ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕФРОМЕТР ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ.

В статье проведен анализ состояния вопроса на современном этапе развития техники. Описывается научно-технический подход к созданию цифровых голографических измерительных систем.

Описывается конструкция измерительного комплекса ,включающего интерферометр, цифровую камеру машинного зрения, источник лазерного излучения, а также пакет прикладных программ для записи и ввода цифровых голограмм в компьютер и их автоматизированной  обработки для получения полей перемещений поверхности деформируемого объекта.

Приводятся результаты лабораторных  испытаний системы , включающих измерения полей перемещений поверхности модельных объектов при статическом и динамическом характере деформаций.

Методы и аппаратура измерения деформаций в промышленности ( аэрокосмической, автомобильной, станко- и судостроительной и т.д.) играют важнейшую роль в процессе проектирования, доводки и производства ответственных деталей и узлов новой техники. Информация, получаемая в процессе измерений, позволяет инженерам и конструкторам сократить сроки разработки, повысить качество и надежность изделий. Одним из наиболее универсальных методов оценки деформаций является голографическая интерферометрия (ГИ). ГИ обладает рядом уникальных свойств, к которым относятся:

— высокая чувствительность ( десятые и сотые доли микрона);

—  бесконтактность;

— получение информации одновременно обо всей исследуемой поверхности;

— возможность проведения измерений независимо от формы и материала изделия.

Однако, традиционно используемые методы ГИ имеют также и ряд ограничений, снижающих их привлекательность для инженерной практики – необходимость виброизоляции объекта и установки, затемнения помещения, химической обработки фотопластин. Новейшие достижения в области компьютерной техники и электроники позволяют в значительной мере преодолеть указанные ограничения.

Голография – это техника записи и воспроизведения волновых фронтов. А голографическая интерферометрия позволяет сравнить  волновые фронты, зарегистрированные в различные моменты времени /1, 2/ и успешно используется для измерения деформаций с середины 60-х годов прошлого столетия /3-4/. В те годы голограммы ( картины интерференции между опорным и объектным пучками) регистрировались на фотопластинках или фотортермопластичеcких материалах. Физическое восстановление записанных голограмм осуществлялось путем освещения проявленной фотопластинки лазерным светом. Этот процесс является длительным по времени, требует затемнения помещения и фотохимической обработки голограмм, что делает такую ГИ малопригодной для использования в условиях промышленного производства. В последние годы благодаря развитию цифровой телевизионной техники      (CCD, CMOS – камеры), увеличению мощности компьютеров стало возможным создание новых голографических систем, таких как электронная спекл-интерферометрия и цифровая голография

В цифровой голографии анализ и синтез волновых фронтов осуществляется в компьютере. Таким образом, на сегодня имеется возможность регистрировать голограммы непосредственно на светочувствительную матрицу телекамеры и обрабатывать записанную картину распределения интенсивности цифровыми методами в компьютере. Цифровой метод позволяет анализировать волновые фронты, предварительно зарегистрированные телекамерой, без использования физической реконструкции и может быть использован для  сравнения двух и более волновых фронтов ( цифровая голографическая интерферометрия)./ 5-10/

Таким образом, на сегодняшний день имеются научные и технические предпосылки для создания голографических измерительных систем нового поколения, обладающих существенно более широкими возможностями для использования в реальной инженерной практике.

Наиболее перспективным с практической           точки зрения является вариант измерения  деформаций, в котором цифровые голограммы объекта регистрируются высокоскоростной камерой и фазы волновых фронтов , зарегистрированных в различные моменты времени, рассчитываются по записанным картинам интенсивности методом двумерного цифрового преобразования Фурье. Поскольку в этом случае фаза определяется по цифровой голограмме, оказывается возможным определять не только величину, но и направление смещения из одной пары голограмм /11/.

На основе изложенных выше основных принципов цифровой голографической интерферометрии авторами разработан комплект оборудования, обеспечивающий реализацию цифровых голографических методов для решения широкого круга задач экспериментальной механики.

