ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

Научная статья

Хохлова М.В.¹, Дагаев А.В.², Майоров Е.Е.^3, *, Арефьев А.В.⁴, Гулиев Р.Б.⁵, Громов О.В.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-0714-0132;

² ORCID: 0000-0002-4017-6663;

³ ORCID: 0000-0002-7634-1771;

⁴ ORCID: 0000-0002-2860-790X;

⁵ ORCID: 0000-0002-2812-1774;

⁶ ORCID: 0000-0001-6725-6877;

¹ Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург, Россия;

² Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения», Ивангород, Россия;

^{3, 4, 5, 6} Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (majorov_ee[at]mail.ru)

Аннотация

В работе показана актуальность исследования оптико-электронной системы для получения информации о различных изменениях поверхности объектов с голографических пластин. Целью экспериментальных исследований явилось проверка работоспособности разработанной системы фазовых измерений. Контролю подлежали регистрируемые на двухэкспозиционных голографических пластинах элементарные смещения поверхностей твердых предметов. Получена информация о изменениях фазы выходного сигнала при зондировании голографических пластин, которая дает возможность оценить погрешность измерений вектора смещения. Найдены значения линейных смещений латунного элемента с обработанной поверхностью. Приведены данные погрешности измерений для оптико-электронной системы при измерении элементарных смещений поверхности объекта на голографических пластинах.

Ключевые слова: модулятор, кварцевый резонатор, интерференционное поле, голографическая пластина, фотоприемник, вектор смещения.

AN INVESTIGATION OF THE OPTOELECTRONIC SYSTEM IN THE PROCESSING OF HOLOGRAPHIC PLATES

Research article

Khokhlova M.V.¹,Dagaev A.V.², Mayorov E.E.^3, *, Arefyev A.V.⁴, Guliev R.B.⁵, Gromov O.V.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-0714-0132;

² ORCID: 0000-0002-4017-6663;

³ ORCID: 0000-0002-7634-1771;

⁴ ORCID: 0000-0002-2860-790X;

⁵ ORCID: 0000-0002-2812-1774;

⁶ ORCID: 0000-0001-6725-6877;

¹ A.F. Mozhaysky's Military-Space Academy, Saint Petersburg, Russia;

² Ivangorod Humanitarian and Technical Institute, branch of the Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Ivangorod, Russia;

^{3, 4, 5, 6}  University of the Interparliamentary Assembly of the EurAsEC, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (majorov_ee[at]mail.ru)

Abstract

The current article demonstrates the relevance of studying an optoelectronic system for obtaining information about various changes in the surface of objects from holographic plates. The purpose of the experimental studies was to test the operability of the developed system of phase measurements. The elementary displacements of the surfaces of solid objects recorded on two-exposure holographic plates were the main focus of the testing. The authors obtain Information on changes in the phase of the output signal when probing holographic plates, which makes it possible to estimate the measurement error of the displacement vector. The values of linear displacements of a brass element with a treated surface are found, and the data of measurement errors for the optoelectronic system when measuring elementary displacements of the object surface on holographic plates are presented.

Keywords: modulator, quartz resonator, interference field, holographic plate, photodetector, displacement vector.

Введение

В последние годы огромное внимание уделяется развитию промышленного комплекса России. Это означает, что появляются высокотехнологичные производства, которые нуждаются в высокоточных измерительных приборах и системах. Поэтому методы и средства научных исследований играют ключевую роль для развития различных производств. Особую нишу занимают оптико-механические и оптико-электронные методы измерений [1], [2]. Эти методы зарекомендовали себя, как методы получения достоверных результатов эксперимента. В этой области наиболее универсальными методами исследований являются методы когерентной оптики, а именно методы голографической интерферометрии [3], [4]. Эти методы позволяют исследовать напряженно-деформированные состояния объектов сложной формы. Голографическая интерферометрия является высокоинформативным и высокоточным инструментом получения информации о состоянии поверхности различных объектов исследования [5], [6]. Современный уровень развития вычислительной техники и компьютеризация научных исследований позволяют проводить качественный анализ и количественную интерпретацию полученных экспериментальных данных [7], [8].

Анализ научной литературы по воспроизведению искомой информации с голографических пластин показал, что наиболее точными и информативными являются фазоизмерительные гетеродинные системы, в которых фазовые характеристики интерференционного поля трансформируется в фазу электрического сигнала [9], [10], [11]. Измерение последней осуществляется с применением электронной аппаратуры. Использование указанного технического решения позволяет в значительной степени снизить погрешность измерений и расширить диапазон определяемых величин.

