8.4.4. Неразрушающий контроль с применением голографии спеклов

Зернистость (или спекл-эффект) лазерного излучения обусловлена двумя внутренними свойствами лазеров: пространственной когерентностью и монохроматичностью излучения. Результаты недавних исследований показывают, что эти явления могут различными способами применяться для измерения малых смещений, напряжений или вибраций. Наиболее широкое распространение получили следующие два метода: голографическая спекл-интерферометрия и фотографическая спекл-интерферометрия. Главным преимуществом первого метода является то, что он смягчает строгое требование обязательной виброизоляции систем ГНК. Преимуществом второго метода является то, что он чувствителен лишь к составляющим поверхностного изменения, лежащим в плоскости. В этом разделе мы рассмотрим основные принципы и практические ограничения этих методов, а также и их потенциальные применения в существующих системах ГНК. Кроме того, мы опишем три новые интерферометр ические системы ГНК, в которых используются эти методы. Все системы построены на основе комбинированной мобильной системы ГНК (системы КМГНК), рассмотренной в разд. 8.4.2, так что достоинста исходной системы будут в них сохраняться. Опишем также в общих чертах экспериментальные процедуры калибровки и оценки новых систем.

8.4.4.1. Двухэкспозиционная фотографическая спекл-интерферометрия

Если диффузную поверхность осветить непрерывной лазерной волной, то поверхность будет выглядеть зернистой или пятнистой. Причиной этого является то, что в любую точку перед освещенной

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

поверхностью от всех точек этой поверхности приходит диффузно рассеянный свет одинаковой амплитуды, но со случайными фазами. Интерференция этих рассеянных полей когерентного излучения и приводит к спеклам.

Основной принцип образования спеклов можно описать с помощью рис. 6, как это сделал Линдертц [36].

На рис. две диффузные поверхности, освещаемые когерентным светом лазера. Пусть и суммы векторов, изображающих свет, рассеянный всеми точками поверхностей соответственно, который достигает точки . Обозначим результирующие амплитуду и фазу света в точке через тогда

Рис. 6. Образование спекл-картины в точке благодаря рассеянию света от

При изменении координатх, соответственно изменяются фазовые распределения Если в каждой точке распределения фаза меняется на одну и ту же величину относительно фазы в то будет изменяться от точки к точке случайным образом. Рассмотрим на рис. 6 область А в плоскости в которой меняется одинаковым образом во всех точках. Обозначим интенсивности света от поверхностей в произвольной точке через причем

и

Если при фазовый угол между векторами равен 6, то результирующая интенсивность в точке запишется в виде

Когда вектор приобретает сдвиг по фазе относительно вектора результирующая интенсивность в точке принимает вид

Рассмотрим фотографическую пластинку, помещенную в плоскость и предположим, что произведено первое экспонирование в течение половины единичного времени при а второе экспонирование — при некотором в течение оставшейся половины

единичного времени; тогда общая средняя энергия, полученная в точке за полное время экспонирования, дается выражением

Если

Распределение энергии при записи методом двойной экспозиции должно быть таким же, как и распределение интенсивности в случае картины спеклов, полученной с одной экспозицией. Можно показать [22, 51], что это распределение записывается в виде

где вероятность того, что интенсивность отдельного пятна равна средняя интенсивность картины, являющаяся нормированным множителем.

И обратно, когда остаются постоянными, выражение (9) принимает вид

Этот результат эквивалентен действию некогерентного сложения двух независимых картин спеклов. Результирующая функция плотности вероятности дается выражением

где новая вероятность того, что интенсивность опекла равна

Обозначим через локальное пропускание по интенсивности данной фотографической эмульсии, которая экспонировалась при интенсивности I в течение единичного времени экспонирования, тогда для двойной экспозиции, соответствующей получаем

где в соответствии с выражением (10). При вреднее пропускание по интенсивности записывается в виде

где дается выражением (12).

Видность интерференционных линий спеклов, обусловленная различием в пропусканиях в результате двух экспозиций можно определить следующим образом!

Средняя плотность такой интерференционной картины дается выражением

8.4.4.2. Голографическая интерферометрия с пятнистым опорным пучком

Метод голографической интерферометрии с пятнистым опорным пучком отличается от голографической спекл-интерферометрии, рассмотренной в п. 8.4.4.1.

Рис. 7. Типичная схема голографической системы с пятнистым опорным пучком,

Голограмму с пятнистым опорным пучком регистрируют в системе, подобной системе описанной в разд. 8.4.2, а также Курцем [31] и Курпем и Лиу [34]. Система состоит из источника когерентного света, светоделителя, делящего лазерный пучок на два! опорный и объектный. Геометрия системы позволяет получить переменную чувствительность. Единственной особенностью метода пятнистого опорного пучка является то, что опорный пучок фокусируется в точку на диффузной поверхности. Отраженный рассеянный свет собирается в плоскости пленки [601. Эта система иллюстрируется на рис. 7.

