Электронная интерферометрия спекл-структуры - Electronic speckle pattern interferometry

«ESPI» перенаправляется сюда. Спецификации интерфейса Intel eSPI см. Последовательный периферийный интерфейс § Шина расширенного последовательного периферийного интерфейса Intel.
Полосы ESPI - плоская пластина, вращающаяся вокруг вертикальной оси - полосы представляют смещение в направлении взгляда; разница в смещении полос составляет около 0,3 мкм.

Электронная интерферометрия спекл-структуры (ESPI),[1] также известный как ТВ-голография, представляет собой метод, который использует лазерный свет вместе с обнаружением, записью и обработкой видео для визуализации статических и динамических смещений компонентов с оптически шероховатой поверхностью. Визуализация представлена ​​в виде полос на изображении, каждая из которых обычно представляет собой смещение на половину длины волны используемого света (то есть на четверть микрометра или около того).

ESPI можно использовать для стресс и напряжение измерение вибрация режим анализа и неразрушающий контроль.[2]ESPI похож на голографическая интерферометрия во многом, но есть и существенные отличия[3] между двумя методами.

Как это устроено

Исследуемый компонент должен иметь оптически шероховатую поверхность, чтобы при освещении расширенным лазерным лучом формируемое изображение имело вид субъективная картина пятен. Свет, попадающий в точку на пятнистом изображении, рассеивается на конечной площади объекта, и его фаза, амплитуда и интенсивность, которые все являются случайными, напрямую связаны с микроструктурой этой области объекта.

Второе световое поле, известное как опорный луч, получается из того же лазерного луча и накладывается на изображение видеокамеры (разные конфигурации позволяют проводить разные измерения). Два световых поля вмешиваться и результирующее световое поле имеет случайную амплитуду, фазу и интенсивность и, следовательно, также представляет собой спекл-узор. Если объект смещается или деформируется, расстояние между объектом и изображением изменится, и, следовательно, изменится фаза спекл-структуры изображения. Относительные фазы ссылки и изменение пучка объекта, и, следовательно, интенсивность комбинированных изменений светового поля. Однако, если изменение фазы светового поля объекта кратно 2π, относительные фазы двух световых полей останутся неизменными, как и интенсивность всего изображения.

Для визуализации этого эффекта изображение и опорный луч объединяются на видеокамере и записываются. Когда объект был смещен / деформирован, новое изображение вычитается по пунктам из первого изображения. Полученное изображение представляет собой спекл-узор с черными «полосами», представляющими контуры постоянного 2nπ.

Конфигурации

Измерение смещения вне плоскости

Оптическая схема для получения полос ESPI вне плоскости

Опорный луч - это расширенный луч, полученный из лазерного луча, который добавляется к изображению объекта, которое формируется на видеокамере.

Амплитуда света в любой точке изображения представляет собой сумму света от объекта (объектный луч) и второго луча (опорный луч). Если объект движется в направлении взгляда, расстояние, пройденное объектным лучом, изменяется, его фаза изменяется, и, следовательно, изменяется амплитуда комбинированных лучей. Когда второй спекл-узор вычитается из первого, получаются полосы, которые представляют контуры смещения вдоль направления наблюдения (смещение вне плоскости). Это не интерференционные полосы, и их иногда называют «корреляционными» полосами, поскольку они отображают области спекл-структуры, которые более или менее коррелированы. Строго говоря, полосы представляют чисто смещение вне плоскости только в том случае, если поверхность освещена нормально (это требует использования светоделителя для освещения объекта), но зависимость от движения в плоскости относительно мала, если только не освещается объект. находится далеко от нормального направления.

Края на изображении выше - это полосы вне плоскости. Пластина повернута вокруг вертикальной оси, а полосы представляют собой контуры постоянного смещения. Расстояние между контурами составляет около 0,3 мкм, так как He-Ne лазер использовался в системе. Как и во многих интерферометрических методах, невозможно идентифицировать полосу нулевого порядка без дополнительной информации от системы. Это означает, что движение твердого тела на половину длины волны (0,3 мкм) по направлению к камере не изменяет рисунок полос.