Постановка задачи

Восстановление волновых фронтов, зарегистрированных на голограмме, осуществлялось с использованием излучения лазера 1 (ЛГ–79). Принцип гетеродинной интерферометрии реализовался с применением двухчастотного излучения, формируемого блоком 3. Последний построен на основе интерферометра Маха-Цендера, в плечах которого размещались акусто-оптические модуляторы 6 и 7 (использовались устройства типа МЛ–201). Модуляторы возбуждались напряжением ВЧ-генераторов 8 и 9. Сформированным двухчастотным излучением освещалась голограмма 13. Голограмма устанавливалась с возможностью перемещения в своей плоскости и в направлении, перпендикулярном плоскости, а также — с возможностью вращения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в ее плоскости. Для проведения фазовых измерений необходимо наличие двух каналов — опорного и измерительного. В схеме сигнал опорного канала формировался из света, прямопрошедшего голограмму 13. Такой подход удобно использовать в случае, когда геометрия освещения голограммы в процессе эксперимента остается неизменной. В противоположном случае для формирования опорного сигнала использовалось излучение, отраженное от светоделителя 11. Измерительный канал формировался в направлении распространения света, дифрагированного на голограмме. С целью обеспечения повышенной стабильности параметров возбуждающего сигнала в ВЧ-генераторах использовались кварцевые резонаторы с частотами .

 

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки:

1 – лазер; 2, 5, 5', 11 – зеркала; 3 – блок формирования двухчастотного излучения; 4, 4', 11 – светоделители; 6, 7 – акустооптические модуляторы; 8, 9 – ВЧ-генераторы; 10, 16 – полуволновые пластинки; 12, 14 – оборачивающие призмы; 13 – голограмма; 15 – интерферометр сдвига; 17, 18 – поляроиды; 19 – линза; 20, 21 – фотоприемники; 22, 23 – усилители; 24 – измеритель разности фаз

Скорость распространения возбужденной акустической волны в модуляторе равна n_м. Шаг первой гармоники образующейся акустической решетки равен [3], [13], [14]

  где f_в – частота возбуждающего сигнала. Частота первой гармоники светового сигнала f_g на выходе движущейся со скоростью v_м периодической структуры с шагом λ_м равна

Сравнивая (1) и (2), получим, что частота интерференционного сигнала Ω будет равна Ω = f₉ – f₈ = 103 кГц

Электрические сигналы с выходов фотоприемников 20 и 21 обоих каналов после усиления подаются на входы измерителя разности фаз (использовался прибор фазометр Ф2–16). Резонансные усилители 22, 23 настроены на частоту интерференционного сигнала 103 кГц.

При сканировании голограммы фаза информационного сигнала изменяется за счет смещения. Фаза опорного сигнала не меняется независимо от величины и ориентации смещения точек поверхности контролируемого объекта. Поэтому показания измерителя разности фаз изменяются в соответствии с изменением вектора смещения.

Настройка системы заключается в согласовании вектора смещения, зарегистрированного на голограмме, с вектором сдвига, вносимого интерферометром. С этой целью на первом этапе производится согласование ориентаций векторов посредством вращения оборачивающей призмы 12. Контроль настройки осуществляется по максимуму сигнала фотоприемника 21. Затем производится согласование по величине смещения посредством настройки интерферометра. Критерий настройки также заключается в достижении наибольшей величины сигнала фотоприемника 21.

Исследование случайных изменений фазы

При исследовании фазы сигнала при зондировании голографической пластинки можно оценить влияния спекл-шума и обусловленной этим фактором возможной погрешности измерений вектора смещения [12], [13], [14], [15].

На голографической пластине регистрировалось однородное смещение объекта: объект между экспозициями смещался в своей плоскости как твердое целое. При воспроизведении голографическая пластина перемещалась относительно восстанавливающего пучка в плоскости установки. При этом регистрировались пространственное положение голограммы и соответствующее значение фазы выходного сигнала. Измерения проводились при различных апертурах восстанавливающего пучка. Результаты исследований показаны на рис. 2 и рис. 3.

 

Рис. 2 – Изменение фазы сигнала при различных апертурах восстанавливающего пучка D:

(а) – D = 1,5 мм; (б) – D = 2 мм; (в) – D = 2,5 мм; (г) – D = 3 мм

Рис. 3 – Среднеквадратичное отклонение фазы сигнала от среднего значения при перемещении голограммы: (а) – D = 2 мм; (б) – D = 3 мм

 

На рисунке 2 представлен процесс сканирования для различных размеров восстанавливающего пучка. На графиках видна степень усреднения изменения фазы по координате сканирования для разных диаметров восстанавливающего пучка, а также спекл-зависимость измерений.

