SPRAWOZDANIE NAUKOWE

Transkrypt

1 P R O J E K T B A D A W C Z Y Z A M A W I A N Y PBZ-MiN-009/T11/2003 Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej SPRAWOZDANIE NAUKOWE 1.1. Opracowanie i wykonanie polowych mikrointerferometrów pomiarowych przystosowanych do zasilania promieniowaniem ciągłym (cw) i impulsowym w zakresie podczerwieni (1,06µm) i widzialnym (0,53µm). Kierownik: prof. dr hab. inż. Małgorzata KUJAWIŃSKA Grupa tematyczna: I. Moduły optoelektroniczne do zastosowań w interferometrii Wykonawca Części Wyodrębnionej: Centrum Transferu Technologii Politechniki Warszawskiej Kierownik : prof. dr hab. inż. Wiesław WOLIŃSKI Warszawa

2 Wydział Mechatroniki PW Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Zakład Techniki Optycznej SPRAWOZDANIE KOŃCOWE z wykonania zadania 1.1 projektu zamawianego Nr PBZ-MiN-009/T11/2003 Temat główny: Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej Tytuł zadania/podzadania: Opracowanie i wykonanie polowych mikrointerferometrów pomiarowych przystosowanych do zasilania promieniowaniem ciągłym (cw) i impulsowym w zakresie podczerwieni (1.06µm) i widzialnym (0.53µm) Nr pracy: 501E Kierownik: pracy: Główni wykonawcy: prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska prof. dr hab. inż. Leszek Jaroszewicz dr inż. Leszek Sałbut dr inż. Paweł Marć mgr inż. Aneta Michałkiewicz mgr inż. Jerzy Krężel mgr inż. Karol Stasiewicz mgr inż. Grzegorz Dymny Warszawa, 2007

3 2

4 Spis treści 1. Założenia, zakres prac i przewidywane parametry polowych mikrointerferometrów pomiarowych przystosowanych do zasilania promieniowaniem ciągłym (cw) i impulsowym w zakresie podczerwieni (1.06µm) i widzialnym (0.53µm) Koncepcja rozwiązania mikrointerferometrów polowych Koncepcja falowodowych interferometrów siatkowych Koncepcja holograficznego interferometru światłowodowego Przebieg prac badawczych i konstrukcyjnych Falowodowy interferometr siatkowy Analiza głowicy falowodowej Badania modelowe głowicy falowodowej Konstrukcja i budowa modułów falowodowego interferometru siatkowego Badania i kalibracja modułów WGI Holograficzny interferometr światłowodowy Analiza głowic pomiarowych i modułów wspomagających interferometru światłowodowego Konstrukcja modułów interferometrów światłowodowych Wykonanie modeli modułów interferometrów światłowodowych Instrukcje montażowe i kalibracja modeli interferometrów światłowodowych Opracowanie pakietów oprogramowania sterującego analizy wyników Założenia analizy danych pozyskiwanych w układzie interferometru falowodowego Założenia i oprogramowanie do analizy danych pozyskanych w systemach interferometrów światłowodowych bazujących na metodzie holografii cyfrowej Opracowanie interfejsu użytkownika i pakietów oprogramowania obsługujących poszczególne interferometry Interfejs użytkownika dla kamer interferometru siatkowego Interfejs użytkownika dla kamer holografii cyfrowej Uzyskane rezultaty końcowe wykonania zadania Falowodowy interferometr siatkowy Parametry użytkowe WGI Badania użytkowe WGI Holograficzny interferometr światłowodowy Podstawowe parametry użytkowe kamer Badania użytkowe cyfrowych kamer holograficznych Podsumowanie Literatura Spis załączników

