Спосіб визначення деформації об`єкта

1. Спосіб визначення деформації об'єкта, що включає реєстрацію, обробку та порівняння параметрів голограм об'єкта до і після його деформації, причому як голограми для вказаної реєстрації використовують голограми Фур'є об'єкта, який відрізняється тим, що об'єкт опромінюють одночасно предметним та опорним променями, як протяжне джерело опорного випромінювання для формування голограм Фур'є об'єкта використовують розсіяне об'єктом когерентне випромінювання, розраховують спектри Фур'є від зафіксованих голограм у вигляді матриць для відтворення зображення об'єкта, розділення комплексно-спряжених зображень об'єкта проводять вибіркою частини спектрів Фур'є зареєстрованих голограм, а деформацію 2 88353 1 3 у другому випадку - обмеження діапазону деформації розміром мінімального чутливого елементу реєструючого середовища та характеристичним розміром спекла на зареєстрованому зображенні, чутливість до деформації лише вздовж площини падіння жмутків предметного та опорного променів, потреба забезпечення стабільності інтенсивності та хвильових фронтів жмутків предметного і опорного променів протягом циклу вимірювань. Найбільш близькими технічними рішеннями є спосіб для одночасної амплітудної та кількісної фазоконтрастної зйомки шляхом чисельної реконструкції цифрових голограм [3] та спосіб для реконструкції об’єкта з рентгенівських голограм [4]. Спосіб для одночасної амплітудної та кількісної фазо контрастної зйомки передбачає реєстрацію голограми як результату інтерференції предметного променя, що взаємодіє з об’єктом дослідження і опорного променя, що не взаємодіє з об’єктом дослідження та складну цифрову обробку зареєстрованої голограми, що включає реконструкцію опорного жмутка променів на основі відомої геометричної схеми голографічної установки, відновлення амплітуди та фази предметного жмутка променів на основі реконструйованого опорного жмутка променів, зареєстрованої голограми, відомих параметрів голографічної установки та принципів поширення і взаємодії когерентних коливань різної природи у просторі. Відповідно до способу для одночасної амплітудної та кількісної фазо контрастної зйомки також передбачена реєстрація серій голограм з метою моніторингу досліджуваного об’єкта, у тому числі виявлення його можливих деформацій та переміщення. Недоліком цього технічного рішення є значна складність його практичної реалізації через необхідність забезпечення виконання ряду вимог: оптичної гладкості об’єкту дослідження, високого просторового розділення реєструючого середовища, високої точності суміщення голограм, зареєстрованих до і після деформації предмету; високої стабільності оптичної системи протягом циклу вимірювань; стабільності інтенсивності та хвильових фронтів жмутків опорного та предметного променів протягом циклу вимірювань; довжини когерентності випромінювання лазерного джерела; складність алгоритмів обробки даних. Крім цього даний спосіб забезпечує чутливість до деформації лише вздовж площини падіння жмутків предметного та опорного променів. Спосіб для реконструкції об’єкта з рентгенівських голограм передбачає реєстрацію голограми Фур’є як результату інтерференції предметного променя, що взаємодіє з об’єктом дослідження і опорного променя, що не взаємодіє з об’єктом дослідження, утвореного в результаті розсіювання частини предметного променя до його взаємодії з об’єктом дослідження на сферичному тілі, виготовленому з певного матеріалу і поміщеному у площині розташування об’єкта, чим імітують точкове опорне джерело, необхідне для формування голограми Фур’є в площині спостереження. Способом для реконструкції об’єкта з рентгенівських голограм здійснюють розрахунок величин амплітуд 88353 4 розсіяного точками об’єкта випромінювання для кожної точки реконструйованого з голограми зображення об’єкта, у тому числі розрахунок коефіцієнтів корекції амплітуди точок реконструйованого зображення об’єкта на основі зареєстрованої голограми, відомих геометричних параметрів голографічної схеми, неоднорідності розсіювання сферою, що формує опорний промінь когерентного випромінювання. Недоліком цього технічного рішення є неможливість визначення деформації об’єкта унаслідок ігнорування інформації про фазу розсіяного об’єктом випромінювання та значна складність його практичної реалізації, через окреме просторово віднесене від об’єкта точкове джерело опорного випромінювання та складність запропонованих алгоритмів обробки даних. В основу винаходу поставлено завдання створення способу визначення деформації об’єкту за допомогою реєстрації голограм Фур’є предмету досліджень до і після деформації та обробку цих голограм, опромінюючи предмет когерентними предметним та опорним променями, де джерелом опорного випромінювання є голограма Фур’є досліджуваного предмету до деформації, шляхом виділення та аналізу когерентної складової різниці фаз спектральних перетворень Фур’є зареєстрованих голограм, що дасть можливість визначати просторову деформацію предмету досліджень, а також визначати деформаційні зміни в товщі досліджуваного матеріалу, спростити наступну обробку розсіяного променя об’єктом випромінювання зареєстрованих голограм до і після деформації. У прототипів реєструють голограми, у тому числі голограми Фур’є, котрі є результатом інтерференції предметного променя, що взаємодіяв з об’єктом та опорного променя, що не взаємодіяв з об’єктом. Отримані голограми обробляють відповідними пристроями за заданими алгоритмами, у тому числі з використанням перетворення Фур’є для виділення корисної інформації. У винаході ж предметний та опорний жмутки променів одночасно опромінюють весь об’єкт (чи досліджувану частину об’єкта), а у якості опорного випромінювання для формування голограми Фур’є служить розсіяне об’єктом випромінювання. Таким чином опорне джерело випромінювання є протяжним