Оптические информационно-измерительные системы

Состояние и перспективы развития автоматизированных когерентно-оптических систем измерения и контроля

Одним из крупнейших достижений XIX века является осуществление ряда уникальных оптических измерений, обогативших науку новыми научными результатами в различных областях знаний. Это выполненные Юнгом измерения длин волн видимого света (0.42-0.47 мкм), определение им же с поразительной точностью размера молекулы, измерение Майкельсоном диаметра гигантской звезды Бетельгейзе, отстоящей на расстояние примерно 200 световых лет, определение им же нового эталона метра в виде длины световой волны красной линии кадмия. В полученной значение 0.64384691, только через 50 лет было внесено уточнение лишь в восьмой знак. За созданные им оптические приборы и проведённые с их помощью исследования Майкельсон в 1907 г. получил нобелевскую премию.

Все это стало возможным благодаря открытию интерференции световых волн и создания на этой основе интерференционных методов измерения с уникальными возможностями. Схемы интерферометров отличаются принципиальной простотой, а в качестве эталона используется физическая константа - длина световой волны.

Однако применение интерференционных методов до изобретения лазеров и голографии было весьма ограничено. Целью интерферометрии является сравнение мало отличающихся друг от друга волновых фронтов - исследуемого и эталонного. В качестве эталонного фронта можно было использовать либо плоскую, либо сферическую волну. А это значит, и исследуемые объекты должны создавать волны с фронтами близкими к эталонным, т.е. исследовать можно лишь оптически совершенные объекты - зеркала, линзы, пластины. После изобретения лазеров и голографии в интерферометрии произошел качественный скачок и стало очевидно, что для когерентно-оптических методов наступил новый взлет, значительно расширяется сфера их применения не только для измерения и контроля, но и для обработки информации. Например, лазерные интерферометры, суть которых осталась классической - изменился только источник света - позволяют измерять расстояния до десятков и сотен метров при той же точности.

Использование голографического принципа записи волновых фронтов, позволило запоминать как угодно сложную световую волну и восстанавливать ее в любой момент времени. Методы голографической интерферометрии можно рассматривать как перенос методов классической интерферометрии на широкий класс объектов, которые ранее находились за их пределами. Оптические свойства объектов, сложность их формы практически перестали играть роль, а поэтому интерференционные методы оказались теперь пригодными для исследования промышленных деталей и конструкций в заводских условиях.

Наиболее перспективным является применение этих методов для решения ряда задач экспериментальной механики. Это заложено в самой природе голографических методов, позволяющих определять смещения поверхности объектов, а через них деформации, напряжения, дефекты структуры, измерять амплитуды вибраций и исследовать формы колебаний, измерять параметры рельефа сложных поверхностей и производить сравнение объектов с эталонными. Такие методы позволили осуществить переход от измерения пространственно распределенных величин в дискретных точках к получению измерительной информации сразу по всему полю исследуемого объекта бесконтактным способом, с высокими точностью и быстродействием.

Известно, что на голограмме фиксируется информация не только об объекте, но и об изменениях, произошедших с ним. Задача состоит в том, чтобы извлечь эту информацию, расшифровать и представить в соответствующем виде. Иногда это сравнительно просто, если решаются так называемые качественные задачи, когда уже сам характер интерференционной картины позволяет делать важные выводы о состоянии, изменениях в объекте.

Однако в подавляющем числе случаев экспериментатора интересует не только качественная картина, но и количественная информация о процессах, происходящих а объектах. А для этого нужны системы в виде измерительно-вычислительных комплексов, в задачу которых входит получение информации, ее преобразование, обработка и расшифровка и представление результатов в соответствующем виде.

Реализация таких систем чисто оптическими средствами в настоящее время практически невозможна, поскольку соответствующие оптические средства или отсутствуют, или значительно уступают электронным. Поэтому разрабатываются гибридные системы, сочетающие одновременное использование оптических методов и устройств получения информации и электронных методов и средств ее измерения и обработки. В таких системах в качестве первичного системного преобразователя используется голографический (лазерный) интерферометр, преобразующий поле измеряемых величин в поле яркости интерференционной картины, которое, в свою очередь, с помощью электронно-оптических устройств преобразуется в цифровую форму для последующей обработки компьютером.

В НГТУ был решен широкий круг научных и технических задач по созданию таких систем. Нами был предложен, обоснован и реализован комплексный подход по созданию когерентно-оптических измерительных систем, реализующих все основные процессы, включая восприятие оптической информации, ее измерительные преобразования, обработку, расшифровку и представление результатов в удобном для экспериментатора виде.

В результате выполненных исследований, создан ряд систем для решения комплексных задач экспериментальной механики, в том числе: для неразрушающего контроля дефектов различных конструкций; для исследования напряженно-деформированного состояния объектов; для измерения и анализа вибрационных характеристик объектов; для измерения параметров рельефа объектов и др. Они нашли применение и в научных исследованиях и на производстве.

