
r
пучок; Б - опорный; Б - воспроизводящий; Р - исследуемый объект; Н - регистрирующая среда; Ь - линза 202
d,, мкм
55
Г т I т Т I 1 if1
1 11 1 1 ] [и
d,, мкм
т I \ т ч ill
J 1 i J l] 1
О 1 2 3 4 х, см
Рис. 3. Экспериментальные результаты
Анализируя погрешность измерений 5Х и 5г можно с уверенностью сказать, что основной вклад вносит подсчет полос 5Ж Согласно (4) и (5)
S = —SN, S = ^SN.
1 A. z r2
(6)
При стандартных условиях, когда N = 5 и погрешности 5N из (4), (5) и (6) следует, что относительная погрешность определения d. и dz не превышает 10 %.
Заключение. В результате экспериментальных исследований определены поступательные элементарные смешения объекта как целого в плоскости системы, а также по направлению нормали к его поверхности. Эксперимент показал, что при стандартных условиях относительные погрешности смещений не превышают 10 %, что удовлетворяет требованиям производственного контроля. Представленные исследования могут представлять интерес для оптического приборостроения, в частности, голографии.
Список литературы
1. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение. 1987. 264 с
2. Аранчук В.А., Дрик Ф.Г. Лазерный дифференцирующий интерферометр с голографической решеткой для исследования механических колебаний // ОМП. 1986. №7. С.35-40.
3. Pomarico J., Schnars U. Digital recording and numerical reconstruction of holograms: a new method fpr displaying light in flight // Applied Optics. 1995. Vol.34. №7. Pp.8095-8099.
4. Yamaguchi I. Three-dimensional microscopy and measurement by phase-shifting digital holography. // Proceedings of SPIE. 2001. Vol.4607. Pp.153-160.
5. Furlong C., Yokum J. Sensivity, accuracy, and precision issues in opto-electronic holography based on fiber optics and high spatial and high digital resolution cameras. // Proceedings of SPIE. 2002. Vol.777. Pp.77-84
6. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В., Майоров Е.Е. Обработка голографических интер-ферограмм и спеклограмм с использованием двухчастотного лазера. - Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. НТ вестник. 2003. Вып.11. С.21-24
7. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.Ч., Константинова А.А. Разработка оптической системы обработки голографических интерферограмм // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 7. C. 25-32 DOI: 10.25791/pribor.07.2020.1190.
8. Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 8. C. 179-189.
9. Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Хохлова М.В. Измерение микрорельефа негладких поверхностей автоматизированным интерферометром в низкокогерентном свете // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 8. C. 211-219
10. 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.
11. Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Константинова А.А., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Громов О.В. Расчет основных параметров оптико-электронной системы наблюдения и изучения интерференционных структур на голограммах // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. C. 184-192.
12. Майоров Е.Е., Громов О.В., Курлов В.В., Коцкович В.Б., Петрова Е.А., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Исследование рельефа поверхности биологических объектов методом контроля, анализирующим расходимость // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. C. 383-388
13. Хохлова М.В., Арефьев А.В., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Громов О.В. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного оптического щупа триггер-ного типа // Приборы. 2021. № 5. С. 8-16.
14. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Исследование оптико-электронной системы при обработке голографических пластин // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 8 (110). С. 103-108. DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.110.8.015
15. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Интерференционная система измерения геометрических параметров отражающих поверхностей // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 6 (108). С. 184-189. DOI: DOI: 10.23670/IRJ.2021.108.6.029
16. Черняк Т.А., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Попова Е.В., Петрова Е.А., Хохлова М.В. Математическое моделирование интерференционного сигнала и получение диапазона измерений величины смещения // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.6. С. 199-204. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-199-204
17. 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
18. А.В. Арефьев, В.Б. Коцкович, Е.Е. Майоров, В.П. Пушкина, А.А. Сорокин, С.В. Удахина Исследование разработанного интерференционного зонда для измерения неровностей реальных поверхностей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 2. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.2.2022.1319
19. Е. Е. Майоров, В. Б. Коцкович, В. П. Пушкина, А. В. Арефьев, Р. Б. Гулиев, А. В. Дагаев Исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики // Научное приборостроение. 2022. Т.32. №2. С. 65-74
20. Ю.М. Бородянский, Е.Е. Майоров, Е.А. Петрова, Е.В. Попова, В.В. Курлов, С.В. Удахина Измерение геометрических параметров поверхностей сложной формы низкокогерентной оптической системой // Приборы. 2022. № 5 (263). С.3-7.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, aaref@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, mvxox@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaev@list.ru, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, доцент, ramiz63@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС,
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, tis_ivesep@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE ELEMENTARY DISPLACEMENT IN THE DEVELOPED OPTOELECTRONIC CONTROL SYSTEM OF HOLOGRAPHIC OBJECTS
E.E. Maiorov, A.V. Arefiev, M.V. Khokhlova, A.V. Dagaev, R.B. Guliyev, I.S. Tayurskaya
In this paper, experimental results of elementary displacements in the installation plane and along the normal are given, which were recorded by the developed optoelectronic control system for holographic objects. The topic of the article is promising and relevant, since optoelectronic systems and complexes conduct meas-
urements with high information content, accuracy and they are as reliable as possible. The article defines the object, subject and purpose of the study. The paper describes a method for reproducing an interference pattern from a hologram, where two wave fronts were recorded by a coherent radiation source limited in aperture and propagating from the side of the object. An equation is obtained for the quantitative description of the interference pattern for the identification of objects on the recording medium. Experimental measurements of the elementary displacement were carried out and the results obtained were compared with an independent measurement method.
Key words: holography, two-exposure method, optoelectronic system, optical cut-offs, polarizing beam splitter, collimators, lens.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, aaref@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation
(GUAP),
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate of pedagogical sciences, docent, mvxox@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Dagaev Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, adagaev@list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation,
Guliyev Ramiz Balihanovich, candidate of technical sciences, docent, ramiz63@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, University at the EurAsEC Interparliamentary Assembly,
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg university of management technologies and economics
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-205-209
МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕКУЩИХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ СИГНАЛА ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.Л. Румянцев, С.А. Курбатский, Д.А. Хомяков, Д.В. Смыляев
Предложены модели распределения интенсивности переотражения сигнала на трассе цель-морская поверхность-РЛС. Определены границы области формирования сигнала для /-той блестящей точки цели. Разработана методика цифрового моделирования коэффициентов зеркального и диффузного отражения от морской поверхности.
Ключевые слова: надводная цель, угол места, сигнал, блестящая точка цели, диффузное отражение, критерий Релея.
Существенное влияние на флуктуации переотраженного сигнала и2($), а следовательно, и ошибку пеленга цели у($), оказывают переотражающие свойства поверхности раздела, исследованию которых посвящен ряд работ [1-4]. Вследствие большого разнообразия электрических свойств и мелкой структуры (расположение борозд, комков земли и т.д.), земных поверхностей, точное решение задачи об их отражающих свойствах методами электродинамики осуществить практически невозможно. Поэтому в настоящее время земная поверхность может быть описана только статистически, т.е. с помощью аппарата случайных функций.
В общем случае, при наблюдении надводной цели, находящийся на морской поверхности, в составе переотраженного ею сигнала ЩО имеются две составляющие: зеркальная Ц"2з ((), определяемая
коэффициентом зеркального отражения Rs и диффузная ^д '' $), определяемая коэффициентом диффузного отражения Ка. Удельный вклад каждой составляющей в суммарный сигнал и2($) зависит от степени шероховатости подстилающей поверхности.
В случаях, когда удовлетворяется критерий Релея [2] и поверхность раздела можно считать гладкой, переотраженный сигнал и2($) формируется только за счет зеркальной составляющей и2з ($),
которая в данном случае определяется коэффициентом отражения от гладкой поверхности К0. При этом, как показано на рис. 1, каждой /'-той блестящей точке цели соответствует точка зеркального переотражения (антипод).