5 4

6 1. Założenia, zakres prac i przewidywane parametry polowych mikrointerferometrów pomiarowych przystosowanych do zasilania promieniowaniem ciągłym (cw) i impulsowym w zakresie podczerwieni (1.06µm) i widzialnym (0.53µm) Zgodnie z ofertą złożoną przez Wykonawców w ramach projektu opracowane i wykonane zostaną: nowoczesne optoelektroniczne moduły interferometrów planarnych oraz światłowodowych cyfrowych interferometrów holograficznych o parametrach porównywalnych z najlepszymi rozwiązaniami światowymi. Zadanie 1.1 projektu zamawianego jest bezpośrednio powiązane z wykorzystaniem opracowanych w ramach zadania 1.2 mikrolaserów generujących promieniowanie ciągłe i impulsowe i podstawowym założeniem jest wykorzystanie w budowanych modułach interferometrycznych opracowywanych w WAT mikrolaserów. Obydwa typy interferometrów wyposażone będą w moduły analizy interferogramów i przetwarzania wyników o zestawie procedur znacznie przewyższających wszystkie znane autorom oferty handlowe, dostępne na świecie. Oczekiwane parametry techniczne modeli mikrointerferometrów planarnych: - pomiar przemieszczeń w płaszczyźnie i poza płaszczyznowych w całym polu widzenia - pole pomiarowe: nie większe niż 0,5x0,5 mm - automatyczna analiza interferogramów - niepewność pomiaru przemieszczeń: ± 20 nm - współpraca ze standardowymi mikroskopami optycznymi w układzie bez stabilizacji drgań lub ze zintegrowanymi modułami detekcji pracującymi bezpośrednio na konstrukcji inżynierskiej. Oczekiwane parametry techniczne modeli układów światłowodowych: - pomiar kształtu, deformacji i przemieszczeń w całym polu widzenia - pole pomiarowe: nie mniejsze niż 5 x 5 mm - aktywne "projektowanie" parametrów interferogramu (częstości przestrzennych i przesunięcia fazy) - automatyczna analiza obrazów prążkowych - niepewność pomiaru: ± 1/10 prążka - możliwość pomiaru w warunkach niestabilnych (przemysłowe, medyczne). W wyniku projektu powstał zweryfikowany zbiór rysunków konstrukcyjnych jednego modelu interferometru planarnego oraz dwóch modeli holograficznego interferometru światłowodowego oraz pakiety oprogramowania obsługujące w/w modele. W zakresie rozwoju kadry: 1. zakończona została praca habilitacyjna dr Leszka Sałbuta, 2. zaawansowano realizację czterech prac doktorskich (trzy otwarcia, manuskrypt 1 pracy złożony do recenzji we wrześniu 2007r). Złożono również jeden wniosek na projekt europejski STREP (1 konkurs 7PR UE), bazujący na wynikach projektu zamawianego w zakresie holografii cyfrowej. Wyniki uzyskane w zakresie budowy mikrointerferometrów planarnych wykorzystywane są: - przy realizacji projektu zamawianego dot. monitorowania zdrowia dużych konstrukcji inżynierskich, - przy realizacji projektów w ramach Sieci Doskonałości Mikrooptyki NEMO dotyczących opracowania technologii niskonakładowych mikrointerferometrów wykonywanych w plastiku (PMMA). 5

7 2. Koncepcja rozwiązania mikrointerferometrów polowych Zaproponowany w projekcie ogólny schemat blokowy interferometrycznych systemów pomiarowych pokazano na rys.1. Systemy te składają się ze współpracujących ze sobą następujących modułów: - modułu źródła światła z wyjściem światłowodowym, - modułu głowic interferometrycznych: interferometrów holograficznych FOI lub falowodowego interferometru siatkowego WGI, - modułu detekcyjnego, - modułu interfejsu między źródłem światła, a głowicą interferometryczną (toru światłowodowego), - modułu elektronicznego (układy sterujące i zasilające), - modułu oprogramowania. Moduł głowic FOI or WGI Moduł interfejsu Moduł źródła światła Moduł detekcyjny Moduł urządzeń elektronicznych Moduł oprogramowania ZAŁOŻENIA Rys. 1. Ogólny schemat blokowy interferometrycznych systemów pomiarowych. 1. Komplementarność systemów interferometrycznych będzie realizowana poprzez wykorzystanie takich samych modułów źródła światła oraz interfejsu pomiędzy źródłem, a głowicą pomiarową. Wiązka światłowodów oraz przewodów elektrycznych (sygnałowych i zasilających) interfejsu będzie prowadzona w jednym kablu ze standardowymi złączami typu ST. 2. Pozostałe wspólne moduły będą bazowały na jak najbardziej zbliżonych rozwiązaniach (maksymalna część wspólna), ale będą specjalizowane do konkretnej głowicy interferometrycznej: moduł detekcyjny: - kamera CCD/CMOS: 1/3 lub 1/4, - transfer danych: USB lub WiFi, - rozdzielczość: standardowa dla WGI, wysoka dla FOI, - wymiary piksela: standardowe dla WGI, jak najmniejsze dla FOI, - czułość: jak najwyższa dla λ = 0.53µm i λ = 1.06µm; moduł elektroniczny: część wspólną stanowić będą zasilacze. Do FOI w skład modułu wejdą sterowniki światłowodowego przesuwnika fazy oraz przełącznika optycznego, w obydwu układach występują sterowniki silnika krokowego; moduł oprogramowania: wspólny interfejs użytkownika, specjalizowane procedury do automatycznej analizy danych bazujące na Fringe Application (f-my SMARTTECH); dwa poziomy użytkowe: tryb podstawowy (pomiary bez ingerencji operatora) i tryb zaawansowany (pomiary laboratoryjne, interakcja z operatorem). 6

