На головну

Спекл-фотографія

Для дослідження коливань дифузійної поверхні використовуються два основні методи спекл-фотографії.

У першому методі фотографується поверхню вібруючого об'єкта, освітленого спекл-полем, яке утворене за допомогою дифузного розсіювача, встановленого на деякій відстані від об'єкта [51] (рис. 6.3). У другому методі фотографується вібруючий дифузний об'єкт, освітлений когерентним однорідним полем [8-10, 48, 49] (рис. 6.4).

У разі, коли нерухомий об'єкт висвітлюється когерентним світлом, розсіяним дифузором (див. Рис. 6.3), на його поверхні спостерігається картина «об'єктивних» спеклів, утворена дифузним розсіювачем. Розміри спеклів на поверхні досліджуваного об'єкта визначаються відповідно до вираження (6.9) і можуть легко змінюватись. При порушенні коливань відстань L від дифузора 3 до різних областей об'єкта 4 періодично змінюється відповідно до розподілу амплітуди коливань. Відповідно змінюється і спекл-картина на його поверхні. Око або фотокамера усредняют спекл-картину за часом спостереження. Легко можна показати, що якщо амплітуда вібрації будь-якої області об'єкта досить велика, то спекл-картина в цій області усредняетcя до однорідної яскравості. Однак, якщо об'єкт вібрує на одній зі своїх резонансних частот, то в областях об'єкта поблизу вузлових ліній зміна відстані L мало і спекл-картина тут залишається незмінною.

Мал. 6.3. Схема отримання спекл-фотографії вібруючого об'єкта з використанням дифузного розсіювача: 1 - лазер; 2 - лінза; 3 - дифузор; 4 - об'єкт; 5 - об'єктив фотокамери; 6 - фотопластинка

Таким чином, якщо вібруючий об'єкт висвітлюється через дифузний розсіювач, контрастна спекл-картина спостерігається тільки в області вузлових ліній його форми коливань. Розмір спостережуваних спеклів легко можна варіювати, змінюючи розмір освітленій на дифузорі області або відстань від дифузора до об'єкта.

Фотореєстрація спекл-картини резонансно вібруючого об'єкта пов'язана з низкою труднощів, пов'язаних з обмеженим динамічним діапазоном фотографічних плівок. Лінійна ділянка характеристичної кривої фотоемульсій зазвичай недостатньо великий, щоб передати розподіл інтенсивності в спекл-картини на яскравому однорідному тлі об'єкта. Ці труднощі можуть бути подолані, якщо експонування проводити в області насичення фотоемульсії [51]. В результаті фотографія вібруючого об'єкта, освітленого через дифузор когерентним світлом, є фотографією вузлових ліній його форми коливань.

Отримати кількісну інформацію про амплітудах вібрації об'єкта з спекл-фотографій, зареєстрованих описаним способом, не представляється можливим.

Мал. 6.4. Схема отримання спекл-фотографії вібруючого об'єкта в пучку однорідного поля: 1 - лазер; 2 - лінза; 3 - діафрагма; 4 - об'єкт; 5 - об'єктив фотокамери; 6 - фотопластинка

В іншому методі спекл-фотографії, як випливає з рис. 6.4, вібруючий дифузний об'єкт висвітлюється однорідним когерентним полем і на фотоемульсії 6 за допомогою об'єктива 5 реєструється його зображення.

При цьому, якщо об'єкт нерухомий, то в площині його зображення формується спекл-картина, розміри спеклів в якій визначаються параметрами оптичної системи, формує зображення (6.10). Для фотореєстрації такий спекл-картини необхідно, щоб фотоемульсія забезпечувала дозвіл спеклів. Змінюючи діафрагму 3 об'єктива фотокамери 5, можна встановити відповідні розміри спеклів. При вібрації об'єкта спекл-картина буде осциллировать з частотою вібрації. На фотоемульсії буде зареєстрована усереднена за час експонування інтенсивність осциллирующей спекл-картини.

Тіціановий [50] розглянув систему формування зображення і встановив зв'язок між зареєстрованою інтенсивністю і амплітудою вібрації. Було показано, що форма спеклів в зображенні зазнає змін (спекла подовжуються уздовж ліній вібрації відповідних точок поверхні об'єкта). Цей ефект дозволяє отримувати кількісну інформацію з спекл-фотографії.

Існують наступні два основні методи аналізу записаних подібним чином спекл-картин, що дозволяють отримати з спекл-фотографії вібруючого об'єкта кількісну інформацію про амплітудах вібрації [9,10,48,49]:

1. аналіз дифракції плоскої хвилі на спекл-фотографії;

2. Фур'є-фільтрація спекл-зображення.

Розглянемо метод дифракційного аналізу спекл-фотографій.

При висвітленні зареєстрованого спекл-зображення вібруючого об'єкта плоскою когерентної хвилею в деякій площині за спекл-фотографією можна спостерігати розподіл світла, діфрагованого на спекл-картини. При висвітленні спекл-фотографія буде дифрагувати світло в конус, який на екрані, розміщеному на деякому віддаленні від зображення, утворює кругової ореол, що оточує нерозсіяних пучок.

Можна показати, що кутова розбіжність дифракційного ореолу обернено пропорційно апертурному числу Nа об'єктива, що застосовувався при реєстрації спекл-фотографії об'єкта. Розподіл світла всередині ореолу не постійно.

