Одномерные методы

Лазерная спекл-интерферометрия

Лазерные методы спеклинтерферометрии можно разделить на две группы: двухэкспозиционную спеклфотографию и корреляционную спеклинтерферометрию.

В обоих методах тем или иным способом реализуется интерференционное сравнение оптических образов двух состояний объекта: начального и измененного (смещенного или деформированного). Получаемая интерференционная картина служит сигналом измерительной информации.

Метод двухэкспозиционной спеклфотографии. Спекл-структура несет информацию о поверхности объекта, в частности о ее форме и пространственном положении. Это свойство эффективно используют для изучения малых (микроскопических) смещений поверхности объекта. Смещение или деформация поверхности объекта влечет за собой соответствующее пространственное перемещение объективной и субъективной спекл-структур, измерение которого позволяет определить смещение самой поверхности. Для этого используют двухэкспозиционную регистрацию спеклструктур, соответствующих начальному и измененному состояниям объекта, с последующим наблюдением картины интерференционных полос в поле дифракции лазерного пучка на записанных

спекл-структурах.

Для записи спекл-картины применяют оптическую схему (рис а), в которой регистрирующую среду (например, фотопластинку) помещают или в плоскости изображения объекта, или в расфокусированной области, включая заднюю фокальную плоскость, в которой формируется фурье-образ объекта. В первом случае регистрируются поперечные оптической оси смещения объекта, а во втором – изгибные деформации поверхности или ее наклон. На

фотопластинке в результате двухэкспозицион ной записи оказываются зарегистрированными две взаимно смещенные спекл-картины. Фотопластинку освещают лазерный пучком, который испытывает дифракцию на двойной тонкой спекл-структуре изображения объекта (рис. 2, б). В дифракционном поле формируется система параллельных интерференционных полос.

18. Трехмерные методы контроля формы. Стереоскопический метод, голографический метод.

Трехмерные методы измерения формы объектов

Среди трехмерных бесконтактных методов измерения геометрии различают два – стерео и голографический методы.

Стереонаблюдение - естественный метод дистанционного определения размеров, строиться по аналогии с системой зрения человека. Расстояние до объекта и его размеры определяются по смещению изображений, проецируемых объективами на матрицы ПЗС. Анализируя взаимное расположение проекций, система решает тригонометрическую задачу и определяет координаты поверхности контролируемого объекта.

Их достоинство: получение полной информации об объекте за одну экспозицию. Недостатки – необходимость наличия двух ПЗС-матриц, сложность программной обработки, необходимость наличия реперных точек.

Стереоскопическое зрение

Использование сразу двух глаз – бинокулярное зрение – даёт возможность компенсировать повреждения одного глаза за счёт другого, снимает эффект слепого пятна и лежит в основе

стереоскопического зрения, когда на сетчатках одновременно возникают слегка различающиеся изображения одного и того же предмета,

которые мозг воспринимает как один трёхмерный образ. У человека общее поле зрения охватывает 180°, а стереоскопическое – 140°. Стереоскопическое зрение абсолютно необходимо для хищников; у их «жертв», наоборот, глаза расположены по бокам, что увеличивает обзор.

Способы получения стереопары

Стереосъемку можно получить двумя способами: параллельным и направленным. При параллельном способе направление оптической оси объектива камеры не меняется, а при направленном камера поворачивается таким образом, чтобы оптическая ось объектива была всегда направлена на центральный объект фотографируемой сцены.

Параллельный и направленный способ формирования стереопары

Направленный способ моделирует конвергенцию глаз человека

Конвергенцией называется сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты. Дивергенция (разведение зрительных осей) происходит при взгляде вдаль. При этом объекты, находящиеся на пересечении оптических осей выглядят четкими, а объекты, расположенные дальше или ближе, двоятся.