На рисунке 3 представлена информация о изменении фазы сигнала после усреднения по 10 реализациям для каждой точки (доверительная вероятность 0,95). Как следует из графиков, среднеквадратичное отклонение фазы сигнала для диаметра пучка 3 мм не превышает 0,005·2π рад.

Оценка величины смещения

На голографической пластине записывалось линейное смещение объекта (латунный элемент с обработанной поверхностью). Смещение объекта производилось с помощью столика с микрометрической подвижной частью (ОСК–2). В качестве независимого контроля использовался датчик линейных смещений 1МИГ с ценой деления 1 мкм. Получение информации производилась с учетом априорных данных об ориентации искомого вектора смещения.

При определении величины смещения d решалась следующая система уравнений [3], [13], [14]:

где a₁, a₂ – различные направления освещения, F₁, F₂ – соответствующие показания измерителя разности фаз, λ – длина волны восстанавливающего излучения.

Из (3) получаем

 

Изменение угла освещения выполнялось с помощью оборачивающей призмы 12 (рис. 1). Отметим, что в этом случае опорный сигнал системы измерений формировался с использованием излучения, отраженного от светоделителя 11.

Результаты измерений и определения величины смещения показаны на рисунке 4.

 

Рис. 4 – Результаты измерения перемещения объекта: (а) –d = 30 мкм; (б) – d = 100 мкм.

Таким образом, результаты измерений хорошо согласуются с величиной контрольного отсчета по датчику линейных перемещений. Также, из рисунка 4. видно, что величина среднеквадратичного отклонения от среднего значения не превосходит для d = 30 мкм – 0,1 мкм, для d = 100 мкм – 0,25 мкм.

Заключение

Разработана и описана экспериментальная установка оптико-электронной системы измерения элементарных смещений на голографических пластинах. Получена информация о изменениях фазы выходного сигнала при зондировании голографических пластин, которая дает возможность оценить погрешность измерений вектора смещения. Найдены значения линейных смещений латунного элемента с обработанной поверхностью. Приведены данные погрешности измерений для оптико-электронной системы при измерении элементарных смещений поверхности объекта на голографических пластинах. Проведенные исследования представляют интерес для прикладной физики и оптического приборостроения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия / Ч. Вест.– М.: Мир, 1982. – 504 с.
2. Креопалова Г.В. Оптические измерения / Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев.– М.: Машиностроение. 1987. – 264 с
3. Александров Е.Б. Исследование поверхностных деформаций с помощью голограммной техники / Е.Б. Александров, А.М. Бонч-Бруевич // Журнал Технической Физики. – 1967. – Т.37. – Вып.2 – С.360-365.
4. Островский Ю.И. Голографическая интерферометрия / Ю.И. Островский, М.М. Бутусов, Г.В. Островская. – М.: Наука, 1977. – 339 с.
5. Козачок А.Г. Голографические методы исследования в экспериментальной механике / А.Г. Козачок.- М.: Машиностроение, 1984., – 176 с.
6. Pomarico J. Digital recording and numerical reconstruction of holograms: a new method fpr displaying light in flight / Pomarico, U. Schnars // Appl. Opt. – 1995. – Vol.34. – №7. – P.8095-8099.
7. Yamaguchi I. Three-dimensional microscopy and measurement by phase-shifting digital holography / I. Yamaguchi // Prpc. SPIE. – 2001. – Vol.4607. – P.153-160.
8. Furlong C. Sensivity, accuracy, and precision issues in opto-electronic holography based on fiber optics and high spatial and high digital resolution cameras / C. Furlong, J. Yokum // Prpc. SPIE. – 2002. – Vol.777. – P.77-84.
9. Baltiysky S. Characterization of microelectromechanical systems by digital holography method / S. Baltiysky, I. Gurov, S. De Nicola et al. // Imaging Sci. J. – 2006. – V.54. – P.103-110.
10. Bruno L., Poggialini A. Phase shifting speckle interferometry for dynamic phenomena / L. Bruno, A. Poggialini // Opt. Exp. – 2008. – V.16. – №7. – P.4665-4670.
11. Майоров Е.Е. Исследование интерферометра сдвига в фазоизмерительных приборах и системах расшифровки голографических интерферограмм / Е.Е. Майоров, А.В. Дагаев, С.В. Пономарев и др. // Научное приборостроение. – 2017. – Т. 27. – № 2. – С.32-40.
12. Майоров Е.Е. Измерение геометрических параметров эритроцитов с помощью голографической интерферометрии / Е.Е. Майоров, М.С. Туровская, Л.И. Шаламай и др. // Медицинская техника. – 2018. – №6. – С. 44-46.
13. Хопов В.В. Исследование и применение интерферометрии сдвига для обработки голографических интерферограмм и спекл-фотографий диффузно отражающих объектов: канд. Диссер / В.В. Хопов. – 1984. – 135с.
14. Цыганкова Г.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм / Г.А. Цыганкова, Е.Е. Майоров, Т.А. Черняк и др. // Приборы. 2021. № 2. С. 20-25.