Голографическая интерферометрия предоставляет ту же информацию, что и полосы ESPI вне плоскости.

Измерение внеплоскостной вибрации

Полосы ESPI, показывающие одну из форм колебаний зажатой квадратной пластины

Оптическая схема такая же, как и для смещения вне плоскости выше. Объект вибрирует с определенной частотой. Те части объекта, которые не двигаются, по-прежнему будут покрыты пятнами. Можно показать, что части объекта, которые колеблются с амплитудой nλ / 4, имеют более высокий спекл-контраст, чем те части, которые колеблются с амплитудой (n + ½) λ / 4.

Эта система проще в эксплуатации, чем любая из систем измерения смещения, поскольку полосы получаются без какой-либо записи. Режим вибрации можно наблюдать на изображении с камеры как изменение контраста спеклов, а не как изменение интенсивности, но его довольно трудно различить. Когда изображение подвергается высокочастотной фильтрации, изменение контрастности преобразуется в изменение интенсивности, и наблюдается узор полос в форме, показанной на диаграмме, где полосы четко видны.

Голографическая интерферометрия таким же образом можно использовать для определения режимов вибрации.

Оптическое устройство для просмотра полос, чувствительных к смещению в плоскости

Измерение в плоскости

Объект освещается двумя лучами одного и того же лазерного луча, которые падают на объект с противоположных сторон. Когда объект смещается или деформируется в направлении, перпендикулярном направлению наблюдения (то есть в его собственной плоскости), фаза одного луча увеличивается, а фаза другого уменьшается, так что относительная фаза двух лучей изменяется. Когда это изменение кратно 2π, картина спеклов совпадает сама с собой (остается той же), в то время как в другом месте она изменяется.[4] Когда используется метод вычитания, описанный выше, получаются полосы, которые представляют контуры смещения в плоскости.[5]

Измерение градиента смещения в плоскости

Объект освещается двумя лучами одного и того же лазера, которые падают на объект с одной стороны, но под разными углами. Когда объект смещается или деформируется в пределах его собственной плоскости, относительные фазы двух лучей изменяются пропорционально градиенту[6] смещения в плоскости. Опять же, вычитание двух изображений используется для отображения полос.

Голографическая интерферометрия не имеет эквивалента измерениям в плоскости[7] ESPI. Акустическая интерферометрия, наряду с электромагнитными акустическими преобразователями, способна измерять две поляризации плоских колебаний.[8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джонс Р. и Уайкс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, 1989, Cambridge University Press
  2. ^ Шабестари, Н. П. (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой интерферометрии спекл-структуры». Журнал оптики. 48 (2): 272–282. Дои:10.1007 / s12596-019-00522-4.
  3. ^ Schnars U, Falldorf C, Watson J, Jueptner W., Цифровая голография и зондирование волнового фронта, Глава 8, второе издание, 2014 г., Springer https://www.springer.com/de/book/9783662446928
  4. ^ Шабестари, Н. П. (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой интерферометрии спекл-структуры». Журнал оптики. 48 (2): 272–282. Дои:10.1007 / s12596-019-00522-4.
  5. ^ Gasvik KJ, Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons
  6. ^ Gasvik KJ, Оптическая метрология, глава 6.3, 1987, John Wiley & Sons
  7. ^ Крейс Т., Справочник по голографической интерферометрии, 2004, Wiley-VCH
  8. ^ Плоские колебания прямоугольной пластины: моделирование и эксперимент расширения плоской волны, А. Арреола-Лукас, Дж. А. Франко-Виллафанье, Г. Баес и Рамендес-Санчес, Journal of Sound and VibrationVolume 342, (2015), 168– 176

внешняя ссылка