О методах исследования поверхностей материалов с помощью спекл-структур

О методах исследования поверхностей материалов с помощью спекл-структур

Фундаментальные открытия во второй половине ХХ века в области квантовой оптики, развитие лазерной техники, оптоэлектроники, волоконной оптики привели к появлению новых оптических методов исследований и измерений во многих областях науки и техники. Отличительными особенностями оптических методов являются их бесконтактность, дистанционность, устойчивость к электромагнитным помехам, высокая точность. Эти и другие особенности создают перспективу применения оптических методов для создания автоматических систем контроля и управления техническими процессами и объектами.

Высокая точность таких систем обеспечивается применением когерентного света в различных дифракционных, спектральных или интерференционных измерительных схемах. Однако применение когерентного излучения встречает определенные трудности. Исследуемые объекты и оптические детали измерительных систем могут иметь случайные неоднородности в масштабе длин световых волн. Этими неоднородностями могут быть шероховатость поверхности исследуемых объектов, неоднородности и включения прозрачных элементов оптических систем, микрофлуктуации атмосферы и содержащиеся в ней взвеси. Все эти неоднородности представляют собой рассеивающие центры, поэтому когерентное излучение на выходе из реальных оптических измерительных систем (или исследуемых объектов) становится пространственно неоднородным и при направлении на экран формирует картину с множеством хаотически расположенных светлых и темных пятен, называемых спеклами (рисунок 1) (от англ. speckle — крапинка, пятнышко) [1,2]. Все множество рассеивающих центров создает возмущения световой волны, когерентное сложение которых в плоскости наблюдения и является причиной формирования спекловых структур.

Первоначально в оптике когерентного излучения спеклы рассматривались как оптический шум, который приводит к ухудшению качества изображения и снижению четкости интерференционной картины, однако основополагающие исследования Дж. Берча и М. Токарского [3] показали, что спеклы могут найти применение в измерительной технике нового поколения. Это связано с возможностью введения в оптику пространственной несущей частоты и техники фильтрации изображений. Дальнейшие работы М. Франсона [4], Дж. Гудмена [5], Ч. Веста [6] и других исследователей привели к формированию в 60−70 гг. ХХ века нового направления в метрологии — спекл-интерферометрии. Методы спекл-интерферометрии основываются на регистрации спекловых полей, формируемых исследуемыми объектами в различные моменты времени, и дальнейшем их интерференционном сравнении. Это позволяет получить информацию о деформации и смещении шероховатых объектов, скорости их движения, амплитуде и частоте вибраций и т. д.

Рассмотрим некоторые оптические схемы наблюдения спекл-картин, представляющих собой результата интерференции волн от отдельных неоднородностей объекта.

Рисунок 2 — Схемы наблюдения спекл-картин: 1 — источник света, 2 — случайно-неоднородный объект или среда, 3 — плоскость наблюдения спекл-картины, 4 — схематичный вид продольного сечения слоя спекл-структуры, 5 — изображающая оптическая система.

Спекл-картина, формируемая в свободном пространстве, называется объективной (рисунок 2а), субъективные спекл-картины наблюдаются в изображающих оптических системах (рисунок 2б).

Рассмотрим возможное применение оптики спеклов для оценки шероховатости поверхности.

На практике профиль поверхности обычно исследуют при помощи щупа, приводимого в контакт с поверхностью. Вертикальные перемещения щупа преобразуются в сигналы, которые после усиления подаются на регистрирующее или вычислительное устройство. Основным недостатком такого типа устройств является необходимость механического контакта между щупом и поверхностью. Этот контакт может приводить к возникновению дефектов на исследуемой поверхности. Оптические же методы свободны от данного недостатка. Здесь не будут затронуты классические оптические методы исследования шероховатости поверхности, рассмотрение ограничится методами оптики спеклов.

Информацию о шероховатости можно получить, исследуя корреляцию между двумя спекл-структурами, полученными от исследуемой поверхности либо при изменении ориентации лазерного пучка, либо при изменении длины волны света лазера. Предложены и другие методы, которые основаны на анализе контраста спекл-структуры, создаваемой шероховатостью поверхности, в зависимости от пространственной или временной когерентности освещающего ее светового потока.