з високочастотними просторовими компонентами. Пристрій для реєстрації голограм заданої форми та розділення поміщають на певній відстані від об’єкту з певною орієнтацією у просторі, що залежать від співвідношень між розмірами досліджуваного об’єкту та довжиною хвилі використовуваного когерентного випромінювання, заданими розділенням зображення, напрямком та діапазоном досліджуваної деформації. Деформацію об’єкта (його поверхні при використанні випромінювання не проникаючого у товщу матеріалу об’єкта чи об’єму при використанні проникаючого у товщу матеріалу об’єкта випромінювання) визначають на основі обробки голограм об’єкта, зареєстрованих таким способом до та після його деформації. Величина деформації є пропорційною до різниці між фазо 5 вими компонентами перетворень Фур’є від зареєстрованих у вигляді інтенсивностей голограм до і після деформації об’єкта. На основі відповідної орієнтації площин та кутів падіння предметного та опорного променів на об’єкт, стану поляризації предметного та опорного променів, форми та орієнтації середовища для реєстрації голограм, а також відповідних алгоритмів обробки зареєстрованих голограм вибирають напрямок чутливості вимірювальної системи до деформацій, діапазон деформацій та величину чутливості до деформації. На Фіг. 1 зображено оптичну схему голографічного інтерферометра Фур’є для реалізації способу визначення деформації об’єкта, де 1 -об’єкт, 2 - предметний промінь, 3 - опорний промінь, 4 подільник когерентного випромінювання, 5 - джерело когерентного випромінювання, 6 - розширювач променя, 7 дзеркала, 8 - розсіяне об’єктом випромінювання, 9 - пристрій для реєстрації (запису) голограми, 10 система обробки голограм та візуалізації отриманих результатів, 11 - маска. Поставлене завдання вирішують таким чином, що на досліджуваний об’єкт 1 за допомогою дзеркал 7 скеровують предметний 2 і опорний З промені отримані внаслідок розщеплення подільником 4 розширеного розширювачем 6 когерентного випромінювання від джерела когерентного випромінювання 5. Розсіяне об’єктом 1 випромінювання 8, що пройшло крізь маску 11 фіксують за допомогою пристрою для реєстрації (запису) голограм 9, після чого зареєстровану голограму обробляють за допомогою пристрою обробки голограм та візуалізації результатів 10. Розсіяне об’єктом 1 випромінювання служить як предметним, так і опорним для формування на реєструючому пристрої 9 Фур’є голограми, при чому джерело опорного випромінювання не є точковим, а має протяжний характер і містить високочастотні просторові компоненти. Спершу фіксують голограму Фур’є досліджуваного об’єкту 1 до деформації. Після деформації об’єкту 1, наприклад, в результаті прикладання механічного зусилля чи деформації викликаної іншим способом, знову фіксують голограму Фур’є досліджуваного об’єкту 1. За допомогою системи обробки та візуалізації результатів 10 розраховують перетворення Фур’є (спектри Фур’є) від зафіксованих голограм (просторових розподілів інтенсивностей) у вигляді матриць комплексних чисел для відтворення зображення об’єкта 1. Розділення комплексно-спряжених зображень об’єкту досліджень 1 проводять фільтрацією спектрів Фур’є шляхом виборки відповідної частини спектру. Після цього визначають різницю між фазами ϕ відфільтрованих спектрів від голограм, зараєстрованих до і після деформації об’єкту 1 88353 6 для отримання циклічної різниці фаз ϕ (фазового поля) для кожної точки відтвореного зображення об’єкту 1. Для зменшення похибок отриманого результату вимірювань використовують методи усунення з отриманої різниці фаз ϕ випадкових компонент, зумовлених: - випадковим характером розсіювання когорентного випромінювання 2 і 3 на неоднорідностях об’єкту 1 (шорсткість поверхні, неоднорідності внутрішньої будови і т.п.); - випадковими похибками, що вносить вимірювальна система як неточність виготовлення оптичних елементів 4, 6, 7 та неточність позиціюнування окремих елементів системи; - власними шумами когерентного джерела випромінювання 5, - похибками системи реєстрації голограм 9; - методичними та інструментальними похибками, що вносить система обробки даних 10. Отримана циклічна різниця фаз ϕ є в діапазоні (має множину значень) від -π до +π і має розриви на краях множини значень (у точках -π та +π), тому для отримання величини фази, пропорційної до деформації відповідними алгоритмами проводять дециклізацію отриманого фазового поля за допомогою усування розривів відтвореного циклічного фазового поля. Заданий напрямок та діапазон величини вимірюваної деформації об’єкта 1, чутливість вимірювальної системи, виділяють шляхом вибору відповідної форми та орієнтації у просторі реєструючого середовища 8 відносно об’єкта 1, взаємної орієнтації площин, кутів падіння, стану поляризації когерентних предметного 2 та опорного 3 променів на об’єкт. За допомогою відповідних алгоритмів на підставі отриманих полів деформацій об’єкта 1 та характеристик матеріалу об’єкта визначають наявні, приховані та прогнозовані дефекти об’єкта, характеристики його деформації при навантаженнях. Техніко-економічний ефект від використання способу визначення деформації об’єкта полягає у значному спрощенні схеми вимірювань деформацій та обробки даних вимірювань, що суттєво здешевить та розширить область його використання та дасть можливість визначати деформацію безпосередньо на об’єкті і тим самим розширити можливості неруйнівного контролю та запобігати виникненю непередбачуваних аварійних ситуацій. Бібліографічні дані: 1. Голографические неразрушающие исследования (под ред. Роберта К. Ерста) -М.: Изд-во Машиностроение, 1979, 448с. 2. Дж. Строук Введение в когерентную оптику и голографию -М.: Изд-во Мир, 1967, 348с. 3. Патент США №6262818. 4. Патент США №5214581. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 88353 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601