8 3. Opis i założenia do modułów głowic interferometrycznych są prezentowane w dalszych punktach sprawozdania. Głowice będą skonstruowane w trzech wersjach roboczych i dla dwóch długości fali (patrz tabela1). Wszystkie głowice będą przystosowane do pracy ze źródłem typu cw oraz impulsowym. Głowica falowodowa WGI bazująca na płasko-równoległej płytce szklanej, przystosowana do współpracy ze standardowymi mikroskopami optycznymi (brak integracji z detektorem) lub do współpracy z układem ekstensometru przystosowanego do pomiarów bezpośrednio na konstrukcjach inżynierskich. Głowica światłowodowa FOI-1D umożliwiająca pomiar kształtu i deformacji (potem nazwana CIH532). Głowica światłowodowa FOI-3D do pomiaru dowolnego wektora przemieszczenia (potem nazwana CIH1064. Tabela 1. Zestawienie głowic interferometrycznych i wykorzystywanych w nich długości fal promieniowania Typ λ [µm] WGIM + - WGIS + - FOI-1D + - FOI-3D Koncepcja falowodowych interferometrów siatkowych Ogólny schemat falowodowego interferometru siatkowego (WGI) do pomiarów i monitorowania przemieszczeń/odkształceń w płaszczyźnie badanych elementów [1,2] jest pokazany na rys.2. Głowica składa się z wymiennej płytki falowodowej (bloku szklanego) PF, układu formowania wiązki OK, zespołu detektora (obiektyw odwzorowujący + kamera CCD/CMOS) oraz standardowych złącz elektrycznych ZE i światłowodowych ST. Komplementarność modułu falowodowej głowicy interferometrycznej będzie zapewniona poprzez wspólny układ formowania wiązki, optyki odwzorowującej, układu detekcyjnego oraz standardowych złącz. Rys. 2. Schemat blokowy modułu falowodowej głowicy WGI. ZE standardowe złącze elektryczne, ST standardowe złącze światłowodowe, OK. optyka formująca wiązkę oświetlającą, OO obiektyw odwzorowujący. Płytki falowodowe mogą być konstruowane dla różnych częstości siatek, co umożliwi dobór odpowiedniej czułości bazowej interferometru wysokiej w przypadku zastosowań badawczych i laboratoryjnych (siatki o częstościach > 1000 linii/mm) i niskiej w przypadku zastosowań czujnikowych (siatki o częstościach < 1000 linii/mm). Zastosowanie głowic przystosowanych do niskich częstości związane jest także z możliwościami niskonakładowej 7

9 technologii replikacji w tworzywie, przewidywanej do realizacji tanich czujników przemieszczeń/odkształceń. Zasadę działania płytkowej głowicy falowodowej interferometru siatkowego [1] przedstawiono na rys.3. Θ p A +1 A -1 n P1 P2 i 2 i 1 SP Θ k A immersja A +1 A SK -1 Rys. 3. Schematy falowodowego interferometru siatkowego WGI. A wiązka oświetlająca, A +1 i A -1 wiązki ugięte na siatce kompensującej, A +1 i A -1 wiązki ugięte na siatce przedmiotowej, SK siatka kompensująca, SP siatka przedmiotowa, P1 i P2 wewnętrzne powierzchnie głowicy, Θ - kąt ugięcia pierwszego rzędu dyfrakcyjnego, i 1 oraz i 2 kąty odbicia, n współczynnik załamania szkła. Wiązka oświetlająca A o płaskim czole falowym pada na siatkę kompensującą SK. Wiązka +1 rzędu dyfrakcyjnego A +1 jest prowadzona wewnątrz płytki i po odbiciu od powierzchni P2 oświetla siatkę przedmiotową SP. Wiązka 1 rzędu dyfrakcyjnego A -1 odbija się od powierzchni P1, następnie jest prowadzona wewnątrz płytki i oświetla siatkę przedmiotową w tym samym miejscu, co wiązka A +1. Jeżeli siatki kompensująca i przedmiotowa mają równe częstości, wtedy wiązki A +1 i A -1 oświetlają siatkę przedmiotową pod kątem równym kątowi ugięcia pierwszego rzędu dyfrakcyjnego. W takim przypadku (θ k = θ p = θ) wiązki ugięte na siatce przedmiotowej A +1 i A - 1 propagują się współosiowo i prostopadle do powierzchni próbki niezależnie od długości fali światła. Taki układ jest układem achromatycznym mało czułym na zmianę długości fali światła lub drgania Koncepcja holograficznego interferometru światłowodowego Podstawą realizacji zadania są wstępne założenia, określające parametry techniczne interferometru światłowodowego zawarte w ofercie: - pomiar kształtu, deformacji i przemieszczeń w całym polu widzenia, - pole pomiarowe nie mniejsze niż 5 x 5 mm, - zminiaturyzowane źródło światła o przestrajalnej długości fali, najlepiej impulsowego i o odpowiedniej drodze koherencji, - aktywne "projektowanie" parametrów interferogramu (częstości przestrzennych i przesunięcia fazy), - automatyczna analiza obrazów prążkowych, - możliwość pomiaru w warunkach niestabilnych (przemysłowe, medyczne), - niepewność pomiaru: ± 1/10 prążka. Ze względu na przewidywane grupy zastosowań inżynierskich i medycznych cyfrowych holograficznych interferometrów światłowodowych zaproponowano dwa warianty układów pomiarowych: a) FOI-1D do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych, b) FOI-3D do pomiaru dowolnego wektora przemieszczeń. Część optyczna FOI ma następujące funkcje oraz możliwości ich rozwiązań konstrukcyjnych: 8