Для определения шероховатости поверхности по корреляции между двумя спекл-структурами полученными при разных углах падения лазерного пучка, исследуемую поверхность освещают плоской волной, сформированной из лазерного пучка, и затем последовательно регистрируют на фотопластинке две спекл-структуры, полученные при двух разных углах падения. В результате на фотопластинке получают две спекл-структуры, сдвинутые одна относительно другой. При определенных условиях изменение угла падения освещающего пучка не вызывает нарушения корреляции между спекл-структурами.

Если изменение угла падения Ди достаточно мало, то результатом оказывается простое смещение (трансляция) е₀ спекл-структуры е₀ = d cosиДи, (1).

где d — расстояние от диффузной поверхности до фотопластинки, и — угол падения лазерного пучка на диффузную поверхность.

Если при изменении Ди будет достаточно большим (Ди/и? 0,1), то кроме смещения спекл-структуры будет наблюдаться и ее изменение, которое обусловлено именно шероховатостью исследуемой поверхности [4]. Принцип метода: на одной и той же фотопластинке Н делают две экспозиции, изменив между ними угол падения пучка, освещающего поверхность S. После проявления негатив Н наблюдают в параллельном пучке света, пользуясь, например, схемой [4], показанной на рисунке 3.

Рисунок 3 — Прямолинейные и параллельные интерференционные полосы, получаемые в пространственном спектре негатива.

В фокальной плоскости объектива О наблюдаются прямолинейные и параллельные интерференционные полосы, угловое расстояние между которыми равно л/е₀. Контраст интерференционных полос г будет зависеть от шероховатости поверхности.

(2).

где I_max — интенсивность в максимумах светлых полос, I_min — интенсивность минимумах темных полос.

Для поверхностей шероховатостью R_q > 1 мкм контраст интерференционных полос определяется выражением [4].

(3).

где R_q — среднеквадратичное отклонение профиля шероховатости относительно базовой линии. Измерив контраст интерференционных полос, можно найти R_q.

Вместо изменения ориентации освещающего пучка можно изменять длину волны света. Схема такого устройства [4] представлена на рисунке 4. Исследуемая поверхность S освещается лазером, излучающим на длине волны л₁. Изображение поверхности S, то есть, спекл-структура, соответствующая длине волны л₁ формируется на фотопластинке Н. Перед второй экспозицией фотопластинка Н смещается на небольшую величину е₀. При освещении поверхности S излучением с длиной волны л₁ + Дл, на пластинке регистрируется спекл-структура для новой длиной волны. Вследствие шероховатости поверхности S спекл-структуры будут декоррелированы в большей или меньшей степени; корреляция будет полностью отсутствовать при условии.

. (4).

При освещении негатива Н параллельным пучком можно наблюдать интерференционные полосы в фокусе объектива. При выполнении соотношения (4) интерференционные полосы исчезают. Таким образом, изменяя величину Дл до исчезновения интерференционных полос, можно найти величину R_q. спекловый интерференция фоторегистрация.

Рисунок 4 — Измерение шероховатости поверхности S путем фоторегистрации ее изображения на двух длинах волн.

Возможна другая схема измерения. При первой экспозиции поверхность S освещается излучением с длиной волны л₁. Перед второй экспозицией фотопластинке Н сообщается смещения двух видов:

• а) поперечное смещение е₀, которое позволяет наблюдать интерференционные полосы в спектре негатива;
• б) продольное смещение е, которое скомпенсирует изменение Дл.

Если при этом будет выполнено условие R_q << л²/Дл, то на пластинке Н получатся две идентичные спекл-структуры. Если же данное условие не выполняется, то спекл-структуры будут декоррелированы. Тогда рассматривается пространственный спектр негатива и по контрасту интерференционных полос вычисляется степень корреляции двух спекл-структур, т. е. определяется величина R_q.

