Optikai mérési módszerek

Átírás

1 Ágazati Á felkészítés a hazai LI projekttel összefüggő ő képzési é és KF feladatokra" " Optikai mérési módszerek Márton Zsuzsanna Tóth Görg 890 Pálfalvi l László 6 TÁMOP-4...C-//KONV projekt

2 4. előadás Interferometrikus mérési módszerek Pontos hullámhosszmérés lmozdulás mérése Moiré módszer Holográfia Holografikus interferometria Vibráció analízis Szemcsekép interferometria TÁMOP-4...C-//KONV projekt

3 Nag pontosságú hullámhosszmérés Kézenfekvő módszer a spektrográffal történő hullámhosszmérés Nag felbontású rácsos vag echelle spektrográffal pm-es pontosság is elérhető de ez különböző referenciákon és kalibráló eljárásokon alapul Tehát a pontos spektrográfos mérésekhez a körnezet állandósága elengedhetetlen pl. ΔT0 K Δλ0 50 pm Michelson-interferométerrel T ismert s úton való elmozdításakor megszámoljuk az előtűnő interferencia gűrűket N s λ TÁMOP-4...C-//KONV projekt 3

4 Kis hullámhosszkülönbség mérése Az egenlő beesés görbéire igaz az alábbi egenlőség ha d a fénforrásnak a két tükör által létrehozott képei közti távolság: ahol θ a beesési szög m egész szám. d cos θ m λ 50%-os nalábosztó esetén az intenzitás: I I cosδ 4I cos δ π ahol a fáziskülönbség δ d λ cosθ Ha a két vonal keltette gűrűrendszer szétválik akkor a középső gűrűkre θ 0: d mλ m λ d mλ m λ λ λ λ d d d Néhán század pm pontosság! TÁMOP-4...C-//KONV projekt 4

5 Távolságmérés két-frekvenciás M h l f é l Michelson-interferométerrel Két hasonló frekvenciájú síkhullám interferenciája: t z i t z i e t z e t z ~ ~ ν λ π ν λ π e t z e t z t z I cos ν ν λ λ π Ha ν -ν nag akkor a detektor nem tudja követni az intenzitás változását. Ha ν -ν kicsi és időben állandó akkor az intenzitás időbeli változása mérhető. zt használhatjuk ki távolságmérésre. mérhető. zt használhatjuk ki távolságmérésre. Pl. X-Y eltoló pontos pozíciójának mérésére kontrolljára akár 60 m-es 5 TÁMOP-4...C-//KONV projekt p p j j távolságig mér λ/4 felbontással.

6 A kétfrekvenciás Michelson- interferométer sémája V V V Δν λ Δνλ t s Vt TÁMOP-4...C-//KONV projekt 6 Jelfeldolgozás Δν Heterodn detektálás

7 Moiré jelenség Irán alak vag sávköz szempontjából kissé eltérő rácsok Moiré-sávokat eredméneznek. Szinuszos rácsfüggvén esetén az interferenciával azonos formalizmus. Fourier! Nagságrendi különbség a periódusok közt. Additív moiré: két periodikus struktúra összeadódik. A gakorlatban pl. kettős epozícióval uganarra a szubsztrátra fénképezett két periodikus struktúra. Multiplikatív moiré: a transzmisszió a két rács transzmissziójának szorzata. Az árnék és projekciós moiré ide tartozik. Szubszrtaktív moiré: a két rács transzmissziójának különbsége. Digitálisan generálható. TÁMOP-4...C-//KONV projekt 7

8 Moiré szinuszos rácsokkal g szinuszos rács transzmissziója: π t a a cos p ahol p a periódus 0<a</ Deformáció mérésnél azt használjuk ki hog a rácsfüggvénben fázismoduláció lép fel: t a a cosπ ψ p u ahol ψ a moduláló függvén u a deformáció ψ p Multiplikatív moiré: TÁMOP-4...C-//KONV projekt π t t t a cos cos π ψ p p cosπ ψ cosπψ p csak a fázismodulációtól függ 8 ez a tag okozza a moirét.