Достоинство параллельного способа в простоте - не надо поворачивать камеру, недостаток - требуется дополнительная обработка фотографий - компенсационный сдвиг. Компенсационный сдвиг заключается в относительном смещении фотографий стереопары таким образом, чтобы добиться нулевого параллакса (отсутствия двоения) на одном из объектов композиции. Объекты с нулевым параллаксом при просмотре

стереоизображения будут восприниматься удаленными на расстояние носителя картинки; объекты, расположенные в реальном мире ближе к фотографу - будут иметь отрицательный параллакс и казаться зрителю выступающими вперед; объекты, расположенные в реальном мире дальше объекта, по которому выполнено совмещение, будут иметь положительный параллакс и восприниматься углубленными в. На показан компенсационный сдвиг при котором совмещение стереопары выполнено по синей пирамидке - этот объект имеет нулевой параллакс.

Стереоскопическая видеосистема

Средства отображения стереоизображений

Традиционные стереодисплеи являются однофокусными. Они настроены либо на "бесконечность", либо на расстояние наилучшего зрения 250-330 мм. В дисплеях первого типа (нашлемных) стереопары изображений воспроизводятся и оптически переносятся на "бесконечность" отдельными для левого и правого глаза дисплейными каналами, выполненными обычно на базе жидкокристаллических микроматриц. В дисплеях второго типа стереопары воспроизводятся, как правило, на экране телевизионного монитора. Для разделения стереопар используются либо очки, снабженные

"обтюраторами" на жидких кристаллах, либо растровые щелевые или лентикулярные экраны (из тонких цилиндрических линз), либо ретрорефлективные зеркала.

Стерео очки

Наглазные устройства для воспроизведения стереопар бывают трех основных типов: поляроидные, цветные и обтюрационные. Поляроидный метод сепарации изображений поясняется на рис. Два кинескопа 1 и 4 располагаются перпендикулярно друг к другу, а воспроизводимые ими изображения совмещаются на полупрозрачном зеркале 2. Перед экранами установлены поляроидные пленки Р1 и Р2 с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Очки 3 снабжаются такими же поляроидными пленками, чтобы левый глаз мог воспринимать изображение только с кинескопа 4, а правый — с кинескопа 1. Аналогично производится сепарация изображений с помощью цветных очков (ангифов). В это случае перед кинескопами

устанавливаются цветные светофильтры (можно также использовать кинескопы с разными цветами экранов), а очки снабжаются соответствующими цветными стеклами с достаточно узкими спектральными характеристиками. При этом объемное изображение оказывается близким к черно-белому.

В последнее время для сепарации изображений стали применяться различные обтюрационные очки, основанные на электрооптическом эффекте в жидких кристаллах, пъезокерамике и других материалах. Восприятие изображений по очереди левым Л и правым П глазом осуществляется чередующейся подачей импульсов на левую и правую часть очков. Применение обтюрационной сепарации позволяет построить стереоскопическую систему по одноканальному принципу и снабдить ее одним кинескопом (рис.). Сигналы изображения с двух передающих камер ПК1 и ПК2 коммутируются в электронном коммутаторе ЭК, частотой кадров и поочередно передаются в канал связи КС, с выхода которого после усиления поступают на кинескоп. Одновременно на обтюрационные очки ОО подаются импульсы от синхрогенератора СГ,

также синхронизированные с генератором кадровой развертки ГР. В результате левый глаз будет воспринимать изображение, поступающее только с первой камеры, а правый — со второй. Поскольку частота мельканий каждого изображения оказывается вдвое меньше частоты полукадров, последнюю приходится удваивать по сравнению с принятым стандартом и соответственно расширять полосу пропускания канала связи.

Голографический метод

В голографическом методе для проведения контроля сначала регистрируется голограмма объекта, восстанавливается его изображение и далее для получения количественных данных измерений восстановленное изображение обрабатывается. Способ регистрации голограмм и последующего восстановления изображения объекта основан на интерференции двух волн: исследуемой — отраженной или прошедшей через объект и когерентной с ней опорной волны с известным распределением фаз. Для восстановления исследуемой волны, формирующей объемное изображение, на голограмму направляется восстанавливающая волна, совпадающая с опорной волной при записи. Восстановленное объемное изображение является точной копией исследуемого объекта и обладает всеми свойствами, присущими оригиналу.

Схема регистрации голограмм (а) и восстановления (б) изображения объектов:

1 — источник излучения, 2 — светоделитель, 3 — объективы, 4 — отражатели, 5 — исследуемый объект, 6—голографический регистратор, 7 — голограмма, 8—мнимое изображение объекта, 9—

действительное изображение объекта, 10 — наблюдатель.