10 światłodzielenie i rekombinacja frontów falowych wiązki przedmiotowej i odniesienia z wykorzystaniem układ światłowodowego dopasowanie do metody automatycznej analizy danych (przesunięcia fazy, częstości nośnej) z alternatywnym rozwiązaniem wykorzystującym: przesuw elementów optycznych na PZT światłowód nawinięty na PZT linia opóźniająca źródło światła zewnętrzne z wyjściem poprzez pigtailowanie światłowodu detektor wewnętrzny w postaci wysokorozdzielczej kamery CCD lub CMOS z małym pikselem. Jak pokazano w Tabeli 1 system FOI -1D wykonany zostanie dla źródła świata o długości fali 0.53 µm, a FOI -3D dla 1.06 µm. Jest to podyktowane wysoką ceną i trudną dostępnością elementów światłowodowych na długość fali inną od typowych długości telekomunikacyjnych. Na rys. 4 przedstawiono podstawowe moduły układu do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych, FOI -1D [3]. a) b) Rys. 4. Światłowodowy interferometr holograficzny do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych: a) część optyczna, b) część elektroniczna. Część optyczna światłowodowego interferometru holograficznego do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych (rys. 4a) składać się będzie z: - elementów formujących i modulujących wiązkę: sprzęgacza o procentowym podziale mocy 10/90, światłowodowego modulatora fazy (MF), - głowicy endoskopowej. Głowica endoskopowa połączona będzie elastycznym przewodem z elementami formującymi i modulującymi za pomocą złącz ST. Gałąź interferometru oznaczona jako 1 to wiązka odniesienia natomiast gałąź 2 to wiązka obiektowa. W gałęzi odniesienia umieszczony zostanie modulator fazy pozwalający na realizację kontrolowanej zmiany fazy dla kolejnych obrazów prążkowych oraz ewentualnej redukcji szumu plamkowego. Wiązka świetlna doprowadzona będzie do układu optycznego za pomocą włókna optycznego i połączona z tym układem standardowym złączem ST. Część elektroniczna interferometru (rys. 4b) zawierać będzie generator sterujący modulatorem fazy oraz system sterowania matrycą CCD, która będzie częścią składową endoskopowej głowicy pomiarowej. Automatyczna analiza obrazów prążkowych cyfrowej interferometrii holograficznej (CIH) (bazująca na procedurach Fringe Application [4]) realizowana będzie przez pakiet oprogramowania zaimplementowanego na komputerze PC. Ze względu na wysokie koszty i trudną dostępność niektórych elementów światłowodowych dla promieniowania widzialnego światłowodowy interferometr do pomiaru dowolnego wektora przemieszczeń zdecydowano się zrealizować dla fali o długości 1.06 µm. Schemat systemu IFO-3D przedstawiono na rys. 5 [5]. 9

