Введение к работе
I ^щалнїость. CoBpew.eume научнда и технические эксперимента, производственные процесса требуют создания попит. методов и средств получения измерительной информации, в последние десятилетия поело изобретения лазеров и голография значительное внимеше уделялось развігогю и использованию иитер^ренциошшх методов и средств. Ранее применимая только для оптически совершенных объектов, интерферометрия оказалась пригодной для исследования Еирокого круга деталей и конструкций. Метода голографачзскол интерферометрии - бесконтактные и высокочувствительные, дающие информацию одновременно по всему пол» измеряемой' величина - стели одним из мощпнх средств научного и технического эксперимента, особенно при исследовании папрякеяно-деформфовениого состояния объектов, вибрационных характеристик, параметров рельефа, качества обработки поверхностей, дефектов структуры и т.д.
При использовании интерференционных катодов одной из наиболее зата и грудных задач является рзспифроска ивтерферограмм, под которой понимается определение по картине пнтерферепцзонннх полос поля пространственной разности фаз во.чновнх фронтов, о затем измеряемой величина, однозначно связанной с этим полем.
Вместе с тем лря расиифровке интврферогракм, в частности, при. подсчете числа полос, возникает ряд проблем. К первой из них можно отнести выбор начала отсчета. Обачно для этого используется априорная информация о неподвижшх точках. Следующей проблемой является разграничение периодов, т.о. выделение середин полос. Трудности ее решения связаны с тем,что вдоль пространственной координаты функция изменения яркости может быть достаточно слогяси. Поэтому выделение середин полос выполняется, как правило, очень неточно.
Далее экспериментатор сталкиваэтея с проблекой отсчета дробней часта полося. В этом случае необходимо учитывать неравномерность освещенности исследуемых объектов, особенности их рельефа, спекл-структуру нзобрвяений в когерентном свете и другие факторы. Если интерференционная картина содержит замкнутые полосы, то при суммировании периодов возникает проблема определения знака полосы. Далеко не всегда замкнутые полоси присутствуют на интерферогрзмме в явном виде, и нужна алриорнпя
информация для учета таких полос.
В целом можно заключить, что определение числа полос в интерферометрии, т.о. полной пространственной разности фаз, сопряжено с _решением доеолъю большого числа проблем и с шіімліоідієм трудоемких, практически ни поддающихся автоматизации операций.
Основные усилия отечественных и зврубекных исследователей яра разработке интерференционных, когерентно-оптических измернтолших систем направлены на решение проблем расшифровка интерфорограш. Однако к настоящему ьрзмиші ати усилий привели к решению частая вопросов, связанных с совершенствованием и частичной автоматизацией известных методов расшифровки.
Автором предложен новый подход к рзпеним проблем расшифровки ц разработан комплекс методов и средств, которая позволяет создавать полностью аьтоматиэироваанш кітврфоренциоинко измерите лышв системы.
2. Связь с государственными программами и ІШР. Работа по тем
диссертации выполнялись в соответствий с Единой деловой
комплексной научно-технической программой О.Ц.047, задание OS.21
(** гос.рвг.74029773, ОШ009О929, У8887І, УІ7700, 01840035541);
1 общесоюзной научно-технической программой ГКНТ 080.03, задание 06.ІБА (Я» гос.рог. 81029971, 185003.3872); координационными планами АН СССР по проблемам "Измерительные процессы и системы" № гос.рег. 7S0287I2, 81044795, У00Ї97) и "Оптика. Квантовая электроника" (ХК ГОС.рег. 74050016, 77050215, 7S0O06I4).
-
Цель работа - создание а исследование полностью автоматизированных., высокоэффективных, с улучшенными мбтрологичоскями характеристиками интерференционных когерентно-оптических измерительных систем, разработка теоретических основ их построения, метрологического и програшного обеспечения.
-
Методы исследования. В работе использованы методы теории чисел,линейной алгебры, функционального и спектрального анализа, статистической обработки, волновой оптики, а такте машинное моделирование и физический эксперимент.
-
Научная новизна. Впервые в мировой практика разработана теория и принципы построения когерентно-оптических измерительных систем, названных в работе, целочислоннши, в которш для определения полного фазового сдвига используется представлений величин в системах остаточних классов. В результате лреджжеш ияторфаролционине метода, ш треЯумяиэ при расяіл'ї'ромсв
интерферогрвш подсчета числа интерференционных полос.
Впервые исследованы вопроса точности измерения ВЄЯІГШН в системах остаточных классов, в полном объеме проанализированы точностные характеристики когерентно-оптических измерительных систем в целом и получены расчетные соотношения.