Получение голограмм

Воднолучевой схеме опорной волны как таковой нет. Она формируется из волны, не претерпевшей рассеяния при прохождении через объект. Поэтому класс объектов, которые можно регистрировать с помощью однолучевой схемы, ограничен.

Вдвухлучевой схеме и в схеме во встречных лучах сигнальные и опорные лучи разделены в пространстве и падают на регистратор под разными углами. Эти схемы отличаются друг от друга тем, что

вдвухлучевой схеме интерферирующие волны падают на регистратор с одной стороны, а в схеме во встречных лучах — с противоположных сторон.

При восстановлении голограммы, записанной по наиболее часто применяемой двухлучевой схеме, образуются два объемных изображения: мнимое и действительное. Мнимое изображение, расположенное

за голограммой, является точной копией объекта и позволяет производить исследования с помощью традиционных классических оптических методов, например фотографирования, теневых методов и т.д.

Действительное изображение, расположенное перед голограммой, является псевдоскопической (изображение объекта, в котором выпуклые участки объекта наблюдаются как вогнутые так и наоборот) копией объекта и кроме исследования традиционными методами допускает исследование с помощью экрана, который располагается в нужном сечении изображения объекта и позволяет получать его голограммы.

Голограммы, полученные по схеме во встречных лучах, обладают рядом особенностей. Избирательность голограммы по отношению к длине волны восстанавливающего излучения позволяет восстанавливать изображение от источника, имеющего сплошной спектр излучения, например, Солнца. Кроме того, голограмма, полученная по схеме во встречных лучах, при восстановлении мнимого изображения не создает дополнительно волны нулевого порядка и действительного изображения объекта. Изображенная на рис. а схема предназначена для регистрации непрозрачных и отражающих объектов; прозрачные объекты регистрируются в проходящем свете. На рис. б представлена схема регистрации голограмм прозрачных или фазовых объектов (объекты, изменяющие только фазу проходящего волнового фронта и не изменяющие его амплитуду).

Однолучевая схема регистрации голограмм (схема Габора):

1 — источник излучения, 2 — объектив, 3 — исследуемый объект, 4 — голографический регистратор.

Схема регистрации голограмм во встречных лучах (схема Денисюка):

1 — источник излучения, 2 — объектив, 3 — исследуемый объект, 4 — голографический регистратор.

Голографическая интерферометрия

Иначе фиксируется полезная информация методом голографической интерферометрии, который в самом общем случае позволяет регистрировать, а следовательно, и осуществлять прямые измерения разности оптических длин интерферирующих волн. Это в частных случаях обеспечивает возможность прямых измерений разности геометрических длин и разности показателей преломления с интерференционной точностью (до /10).

Изменение оптических длин может быть вызвано различными факторами: изменением свойств объекта, влияющих на его оптические характеристики (формы, показателя преломления, поляризационных характеристик, положения объекта в пространстве); изменением оптических характеристик среды вокруг объекта (этот случай сводится к первому, так как объектом исследования является окружающая среда); изменением исходных параметров интерферирующих волн (длины волны, направления распространения или формы волновых фронтов, поляризационных характеристик, разности хода).

Перечисленные факторы могут влиять каждый в отдельности либо в произвольной совокупности. Изменения свойств объекта могут быть самопроизвольными, т.е. определяться характером регистрируемого объекта, или преднамеренными, т.е. вносимыми извне, что определяется задачами и целями конкретного исследования.

Основным методом голографической интерферометрии является метод двойной экспозиции, который позволяет сравнивать два состояния объекта, относящиеся к различным моментам времени. По своим применениям этот метод является универсальным. В этом методе на голограмме с помощью двух экспозиций регистрируются два состояния объекта в различные моменты времени. При восстановлении такой голограммы два изображения объекта интерферируют друг с другом, образуя голографическую интерферограмму. При этом на восстановленном изображении объекта появляются интерференционные полосы, характеризующие изменение объекта между экспозициями. При наблюдении объекта под разными углами интерференционные картины имеют различную структуру, что является существенным при расшифровке интерферограмм неосесимметричных объектов. Интерферограмма, полученная таким образом, называется интерферограммой в полосах бесконечной ширины.