Если диффузная поверхность, показанная на рис. 7, является частью объекта или прикреплена к нему, то влияние движения объекта на регистрацию голограммы будет компенсироваться изменением длины пути опорного пучка. Благодаря этому компенсационному

эффекту строгие требования к изоляции голографических систем от вибраций, предъявляемые в обычной голографии, можно значительно смягчить, а для отдельных объектов даже полностью снять.

Из рис. 8 можно вывести условия получения высококачественных восстановленных изображений, в случае когда система способна регистрировать объекты большой площади.

Рис. 8. Схематическая диаграмма, поясняющая работу голографической системы с пятнистым опорным пучком.

Предположим, что объект движется случайным образом. Смещение объекта изображается составляющими смещения Изменение фазы сфокусированного опорного пятна имеет вид

где длина волны излучения лазера, а обозначения углов приведены на рис. 8. Считается, что расстояние между объектом и голограммой должно во много раз превышать величину случайного смещения поверхности. Изменение фазы в точке на освещенной части объекта составляет

Выражение (19) справедливо в предположении, что расстояние от освещающего точечного источника значительно больше величины случайного смещения поверхности; это означает, что выполняются условия дифракции Фраунгофера.

Поскольку выражение (18) не имеет явной зависимости от случайное смещение в направлении нельзя скомпенсировать. Это является ограничением настоящего метода. Лучшее, что можно достигнуть для компенсации случайного движения в этой схеме, —

это уравнять в выражениях (18) и (19) обе составляющие смещения по Следовательно, максимальная компенсация движения объекта получается при

8.4.4.3. Применение в системах ГНК методов голографической интерферометрии с пятнистым опорным пучком и фотографической спекл-интерферометрии

Наиболее важным преимуществом интерферометрии пятнистого пучка является смягчение жестких требований обычной голографии к изоляции от вибраций, а для некоторых объектов даже их полное исключение. Особенно это полезно при работе систем ГНК в реальных условиях испытаний. Важным достоинством метода фотографической спекл-интерферометрии является способность измерять составляющие напряжений или смещений в плоскости. Кроме того, этим методом можно определить не только амплитуду поверхностной составляющей, но и ее направление. Конструкция системы КМГНК является автономной и очень гибкой при работе в различных условиях испытаний. Тем не менее желательно еще больше расширить возможности существующей системы КМГНК за счет использования преимуществ картин лазерных спеклов.

Существует много способов, которыми можно применить методы голографии пятнистого пучка и фотографической спекл-интерферометрии в системах неразрушающего контроля; однако при использовании новых методов в системах КМГНК желательно придерживаться следующих рекомендаций:

1) по возможности дольше сохранять настоящую схему системы КМГНК;

2) делать новую схему как можно проще;

3) по возможности уметь применить или расширить существующие теории для интерпретации экспериментальных данных, полученных в новых системах.

На основе этих соображений были сконструированы три системы, которые мы рассмотрим ниже подробно.

а. Система ГНК с пятнистым опорным пучком. На рис. 9 показана первая из предложенных новых систем. Опорный пучок здесь создается светом лазера, сфокусированным на диффузном пятне, закрепленном на краю объекта. Рассеянный этим пятном свет, состоящий из пятнистых картин, направляется к поверхности пленки. Блок, состоящий из пространственного фильтра и зеркала, может перемещаться; это приводит к изменению угла и чувствительности системы ГНК. Существует несколько проблем, связанных с эксплуатацией этой системы, которые требуют дальнейшего экспериментального изучения, а именно:

1) необходимо провести исследование количественных характеристик диффузной поверхности, угла падения лазерного пучка, размера и формы фокальной точки пучка;

Рис. 9. Использование в системе КМГНК пятнистого опорного пучка.

2) должны быть определены оптимальные значения отношения мощности опорного пучка к мощности объектного пучка, а также оптимальное время экспонирования, поскольку пятнистая картина опорного пучка отличается от однородно уширенного опорного пучка, применяемого в обычных голографических системах.

