Сдвиговый спекл-интерферометр (варианты)
SHEAR SPECKLE INTERFEROMETER (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптико-электронных измерений, а именно к сдвиговой спекл-интерферометрии, и может быть использовано для обнаружения и измерения параметров дефектов различных диффузно-отражающих объектов.
Сдвиговый спекл-интерферометр или шерограф - это устройство, позволяющее на основании рассеянного от шероховатой поверхности детали света последовательно регистрировать ряд спекл-интерферограмм, и после компьютерной обработки получать фазовое изображение, которое иллюстрирует производную от перемещения отдельных участков исследуемой детали. Чувствительность такого устройства к выявлению дефектов зависит от выбора направления сдвига, т.к. именно вдоль этого направления визуализируется градиент поля перемещения. Шерография по одному направлению может не распознать некоторые дефекты, ориентированные параллельно направлению сдвига. Для полной характеризации поля деформации объекта необходима информация о градиентах поля перемещений как минимум в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Шерограф с одним направлением сдвига принципиально можно использовать для получения сдвигов вдоль двух направлений, проводя последовательно два измерения во взаимно перпендикулярных направлениях, но это ведет к увеличению времени и стоимости измерений. Поэтому важно исследовать объект с помощью шерографа, который может одновременно измерять градиент поля перемещений вдоль, как минимум, двух направлений сдвига.
Из уровня техники известна шерографическая система с расшифровкой интерферограмм методом фазовых шагов, в которой реализуется два направления сдвига с помощью поворота зеркал в сдвоенном интерферометре Майкельсона с одновременной регистрацией на две ПЗС-камеры (см. Siebert and В. Schmitz, "New shearing setup for simultaneous measurement of two shear directions," Proc. SPIE 3637, 1999, c. 225-230). Основным недостатком известного устройства является трудность юстировки двухканальной схемы, содержащей три поляризационных светоделителя, кроме того, использование двух ПЗС-камер ведет к высокой цене установки.
Из уровня техники известна шерографическая система с поляризационным мультиплексированием и двумя ортогональными направлениями сдвига, в которой реализуется метод фазовых шагов без движущихся элементов и с одной ПЗС-камерой (см. R. М. Groves, S. W. James, and R. P. Tatam, "Polarization-multiplexed and phase-stepped fibre optic shearography using laser wavelength modulation," Meas. Sci. Technol, 11(9), 2000, c. 1389-1395). Ортогональный сдвиг также реализуется с помощью поворота зеркал вокруг вертикальной и горизонтальной оси в схеме сдвоенного интерферометра Майкельсона. Но метод временного фазового сдвига, который используется в известной системе для расчета фазовой карты, замедляет скорость измерений и ограничивает его применение в промышленных условиях в связи с помехами, вызванными изменением параметров окружающей среды. Метод временных фазовых шагов требует регистрации нескольких интерферограмм. В течение времени регистрации фаза может существенно измениться из-за динамической нагрузки или возмущения окружающей среды. Поэтому метод временного фазового сдвига в основном подходит для измерения смещений со статической нагрузкой.
Динамическое измерение фазовой карты можно получить с помощью метода Фурье, который иногда называют методом пространственного фазового сдвига (см. М. Takeda, Н. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," J. Opt. Soc. Am, 72(1), 1982, c. 156-160). Метод пространственного фазового сдвига позволяет восстанавливать фазу по одной интерферограмме, и его можно использовать для неразрушающего контроля с динамической нагрузкой. Из уровня техники известна шерографическая система с одной ПЗС-камерой, в которой использован метод пространственного фазового сдвига для одновременного измерения градиента перемещений в двух направлениях (см. Y.Wang et al., "Simultaneous dual directional strain measurement using spatial phase-shift digital shearography," Opt. Lasers Eng, 87, 2016, c. 197-203). В этой системе для освещения объекта используются два лазера с разными длинами волн, а соответствующие полосовые светофильтры применяют для предотвращения перекрестных помех между двумя каналами направления сдвига. Однако эта система требует дополнительного лазера освещения, что приводит к увеличению стоимости. Другим недостатком такой системы пространственного сдвига фазы на основе сдвоенного интерферометра Майкельсона является то, что в нем нельзя отдельно регулировать частоту несущей и величину сдвига.