Если при регистрации фазового объекта перед второй экспозицией каким-либо образом изменить направление сигнального луча на малый угол (измеряемый угловыми минутами), то структура полос интерференционной картины изменится. Возникает система прямых интерференционных полос, искривленных в местах изменения регистрируемого объекта между экспозициями. Период этих полос, называемых опорными, определяется углом поворота сигнального луча и является конечной величиной, чем и объясняется название интерферограмм такого типа — интерферограммы в полосах конечной ширины.

Разновидности голографических методов

Стробоголографический метод пригоден для исследования периодических процессов (вибраций, вращений и т.д.) Этот метод представляет собой аппаратурную модификацию метода двойной экспозиции и заключается в последовательной периодической записи на голограмму одной и той же (или одних и тех же) стадии периодического процесса с помощью соответствующим образом промодулированного по интенсивности (практически импульсного) лазерного излучения. По величине видности зарегистрированной интерференционной картины можно судить о стабильности исследуемого процесса. Это отличительная особенность метода по сравнению с методом двойной экспозиции. Исследуя периодический процесс в реальном времени, степень стабильности процесса можно изучать во времени.

Многоракурсные системы

Чтобы можно было рассматривать объект с разных направлений, строятся многоракурсные телевизионные системы, позволяющие как бы оглядывать объект, перемещая зрительный анализатор в горизонтальной плоскости. Многоракурсные системы могут включать в себя несколько десятков передающих камер, каждая соседняя пара из которых работает по принципу стереосистемы. Сигналы изображения передаются по многоканальной линии связи, а изображения воспроизводятся проекционными кинескопами, число которых равно числу передающих камер. Все кинескопы проецируют свои изображения с помощью объективов на один общий экран. Селектор ракурсов строится на основе одного из методов сепарации, применяемых в стереотелевидении.

Голографическое телевидение

Перспективным направлением в развитии объемного телевидения является голографическое телевидение. Как известно, воспроизводимое голограммой изображение является оптическим аналогом объекта, что позволяет наиболее полно получить эффект его обзора с различных направлений. На

голограмме оказывается записанным бесконечно большое число ракурсов, плавно переходящих один в другой. На рис. показан один из вариантов построения телевизионной голографической системы. Голограмма передаваемого объекта Об с пространственной частотой = sin / , где — угол между волновым фронтом (предметным потоком) и опорным потоком лазерных лучей; — длина волны излучения лазера Л1, проецируется на мишень передающей трубки ПТ. Опорный поток ОП создается зеркалом 3 посредством объектива О1, который создает также и предметный поток ПП. Таким образом, передающая трубка регистрирует волновую картину объекта, облученного когерентным светом, причем запись фазы отраженного от объекта излучения обеспечивается опорным пучком.

Записанная на мишени передающей трубки голограмма через кодирующее КУ (на передающей стороне) и декодирующее ДУ (на приемной стороне) устройства воспроизводится лазерным кинескопом ЛК, называемым квантоскопом. Лазерный кинескоп вместо обычного экрана содержит поверхность в виде полупроводникового лазера, которая под действием электронного луча излучает когерентный поток света. Последний посредством объектива О2 проецируется на светочувствительную поверхность (люминесцентный экран или фотопластинку), на которой, таким образом, осуществляется реконструкция голограммы.

Голографическое телевидение

Для получения изображения объекта голограмму следует осветить световым потоком от лазера Л2. Реализация голографического телевидения сопряжена с необходимостью решения многих

технических проблем.

19. Оптическая дефектоскопия, классификация. Этапы проведения оптической дефектоскопии. Фазово-контрастный, дифракционный, рефлектометрический, рефрактометрический метод, денситометрический, спектральный, нефелометрический, колориметрический, стробоскопический, фотометрический методы оптической дефектоскопии.

ОПТИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

Классификация ОМК согласно ГОСТ 23479-79 приведена в табл

Факторы,

Контролируе

Название

Область

ограничиваю

Чувствительн

Погрешность,

мые

метода

применения

щие область

ость

%

параметры

применения

Визуальный

Дефектоскоп

Диапазон,

Дефектность,

ия,

контроль

длин

волн

отклонение от

0,1 мм

-

формы

должен

быть

заданной

0,38–0,76 мкм

формы

Визуально-

Дефектоскоп

Минимальная

Размеры

оптический

ия с помощью

яркость

изделий,

микроскопов,

изображения

дефектов,

стереоскопия,

объекта

отклонения от

размерный

контроля

не

заданной

контроль

с

менее 1 кд/м2

формы

помощью

0,6 /А

0,1–1,0

проекционны

х

устройств,

эндоскопия

внутренних

поверхностей,

интроскопия

Интерфероме

Оптическая

Применим

Сферичность,

трический

толщинометр

только

для

плоскостност

ия, контроль

полированны

ь, толщина

формы

х

полированны

поверхностей

0,1

0,1

х

изделий,

анализ

шероховатост

и

Дифракционн

Контроль

Размеры

Диаметры

ый

размеров

дефектов

волокон,

тонких

должны быть

размеры

волокон,

сравнимы

с

дефектов,

0,1

1,0

формы

длиной волны

острых

острых

света

кромок

кромок,

структуры

Поляризацио	Контроль			Применим			Вращение
нный	напряжений в			только	для		плоскости
	прозрачных			оптически			поляризации
	средах			прозрачных			двулучепрело
	методом			сред			мление,
	фотоупругост						толщина
	и,	анализ
	степени							0,6 /А	1,0
	поляризации
	источников
	света,
	эллипсометри
	чекая
	толщинометр
	ия
Фазовоконтра	Контроль			Применим			Градиент
стный	оптической			только	для,		показателя
	неоднороднос			оптически			преломления
	ти			прозрачных				0,6 /А	0,01
	прозрачных			сред
	сред
Рефрактомет	Дисперсионн			Применим			Показатель
рический	ый контроль			только	для		преломления
	оптических			оптически
								0,6 /А
	сред			прозрачных					0 01
	измерение			сред
	концентрации
	растворов
Рефлексометр	Контроль			Коэффициент			Коэффициент
ический	шероховатост			отражения			отражения,
	и			дол жен быть			индикатриса
	поверхности			не менее 1%			отражения	0,6 /А	1,0
	изделий,
	измерение
	блеска	и
	глянца
Денситометри	Анализ			Применим			Оптическая
ческий	оптической			для			плотность,
	плотности			нерассеиваю			коэффициент	0,6 /А	1,0
	светофильтро			щих			пропускания
	в прозрачных			прозрачных
	пленок			сред

Спектральны

Контроль

Спектральные

й

спек

коэффициент

тральных

ы

отражения

характеристи

поглощения,

к

изделий в

пропускания,

отраженном л

концентрация

проходящем

-

вещества

/ =10

-4

1,0

свете, анализ

состава

газовых

смесей,

жидкостей,

твердых

веществ

Колориметри

Анализ цвета

Наличие

Координаты

ческий

изделий

источников

цвета

100,0 мкм

1,0

посторонней

засветки

Нефелометри

Анализ

Индикатриса

ческий

структуры

рассеяния,

кристаллов,

коэффициент

стекол

-

ы

рассеяния,

0,6 /А

1,0

растворов,

концентрация

газов

объемных

гранулометри

включений

я

Стробоскопич

Дефектоскоп

Угловая

еский

ия

и

скорость,

размерный

-

дефектность

10-6 с

5,0

контроль

подвижных

объектов

Фото

Измерение

Яркость,

метрический

характеристи

освещенность

к

источников

-

10-4 кд/м2

5,0

оптического

10-2 лк

излучения

Голографичес

Контроль

Малая

Деформации,

кий

геометрии

когерентность

перемещения,

объектов

лазера,

отклонение от

сложной

вибрации

заданной

0,1

1,0

формы,

формы,

однородности

градиенты

оптических

показателя

сред

преломления

Телевизионн

Электронно-

Гранулометри

ый

оптический

ческие

анализ

характеристи

структуры

-

ки, размеры

/А

1,0

веществ,

дефектов

измерение

линейных

размеров

Примечание. – минимальная разность длин волн, при которой возможно измерение спектральных характеристик объектов;

– длина волны света;

А = пsin – апертура оптической системы, где п – показатель преломления, – апертурный угол