В состав измерительной системы входят:

1.Источник лазерного излучения.

2. Цифровой голографический интерферометр.

3. Система регистрации цифровых голограмм.

4. Программное обеспечение для обработки цифровых голограмм.

Общая схема комплекса представлена на рис. 1

Ключевым узлом измерительной системы является портативный цифровой интерефрометр, предназначенный  для формирования картины интерференции опорного и объектного пучков на светочувствительной матрице ССД-камеры ( рис.2).

Конструктивное исполнение интерферометра обеспечивает ряд важных преимуществ:

1. Применение согласующей оптики позволило удлинить рабочий участок системы объектив-камера и разместить на оптической оси камеры юстируемый светоделительный кубик, что позволяет с минимальными трудозатратами осуществлять регулировку угла схождения опорного и объектного пучков на приемной светочувствительной матрице, а также исключить виньетирование изображения объекта.
2. Zoom-объектив в совокупности с комплектом легкосъемных сменных расширителей оптики обеспечивает минимальные трудозатраты на настройку прибора при изменении размеров исследуемого объекта;
3. Использование в линии оптической задержки выносного зеркала обеспечивает плавную регулировку длины опорного плеча интерферометра при изменении расстояния до исследуемого объекта с минимальными трудозатратами на юстировку схемы.
4. Наличие сменных светофильтров и подвижки, обеспечивающей плавное поступательное перемещение расширителя, позволяет с минимальными трудозатратами подобрать необходимую расходимость и интенсивность опорного пучка, что обеспечивает максимальное качество записи голограмм.
5. В схеме использован светоделительный кубик без отражающего покрытия , что обеспечивает оптимальное соотношение интенсивностей опорного и объектного пучков в плоскости ПЗС-матрицы камеры.
6. Все элементы интерферометра скомпонованы в корпусе из углепластика, что обеспечивает портативность прибора, а также минимальный вес при достаточной жесткости и прочности. Прибор снабжен пылезащитным кожухом и блендами, что позволяет проводить измерения в незатемненном помещении, а также устраняет влияние паразитных внутренних переотражений на качество записи голограмм.

Таким образом, разработанная конструкция обеспечивает максимальную универсальность прибора и возможность его использования в производственных условиях.

Другим важнейшим компонентом системы является пакет прикладных программ, который обеспечивает:

1.Запись одиночных кадров с заданной экспозицией. При этом величина каждой экспозиции регулируется в пределах до 1/16000 сек.

2.Запись серии кадров с частотой до 15 Гц

3.Цифровую реконструкцию каждой голограммы (расчет комплексной амплитуды восстановленной объектной волны).

4.Расчет распределения фаз в каждом из восстановленных изображений.

5.Получение распределения разности фаз (попиксельное вычитание ) для любой выбранной пары голограмм.

6.Фильтрацию изображения.

7.Проведение операции ликвидации разрывов UNWRAP ( получение поля разности оптических фаз).

8.Графическое представление поля разности оптических фаз .

9.Расчет поля перемещений в направлении вектора чувствительности интерферометра.

10. Графическое представление поля перемещений в виде трехмерного графика. Результаты обработки на каждом этапе отображаются на мониторе. При этом  реализована возможность остановки оператором программы обработки на каждом из этапов и выдача текущего результата обработки на печать.

11. Графическое представление результатов расчетов распределений (полей) перемещений производится как в варианте трехмерной , так и двумерной графики с  обеспечением четкого отличия наложенной информации в уровнях серого или в цветовой гамме.

12. В сервисную часть ПО включены функции масштабирования (увеличения/уменьшения) выдачи результатов обработки на экран монитора и печать.

13. ПО в целом и отдельные его процедуры имеют сервисные меню пользователя, обеспечивающие максимальную «прозрачность» работы всего ПО, простоту выбора пользователем реализации как отдельной процедуры, так и их реализации в произвольных наборах или в желаемой последовательности, наглядность и эстетичность форм представления результатов.

С целью проверки работоспособности разработанной измерительной системы были проведены лабораторные испытания, включающие:

— подтверждение (проверку) работоспособности системы при измерении различных видов деформаций исследуемого объекта;

— оценку достоверности получаемой информации путем сравнения результатов измерений с результатами, полученными другими расчетными и экспериментальными методами.

Для проведения испытаний были изготовлены тест-объекты относительно простой формы, что обеспечивает простую возможность проверки полученных результатов расчетными методами.

Тест-объект №1 выполнен в виде стальной прямоугольной пластины с размерами 300х200х3 мм, которая может закрепляться на трех опорах либо на одной опоре в центре.

Тест-объекет №2 представляет собой круглую титановую пластину диаметром 60 мм и толщиной 1 мм, закрепленную в центре.

Проверка работоспособности комплекса при статическом нагружении объекта.

Проверка осуществлялась путем регистрации цифровых голограмм тест объекта №1 в режиме двух экспозиций. Величина экспозиции составляла 1/125 с. Нагружение объекта осуществлялось давлением воздуха, которое прикладывалось к тыльной стороне объекта в промежутке между экспозициями. Величина нагружения контролировалось по манометру системы нагружения. После рагистрации голограмм производилось вычитание фазовых картин пары (построение интерферограмм) и последующее вычисление поля перемещений, произошедших в интервале между экспозициями.  Далее с целью проверки достоверности полученных результатов выполнялась регистрация двухэкспозиционных аналоговых интерферограмм при аналогичном нагружении, а также расчет поля деформаций  методом конечных элементов. Сравнение полученных результатов на качественном уровне ( рис.3,4) показывает, что разработанный прибор обеспечивает получение достоверных результатов измерения деформаций при статическом нагружении.

Проверка работоспособности комплекса при динамическом нагружении объекта.

Проверка осуществлялась путем регистрации серии цифровых голограмм тест-объекта №2 , вибрирующего на резонансных частотах в диапазоне 100 — 4000 Гц. При этом предварительно с помошью виброакселлерометра и осциллографа определялись резонансные частоты колебаний объекта.

Далее производилось компьютерное вычитание отдельных пар записанных цифровых голограмм с построением для каждой из выбранных резонасных частот соотвествующих интерферограмм и расчетом полей виброперемещений. Величины экспозиций при записи голограмм варьировались в пределах от 1/250 с до 1/16000 с .

Выполненные затем эксперименты по регистрации аналоговых интерферограмм методом усреднения по времени  , а также расчеты методом конечного элемента подтвердили достоверность полученных результатов ( рис.5,6 ).

Испытания комплекса в режиме записи серии голограмм при  квазидинамической деформации.

Эксперименты проводились путем регистрации серий цифровых голограмм.

Тест-объект №1, закрепленный в центре, нагружался значительным усилием, приложенным  с тыльной стороны в правом верхнем углу пластины с помощью микрометрического винта. При этом после нагружения наблюдался процесс релаксации напряжений и пластина претерпевала медленно текущие деформации (текучесть). В ходе процесса деформирования с интервалом порядка 30 с производилась последовательная регистрация серии цифровых голограмм и расчет распределения фаз для каждой из них. Далее проводилось последовательное интерферометрическое сравнение голограмм (компьютерное вычитание фазовых картин), полученных на разных стадиях процесса деформирования. Полученные результаты (рис.7) позволяют подробно проследить процесс развития деформаций как на качественном уровне, так и в количественном выражении и , в принципе, открывают возможность для создания итерферометрического кинофильма.

Проведенные исследования показывают, что цифровая голография является  мощным средством бесконтактных измерений деформаций и может быть широко использована при проведении неразрушающих испытаний в промышленности при доводке новой техники, машин и сооружений.

Разработанная система записи и обработки цифровых интерферограмм представляет собой универсальный прибор, который обеспечивает возможность получения достоверной измерительной информации при различных видах нагружения диффузноотражающих объектов.

В данной работе использовался относительно маломощный лазер ( 50 мВт), а также низкочастотная ССД-камера ( максимальная частота записи – 15 Гц). В связи с этим частоты исследуемых процессов ограничивались величиной несколько кГц, а размеры исследуемых объектов – несколькими десятками см. В настоящее время на рынке оборудования появляются камеры с частотой записи в сотни кГц и лазерные источники с мощностью в десятки Ватт. Применение таких комплектующих  позволит существенно расширить возможности метода и производить измерения деформаций крупногабаритных объектов в широком диапазоне частот.

Дополнительные возможности могут быть также обеспечены путем создания автоматизированной системы управления экспозицией при скоростной записи серии интерферограмм, что позволит выполнять съемку интерферометрических кинофильмов быстропротекающих процессов деформирования в реальных конструкциях.

Указанные направления могут стать темой последующих исследований в данной области науки.

Литература

1. C. M. Vest, Holographic Interferometry ,Wiley, New York, 1979.
2. R. Jones and C. Wykes, Holographic and Speckle Interferometry, 2nd ed., CambridgeUniversity, Cambridge, UK, 1989, Chap. 3.
3. R. L. Powell, K. A. Stetson, “Interferometric Vibration Analysis by Wavefront Reconstruction”, J. Opt. Soc. Am., 55, 1593-1598, (1965).
4. K. A. Stetson, R. L. Powell, “Interferometric Hologramm Evaluation and Real_time Vibration Analysis of diffuse Objects”, J. Opt. Soc. Am., 55, 1694-1695, (1965).
5. C. Joenathan, B. Franze, P. Haible, and H. J. Tiziani, “Speckle interferometry with temporal phase evaluation for measuring large-object deformation,” Appl. Opt. 37, 2608–2614, (1998).
6. H. O. Saldner and J. M. Huntley, “Temporal phase unwrapping: application to surface profiling of discontinuous objects,”Appl. Opt. 36, 2770–2775, (1997)
7. J. M. Huntley, G. H. Kaufmann, and D. Kerr, “Phase-shifted dynamic speckle pattern interferometry at 1 kHz,” Appl. Opt. 38, 6556–6563, (1999)
8. A. J. Moore, D. P. Hand, J. S. Barton, and J. D. C. Jones, “Transient deformation measurement with electronic speckle pattern interferometry and a high-speed camera,” Appl. Opt. 38, 1159–1162 , (1999).
9. T. E. Carlsson and A. Wei, “Phase evaluation of speckle patterns during continuous deformation by use of phaseshifting speckle interferometry,” Appl. Opt. 39, 2628–2637, (2000).
10. A. Davila, J. M. Huntley, G. H. Kaufmann, D. Kerr, “ High-speed dynamic speckle interferometry:phase errors due to intensity, velocity, and speckle decorrelation”, Appl. Opt. 44, 3954-3962, (2005)
11. G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Osten, H. J. Tiziani, “Temporal phase unwrapping of

digital hologram sequences”, Appl. Opt. 42, 5846-5854, (2003)

Рис.1 Схема голографического комплекса

Рис.2 Общий вид опытного образца цифрового интерферометра

Рис. 3 Цифровая интерферограмма (а) и рассчитанное поле перемещений поверхности (б)  тест-объекта №1 при статическом нагружени

 

Рис. 4 Аналоговая интерферограмма тест-объекта №1 (а) и расчетная интерферограмма ( метод конечных элементов) тест-объекта №1 (б) при статическом нагружении

 

Рис. 5. Цифровая интерферограмма (а) и соотвествующее поле виброперемещений (б) тест-объекта №2 при колебаниях на резонансной частоте 3515 Гц

Рис.6 Аналоговая интерферограмма (а) и результат расчета методом конечных элементов (б) для формы колебаний  тест-объекта №2 на частоте 3515 Гц