Из уровня техники известна поляризационная цифровая шерографическая система, основанная на двух интерферометрах Маха-Цендера, в которой предусмотрена возможность регистрации сдвиговых интерферограмм в двух ортогональных направлениях одновременно (см. X. Xie et al., "Polarized digital shearography for simultaneous dual shearing directions measurements," Rev. Sci. Instrum, 87(8), 2016, c. 083110). Благодаря специально разработанной системе ориентации плоскостей поляризации и пространственной несущей частоты в работе удалось избежать перекрестных помех, а несущую частоту и величину сдвига - регулировать отдельно. Однако в этой системе было использовано шесть светоделителей и четыре зеркала, что сильно усложняет юстировку.
Из уровня техники известна цифровая шерографическая система для одновременных измерений в трех направлениях сдвига, с использованием метода пространственного фазового сдвига, основанная на мультиплексировании с регулируемой апертурой (см. Peizheng Yan et al., "Spatial phase-shift digital shearography for simultaneous measurements in three shearing directions based on adjustable aperture multiplexing", Optical Engineering, 58(5), May 2019, c. 054105). В известном устройстве несущая частота и величина сдвига могут регулироваться отдельно. Однако, недостатком данной является то, что она является трехканальной, и каждый канал содержит по два светоделителя и объектив с соответствующей диафрагмой, поэтому такая система требует сложной юстировки.
Из уровня техники известен шерограф, способный выполнять измерения по трем направлениям сдвига с регистрацией только одной мультиплексной интерферограммы (см. Е. S. Barrera et al., "Multiple-aperture one-shot shearography for simultaneous measurements in three shearing directions," Opt. Lasers Eng, 2018, 111, c. 86-92). В схеме этого шерографа использовался один объектив, перед которым были установлены три клиновидные призмы, у двух из которых образующие были параллельны, а у третьей - перпендикулярна первым двум. Дополнительно использовались три круглые диафрагмы для одновременного получения сдвиговых спекл-интерферограмм для трех разных ориентаций. Однако, несущая частота и величина сдвига определяются расстоянием между отверстиями и углом при вершине клиновидных призм, которые трудно регулировать, что является недостатком данной схемы.
Из уровня техники известны шерографы, в которых для формирования двух сдвинутых изображений используется билинза (см Н.Г. Власов, Ю.П. Пресняков, "Интерферометрия сдвига диффузно отражающих объектов", Квантовая электроника, 1973, №2, с. 80-83 и R.K. Murthy et al. "Speckle shearing interferometry: a new method", Applied Optics, 1982, Vol. 21, No. 16, c. 2865-2867). Такую линзу можно сформировать путем разрезания исходной линзы на две равные части вдоль оси Y, проходящей через центр. При смещении половинок билинзы друг относительно друга на величину 8 вдоль оси X, перпендикулярной оси Y, в плоскости изображения такой линзы формируются два изображения объекта, смещенные вдоль оси X на величину  где М - увеличение билинзы. Для повышения контраста интерференционных полос билинза диафрагмировалась непрозрачным экраном с двумя отверстиями, каждое из которых приходилось на одну из ее половинок. Устройство обладает простотой, удобством юстировки, возможностью регулирования величины сдвига. Однако основной недостаток такой системы заключается в том, что билинза задает сдвиг только в одном направлении.