9 Moiré szinuszos rácsokkal t t maimumhelei világos csíkok: ψ n ahol n 0 ± ±... t t minimumhelei sötét csíkok: ψ n ahol n 0 ± ±... A feladat az hog a különböző alkalmazásoknál kapcsolatot találjunk ψ és u valamint az adott mérési beállítás paraméterei között. Síkbeli in-plane deformáció mérésénél az a egik rácsot a vizsgálandó felülethez rögzítjük. u pψ A moiré létrehozásához pl. képezzük le a t b modell rácsot és helezzük a képsíkba a nagításnak megfelelően skálázott referencia rácsot t. Íg az intenzitás t t. ψ c u np amaimumokra a a Intenzitás eloszlás a moiré mintázaban b lmozdulás c Feszültség Kjell J. Gasvik: Optical metrolog John Wile & Sons Ltd. 00 TÁMOP-4...C-//KONV projekt 9

10 Transzverzális out of plane deformáció mérése θ u u θ P 0 P h P rács Árnék moiré módszer Ferde megvilágítással a rács P 0 pontját P -be a ferde megfigeléssel P -et P -be képezzük. A rács és az árnéka u u u h tan θ tan θ függvén szerint elmozdul egmáshoz képest ahol h a mérendő magasság/ mélség. u h ψ tanθ tanθ p p Világos csíkokra: h np tanθ tan θ Síkhullám megvilágításnál és végtelen távoli megfigelő esetén θ θ konstans. TÁMOP-4...C-//KONV projekt 0

11 Moiré módszer alkalmazása gerinc df deformáció mérésére ééé Dorota Zawieska: Topograph of surface and spinal deformit International Archives of Photogrammetr and emote Sensing. Vol. XXXIII Part B5. Amsterdam 000. TÁMOP-4...C-//KONV projekt

12 A holográfia elve g f A hologram készítése: ep i o O O ϕ O O ep i r ϕ o * * I O O * * O O ekonstrukció: 0 I h h βτ A hologram lemez transzmissziója: [ ] * 0 r o r h h βτ βτ βτ ekonstrukció: Kiolvasáskor csak a referencia nalábbal világítjuk meg a hologramot. A 0 β r O O βτ βτ TÁMOP-4...C-//KONV projekt diffraktálódott naláb a tárg virtuális képét hozza létre.

13 A hologram rögzítése züst-halid emulzió: 5000 vonal/mm-es felbontás -0 μj/cm érzékenség az ezüst-halid a megvilágítás hatására megsötétedik Hőre láguló film: önmagában nem fénérzéken különböző rétegek közé építik amelek fénvezetők a megvilágításnak megfelelő heleken feltölthetők. A lágulási hőmérsékletre melegítve az elektrosztatikus erők a megvilágított heleken elvékonítják a filmet. Gors hűtéssel a deformációt befagasztják vékonabb-vastagabb vastagabb réteg fázishologram vonal/mm érzékenség 0-00 μj/cm kifűtve újra írható Fotopolmerek: fotopolmerizálható monomer iniciáló anag polmer. A megvilágítás miatt a monomer részben polimerizálódik. zzel a monomerek a nag megvilágítású helek felől a kis intenzitás felé diffundálhatnak. zután egenletes megvilágítás polmerizáció. Kis és nag törésmutatójú helek alakulnak ki. TÁMOP-4...C-//KONV projekt 3

14 Digitális holográfia tárg ögzítés d CCD A szokásos elrendezésben sík referencia hullámot alkalmazunk. A tárg általában eg diffúzan reflektáló 3D objektum. A digitális hologramból numerikusan az intenzitás és a fázis is rekonstruálható. Az optikai hologramból rekonstruált képen csak az intenzitást látjuk. virtuális kép d ekonstrukció k d valós kép TÁMOP-4...C-//KONV projekt 4

15 Digitális hologram rekonstrukciója ρ η ξ θ z d hologram a rekonstrukció képsíkja Fresnel-Kirchhoff integrál Numerikus rekonstrukció: π ep i ρ i h λ Γ ξ η cos θ dd dd λ ρ ρ ξ η d Γ ξ η komple amplitúdó aképsík eg pontjában sík referenciahullámra: r i0 r TÁMOP-4...C-//KONV projekt 5

16 Digitális holográfia a diffraktálatlan referencianaláb digitális hologram 0404 pielből a kocka k a 5656 pielből rekonstruált kép rekonstruált képen A hologram minden részlete a teljes objektumról hordoz információt. Ulf Schnars and Werner P O Jüptner: Digital recording and numerical reconstruction of holograms Meas. Sci. Technol TÁMOP-4...C-//KONV projekt 6