Однако подобным системам присущ ряд недостатков, сдерживающих их широкое распространение. В приведенной цепочке преобразований наиболее важной и трудной задачей является определение по картине интерференционных полос поля разности фаз волновых фронтов. Решение ее связано со счетом полос. При этом возникает ряд проблем.

• Выбор начала отсчета. Для этого обычно используется априорная информация о неподвижных точках.
• Выделение середин полос. Трудность в том, что функция изменения яркости может быть довольно сложной. Поэтому возникают существенные неточности.
• Для повышения чувствительности метода нужно измерять не только целые числа полос, но и их доли. Значит необходимо учитывать неравномерность освещенности объекта, особенности его рельефа, разного рода шумы и др. Если имеются замкнутые полосы, то при суммировании периодов возникает проблема определения знака полосы.

Естественно, что велись поиски путей решения этих проблем.

Как альтернатива классическим методам, связанным со счетом числа полос, появился метод интерферометрии с управляемым фазовым сдвигом. Основная идея заключается в том, что исключается сканирование, а в исследуемой точке находится значение нескольких значений интенсивности, определяемых при фиксированных начальных фазах опорной волны. В результате решения полученной таким образом системы тригонометрических уравнений, находим значение фазы в этой точке. Но, значение фазы получается в пределах одного периода. Возникает проблема фазовой неопределенности.

Нами предложен метод, позволяющий существенно расширить диапазон измерения при использовании методов с управляемым фазовым сдвигом. Метод основан на использовании свойств делимости целых чисел. Не вдаваясь в математическое обоснование метода, отметим физический смысл. За счет того, что пилообразному изменению фазы ставится в однозначное соответствие определенным образом подобранная дискретная пилообразная функция, период огибающей увеличивается гораздо более существенно, чем в случае непрерывной огибающей. Предел измерения возрастает в сотни раз. Поэтому без анализа пространственной структуры в одной выбранной точке можно определять фазу до сотен и более полос. Огромным достоинством такого способа является возможность полной автоматизации расшифровки интерференционных картин любой сложности.

Важно исключить промежуточный фотоноситель. Попытки использовать вместо фотографических пластинок другие регистрирующие среды сокращало точность измерений и не приводило к существенным упрощениям экспериментальной установки. При прямом вводе в компьютер, резко улучшаются метрологические характеристики, существенно упрощается технология обработки. Однако недостаточная разрешающая способность современных устройств ввода оптических изображений не позволяет производить непосредственный анализ голографических изображений. Для записи голограммы в дискретном виде необходимо разрешение порядка 1000-2000 линий на мм.

В этом случае использование голографических методов невозможно. Необходимы методы, для которых телевизионное разрешение является достаточным. К таким методам относится метод спекл-интерферометрии. Изображения в когерентном свете имеют зернистую структуру, которая получила название спекл-структуры. Метод цифровой спекл-интерферометрии основан на применении цифровых систем обработки изображений для корреляционного сравнения исходной и деформированной поверхности объекта. При таком сравнении удается получить картину кореляционных полос, несущую информацию о поле смещений или деформаций. Размер спеклов может быть выбран достаточно большим, что позволяет использовать низкоразрешающие регистрирующие устройства, такие как телевизионные камеры.

Для проведения количественных измерений необходимо выполнить расшифровку корреляционных полос для определения деформаций поверхности объекта. Однако, из-за высокого уровня спекл-шума, использование традиционных методов расшифровки, основанных на анализе пространственной структуры полос, приводит к значительным погрешностям. Нами разработан новый алгоритм, использующий несколько фазовых сдвигов до и после нагрузки, что позволяет проводить измерения поверхностных перемещений интерференционной точностью. Это, в свою очередь, дает возможность не только существенно повысит точность, но и полностью автоматизировать процесс их определения.

На рис. показана система на основе спекл-интерферометрии.

В качестве опорной волны используется диффузно-рассеянная волна, начальная фаза которой управляется с помощью пьезо-электрического датчика. Такая система значительно расширяет области применения когерентно-оптических методов.

Оптические информационные технологии пережили бум после изобретения лазеров и голографии.  Однако эйфория оказалась преждевременной. Основной сложностью при разработке голографических интерференционных систем является отсутствие устройств, способных с достаточным разрешением фиксировать голографическое изображение. Развитие технологий позволяет надеяться, что в ближайшее время появятся промышленные системы ввода изображений с достаточным для голографии разрешением. В этом случае, измерительные системы на принципах голографии могут быть использованы для промышленного контроля, что приведет к резкому скачку в области повышения качества изделий, поскольку объект может быть изготовлен с таким качеством с каким вы его можете проконтролировать.

Прослеживая тенденцию развития когерентно-оптических систем измерения, контроля и диагностики на ближайшее время можно заключить, что они будут состоять на 10% из оптики, 10% из механики, на 20% из электроники и на 60% из алгоритмического и математического обеспечения.Поэтому наиболее важное значение приобретает разработка новых алгоритмических подходов, методов расшифровки и математических методов обработки.