7. Голографическая спекл-интерферометрия

В настоящее время во многих отраслях науки и техники широкое применение находят оптические методы исследования напряженно-деформированного состояния и пространственного положения твердого тела. Наиболее прогрессивным методом оценки качества чувствительных элементов является голографическая интерферометрия, причем для промышленного применения оказываются наиболее привлекательными методы голографической спекл-интерферометрии.

В основе голографической спекл-интерферометрии, лежит двухэкспозиционная регистрация сфокусированных изображений предметов в диффузно рассеянном когерентном излучении. Такая регистрация приводит к пространственной модуляции получаемых (наблюдаемых) изображений спекл-структурой, являющейся результатом взаимной интерференции пространственных составляющих диффузно рассеянного поля.

Спекл-структуры

Рис. 10

Спеклы (от англ. Speckle – пятнышко, крапинка) – пятнистая структура в распределении интенсивности когерентного света, отраженного от шероховатой поверхности, неровности которой соизмеримы с длиной волны света, или прошедшего через среду со случайными флуктуациями показателя преломления. Спеклы возникают вследствие интерференции света, рассеиваемого отдельными шероховатостями объекта. Т.к. поверхность предмета освещается когерентным светом, то интерферируют все рассеянные лучи и интерференционная картина имеет хаотическую структуру. На рис.10 представлена фотография спекл-структуры, возникающей при рассеянии лазерного пучка света, проходящего через матовое стекло.

Различают два случая образования спеклов:

• в пространстве предметов (объектов)

• в пространстве изображений.

В пространстве предметов возникают так называемые объективные спеклы. Схема образования объективной спекл-структуры показана на рис. 11. Лазер освещает шероховатую, диффузно рассеивающую поверхность; полная амплитуда световой волны в точке наблюдения является суммой векторов амплитуд волн, рассеянных всеми точками освещенной поверхности. Эти волны имеют случайные фазы, и в результате их сложения получается результирующая амплитуда. При изменении координат точки наблюдения полная амплитуда (и интенсивность) принимает различные, также случайные значения, что и обусловливает появление спеклов. Поперечное смещение точки наблюдения (без изменения расстояния до рассеивающей поверхности) ведет к быстрому изменению разности хода между интерферирующими волнами и, соответственно, к мелкомасштабным изменениям интенсивности. Продольное смещение точки наблюдения ведет к относительно медленным изменениям разности хода и, соответственно, к относительно крупномасштабным флуктуациям интенсивности. Отдельные спеклы имеют вытянутую вдоль направления наблюдения сигарообразную форму.

Средний поперечный диаметр спекла D = 1,22λ/α, где α – угловой диаметр освещенной когерентным светом шероховатой поверхности. Средний продольный размер спекла L = 4λ/α² .

В пространстве изображений образуются субъективные спеклы. При наблюдении субъективных спеклов изображение предмета оказывается промодулированным спекл-структурой. В этом случае средние размеры спеклов также описываются формулами D = 1,22λ/α и L = 4λ/α², где α – угловые размеры линзы, образующей изображение (см. рис. 12).

Изображения, модулированные спекл-структурами, способны воспроизводить пространственный спектр объекта в его исходном и смещенном состояниях, что и позволяет получать спекл-интерферограммы, отражающие величину и характер изменений, которые претерпел объект.