Тіціановий [50] пов'язав розподіл інтенсивності I в дифракційному ореолі з амплітудою вібрації, як:

(6.11)

де I(sin? ) - Інтенсивність хвилі, дифрагованим на спекл-фотографії нерухомого об'єкта; A - Проекція вектора амплітуди коливань об'єкта на його площину; pi- Відстань між двома сусідніми інтерференційними смугами дифракційного ореолу в площині його спостереження; L - Відстань від площини спекл-фотографії до площини, в якій спостерігається дифракційний ореол; M - Кратність збільшення оптичної системи при реєстрації зображення. тут кут ? - Розбіжність діфрагірованой хвилі.

При цьому інтерференційні смуги всередині ореолу орієнтовані перпендикулярно напрямку проекції вектора амплітуди A вібрації в площині об'єкта.

При аналізі коливань об'єктів, у яких амплітуда і напрямок коливань залежать від координат на поверхні об'єкту, для виділення області, переміщення якої потрібно виміряти, необхідно використовувати непрозорий екран з діафрагмою, що встановлюється на шляху плоскої хвилі, що висвітлює спекл-фотографію. Зазвичай замість цього досліджувану область зображення об'єкта на спекл-фотографії висвітлюють нерозширена лазерним пучком, який висвічує обрану для аналізу точку на спекл-фотографії об'єкта. Схема дифракційного аналізу спекл-фотографій приведена на рис.6.5.

В цьому випадку інтерференційні смуги дифракційного ореолу пов'язані з амплітудою, усередненої по площі зображення, які формують лазерним пучком. Таким способом можна зареєструвати величини і напрямки амплітуди коливання по всій поверхні об'єкту від точки до точки. На ріс.6.5б наведено дифракційну ореол, зареєстрований при аналізі коливань шестерні, порушуємо в радіальному напрямку. Точність таких вимірювань знаходиться на рівні 0,1мкм.

Другим методом аналізу спекл-фотографій є метод Фур'є-фільтрації. Можуть бути різні схемні побудови Фур'є-фільтрації спекл-голограм [9], але всі вони зводяться до просторової фільтрації дифракційного спектра спекл-фотографії малої діафрагмою, розміщеної в площині Фур'є оптичної системи аналізу.

На рис.6.6 наведена оптична схема системи фільтрації, запропонована в [48].

Спекл-фотографія вібруючого об'єкта висвітлюється плоскою когерентної хвилею. Розсіяне спекл-фотографією випромінювання збирається лінзою 3, в фокальній площині 4 якої розміщений непрозорий екран з малої кругової діафрагмою (наприклад, 5 або 6), зміщеної на деяку відстань від оптичної осі системи. Об'єктив, який розташований так, щоб непрозорий екран з діафрагмою знаходився в його передній фокальній площині, дозволяє візуалізувати результат фільтрації.

а)

б)

Мал. 6.5. Схема для дифракційного аналізу спекл-фотографії коливається об'єкта: 1 - лазерний промінь; 2 - спекл-фотографія; 3 - екран (а) і характерного вигляду одержуваного дифракційного ореолу в площині екрану (б)

Результат фільтрації багато в чому залежить від орієнтації фільтрує діафрагми щодо оптичної осі системи фільтрації. Зображення досліджуваної поверхні в площині спостереження системи фільтрації буде покрито системою інтерференційних смуг, що описуються функцією Бесселя першого роду нульового порядку. Аргумент цієї функції прив'язаний до градієнту амплітуди коливання поверхні у напрямку, що його виділяє орієнтацією фільтрує діафрагми. Частота інтерференційних смуг на відфільтрованому зображенні залежить від величини відстані від центру фільтрує діафрагми до оптичної осі системи фільтрації. Частота смуг зростає зі збільшенням цієї відстані в межах дифракційного ореолу, утвореного розсіюванням плоскої хвилі на спекл-фотографії. На рис.6.6 представлені результати фільтрації спекл-фотографії лопатки компресора, що коливається на одній зі своїх резонансних частот, виділені при двох різних (показаних на малюнку) орієнтаціях діафрагми.

 Мал. 6.6. Схема Фур'є-фільтрації спекл-фотографії вібруючого об'єкта: 1 - лазерний пучок; 2 - спекл-фотографія; 3 - лінза; 4 - Фур'є-площину; 5,6 - фільтруюча діафрагма; 7,8 - відфільтровані, відповідно, діафрагмами 5 і 6, зображення; f - фокусна відстань лінзи 3

Оскільки градієнт амплітуди при нормальних коливаннях поверхні визначає величину деформації поверхні, то інтерференційна картина, отримана в результаті Фур'є-фільтрації, являє собою поле відносних деформацій поверхні в напрямку, виділеному орієнтацією фільтрує діафрагми. Змінюючи орієнтацію діафрагми, можна змінювати напрямок, в якому реєструється деформація поверхні.

Таким чином, метод Фур'є-фільтрації спекл-фотографії дозволяє досить просто отримувати поля деформацій вібруючих об'єктів.

 



Додавання спекл-полів | Коррреляціонная спекл-интерферометрия

Електронна спекл-интерферометрия | Цифрова спекл-интерферометрия | навантажень | З (6.23) видно, що інформацію про форму коливань визначає вираз | Цифрові спекл-інтерферометри |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати