Интерференция в диффузном свете. Спекл-интерферометрия.

 

Оптический сигнал и оптическая система

Любая информация содержит след событий, состоящих в изменении состояния объектов или процессов. Событие порождает сообщение, которое представляет его описание. Именно в сообщении и содержится информация.

Для передачи сообщения используется сигнал – физический процесс, несущий в себе информацию о состоянии системы и пригодный для передачи на расстояние.

Сигнал может быть детерминированным и случайным. Он может представлять собой простое гармоническое колебание, быть периодическим или непериодическим процессом.

Интерференция в диффузном свете. Спекл-интерферометрия.

Примеры практического применения Плоскопараллельная пластинка L освещается пучком параллельных лучей.

Поверхность AB пластинки - диффузно отражающая, а ее задняя поверхность - зеркальная.

Рис. 8.17. Интерференция на бесконечности лучей, рассеянных в точке I

Рассмотрим ход лучей по двум разным оптическим путям (рис. 8.17).

1) Падающий луч SI нормально входит в толщу пластинки в точке I, идет вдоль пути IHI и в той же точке I диффузно рассеивается во всех направлениях.

Рассмотрим, например, направление IM', составляющее угол θ с нормалью к пластинке.

2) Падающий луч SI в точке I диффузно рассеивается во всех направлениях.

Рассмотрим, например, направление IJ, такое, что луч, распространяющийся вдоль него, испытывает в точке J зеркальное отражение и далее из точки K идет в направлении KK', параллельном MM'.

Диффузное рассеяние света, обусловленное частицами шероховатой поверхности, приводит к беспорядочному изменению фаз падающих лучей. Два луча, диффузно рассеянных поверхностью AB, могут интерферировать даже в случае, если они рассеиваются двумя разными точками поверхности. При переходе от одной пары лучей к другой разность фаз меняется беспорядочно и для всего светового пучка интерференционная картина будет отсутствовать. Но h n - показатель преломления для лучей, диффузно рассеянных одной и той же точкой, это не так: два луча, такие как рассеянные одной и той же точкой I поверхности AB, способны интерферировать. Это справедливо для любой точки поверхности AB и, следовательно, для всей совокупности лучей светового пучка.

Вычислим разность хода Δ между двумя рассмотренными выше лучами

n - показатель преломления пластинки L. Если углы θ и φ малы, то

Лучи SIHIM' и SIJKK' на выходе из пластинки L идут в параллельных направлениях и интерферируют на бесконечности.

Интерференционные полосы можно наблюдать в следующей оптической схеме (рис. 8.18).

Рис. 8.18. Образование интерференционных колец в плоскости экрана Е

В фокальной плоскости линзы O помещен экран E, в котором имеется малое отверстие T, через которое проходит узкий пучок излучения. Падающий луч SI испытывает диффузное рассеяние в точке I либо до, либо после отражения на задней поверхности пластинки L. Интерферировать будут лучи IHIM' и IJKK', испытавшие диффузное рассеяние в одной и той же точке I поверхности AB. Выйдя из пластинки, эти два луча распространяются в параллельных направлениях KK' и IM' и интерферируют в точке P фокальной плоскости линзы O. Их разность хода определяется выражениями, аналогичными предыдущему случаю. Интенсивность в точке P, обусловленная интерференцией этих лучей, дается классической формулой Френеля. Полагая, что амплитуды одинаковы, получим для интенсивности

Для другой точки I' поверхности AB фаза интерферирующих волн будет иной, поскольку фазы волн, диффузно рассеиваемых разными точками поверхности AB, изменяется беспорядочно. В силу симметрии, рассматриваемой схемы и диффузного характера рассеяния падающего излучения на окружности, соответствующей точке P, интенсивность излучения будет одинакова. Следовательно, интерференционная картина будет иметь круговую симметрию, и представлять систему колец (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Распределение интенсивности в интерференционных кольцах (сечение)

В направлении θ, т.е. в точке P фокальной плоскости E линзы O, будет наблюдаться светлое кольцо, если

Угловой радиус первого светлого кольца будет (p=1)

В случае стеклянной пластинки толщиной 0,5 мм с показателем преломления n = 1,5 первое светлое кольцо имеет угловой диаметр 2θ, в 8 раз превышающий угловой диаметр Солнца (при фокусном расстоянии 50 мм диаметр первого светлого кольца равен 4,35 мм; λ = 0,63 мкм; θ = 0,043).

Существуют различия между этими кольцами и кольцами, наблюдаемыми в интерферометре Майкельсона, локализованными на бесконечности. Для колец, возникающих в диффузном свете, порядок интерференции в центре (θ = 0) всегда равен нулю независимо от толщины h пластинки, т.е. яркое светлое пятно будет совпадать с отверстием T.

На рис. 8.19 представлена кривая зависимости интенсивности I от угла θ.

Толщина диффузной пластинки h влияет только на диаметр колец. В интерферометре же Майкельсона интенсивность в центре зависит от "толщины" пластинки, и поэтому в белом свете кольца кажутся окрашенными и наблюдается только при условии, что разность хода Δ очень мала.

Кольца же, наблюдаемые в при диффузном рассеянии, всегда видимы и в белом свете, независимо от толщины h. В центре этих колец всегда располагается светлое пятно.

Корреляционная спекл-интерферометрия

Спекл-интерферометрия это метод измерения, основанный на когерентном сложении (интерференции) поля, имеющего спекл-структуру, с плоской опорной волной или другим полем, имеющим спекл-структуру. Одним из применений этого метода является определение собственных частот и форм колебаний элементов конструкции.

Рис. 8.29. Схема спекл-интерферометра. 1-поворотное зеркало; 2- микрообъектив; 3-светоделительная пластина; 4-сферическое зеркало; 5- регулируемая диафрагма; 6-объектив ССD; 7-поляризационный светофильтр

В методе электронной корреляционной спекл-интерферометрии формирование системы корреляционных полос осуществляется путем вычитания видеосигналов.

Входную плоскость телекамеры помещают в плоскости изображения интерферометра. Выходной сигнал телекамеры, полученный при исходном положении предмета, записывается в памяти. Затем объект контроля смещается, и сигнал, поступающий с телекамеры, вычитается из записанного в памяти сигнала. В результате те части полученных двух изображений, для которых спеклы остаются скоррелированными, дают нулевой сигнал, тогда как сигнал от некоррелирующих участков отличен от нуля.

Таким образом, мы наблюдаем картину корреляционных полос, отражающую вариации амплитуды колебаний по поверхности предмета.

Система получающихся интерференционных полос соответствует смещениям либо в предметной плоскости, либо по нормали к ней. В системах с усреднением по времени удается наблюдать полосы только для нормальных к поверхности смещений.

Микрообъектив 2 служит для освещения всей поверхности объекта или участка подлежащего контролю. Полупрозрачное зеркало совместно со сферическим зеркалом используется для получения опорного пучка, который, проходя через диафрагму, создает в плоскости мишени телекамеры равномерную когерентную засветку. Место установки полупрозрачного зеркала выбирается из условия обеспечения равенства оптической длины пути опорного и объектного пучка. Радиус кривизны сферического зеркала выбирается таким образом, чтобы опорный пучок фокусировался в плоскости диафрагмы. Поляризационный фильтр предназначен для регулирования уровня интенсивности опорного пучка. Диафрагма, установленная перед объективом телекамеры, ограничивает входной зрачок объектива телекамеры, и определяет размер минимального спекла. Изменение фазы опорного пучка может осуществляться за счет смещения сферического зеркала. При смещении фазы опорного пучка на изображении наблюдается изменение спекл-картины.

При возбуждении колебаний исследуемого объекта на резонансной частоте спекл-картина размывается до однородной, продолжая наблюдаться только в области узловых линий

Характерная картина спекл- интерферограммы

Для того чтобы зарегистрировать формы колебаний на каждой резонансной частоте, в памяти компьютера записывается спекл-изображение. Затем фаза опорного пучка смещается так, чтобы на спекл-изображении фаза изменилась на противоположную, и вновь записывается спекл-изображение. Два спекл- изображения вычитаются по модулю, и на экране монитора наблюдается результат вычитания, представляющий собой спекл-интерферограмму.