Методы двухэкспозиционной спекл-фотографии обладают высокой чувствительностью, однако необходимость двукратного экспонирования спекл-структуры на фотопластинке предполагает использование трудоемких и длительных фотографических процессов обработки спеклограмм, что не дает возможности оперативного проведения измерений.

В настоящее время имеется возможность применения иных регистрирующих сред, из которых наиболее перспективными являются оптоэлектронные системы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Эти устройства представляют собой сложную микросхему, светочувствительная поверхность которой выполнена в виде двумерной матрицы из прямоугольных детекторов света, называемых пикселами. Во время экспозиции каждый пиксел постепенно заполняется фотоэлектронами пропорционально количеству попавших на его поверхность квантов света. После экспонирования электронная схема обработки сигналов создает внутри кристалла матрицы сложное электрическое поле, которое перемещает заряды, накопленные в каждом из пикселей по направлению к измерительному элементу, создавая в нем микротоки, пропорциональные накопленным зарядам. Общее управление этим процессом, как правило, выполняет специально запрограммированная ЭВМ, в памяти которого в цифровом виде записываются результаты измерений.

Приборы с зарядовой связью обладают высокой квантовой эффективностью и широким динамическим диапазоном линейного участка характеристики преобразования свет-электрический заряд. В ПЗС стандартного исполнения эти параметры, соответственно, составляют 50% и 60 дБ. Поэтому светочувствительность и линейность ПЗС оказываются много лучше, чем у галогенидосеребряных фотоматериалов, для лучших из которых эти параметры, соответственно, не превышают 3% и 40 дБ. Вместе с тем пространственное разрешение и размеры апертуры ПЗС-матриц сравнительно невелики. Массовые ПЗС имеют прямоугольную светочувствительную площадку формата 5Ч6 мм с размером пикселя ~ 10 мкм. Тем не менее, параметры стандартного ПЗС способны полностью обеспечить регистрацию и корреляционную обработку спекл-сигналов при условии подбора оптимальных условий освещения светочувствительной поверхности ПЗС [9]. Во-первых, средний диаметр спеклов в плоскости регистрации должен быть существенно больше поперечных размеров пиксела, но много меньше, чем размеры светочувствительной матрицы ПЗС. Во-вторых, средняя интенсивность освещающего пучка должна ограничиваться уровнем, обеспечивающим линейность работы ПЗС.

Применение ПЗС позволит оперативно производить запись картины спеклового поля, сохранять результат в памяти ЭВМ для проведения дальнейших вычислений и при наличии соответствующего программного обеспечения автоматизировать проведение измерений.

• 1. Ульянов, С. С. Что такое спеклы / С. С. Ульянов // Соросовский Образовательный Журнал. — 1999. — № 5. — С. 112−116.
• 2. Рябухо, В.П. Спекл-интерферометрия / В. П. Рябухо // Соросовский Образовательный Журнал. — 2001. — № 5. — С. 102−109.
• 3. Burch J.M., Tokarski M. Production of Multiple Beam Fringes from Photographic Scatterers // Optica Acta. — 1968. — vol.15. — p. 101−111.
• 4. Франсон, М. Оптика спеклов / М. Франсон; перевод с фр. — М.: Мир, 1980. — 170 с.
• 5. Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен; перевод с англ. — М.: Мир, 1988. — 582 с. — ISBN 5−03−1 162−5
• 6. Вест, Ч. Голографическая интерферометрия /Ч. Вест; перевод с англ. — М.: Мир, 1982. — 502 с.
• 7. Джоунс, Р., Уайкс, К. Голографическая и спекл-интерферометрия / Р. Джоунс, Уайкс К; перевод с англ. — М.: Мир, 1986, — 328 с.
• 8. Тарлыков, В. А. Когерентная оптика / В. А. Тарлыков. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. — 168 с.
• 9. Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полей: [монография] / Ю. Н. Кульчин [и др.]. — М.: Физматлит, 2009. — 285 с. — ISBN 978−5-9221−1194−2.