Наиболее близким к предлагаемой группе изобретений является сдвиговый спекл-интерферометр, содержащий камеру регистрации, источник лазерного излучения и фокусирующий элемент, снабженный диафрагмой в виде непрозрачного экрана с четырьмя нецентральными отверстиями, зеркально расположенными относительно двух перпендикулярных осей симметрии, пересекающихся в центре экрана на оптической оси интерферометра (см. Y.Y. Hung et al., "Speckle-Shearing Interferometric Technique: a Full-Field Strain Gauge", Appl. Opt, 1975, Vol. 14, No. 3, c. 618-622). В известном устройстве для достижения сдвига плоскость регистрации смещена вдоль оптической оси на некоторое расстояние относительно плоскости фокусировки изображений, в результате чего формируются четыре сдвиговые спекл-интерферограммы по четырем различным направлениям. Основной недостаток такого устройства состоит в том, что для достижения сдвига используются дефокусированные изображения, что ведет к искажениям получаемых градиентов поля перемещений.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и одновременное получение сдвиговых по многим направлениям спекл-интерферограмм сфокусированных изображений объекта. Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений за счет повышения стабильности изображения и снижения требований к юстировке сдвигового спекл-интерферометра.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому варианту тем, что в сдвиговом спекл-интерферометре, содержащем камеру регистрации, источник лазерного излучения и фокусирующий элемент, снабженный диафрагмой в виде непрозрачного экрана с четырьмя нецентральными отверстиями, зеркально расположенными относительно двух перпендикулярных осей симметрии, пересекающихся в центре экрана на оптической оси интерферометра, указанный фокусирующий элемент выполнен в виде квадролинзы, образованной четырьмя одинаковыми секторами исходной круглой линзы, разнесенными друг от друга с образованием равномерных зазоров, параллельных указанным осям симметрии. Перед первой парой диаметрально противоположных секторов квадролинзы могут быть установлены линейные поляризаторы с плоскостью пропускания, параллельной одной оси симметрии, а перед второй парой секторов -- параллельной другой оси симметрии. Источник лазерного излучения может быть образован двумя блоками с различными рабочими длинами волн, причем перед первой парой диаметрально противоположных секторов квадролинзы установлены светофильтры с пропусканием на одной из указанных длин волн, а перед второй парой секторов - на другой.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму варианту тем, что в сдвиговом спекл-интерферометре, содержащем камеру регистрации, источник лазерного излучения и фокусирующий элемент, снабженный диафрагмой в виде непрозрачного экрана с четырьмя нецентральными отверстиями, зеркально расположенными относительно двух перпендикулярных осей симметрии, пересекающихся в центре экрана на оптической оси интерферометра, указанный фокусирующий элемент выполнен в виде квадролинзы, образованной путем совмещения четырех одинаковых секторов, оставшихся после удаления из исходной круглой линзы диаметральных участков, параллельных указанным осям симметрии. Перед первой парой диаметрально противоположных секторов квадролинзы могут быть установлены линейные поляризаторы с плоскостью пропускания, параллельной одной оси симметрии, а перед второй парой секторов - параллельной другой оси симметрии. Источник лазерного излучения может быть образован двумя блоками с различными рабочими длинами волн, причем перед первой парой диаметрально противоположных секторов квадролинзы установлены светофильтры с пропусканием на одной из указанных длин волн, а перед второй парой секторов - на другой.
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого сдвигового спекл-интерферометра;
на фиг. 2 - исходная круглая линза по первому варианту;
на фиг. 3 - квадролинза по первому варианту;
на фиг. 4 - схема формирования изображения с помощью квадролинзы по первому варианту (в качестве объекта выступают две перпендикулярные стрелки);
на фиг. 5 - исходная круглая линза по второму варианту;
на фиг. 6 - квадролинза по второму варианту.
Предлагаемый спекл-интерферометр представляет собой цифровой шерограф со сдвигом по многим направлениям и содержит камеру 1 регистрации, источник лазерного излучения 2 с линзой 3 и фокусирующий элемент в виде квадролизы 4. Со стороны камеры 1 перед квадролинзой 4 расположена диафрагма 5 в виде непрозрачного экрана с четырьмя нецентральными отверстиями 6. Отверстия 6 зеркально расположены относительно двух перпендикулярных осей симметрии X и Y, пересекающихся в центре экрана на оптической оси интерферометра.