Список литературы на английском языке / References in English

1. West C. Golograficheskaja interferometrija [Holographic interferometry] / C. West-Moscow: Mir, 1982 – 504 p. [in Russian]
2. Kreopalova G. V. Opticheskie izmerenija [Optical measurements] / G. V. Kreopalova, N. L. Lazareva, D. T. Puryaev -M.: Mashinostroenie. 1987. – 264 p. [in Russian]
3. Aleksandrov E. B. Issledovanie poverkhnostnykh deformacijj s pomoshh'ju gologrammnojj tekhniki [Investigation of surface deformations using hologram technology] / E. B. Aleksandrov, A. M. Bonch-Bruevich // Zhurnal Tekhnicheskojj Fiziki [Journal of Technical Physics]. - 1967. - Vol. 37. - Issue 2-pp. 360-365 [in Russian]
4. Ostrovsky Yu. I. Golograficheskaja interferometrija [Holographic interferometry] / Yu. I. Ostrovsky, M. M. Butusov, G. V. Ostrovskaya. - M.: Nauka, 1977. – 339 p. [in Russian]
5. Kozachok A. G. Golograficheskie metody issledovanija v ehksperimental'nojj mekhanike [Holographic research methods in experimental mechanics] / A. G. Kozachok-Moscow: Mashinostroenie, 1984–, - 176 p. [in Russian]
6. Pomarico J. Digital recording and numerical reconstruction of holograms: a new method fpr displaying light in flight / Pomarico, U. Schnars // Appl. Opt. – 1995. – Vol.34. – №7. – P.8095-8099.
7. Yamaguchi I. Three-dimensional microscopy and measurement by phase-shifting digital holography / I. Yamaguchi // Prpc. SPIE. – 2001. – Vol.4607. – P.153-160.
8. Furlong C. Sensivity, accuracy, and precision issues in opto-electronic holography based on fiber optics and high spatial and high digital resolution cameras / C. Furlong, J. Yokum // Prpc. SPIE. – 2002. – Vol.777. – P.77-84.
9. Baltiysky S. Characterization of microelectromechanical systems by digital holography method / S. Baltiysky, I. Gurov, S. De Nicola et al. // Imaging Sci. J. – 2006. – V.54. – P.103-110.
10. Bruno L., Poggialini A. Phase shifting speckle interferometry for dynamic phenomena / L. Bruno, A. Poggialini // Opt. Exp. – 2008. – V.16. – №7. – P.4665-4670.
11. Mayorov E. E. Issledovanie interferometra sdviga v fazoizmeritel'nykh priborakh i sistemakh rasshifrovki golograficheskikh interferogramm [Investigation of the shift interferometer in phase measuring devices and systems for decoding holographic interferograms] / E. E. Mayorov, A. V. Dagaev, S. V. Ponomarev // Nauchnoe priborostroenie [Scientific instrumentation]. - 2017. - Vol. 27. - No. 2 – p. 32-40 [in Russian]
12. Mayorov E. E. Izmerenie geometricheskikh parametrov ehritrocitov s pomoshh'ju golograficheskojj interferometrii [Measurement of geometric parameters of red blood cells using holographic interferometry] / E. E. Mayorov, M. S. Turovskaya, L. I. Shalamy, et al. // Medicinskaja tekhnika [Medical equipment]. - 2018. - No. 6. - pp. 44-46 [in Russian]
13. Khopov V. V. Issledovanie i primenenie interferometrii sdviga dlja obrabotki golograficheskikh interferogramm i spekl-fotografijj diffuzno otrazhajushhikh ob"ektov [Research and application of shift interferometry for processing holographic interferograms and speckle photos of diffusely reflecting objects]: Candidate's thesis / V. V. Khopov - 1984 – 135 p. [in Russian]
14. Tsygankova G. A. Issledovanie razrabotannogo interferometra poperechnogo sdviga dlja nastrojjki interferencionnykh polos pri obrabotke interferogramm [Investigation of the developed transverse shift interferometer for tuning interference fringes when processing interferograms] / G. A. Tsygankova, E. E. Mayorov, T. A. Chernyak, et al. / Pribory [Instruments]. 2021. № 2., pp. 20-25 [in Russian]