11 a) b) Rys. 5. Światłowodowy interferometr holograficzny do pomiaru dowolnego wektora przemieszczeń: a) część optyczna, b) część elektroniczna. Część optyczna światłowodowego interferometr holograficznego do pomiaru dowolnego wektora przemieszczeń (rys. 5a) składać się będzie z: - elementów formujących i modulujących wiązkę: sprzęgacza o procentowym podziale mocy 10/90, przełącznika optycznego, światłowodowego modulatora fazy (MF) - głowicy endoskopowej. Wiązka ze źródła doprowadzona będzie do układu optycznego za pomocą włókna optycznego i połączona z tym układem standardowym złączem ST. Gałąź interferometru oznaczona jako 5 to wiązka odniesienia natomiast gałęzie 1-4 to wiązki obiektowe. W tym rozwiązaniu za pomocą przełącznika optycznego obiekt będzie oświetlany z czterech różnych punktów. W gałęzi odniesienia, tak jak w poprzednim rozwiązaniu, umieszczony zostanie światłowodowy modulator fazy pozwalające na realizację kontrolowanej zmiany fazy oraz ewentualnej redukcji szumu plamkowego. Głowica endoskopowa w obydwu przypadkach połączona będzie złączami ST z pozostałą częścią interferometru przewodem elastycznym, wewnątrz którego umieszczone zostaną włókna światłowodowe wraz z przewodami elektrycznymi do kamery CCD. Część elektroniczna interferometru (rys. 5b) zawierać będzie generator sterujący modulatorem fazy oraz systemy sterowania przełącznikiem optycznym oraz matrycą CCD. Automatyczna analiza obrazów prążkowych cyfrowej interferometrii holograficznej (CIH) (bazująca na procedurach Fringe Application [4]) realizowana będzie przez pakiet oprogramowania zaimplementowanego na komputerze PC. 3. Przebieg prac badawczych i konstrukcyjnych 3.1. Falowodowy interferometr siatkowy Analiza głowicy falowodowej Falowodowa głowica interferometru siatkowego [6] ma postać prostopadłościennej płytki szklanej (rys. 6), której wymiary muszą spełniać zależność: l = 2 N h tanθ, (1) gdzie l-długość płytki, N=1,2,3... liczba odbić od górnej powierzchni, h wysokość płytki, θ - kąt ugięcia pierwszego rzędu dyfrakcyjnego obliczony z zależności: λ λf θ = arcsin = arcsin, (2) nd n gdzie λ- długość fali światła, n- współczynnik załamania szkła, d okres siatki dyfrakcyjnej, f częstość przestrzenna siatki dyfrakcyjnej. Wiązki +1 i 1 rzędu dyfrakcyjnego mogą propagować się w płytce na trzy sposoby : 10

12 bazując na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia na wszystkich powierzchniach płytki (tzn. gdy i 1 > α gr oraz i 2 > α gr, α gr = sin -1 (1/n) oznacza kąt graniczny, gdzie n jest współczynnikiem załamania materiału płytki falowodowej). Z rys. 3 mamy θ = i 2 = π/2 i 1, a więc warunki odpowiadające całkowitemu wewnętrznemu odbiciu można zapisać w postaci: 1 θ sin ( 1/ n), (3) 1 θ cos 1/ n ( ) odbijając się od zwierciadlanych powierzchni płytki: θ < sin -1 (1/n) i θ > cos -1 (1/n), wykorzystując obydwa wymienione wyżej zjawiska (odbicie od zwierciadeł naniesionych na górnej i dolnej powierzchni płytki, gdy θ < sin -1 (1/n) i θ < cos -1 (1/n), lub odbicie od zwierciadeł naniesionych na bocznych powierzchniach płytki, gdy θ > sin -1 (1/n) i θ > cos -1 (1/n) )). Na rys. 6. pokazana jest graficzna reprezentacja powyższych przypadków. Na wykresie można wyróżnić cztery obszary A, B, C i D w których konstrukcje głowic mikrointerferometrów siatkowych różnią się ilością oraz miejscem nakładania warstw zwierciadlanych na powierzchnie płytki falowodowej. Dodatkowo, na rys. 7 pokazane są przykładowe diagramy z naniesionymi krzywymi (3) dla kilku długości fali światła i standardowej częstości siatki f = 1200 linii/mm. Z wykresu widać, że przy przyjętej długości fali światła (532 nm) dla najczęściej stosowanych siatek o częstości 1200 linii/mm można skonstruować tylko głowice typu B i D. Dla drugiej przyjętej w pracy długości fali wynoszącej 1064 nm można zbudować głowice typu C i A, przy czym muszą one pracować z cieczą immersyjną pomiędzy płytką falowodową a badanym elementem. W przypadku badań prowadzonych w terenie jest to niedopuszczalne, więc ta długość fali nie będzie brana pod uwagę w dalszych rozważaniach. Głowice nie wymagające immersji Rys. 6. Wykres zależności Θ = f(n) dla falowodowych głowic mikrointerferometrów siatkowych. oznacza warstwę zwierciadlaną, szary m kolorem oznaczono obszar głowic immersyjnych. Rys. 7. Wykres Θ = f(n) dla źródeł światła o różnych długościach fali i ustalonej częstości przestrzennej siatki f = 1200 linii/mm. 11

13 Na rys pokazano biegi promieni oraz podstawowe parametry rozważanych typów płytek falowodowych [7], a na rys. 11 trójwymiarowy schemat biegu promieni w płytce wybranej do realizacji. Charakteryzuje się ona najmniejszą grubością oraz specjalną wypustką pozwalającą na precyzyjną lokalizację płaszczyzny pomiarowej (miejsca położenia badanej próbki). Wysokość [mm]: 11,5 Długość [mm]: 21,3 Φ wiązki [mm]: 2,0 Odległość środka wiązki od ściany [mm]: 1,5 n(λ) (policzone z wzorów Sellmaiera): 1,519 Rys.8. Bieg promieni i podstawowe parametry płytki falowodowej dla λ = 532 nm. Wysokość [mm]: 11,5 Długość [mm]: 22,0 Φ wiązki [mm]: 2,0 Odległość środka wiązki od ściany [mm]: 1,5 n(λ) (policzone z wzorów Sellmaiera): 1,519 Wysokość wypustki [mm]: 1,5 Rys.9. Bieg promieni i podstawowe parametry płytki falowodowej z wypustką dla λ = 532 nm. 12

14 Wysokość [mm]: 19,0 Długość [mm]: 35,2 Φ wiązki [mm]: 2,0 Odległość środka wiązki od ściany [mm]: 3,0 Rys.10. Bieg promieni i podstawowe parametry płytki falowodowej z odsuniętą płaszczyzną pomiarową. Rys.11. Trójwymiarowy schemat biegu promieni w wybranej do realizacji płytce falowodowej z wypustką. Przesunięcie fazy prążków interferencyjnych wymagane przez metodę dyskretnej zmiany fazy (DZF) do automatycznej analizy obrazów prążkowych zrealizowane może być przez pochylanie wiązki oświetlającej względem płytki falowodowej. Przesunięcie w fazie prążka interferencyjnego o wartość ψ opisuje równanie: D Lsinδ L(cosα cos β ) 1 ψ = 2π L f (4) 2 λ 2λ λ 2 f 13

15 gdzie, L jest długością płytki, f jest częstością przestrzenną siatki przedmiotowej, D jest średnicą pola widzenia, a α i β są kątami ugięcia +1 i 1 rzędu dyfrakcyjnego w przypadku wiązki oświetlającej padającej pod kątem δ na siatkę kompensującą. Z równania wynika, że przesunięcie fazy ψ = π/2 otrzyma się przy pochyleniu wiązki o δ = Badania modelowe głowicy falowodowej Na rys. 12 pokazany jest rysunek złożeniowy wybranego do realizacji rozwiązania płytki falowodowej z wypustką. Moduł składa się z płytki falowodowej, siatki dyfrakcyjnej (do wprowadzenia wiązek dyfrakcyjnych w falowód) i tzw. wypustki (płytki umożliwiającej wyprowadzenie wiązek oświetlających siatkę przedmiotową nałożoną na powierzchnię badanej próbki oraz umożliwiającą lokalizację próbki). Elementy modułu zostały wykonane ze szkła BK7. Częstość przestrzenna siatki dyfrakcyjnej wynosi 1200 linii/mm. Siatka została wykonana w ramach projektu europejskiego NEMO. Rys.12. Rysunek złożeniowy modułu płytki falowodowej. Badania modelowe opracowanej i wykonanej płytki falowodowej głowicy WGI przeprowadzono na laboratoryjnym stanowisku pokazanym na rys. 13. Jako źródła światła użyto handlowego mikrolasera o długości fali λ = 0.53 µm, takiej samej jak w docelowym laserze realizowanym w Zadaniu 1.2. Przykładowe wyniki uzyskane w trakcie badań pokazane są na rys. 14. Rys. 13. Schemat i fotografia stanowiska do badań modelu falowodowej głowicy interferometrycznej. 14

16 0 π/ π 3π 2π a) b) c) c) Rys.14. Przykładowe wyniki pomiaru przemieszczeń w płaszczyźnie próbki z karbem: a) interferogramy z przesunięciem fazowym π/2, b) mapa przemieszczeń, c) rozkład błędów pomiaru spowodowanych niedokładnością przesunięcia fazy Konstrukcja i budowa modułów falowodowego interferometru siatkowego Modułowy schemat opracowanego interferometru falowodowego WGI jest pokazany na rys. 15. W dalszej części omówiona zostanie konstrukcja oraz wykonanie poszczególnych modułów urządzenia [8,9]. Moduł oświetlacza z wbudowanym laserem Moduł światłowodowy Moduły źródła światła laser 532 nm Moduł głowicy falowodowej Moduł przesuwnika fazy Moduł detekycjny Moduł urządzeń elektronicznych Moduł oprogramowania Rys. 15. Modułowy schemat interferometru falowodowego. 15