1
2
3
4
По первому варианту квадролинза 4 образована четырьмя одинаковыми секторами исходной круглой линзы с центром О, разнесенными друг от друга с образованием равномерных зазоров 7 величиной 2Δ, параллельных указанным осям симметрии X и Y. Таким образом, первый сектор квадролинзы 4 сдвинут относительно центра О вдоль оси X вправо и вдоль оси Y вверх на величину Δ, второй сектор сдвинут относительно центра О вдоль оси X вправо и вдоль оси Y вниз на величину Δ, третий сектор сдвинут относительно центра О вдоль оси X влево и вдоль оси Y вниз на величину Δ, а четвертый сектор сдвинут относительно центра О вдоль оси X влево и вдоль оси Y вверх на величину Δ. На фиг. 3 буквами О О, О и О отмечены новые положения оптических осей, соответствующих секторов квадролинзы 4. Каждое из четырех отверстий 6 в диафрагме 5 расположено на биссектрисе прямого угла каждого из указанных секторов на одном расстоянии от центра О.
Каждый из четырех секторов квадролинзы 4 строит сфокусированное изображение объекта в одной единой для всех секторов плоскости. Эти изображения будут смещены друг относительно друга в плоскости изображений из-за того, что оптические оси секторов квадролинзы 4 смещены относительно оптической оси исходной линзы. Так как эти смещенные изображения образованы делением одного волнового фронта излучения, отраженного от объекта, то они создают сдвиговые спекл-интерферограммы, полосы которых имеют равную частоту и разную ориентацию. Период полос определяется расстоянием между центрами отверстий 6 в диафрагме 5, а ориентация полос зависит от направления смещений изображений. В Таблице 1 схематично показаны сдвиговые интерферограммы, которые формируются различными секторами (обозначены точками) квадролинзы 4, задиафрагмированными отверстиями 6.
1
2
3
4
По второму варианту квадролинза образована путем совмещения четырех одинаковых секторов, оставшихся после удаления из исходной круглой линзы диаметральных участков 8, параллельных указанным осям симметрии X и Y, по разрезам. На фиг. 6 буквами О О, О и О отмечены положение оптических осей, соответствующих секторов квадролинзы 4. Сдвиговые изображения формируются аналогично первому варианту.
Применение цифрового фурье-преобразования к суммарной сдвиговой спекл-интерферограмме позволяет выделять различные порядки в ее спектре и восстанавливать фазовые картины для различных направлений сдвига. Для восстановления фазовой карты методом пространственного фазового сдвига (см. М. Takeda, Н. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," J. Opt. Soc. Am. 72(1), 1982, c. 156-160), выполняется пространственная фильтрация суммарного спектра полосовым фильтром, центр которого совпадает с максимумом фурье-спектра в одном из порядков. Суммарная спекл-интерферограмма имеет сложный пространственный вид и должна иметь больший динамический диапазон по сравнению с одиночной интерферограммой.
1
2
1
2
С целью упрощения вычислений может быть использовано разделение каналов. Для этого перед или за диафрагмой 5 устанавливают дополнительные элементы 9 (например, линейные поляризаторы или светофильтры), причем перед первой парой диаметрально противоположных секторов квадролинзы установлены элементы 9 одного типа, а перед второй парой секторов - другого. Например, перед первым и третьим секторами квадролинзы 4 установлены линейные поляризаторы с плоскостью пропускания, параллельной оси X, а перед вторым и четвертым - с плоскостью пропускания, параллельной оси Y (на фиг. 3 и 6 горизонтальными и вертикальными стрелками показаны направления плоскостей пропускания указанных линейных поляризаторов). Или источник лазерного излучения 2 образован двумя блоками с различными рабочими длинами волн λ и λ, а перед или за первым и третьим секторами квадролинзы 4 установлены светофильтры с пропусканием на длине волны λ, а перед или за вторым и четвертым секторами - светофильтры с пропусканием на длине волны λ.
Предлагаемый спекл-интерферометр позволяет выявлять скрытые дефекты под поверхностью 10.
Повышение стабильности и снижение требований к юстировке сдвигового спекл-интерферометра достигается тем, что в нем интерферируют пучки, образованные из одного объектного пучка делением его по волновому фронту на четыре части с помощью секторов квадролинзы. Совокупность вышеупомянутых признаков ведет к повышению точности измерений.