10.6. О голографических измерительных системах

Когерентные источники света (лазеры), когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи образуют основу датчиков клас­са лазерных измерительных систем (ЛИС) [10.4].

Различные методы использования лазерных системных датчи­ков позволяют создавать ЛИС для целей локализации, гироско-пии, измерения как линейных, так и угловых перемещений, скорос­тей, ускорений и т. п. Практически во всех названных областях с помощью ЛИС были получены возможности производить измере­ния с высокой чувствительностью, в некоторых случаях—с повы­шенной точностью. Среди методов, используемых в ЛИС, особого внимания заслуживают методы голографическои интерферометрии [10.4, 10.5J. Эти методы сочетают, в себе такие достоинства, как бесконтактное и одновременное получение информации о состоя­нии всех точек наблюдаемой поверхности, использование в про­цессе измерения естественной меры—длины световой волны, из­вестной с метрологической точностью, высокое пространственное разрешение, определяемое разрешением оптических систем и в пределе соизмеримое с длиной волны, и др. Лазерные измеритель­ные системы, основанные на использовании методов оптической голографии, называются голографическими измерительными си­стемами (ГИС).

При создании ГИС, реализующих методы голографическои ин­терферометрии, возникает ряд проблем как методического, так и аппаратурного характера. К первым из них относятся выявление закономерностей, связывающих свойства интерферограмм с иссле­дуемыми физическими явлениями, разработка новых методов определения исследуемых характеристик, создание простых и на­дежных методов обработки и расшифровки голографических интер­ферограмм, совершенствование методик их получения и разработ­ка необходимого математического обеспечения. Существенной так­же является задача исследования метрологических характеристик как отдельных звеньев, так и ГИС в целом. К проблемам аппара­турного характера относятся проектирование специальных источ­ников когерентного излучения, голографических установок, обеспе­чивающих реализацию всех методов регистрации и восстановления голограмм, разработка устройств ввода изображений в ЭВМ, спо­собных передать информацию с требуемой точностью, и т. п.

Для решения широкого класса задач экспериментальной меха­ники была создана ГИС [10.5]. Она содержит (рис. 10.16) стаби-

.лизированный по мощности и частоте ионный газовый лазер Л, ■оптическую часть, содержащую универсальный голографический .интерферометр, предназначенный для одновременного получения ■четырех голограмм исследуемого объекта с разных направлений и получения топографических интерферограмм объекта, а также оп­тическую установку для восстановления интерферограмм, скани­рующее электронное устройство быстрого ввода на диссекторе .ЛИ-605, имеющем однострочную развертку и до 300 различимых .линий на экран, позволяющее исследовать оптические изображе­ния размером 18X24 мм с дискретностью 256X256 точек, устрой-

мд

#

Ф

АЦП

k

~>

-*

i

СР '

J

А

i Ск А 1 _1_

.

?

V 1 /_. —N

Л

Юптическая L__-J^S- \ *| часть Г" -1 вашя )

Рис. 10.16. Упрощенная структура голографической ИС

ство расшифровки голографического изображения размером 60X60 мм с большим числом элементов разложения (свыше 10⁴) •с электромеханическим сканированием фотоэлектронным умножи­телем (на рисунке не показано), ЭВМ типа СМ-4 с накопителями :на магнитных дисках МД, устройство представления Д и фоторе­гистрации полутоновой и графической информации. Программное обеспечение создано на языках ФОРТРАН, ФОКАЛ, БЕЙСИК-

На этой ГИС эффективно решаются задачи регистрации голо­грамм, голографических интерферограмм, их восстановления, об­работки и расшифровки содержащейся в них информации. Это по­зволяет получать информацию о частотах и формах колебаний из­делий при их частотных испытаниях, о дефектах изготовления конструкций, о форме поверхности сложных тел, о векторах сме­щений точек поверхности объекта, поверхностных деформациях, .параметрах макро- и микрорельефа поверхности и т. п.

Из перечисленного остановимся на измерении формы сложной поверхности и перемещений объектов.

Для измерения формы сложной поверхности может быть ис­пользован топографический метод, широко используемый в карто­графии. Его идея состоит в том, что трехмерный рельеф представ­ляется в виде плоского изображения с линиями равного уровня— следами пересечения поверхности параллельными плоскостями с постоянным шагом.

Если будет получена голограмма при использовании излучения! лазера на длинах волн ?ч и Я₂, то при восстановлении голограммы на изображении объекта образуются сечения рельефа его поверх­ности через шаг G*=A_IA₂/2|Ai—К₂\. При использовании этого метода удается получить 0* от 1 мкм до 1 мм. В изготовленной ГИС использовался ионный газовый лазер (на аргоне и криптоне),. позволяющий получать 16 длин волн и шаг сечений 6* от 5 мкм до 0,5 мм. При расшифровке и соответствующей обработке (сгла­живание по 60 точкам, определение экстремума и т. п.) можно по/-лучить дробные части шага сечений.

Л

Ь

---*<£■

I'*/ _Ги:

Рис. 10.17. К измерению перемещения с помощью голографи-ческой ИС

Топографическое изображение поверхности объекта может быть успешно использовано для получения статистических характерис­тик поверхности, для определения соответствия поверхности за­данной норме, т. е. для выполнения процедур контроля и т. п.

Для определения перемещения точки О (рис. 10.17) на ГИС по анализу интерферограммы, полученной в начальном и конеч­ном положениях объекта, составляется система уравнений

А\ (го+ГнО =N{k\ d₂ (r₀+r_H2) =N&\ Я₃ (г₀+г_нз) =N_bX.

Здесь го, г_Н1, Гнг, г_н3—направления освещения и наблюдения;

й—смещение в направлении наблюдения; Ni, JV₂, N3—количество

интерференционных полос от полосы нулевого порядка объекта

(недеформируемой точки, например основания в точке О,—как на

рис. 10.17).

Четвертое уравнение di(r₀-\-f_Hi)=N_iX необходимо для того, чтобы определить направление перемещения.

Уместно сказать, что для повышения точности измерения мож­но учитывать дробные части количества интерференционных по­лос, используя известную зависимость интенсивности изображения от расстояния между полосами.

Погрешность измерения очень малых перемещений (порядка нескольких десятков микрометров) может быть около 1%.