17 Rys. 16. Ogólny schemat konstrukcji interferometru falowodowego. Ogólny schemat falowodowego interferometru siatkowego (WGI) jest pokazany na rys.16. W dolnej szynie (6) zamocowana jest płytka falowodowa. Szyna ta jest jednocześnie bazą do 16

18 której zamocowane są wsporniki podtrzymujące moduły oświetlacza (3), kamery (2), i przesuwnika fazy (5). WGI został przystosowany do współpracy z dwoma rodzajami oświetlaczy: wbudowanym mikrolaserem handlowym oraz z laserem poza układem pomiarowym i światłowodowym torem wiązki. Moduł lasera zewnętrznego wraz z modułem światłowodowym został wykonany przez partnerów z Instytutu Optoelektroniki WAT. Moduły te są takie same jak stosowane w kamerach holografii cyfrowej i są opisane przez IOWAT w sprawozdaniu z Zadania 1.2. Na rys. 17 i 18 pokazane są trójwymiarowe widoki konstrukcji przykładowych modułów interferometru, odpowiednio, modułu płytki falowodowej i modułu realizacji DZF. Wymagane przesunięcie fazy realizowane jest przez pochylanie modułu lasera (lub złącza światłowodowego) z wykorzystaniem silnika krokowego oraz specjalnej krzywki popychacza. Dobierając kąt nachylenia czoła krzywki można uzyskać żądaną rozdzielczość kroku fazowego. Dokumentacja konstrukcyjna wszystkich modułów interferometru jest do wglądu w IMiF. Rys.17. Zespół główny płytki falowodowej. Rys.18. Moduł realizacji przesunięcia fazy. Na rys pokazane są fotografie wykonanych modułów falowodowego interferometru siatkowego. Na rys. 19 pokazany jest moduł oświetlacza interferometru ze złączem światłowodowym. Moduł oświetlacza z wbudowanym laserem przedstawiono na rys. 120 Do budowy modułu wykorzystany został handlowy mikrolaser GLMC1-5 firmy LASERTECHNIK generujący promieniowanie o długości fali 532 nm. Laser zamocowany jest w specjalnym uchwycie umożliwiającym jego pochylanie w zakresie ± 2, w celu wprowadzania przesunięcia fazy prążków. Ruch ten realizowany jest z wykorzystaniem modułu przesuwnika fazy pokazanego na rys. 21. Do napędu przesuwnika fazy zastosowany został dwufazowy 12V unipolarny silnik krokowy dwufazowy 12V bipolarny AM1020 V firmy ARASAPE. Rys. 19. Moduł oświetlacza ze złączem światłowodowym. 17

19 Rys. 20. Moduł oświetlacza z wbudowanym laserem. Rys. 21. Moduł przesuwnika fazy prążków z elektronicznym układem sterowania. Sterownik silnika składa się z handlowo dostępnej płytki Arduino MiniUSB (przetwarzającej rozkazy z portu USB na port szeregowy) opartej na popularnym układzie FT232RL oraz Arduino Mini z procesorem ATmega 168 i pamięcią 16kB, którą można programować poprzez port USB. Wpisany do pamięci sterownika program zamienia rozkazy z USB na sekwencję sygnałów sterujących silnikiem krokowym w sposób całokrokowy bądź półkrokowy. Sterowanie silnika odbywa się poprzez tranzystory w układzie Darlingtona wzmacniające i izolujące sygnały logiczne od sterujących (układ scalony ULN2004A). Pomiar pozycji początkowej odbywa się poprzez układ diody IR 875nm typu HSDL4220 świecącej przez otwór φ 1mm w obudowie przesuwnika fazy oraz fototranzystora Hamamatsu S4810 z układem Schmitta umieszczonym naprzeciw diody. Tylko w jednej pozycji obracającej się krzywki światło z diody IR pada na fotodetektor dając sygnał o przejściu krzywki przez pozycję początkową. Rys. 22. Moduł detekcyjny z kamerą CMOS i obiektywem odwzorowującym. Moduł detekcyjny pokazany jest na rys. 22. Składa się z kompaktowej kamery firmy UEYE z wyjściem typu USB 2.0. Rozdzielczość matrycy CMOS wynosi 640 x 480 punktów. Kamera 18

