Вектор чувствительности спекл-интерферометра

Также как и голографическая интерферометрия, цифровая спекл-интерферометрия позволяет связать распределение интенсивности света в наблюдаемом изображении с величиной смещения точек поверхности исследуемого объекта.

Известно, что голографический интерферометр регистрирует проекцию вектора смещения точки поверхности на вектор чувствительности интерферометра в данной точке (см., например, раздел 1.2.1.). В спекл-интерферометрии оптические схемы интерферометров, чувствительных к компоненте вектора смещения близкой к нормали исследуемой поверхности, и интерферометров, чувствительных к компоненте смещения, лежащей в плоскости поверхности, существенно различаются.

Оптические схемы спекл-интерферометров, чувствительных к нормальной компоненте вектора смещения (см. рис. 6.7-6.9), практически аналогичны схемам голографических интерферометров (см. рис.2.1). Существенное отличие заключается в том, что в плоскость регистрации спеклограммы объектный и опорный пучки должны направляться по одному пути. Для этого в оптической схеме спекл-интерферометра перед объективом, строящим изображение объекта, или после него размещается светоделитель (см. рис. 7.4, поз.2), с помощью которого опорный и объектный пучки совмещаются и направляются на регистрирующую поверхность телекамеры. При этом, как и в голографической интерферометрии, вектор чувствительности спекл-интерферометра совпадает с биссектрисой угла между векторами освещения и наблюдения точки поверхности. Ранее при рассмотрении принципа работы спекл-интерферометров полагалось, что направления освещения и наблюдения колеблющейся поверхности практически совпадают. Потому такой интерферометр был чувствителен к нормальной компоненте A (x,y) вектора амплитуды колебаний поверхности. В случае, если направления освещения и наблюдения вибрирующей поверхности различаются, интерферометр будет чувствителен к проекции вектора колебаний на вектор чувствительности интерферометра.

Спекл-интерферометры, чувствительные к проекции вектора смещения, лежащей в плоскости исследуемой поверхности, отличаются отсутствием опорного пучка. Например, интерферометр, схема которого изображена на рис. 7.6 [10], формирует картину интерференционных полос, чувствительную к смещениям объекта в его собственной плоскости. Объект расположен в плоскости х₂х₃ и освещается двумя плоскими волнами U¢₀ и U²₀, направления распространения которых составляет углы и по отношению к нормали поверхности предмета (ось х₁). Ось х₃ направлена перпендикулярно к плоскости рисунка, центр объектива L телекамеры лежит на оси х₁. Если элемент поверхности D объекта смещается на величину, определяемую вектором d = (d₁, d₂, d₃), то для вычисления возникающей разности фаз двух волн, освещающих объект, можно записать:

(7.17)

Разность фаз между U¢₀ и U²₀ остается постоянной в любой плоскости, параллельной плоскости x₁x₃, поэтому лежащие в такой плоскости компоненты d₁ и d₃ вектора смещения не влияют на возникающую разность фаз. Следовательно, рассматриваемый тип интерферометра позволяет выделить компоненты смещения предмета в его собственной плоскости даже тогда, когда они сопровождаются и смещениями по нормали к поверхности предмета.

Рис. 7.6. Оптическая схема интерферометра, чувствительного к смещениям в плоскости (x₂x₃) объекта D: U¢₀ и U²₀ – освещающие пучки, падающие на объект под углом θ; L – объектив

При аналогичной геометрии освещения с заменой направления оси х₂, на х₃ возникает интерференционная картина, для которой:

. (7.18)

Эта картина позволяет определить вторую проекцию вектора смещения. Для определения составляющих вектора смещения необходимо измерить интервалы между полосами, возникающими для каждого из осмотренных случаев.

Возможна более простая реализация схемы интерферометра, чувствительного к смещениям в плоскости предмета. Пусть поверхность объекта снова расположена в плоскости х₂х₃. Исследуемую поверхность предмета освещают две волны U¢₀, и U²₀, одна из которых является той частью основной плоской волны U_p, которая освещает поверхность предмета после отражения от зеркала М₁, размещенного вблизи поверхности (рис.7.7).

Рис. 7.7. Схема интерферометра, чувствительного к смещениям в плоскости (x₂x₃) предмета D с использованием одного освещающего пучка U_p: M₁ – зеркало; L - объектив

В тех случаях, когда зеркало M₁ невозможно установить непосредственно вблизи поверхности предмета D, используется схема (рис.7.8), которая принципиально не отличается от схемы на рис.7.6. Во всех рассмотренных схемах необходимо обеспечивать однородное освещение поверхности объекта. Всякое уменьшение светового потока на краях освещенной части поверхности из-за гауссова профиля лазерного пучка ухудшает отношение сигнал/шум для видеосигнала и приводит к снижению контраста полос. Избавиться от этого можно, используя такое предварительное расширение лазерного пучка, при котором поверхность предмета освещается только центральной частью исходного пучка. Обычно для этих целей применяют коллимирующую линзу.

Рис. 7.8. Вариант оптической схемы интерферометра, чувствительного к смещениям предмета D в своей плоскости (x₂x₃): U_p – исходный освещающий пучок; U¢₀ и U²₀ – освещающие пучки, падающие под углом θ; P – призма; M₁, M₂, M₃ – зеркало; L – объектив; I –плоскость изображения

Рассмотренные на рис.7.6-7.8 схемы имеют ряд недостатков. В случае использования в схемах плоских освещающих пучков из-за ограниченных размеров коллимирующей оптики накладываются ограничения на размеры исследуемых объектов. Переход в оптической схеме от плоских к сферическим волнам позволяет снять данное ограничение. Однако, в этом случае направление вектора чувствительности будет переменным при переходе от точки к точке поверхности. По мере удаления от точки, лежащей на пересечении осей освещающих пучков, чувствительность интерферометра к нормальным смещениям будет возрастать, а к тангенциальным – уменьшаться.

Ещё одним недостатком интерферометров, чувствительных к смещениям объекта в собственной плоскости, является то, что всю наблюдаемую поверхность объекта необходимо освещать двумя пучками, а это в случае объектов сложной формы не всегда удаётся. В результате некоторые участки поверхности могут оказаться затенёнными и освещаться только одной волной или вообще не освещаться.

7.4.Применение спекл-интерферометра для изучения многомодовых колебаний объектов

При работе агрегатов и машин элементы конструкции могут возбуждаться на нескольких собственных частотах одновременно. Рассмотрим вопросы применения ЦСИ с непрерывным лазером для исследования собственных форм колебаний объекта при многочастотном возбуждении.

Наиболее простым случаем многочастотного возбуждения являются колебания объекта на двух собственных модах.