ЛАЗЕРНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Предлагаемая полезная модель для спекл-интерферометрии относится к области электронной измерительной техники и может быть использована в полупроводниковой промышленности, в стекольной отрасли при выращивании и обработке оптически прозрачных материалов, в материаловедении для исследований внутренней структуры, а также в образовании при изучении оптико-физических методов исследования объектов.
Известно устройство для исследования форм колебаний деталей и узлов конструкций в машиностроении методом спекл-интерферометрии, принятое в качестве аналога [1].
Известное устройство содержит источник когерентного излучения, расширитель пучка, светоделитель с совмещенной функцией слабого диффузора, диафрагму, объектив, телекамеру, соединенную с персональной ЭВМ. Каналы формирования предметного и опорного пучков совмещены и светоделитель, выполняющий одновременно функции диффузора, установлен перед измеряемым объектом перпендикулярно оптической оси каналов формирования предметного и опорного пучка, а ось выходного канала с отраженным пучком, по которой сориентированы и установлены диафрагма, объектив и телекамера пересекает оптическую ось каналов формирования предметного и опорного луча под некоторым, произвольным углом к этой оси.
Недостатком данного технического решения является выбранная оптическая схема совмещения каналов с помощью светоделителя с функцией слабого диффузора, ограничивающая класс исследуемых объектов, преимущественно из непрозрачных материалов. Применение данной схемы для исследований прозрачных объектов, когда диффузор расположен перед объектом, вносит дополнительные спеклы в регистрируемый сигнал и усложняет идентификацию и математическую обработку результатов измерений.
Известно устройство для исследования форм колебаний, в частности, деталей газотурбинных двигателей, принятое в качестве второго аналога [2]. Известное устройство содержит твердотельный лазер, расширитель пучка, диффузор-светоделитель, телекамеру, геодезические штативы, массивное основание, устройство ввода и вычислительные средства. При этом лазер с расширителем пучка, телекамера, объект измерений, диффузор-светоделитель расположены на основаниях и штативах, конструктивно не связанных друг с другом, причем диффузор-светоделитель установлен перед исследуемым объектом.
Недостаток известного устройства заключается в ограниченном перечне исследуемых материалов, т.к. в конструкции известного устройства диффузор-светоделитель установлен перед исследуемым объектом, что при исследовании прозрачных объектов вызывает появление дополнительных спеклов в регистрируемом выходном сигнале и приводит к искажению результатов измерений.
Другой недостаток известного устройства состоит в том, что конструкция оптической части, реализована с применением оснований и штативов, жестко не связанных друг с другом, что затрудняет аттестацию устройства и обуславливает получение недостоверных результатов. В данном исполнении известное устройство может быть применимо для проведения качественной оценки параметров контролируемых объектов, а также для макетных работ при отработке конструкции и методики исследований или в полевых условиях, когда не требуется высокая точность измерений, но при проведении измерений и исследований прецизионного характера, измерительная часть устройства не обеспечивает получение точных и стабильных результатов, что также ограничивает диапазон его применений.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство-электронный спекл-интерферометр для проведения испытаний образцов микронитей на растяжение [3], принятое в качестве прототипа.
Известное устройство содержит интерферометрический стол на амортизаторах, микропривод с элементами для крепления и позиционирования, оптическую систему, собранную по модернизированной схеме Майкельсона с пересекающимися и взаимно перпендикулярным положением оптических осей элементов и состоящую из твердотельного лазера с расширителем пучка, коллиматора, полупрозрачного делительного зеркала, корпуса  с oпорно-отражающей поверхностью и видеокамеры, электрически соединенной с вычислительными средствами.
Недостаток известного устройства заключается в наличии слабого спекл-сигнала, регистрируемого при исследованиях и измерениях оптически прозрачных объектов, что связано с рассеянием света в широком телесном угле и энергетическими потерями.
Другой недостаток состоит в характерном для макетов конструктивном решении оптической части, элементы которой не имеют строго фиксированного и взаимно обусловленного положения, они расположены на интерферометрической плите в зависимости от заданной схемы эксперимента (т.е. достаточно произвольно) и для этой заданной схемы каждый элемент индивидуально настраивают вручную, что оправдано при макетировании для оптимизации состава и конструкции устройства или при проведении экспериментов. Но применение данного устройства для систематических исследований и в производственных условиях приводит к погрешностям в измерениях и недостоверным результатам, вызванных необходимостью выполнять частую ручную переналадку и индивидуальную регулировку каждого элемента.
Кроме того, отсутствует системный подход и унификация при конструировании, что обуславливает не технологичность конструкции, затрудняет аттестацию и поверку устройства, а также снижает мобильность устройства.
Задача заявленного технического решения заключается в создании устройства для проведения спекл-интерферометрических исследований оптически прозрачных материалов.
Данная задача достигается за счет того, что лазерный исследовательский комплекс для спекл-интерферометрии, содержащий оптическую систему с пересекающими и взаимно перпендикулярными оптическими осями элементов, включающую лазер с расширителем луча, коллиматор, светоделительное зеркало, узел опорного зеркала и видеокамеру с объективом, платформу с приводом сканирования и вычислительные средства, содержит стойку Т-образной формы, установленную на платформе и светоотражающее зеркало, установленное на приводе сканирования под объектом измерений, элементы оптической системы расположены в вертикальной плоскости, при этом лазер с расширителем, коллиматором, светоделительным зеркалом и узлом опорного зеркала установлены вдоль горизонтальной оптической оси на плите стойки, а видеокамера, привод сканирования и светоотражающее зеркало установлены вдоль вертикальной оптической оси, причем видеокамера закреплена на боковой плите стойки над приводом сканирования.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является высокотехнологичная и компактная конструкции комплекса, позволяющая расширить сферы его применения за счет распространения методики спекл-интерферометрии на область материаловедческих исследований оптически прозрачных, полупрозрачных и слабо прозрачных материалов и объектов, а также сферу образования для использования в учебно-образовательном процессе.
Сущность технического решения поясняется рисунком (фиг.1), на котором показана схема конструкции описываемого устройства.
Лазерный исследовательский комплекс содержит платформу 1 на виброопорах, Т-образную стойку 2 с плитой 3 и направляющей 4, одномодовый He-Ne-лазер 5 с длиной волны 0,63 мкм и расходимостью ~1,5 мрад, расширитель луча 6, коллиматор 7, цифровую видеокамеру с объективом 8, узел опорного зеркала 9, светоделительное зеркало 10, привод сканирования 11, светоотражающее зеркало 12, объект измерений 13, вычислительные средства на основе встроенного многоканального АЦП и управляющего компьютера 14.
Массивная платформа 1 с Т-образной стойкой 2 и плитой 3 образуют жесткую переносную конструкцию с возможностью размещения на лабораторном столе. Элементы оптической системы: лазер 5, расширитель 6, коллиматор 7, светоделительное зеркало 10 расположены в горизонтальной плоскости на одной оптической оси и компактно размещены на плите 3 с возможностью перемещения по направляющей 4, узел опорного зеркала 9 установлен на боковой стенке плиты 3 с возможностью перемещений опорного зеркала (зеркало на рисунке не показано). Видеокамера 8 (в составе с объективом и диафрагмой), светоотражающее зеркало 12 и объект измерений 13 расположены в вертикальной плоскости на одной оптической оси. Видеокамера 8 установлена с помощью кронштейна на боковой стенке плиты 3, светоотражающее зеркало 12, уменьшающее телесный угол отраженного луча и объект измерений 13 установлены на приводе сканирования 11, который закреплен на платформе 1. Видеокамера 8 и привод сканирования 11 электрически связаны с управляющим компьютером 14. Элементы оптической системы закрываются защитным кожухом (на рисунке не показан).
Заявленная конструкция позволяет упростить юстировочные работы, обеспечивает оперативную замену и установку отдельных элементов системы для изменения схемы исследования с сохранением базовых соотношений между элементами системы и возможностью аттестации.
Лазерный исследовательский комплекс работает следующим образом.
Объект исследований (или измерений) 13 - оптически прозрачный диск из кварцевого стекла (например, КУ-1) диаметром ~10-25 мм и толщиной ~1-3 мм закрепляют в держателе (на рисунке не показан) и устанавливают на приводе сканирования 11 над светоотражающим зеркалом 12, выполняют позиционирование объекта исследований (по реперному знаку на объекте измерений) относительно вертикальной оптической оси. Лазерное излучение с диаметром ~1,5-3 мм на выходе лазера 5 увеличивается в расширителе 6 до ~15 мм и с помощью коллиматора 7 параллельный пучок направляется на светоделительное зеркало 10, где отклоняется вертикально вниз и освещает закрепленный в держателе и установленный на приводе сканирования 11 измеряемый объект 13 и установленное на приводе сканирования 11 светоотражающее зеркало 12. Рассеянный объектом 13 луч со спекл-структурой и луч со спекл-структурой, отраженный и усиленный светоотражающим зеркалом 12, поступают на вход объектива видеокамеры 8. Оба сигнала с видеокамеры 8 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя, где они оцифровываются и транслируются в управляющий компьютер 14 для дальнейшей обработки программными средствами.
Объектом исследования преимущественно являются оптически слабо прозрачные, полупрозрачные и прозрачные материалы, при взаимодействии с которыми отраженные и рассеянные от неоднородностей лучи формируют спекл-структуру, регистрируемую видеокамерой. Конструкция комплекса позволяет выполнять исследования не только на пропускание (по схеме Маха-Цендера), но и на отражение (по схеме Майкельсона). В этом случае светоотражающее зеркало 12 изымают, а в узел 9 устанавливают опорное зеркало.
Результаты обработки и расчета выводятся на экран монитора и после окончания цикла измерений сохраняются в памяти компьютера.
Таким образом, заявленный комплекс позволяет выполнить спекл-интерферометрические исследования оптически прозрачных материалов, конструкция комплекса унифицирована и по сравнению с прототипом она существенно упростилась, а технические возможности и, следовательно, области применения, расширились.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №71429, заявка №2007134499/22 от 14.09.2007
2. Жужукин А.И. Мобильный цифровой спекл-интерферометр для виброметрии деталей и узлов ГТД. Автореферат на соискание уч. степ канд. техн. наук. г.Самара, 2011.
3. Применение электронной спекл-интерферометрии для определения упругих характеристик тонких волокон. Гольдштейн Р.В. и др. Вестник Пермского государственного технического университета. Механика. 2010. №2. с.61-69.