РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА СПЕКЛ-ФОТОГРАФИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ

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 научнотехнического 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 состоят 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 применяют метод спекл-фотографии [7, 8]. Этот метод используется для исследований вибра- ций, 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 спекло-грамм [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 [3, 6, 10].

Поэтому представляет интерес исследование поверхностей сложной формы разработанной фазоизмерительной установкой обработки спекло-грамм, в которой фурье-образ смещенных спекл-структур преобразуется в электрический сигнал с использованием пространственно-частотной модуляции.

Целью работы явилась реализация метода спекл-фотографии для контроля диффузно отражающих поверхностей объектов.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Используя оптический диффузор из матового стекла N-BK7 и разработанную установку, провести измерения одной из проекций вектора смещения для выявления точности измерений установки. На экспериментальной установке получить параметры изменения фазы сигнала при перемещении спеклограмм на разных регистрирующих средах для того, чтобы оценить влияния отклонений соответствующих подложек от плоскопараллельно-сти.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения эксперимента объектами исследования были плоский диффузор из матового стекла N-BK7 и голографические фотоматериалы на основе галогенидов серебра двух производителей — российский ПФГ-03М и французский U08M.

Для экспериментальных исследований двух проекций вектора смещения и отклонений подложек от плоскопараллельности использовалась фазоизмерительная установка, внешний вид которой показан на рис. 1.

Данная фазоизмерительная установка позволяет исследовать смещения объектов со сложными формами поверхности, изучать характер деформации, а также анализировать различные отклонения, фиксируя данные на спеклограмме (фотопластинке).

На рис. 2 представлена принципиальная схема установки. На фотопластинку 6 воздействуют лу-чем лазера 1 (лазер ЛГ-79-1). Фотопластинка фиксировалась в металлической рамке. Рамка имела подвижки, которые давали возможность смещать ее в двух направлениях по осям ОХ и ОZ .

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

Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки

В задней фокальной плоскости линзы 9 появляется интерференция. Цилиндрический щелевой растр 11 формировал световые сигналы в плоскости фотоприемников 12, 13, которые преобразовывали эти сигналы в электрические. Далее сигналы усиливались 14, 15, и определялась их разность фазометром 16.

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 превышала 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 изменялось.

Специализированная программа управляла световым лучом, освещая спеклограмму под определенным углом падения α 0 , и в конечном итоге выводила величину смещения на монитор. С помощью интерфейса программы увеличивали α 0 , соответственно увеличивалась чувствительность измерений. Измерения проводились при α ₀, не превышающем 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, б, 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

б

Рис. 3. Фотографии спекл-интерферен-ционных полей при критической величине смещения.

а — при смещении 12 мкм; б — при смещении 200 мкм измерить простым подсчетом интерференционных полос.

Регистрация величины смещения на пластинку была сделана с применением диффузора из матового стекла N-BK7. В направлении оси OX двигался объект и фиксировались проекции d x и d у . На рис. 4 приведены экспериментальные результаты.

Рис. 4. Экспериментальное определение проекции d x вектора смещения d при смещениях, близких к критическим, объекта как целого вдоль оси OX.

а — смещение объекта d = 5 мкм; б — смещение d = 200 мкм

Соответственно, проекции d x = d , d у = 0.

Выявлено, что величина отклонений смещения от среднего значения (пунктирная линия) для d = = 5 мкм не превышает 0.1 мкм, для d = 300 мкм — 1.5 мкм.

В результате экспериментальных измерений были выявлены отклонения подложек спекло-грамм для фотопластинок U08M и ПФГ-03М. Анализировались спеклограммы, где движение их было постоянным относительно светового луча. При записанном на фотопластинку постоянном движении изменение величины смещения в анализируемой области спеклограммы равно нулю, а значит, и изменение фазы сигнала равно нулю. Итак, критерием оценки влияния отклонений подложки фотопластинки от плоскопараллельности является изменение фазы сигнала при движении спеклограмм. Для получения результатов измерений необходимо было воздействовать на спекло-грамму как одним световым пучком, так и двумя симметричными световыми пучками. Экспериментальные результаты измерений представлены на рис. 5. Испытанию подлежали ПФГ-03М и U08M, толщины подложек у которых были соответственно 2.65 мм и 1.33 мм.

Получен значимый результат, который свидетельствует о конкурентоспособности отечественных голографических фотоматериалов на основе галогенидов серебра к импортным фотоматериалам. Выявлено, что отклонения подложек ПФГ-03М и U08M не сильно отличаются друг от друга

ПФГ-ОЗМ

Рис. 5. Экспериментальные результаты измерений отклонений подложек спеклограмм для ПФГ-03М и U08M.

а, в — освещение одним пучком; б, г — симметричное освещение двумя пучками

и полностью удовлетворяют требованиям производственного контроля, поэтому испытуемые фотоматериалы могут использоваться практически во всех голографических применениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены фотографии спекл-интерференционных полей при критической вели- чине смещения. Экспериментально определены проекции вектора смещения и получена погрешность измерений при d = 5 мкм — 0.1 мкм и d = = 200 мкм — 1.5 мкм. На экспериментальной установке исследованы изменения фазы сигнала при перемещении спеклограмм на разных регистрирующих средах. Проведена оценка влияния отклонений соответствующих подложек от плоско-параллельности фотопластинок. Исследования разработанной фазоизмерительной установки по- казали, что она может использоваться для расшифровки спеклограмм и удовлетворяет требованиям производственного контроля. Экспериментальные результаты могут представлять интерес для голографических практик.