3.4 Спекл-интерферометрия
Конкретная спекловая структура содержит информацию о микрорельефе и форме объекта. Проводя статистическую обработку пятнистой структуры, можно получить информацию и о параметрах перемещения объекта, в том числе о его смещениях, скорости движения, амплитуде и частоте его вибраций и т. д.
Преимущество методов исследования поверхности с помощью спекл-структуры заключается в возможности изучения объектов, недоступных для непосредственного наблюдения, с целью измерения параметров микрорельефа, формы и перемещений, сравниваемых с длиной волны l, при сравнительной простоте технической реализации этих методов.
Исследование шероховатости поверхности. Обычно определяемые параметры микрорельефа поверхности - это дисперсия s2 высот шероховатостей на поверхности объекта и радиус корреляции rш этих высот. Из геометрических соображений следует, что случайные фазы волн, отраженных от различных участков поверхности однозначно связаны с высотами шероховатостей, причем дисперсию этих фаз s2j можно приближенно определить с помощью соотношения s2j = (4ps/)2.
Рис.42. Изменение контраста слабошероховатого
объекта
Если высота шероховатостей много больше длины волны падающего излучения, то при большом числе вкладов N в соответствии с теорией контраст C=1. В этом случае, в параметре C никакой информации о микрорельефе поверхности не содержится. Но контраст изображения слабошероховатого объекта (s 2j<<1) практически линейно зависит от высоты шероховатостей, что подтверждается и экспериментом.
Пусть s 2j<<1, тогда,
C» 4p 2s 2/l2N.
Для того чтобы воспользоваться этой формулой, нужно знать число независимых вкладов N. Если для формирования когерентного изображения используется оптическая система, то число независимых вкладов N может интерпретироваться, как число областей корреляции высот шероховатостей, расположенных в одном элементе разрешения оптическая система. В этом случае, отличие круговой гауссовой статистики, соответствующей нормально развитой спекл-структуре от некруговой, значительны уже при числе областей корреляции меньшем или равном 10.
Рис. 43. К элементу разрешения оптической системы
Число областей корреляции высот шероховатостей, расположенных в одном элементе разрешения оптической системы p = (SPp rш2/ l2 l0 2)-1, где SP - площадь апертуры; rш - радиус корреляции шероховатостей на исследуемой поверхности; l0 - расстояние от исследуемой поверхности до оптической системы.
Элемент разрешения оптической системы приблизительно равен r » l0 /da, где da - диаметр апертуры оптической системы. Средний размер
спекловой структуры - l /da. Чем хуже разрешающая способность
оптической системы, тем больший размер имеет элемент разрешения и, следовательно,
тем большее число N= l0 /da rш некоррелированных шероховатостей в
нем содержится.
Измерение
шероховатости поверхности по корреляции между двумя спекл-структурами,
полученными при двух разных углах падения излучения.
Рис.44. Регистрация на фотопластинке двух спекл-структур,
получаемых при двух наклонах освещающего пучка
На исследуемую поверхность последовательно под разными углами направляют лазерное излучение и регистрируют на фотопластинке H две спекл-структуры. В результате на фотопластинке получают две спекл-структуры сдвинутые одна относительно другой. Если изменение угла падения достаточно мало, то результатом оказывается простое смещение x0 спекл-структуры x0=dcosqDq. Если изменение угла Dq при заданном угле падения излучения q будет достаточно большим, то можно показать, что смещение картины спеклов будет сопровождаться изменением ее структуры, обусловленное шероховатостью поверхности. После проявления негатив H освещают параллельным пучком и в фокальной плоскости ОС наблюдают эквидистантные параллельные интерференционные полосы, угловое расстояние, между которыми равно l/x0; контраст полос будет зависеть от шероховатости поверхности. Метод пригоден для измерения больших шероховатостей, однако для s > 30 мкм он не представляет практического интереса.