17 Holografikus interferometria ögzítsük eg hologramon a vizsgálandó tárgról szórt fént. zután a szórt hullámfront bárhol bármikor rekonstruálható. Például interferáltathatjuk a tárgról eg deformált állapotban visszaverődő hullámfronttal. Holografikus interferometria Kettős epozíciós interferometria: uganazon a hologramon rögzítjük a tárg két állapotát pl. terhelés nélkül és terhelés alatt. A rekonstrukció során a két állapothoz tartozó hullám egszerre keletkezik és interferál egmással. Valós idejű holografikus interferometria: felveszünk eg hologramot majd egszerre nézzük a rekonstruált hullámot és a valós tárgról érkező hullámot. A valós időben változó interferencia kép pl. filmre rögzíthető később elemezhető. O θ θ d O rekonstruáló hullám hologram TÁMOP-4...C-//KONV projekt 7

18 Holografikus vibráció mérés Ha a fenti ábrán az O tárgpont rezgést végez: d t D cosωt iφ Az O pontról szórt fén térerőssége a hologram síkjában: t e { A e } ahol 0 φ kgd t g cos θ cos θ Ha 0 a hologram készítés során használt tárghullám és a referencia hullám akkor a rekonstruált hullám: a α α A J [ kgd ] α ahol a felül vonás időátlagot J 0 a nulladrendű Bessel-függvént jelenti. A megfigelhető intenzitás: a KJ 0 [ kgd ] aholk konstans. 0 TÁMOP-4...C-//KONV projekt a ezgő rúd b Interzitáseloszlás a z időátlagolt hologramon A központi nugvó pontnak megfelelő világos vonal jóval intenzívebb mint a többi maimum Kjell J. Gasvik: Optical metrolog John Wile & Sons Ltd. 00 8

19 Szemcsekép p speckle D Az érdes felületről visszaverődő fénsugarak interferenciája véletlen térbeli eloszlású lá világos és sötét szemcséket eredménez. Fehér fénben a kis koherencia hossz és idő miatt nem látható. Lézerrel igen. Az intenzitáseloszlás valószínűségi sűrűségfüggvéne negatív eponenciális: A legvalószínűbb intenzitásérték: 0 Objektív szemcseméret: Szubjektív szemcseméret: TÁMOP-4...C-//KONV projekt o P I I ep I I λz σ D a megvilágított terület átmérője D λb σ s D l D l a lencse átmérője b képtávolság á 9 I

20 DHSPI: Digital Holographic Speckle Pattern Interferometr Digitális holografikus szemcsekép interferometria tárg Nem invazív teljes tér módszer végtelen számú felületi pontról egszerre nújt információt A kettős epozíciójú holografikus interferometria elvén működik A tárg különböző részeinek a gerjesztésre adott különböző reakciójából származó deformáció felületre merőleges komponensét méri. gerjesztés alakváltozás digitális kivonás. szemcskép. szemcskép relatív elmozdulás λ/

21 Digitális holografikus szemcsekép interferometria A z interferencia csíkok vizuális és numerikus információt hordoznak a felületi deformációról és az ezt okozó szerkezeti tulajdonságokról/ elváltozásokról. Veszéleztetett területek Vivi Tornari: Optical and digital holographic interferometra applied in art conservation structural diagnosis e-psvation SCINC

22 DHSPI szerkezeti vizsgálat sémája Zs. Márton I. Kisapáti Á. Török V. Tornari. Bernikola K. Melessanaki P. Pouli Holographic testing of possible mechanical effects of laser cleaning on the structure of model fresco samples NDT & International Volume 63 April 04 Pages ISSN TÁMOP-4...C-//KONV projekt

23 Digitális holografikus szemcsekép interferometria Lézerrel tisztított freskó modell szerkezeti változásainak kimutatása 30 s infra lámpás melegítés g után figeljük g j a minta deformációját 6 s-onként felvett interferogramokon A felszíni mm-es mesterséges szenneződés réteg alatti repedés kb kb. a 8. s-tól kezd láthatóvá válni és kb. perc 3 s után a legkifejezettebb az interferogramokon. A felületről befelé terjedő hő ekkorra éri el a freskó mélebb rétegeit ahol a repedés befolásolja a deformációt TÁMOP-4...C-//KONV projekt 3 A deformáció csökkenése az i t f interferencia i csíkok ík k tá távolságának l á á k növekedését okozza