б. Фотографическая и голографическая система неразрушающего контроля с симметричными пятнистыми пучками. Эту новую систему можно лучше всего иллюстрировать с помощью рис. 10. Два пучка с пятнистой структурой расширяются блоками, содержащими пространственный фильтр и зеркало. Этими двумя пучками освещают объект по направлениям, симметричным относительно оси Камера с пленкой может перемещаться вдоль оси z перед объектом. Опорный пучок, которым управляют с помощью затвора Б, вместе с пространственным фильтром и голографической пленкой можно использовать для выполнения функций системы ГНК. Если один из пятнистых пучков перекрывается затвором В, то система становится идентичной исходной системе КМГНК. Следовательно, рассматриваемая система может быть включена в систему КМГНК.

Основные принципы фотографической спекл-интерферометрии уже обсуждались выше. Мы здесь рассмотрим некоторые аспекты, имеющие практическое значение и заслуживающие внимания [5].

Влияние чувствительности пленки и апертуры камеры. Апертура линзы, формирующей изображение в камере, имеет важное значение, поскольку она определяет размер пятен (спеклов) и время экспонирования, необходимое для регистрации изображения.

Рис. 10. Использование в системе КМГНК. методов фотографической спекл-интерферометрии с двумя симметричными пучками.

Если величина, обратная относительному отверстию апертуры линзы, равна то размер пятна о определяется приближенно выражением

В случае аргонового лазера можно выбрать длину волны При такой длине волны разрешающая способность эмульсии должна быть лучше, чем Было найдено, что в качестве регистрирующей среды можно применять пленку Агфа с разрешающей способностью При регистрации можно использовать широкий диапазон изменения апертур, а небольшой динамический диапазон пленки позволяет получить высокую плотность почернения и соответственно высокую видность линий при сравнительно небольшом увеличении времени экспонирования.

Ограничения измеряемого диапазона смещений объекта. Было найдено, что видность интерференционных линий, определяемая выражением (16), упадет почти на одну треть от исходной величины, когда поперечное смещение объекта вызывает смещение изображения равное диаметру одного пятна. Величины смещений объекта и изображения оказывается, связаны между собой

соотношением где коэффициент уменьшения линзы, формирующей изображение.

Так как размер спекла о в изображении соответствует размеру спекла та на объекте, то число наблюдаемых линий получается приравниванием величины та к величине в уравнении

где — угол между направлением пятнистого пучка и осью

Полагая получаем в результате число наблюдаемых линий

Таким образом, число наблюдаемых линий пропорционально коэффициенту уменьшения и обратно пропорционально числовой апертуре линзы.

Методы извлечения данных из спекл-фотографий. Осуществимы два метода анализа данных из спекл-фотографий [6]. Первый метод состоит в проверке зарегистрированного изображения по точкам с применением малой апертуры.

Рис. 11. Схема устройства пространственной фильтрации для анализа фотографий с двойной экспозицией, полученных при освещении от лазера.

Другой способ анализа изображения выполняется по методу пространственной фильтрации (рис. 11). Анализируемое изображение, зарегистрированное на пленке, освещается коллимированным пучком света и затем с помощью линзы формируется снова. В фокальной плоскости линзы устанавливается небольшая диафрагма круглой формы для получения данных из

фотографии. Если диафрагма смещается с оси на точку с азимутальным и полевым углами то конечное изображение образуется светом, дифрагировавшим в этом направлении. Наблюдаемые через апертуру яркие участки на пленке соответствуют частям объекта, которые сместились, причем Для этого случая разрешаемая в азимутальном направлении величина дается выражением

где номер порядка дифракционного спектра. Темные участки соответствуют сдвигу на половину периода, и в этом случае в выражении следует заменить на

в. Фотографическая и голографическая система неразрушающего контроля с одним пятнистым опорным пучком.

Рис. 12. Использование метода голографической спекл-интерферометрии в системе КМГНК.

Если применять только один пятнистый пучок, то симметрия пятнистых пучков нарушается, и схему системы, изображенную на рис. 9, можно упростить до схемы, показанной на рис. 12. Если поперечное смещение поверхности объекта

то соответствующий сдвиг в изображении где коэффициент уменьшения линзы. В этом случае дифракционная картина состоит из серии линий Юнга с угловыми промежутками а

определяемыми из условия

Направление этих линий перпендикулярно направлению движения изображения.

Размер спекла а, регистрируемого пленкой, определяется при этом по-прежнему выражением (20). Для калибровки системы снова получают двухэкспозиционную голограмму. Эту операцию мы уже рассматривали выше.

Следует заметить, что хотя методы спекл-интерферометрии имеют много преимуществ, они оказываются чувствительными только к движениям в плоскости, что устанавливает предел их применения для неразрушающего контроля, особенно когда необходимы измерения смещений поверхности во всех направлениях. Таким образом, методы спекл-интерферометрии, по-видимому, смогут выполнить вспомогательные функции в системах ГНК.