Рис. 45. Связь
шероховатости и контраста спекл-структуры для источника белого света (l=0,5 мкм, lс = 1,5 мкм)
Представляет интерес измерение шероховатости с помощью источника, излучающего широкую полосу спектра. Если освещать шероховатую поверхность монохроматическим и пространственно-когерентным излучением, получаемая спекл-картина будет иметь максимальный контраст. Если же временную когерентность уменьшить, сохранив неизменной пространственную когерентность, то контраст спекл-структуры уменьшится. Этот эффект особенно заметен когда длина когерентности соизмерима с высотой рельефа поверхности. Экспериментальные исследования показывают, что соотношения между контрастом спекл-структуры и шероховатостью почти не зависит от способа получения шероховатой поверхности. При использовании белого света (длина когерентности lс ~ 1,5 мкм) можно по контрасту спекл-структуры оценивать шероховатость s в пределах от 0,2 до 3 мкм. Технически данный способ измерения можно реализовать, проецируя изображение исследуемой поверхности на малое отверстие, за которым помещен фотоприемник. Перемещая его, измеряют профиль спекл-структуры. Диаметр отверстия должен быть, как минимум в несколько раз меньше характерного размера спекла.
Корреляционная
спекл-интерферометрия. Спекл-интерферометрия это метод измерения,
основанный на когерентном сложении (интерференции) поля, имеющего спекл-структуру,
с плоской опорной волной или другим полем, имеющим спекл-структуру. Одним
из применений этого метода является определение собственных частот и форм
колебаний элементов конструкции.
Рис. 46. Схема спекл-интерферометра. 1-поворотное зеркало; 2-микрообъектив; 3-светоделительная
пластина; 4-сферическое зеркало; 5-регулируемая диафрагма; 6-объектив ССD; 7-поляризационный светофильтр.
В методе электронной корреляционной спекл-интерферометрии формирование
системы корреляционных полос осуществляется путем вычитания видеосигналов. Входную
плоскость телекамеры помещают в плоскости изображения интерферометра. Выходной сигнал
телекамеры, полученный при исходном положении предмета, записывается в памяти. Затем
предмет смещается, и сигнал, поступающий с телекамеры, вычитается из записанного
в памяти сигнала. В результате те части полученных двух изображений, для которых
спеклы остаются скоррелированными, дают нулевой сигнал, тогда как сигнал от некоррелирующих
участков отличен от нуля. Таким образом, мы наблюдаем картину корреляционных
полос, отражающую вариации амплитуды колебаний по поверхности предмета. Система
получающихся интерференционных полос соответствует смещениям либо в предметной плоскости,
либо по нормали к ней. В системах с усреднением по времени удается наблюдать полосы
только для нормальных к поверхности смещений. Микрообъектив служит для освещения
всей поверхности объекта или подлежащего контролю ее участка. Полупрозрачное зеркало
совместно со сферическим зеркалом используется для получения опорного пучка, который,
проходя через диафрагму, создает в плоскости мишени телекамеры равномерную когерентную
засветку. Место установки полупрозрачного зеркала выбирается из условия обеспечения
равенства оптической длины пути опорного и объектного пучка. Радиус кривизны сферического
зеркала выбирается таким образом, чтобы опорный пучок фокусировался в плоскости
диафрагмы. Поляризационный фильтр предназначен для регулирования уровня интенсивности
опорного пучка. Диафрагма, установленная перед объективом телекамеры, ограничивает
входной зрачок объектива телекамеры, и определяет размер минимального спекла. Изменение
фазы опорного пучка может осуществляться за счет смещения сферического зеркала.
При смещении фазы опорного пучка на изображении наблюдается изменение спекл-картины.
При возбуждении колебаний исследуемого объекта на резонансной частоте спекл-картина
размывается до однородной, продолжая наблюдаться только в области узловых линий
(см. рис. 47).
Рис. 47. Характерная картина спекл-интерферограммы.
Для того чтобы зарегистрировать формы колебаний
на каждой резонансной частоте, в памяти компьютера записывается спекл-изображение.
Затем фаза опорного пучка смещается так, чтобы на спекл-изображении фаза изменилась
на противоположную, и вновь записывается спекл-изображение. Два спекл-изображения
вычитаются по модулю, и на экране монитора наблюдается результат вычитания,
представляющий собой спекл-интерферограмму.