Предложены п разработаны когерентно-оптические измерительные системы с использованием оптического Фурье-анализа интерферогрвш, позволившие на качественно новом уровне реиить задачи анализа спектров ударных воздействий, определения геометрических размеров деталей, измерения смещений по спекя-интерферограммам, получения деформаций по голографическим интерфэрограммам, контроля формі поверхности оптических элементов.
6- Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные на новых принципах когерентно-оптичегаозе измери
тельные системы существенно расширяют область применения интер
ференционных методов, поскольку могут бить использованы для
объектов сложной формн и интерференционных картин произвольной
конфигурации. При этом реализуется полная автоматизация измери
тельного эксперимента, повышается точность и увеличиваются пре
делы измерения, возрастает надежность и сокращается время
контроля.
Разработанные системы успешно используются з ряде организаций страны:
системы для исследования вибрационных характеристик объектов -на предприятиях "Морфизпрябор" (г.Санкт-Петербург}, Сибирский научно-исследовательский институт авиации (г.Новосибирск):
цеховая система для контроля плоскостности оптических элементов и целочисленные методики - на Новосибирском приборостроительном заводе ш. Ленина (екегодный фактическая экономический эффэкт 380 тнс. руб. в ценах до 1931 г.).
Результаты исследований используются в учебном процессе ври подготовке специалистов в области информациишо-изкерителыюа техники, издано учебное пособие по курсу "Гологрвфйческие методы измерений".
7- На защиту выносятся
теория и принципы построения когерентно-оптических измерительных систем с использованием целочисленных методов определения полного фазового сдвига;
результаты разработки метрологического обеспечения когерентно-оптических измерительных систем, включая чяплил точности
интерферометров с управляемым фазовим сдвигом, целочисленных и многоголограммных интерферометров;
новые способи получения топографических интерферогракм; определения направления нормали в каждой точім поверхности по топографическим іштарфорограммам; определения деформаций и ьиб-росмецвний тонких объектов с использованием топографических интерферограмм; определения амплитуд вибраций в реальном времени;' получения и расшифровки интерферограмм с использованием оптического Фурьв-аыализз, включая непосредственное измерение деформаций по интврфэренцишой картине и измерение скєшішД іга спекл-интерферограшам;
оригинальные устройства, включая оптические анализаторы спектров, универсальную голографическую виороиэмерительную систему с использованием электронно-лучевых трубок интегрирующего и мгновенного действия, устройство для расшифровки интерферограмм, целочислешшй лазерный измеритель перемещений.
8. Апробация работа. Результаты работы докладывались и
обсукдались: на Международных конференциях: "Автоматическая обработка
интерферограмм" (Берлин, 1989); "Интерферометрия-89" (Варшава,
1989); на первого советско-китайском симпозиуме по космической наука и
технике (Харбин, 1991); на Всесоюзных симпозиумах: "Оптическое приборостроение и
голография" (Львов, 1976); "Проблема автоматизации в прочностном
эксперименте" (Новосибирск, 1986);
на Всесоюзных конференциях: "Автоматизация научных исследований на базе ЭДВЫ" (Новосибирск, Ї970, 1972, 1981); "Геометрические метода исследования деформаций и напряжений" (Челябинск,1975); "Голография" (Киев, 1975); "Использование оптических квантовых генераторов в современной технике" (Ленинград, 1977); "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Ленинград, 1984); "Измерительные информационные системы" (ИИС-9І) (0.- Петербург, 1991); на Всесоюзных семинарах:"Оптическая голография и ее применение" (Ленинград, 1974); "Новые разработки в области оптической голографии и их промышленное использование" (Ленинград, 1979); "Интерференционные оптические методы механики твердого тела и механики горных пород" (Новосибирск, 1985); "Метода контроля форма оптических поверхностей" (ыосквн, Т98Э).
9- Личный вклад. Постановка задач, способы их решения и
основные научные результаты принадлежа? лично автору. Проведен-
ппе зкспержюпталыше исследования, разработка аппаратных
средств и программного обеспечения внполненн сотрудниками отдела
голографіїчоиаа методов и автоматизации научных исследований
НЗТИ при участии и под руководством автора.
10- Публикации. По результатам исследований соискателем лично
и в соавторстве опубликовано 2 книги, 60 статей и докладов, по
лучено 14 авторских свидетельств на изобретения. Результаты
исследований и разработок изложены также в II отчетах по НИР.
II. Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключенно, список література из НО наименований. Объем диссертация 184 стр., илл. 57, тсбл. О.