20 współpracuje z obiektywem odwzorowującym o ogniskowej 8 mm. Układ mocowania kamery i obiektywu zapewnia możliwość regulacji w celu zogniskowania się na płaszczyznę badanej próbki. Na rys. 23 pokazany jest moduł głowicy falowodowej. Szklana płytka falowodowa zamocowana jest w obudowie, która stanowi bazę do zamontowania wyżej przedstawionych modułów. Widok zmontowanego rys. 24a (bez obudowy) i rys. 24b (w obudowie). Rys. 23. Moduł głowicy falowodowej. a) b) Rys. 24. Falowodowy interferometr siatkowy: a) bez obudowy, b) w obudowie Badania i kalibracja modułów WGI Moduł oświetlacza z wbudowanym laserem Ze względu na achromatyczne właściwości falowodowej głowicy siatkowej, na kontrast prążków nie ma wpływu zmiana długości fali wiązki oświetlającej. Najważniejszym parametrem jest droga koherencji. Wynik badania drogi koherencji zastosowanego w urządzeniu handlowego lasera GLMC1-5 firmy LASERTECHN IK jest pokazany na rys. 25. Pomiary zostały wykonane w laboratoryjnym układzie interferometru typu Twymana-Greena. Jedno zwierciadło interferometru posadowione zostało na Rys. 25. Wykres zmian kontrastu w zależności od różnicy dróg optycznych (OPD) dla lasera GLMC1-5 firmy LASERTECHNIK. mikrometrycznym stoliku przesuwnym w celu zmiany różnicy dróg optycznych (OPD) w zakresie 25 mm. Jak widać z wykresu, kontrast prążków zmienia się w 19

21 zakresie od 1 do 0.95, a więc praktycznie. Takie zmiany są w praktyce pomijane. Laser może zostać wykorzystany w budowanym interferometrze siatkowym w którym, ze względu na niewielkie pole pomiarowe, wymagana droga koherencji jest rzędu kilku (2 5) mm. Moduł detekcyjny W celu skalibrowania modułu detekcyjnego przeprowadzono pomiary pola widzenia układu odwzorowującego oraz badania szumów własnych kamery. Maksymalne pole pomiarowe wynosi 2.2 mm x 3.3 mm. Na rys. 26 pokazany jest przykładowy obraz liter wydrukowanych fontem Times New Roman 10 pkt, uzyskany w oświetleniu niekoherentnym z wykorzystaniem układu odwzorowującego interferometru. Rys. 26. Pole pomiarowe w oświetleniu niekoherentnym. Na rys. 27 pokazane są przykładowe wydruki z badań szumów własnych kamery przy różnych ustawieniach wzmocnienia: maksymalnym, minimalnym i standardowym. Ze względu na moc promieniowania lasera (9 mw), można pracować ze wzmocnieniem minimalnym. W takim przypadku wpływ szumów własnych kamery jest do pominięcia. a) b) c) Rys. 27. Przykładowe wydruki badań szumów własnych kamery: a) wzmocnienie maksymalne, b) wzmocnienie minimalne, c)wzmocnienie standardowe. 20

22 Kalibracja modułu przesuwnika fazy Zakres ruchu kątowego przesuwnika, dla którego nie występuję pogorszenie obrazu interferencyjnego zależy od pochylenia krzywki zamocowanej na osi silnika krokowego. Przeprowadzone doświadczenie wykazało, że przesunięcie fazy prążków o 2π uzyskuje się po zadaniu 6000 kroków silnika (1 krok 0.06 przesunięcia fazowego) (rys. 28). Jest to wystarczające dla uzyskania oczekiwanej niedokładności w metodzie czasowego przesunięcia fazy ( ϕ ±0.1 ). Nieznaczną nieliniowość charakterystyki przesuwnika fazy koryguje się przez dobór odpowiedniej liczby kroków silnika na wymagane przesunięcie fazowe. Badania wykazały także istnienie histerezy przesuwnika przy zmianie obrotów silnika (patrz żółta linia na wykresie). Nie ma to jednak znaczenia, gdyż pomiar jest realizowany tylko dla jednego kierunku. Rys. 28. Wykres kalibracji przesuwnika fazy Holograficzny interferometr światłowodowy Analiza głowic pomiarowych i modułów wspomagających interferometru światłowodowego Najważniejszym modułem systemów FOI są ich głowice pomiarowe zrealizowane w dwóch wersjach FOI-1D i FOI-3D. Poniżej przedstawiono opracowane koncepcje pomiarowe i ich implementację w postaci schematów rozwiązań konstrukcyjnych. I tak dla interferometru do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych FOI-1D opracowana koncepcja głowicy zaprezentowana została na rys. 29. Głowica składać się będzie z światłowodu oświetlającego ( 2 ) wraz z mocowaniem, światłowodu wiązki referencyjnej 1 sprzężonej z kolimatorem, zwierciadła M, kostki światłodzielącej DW, matrycy CCD oraz obudowy. Skolimowana wiązka świetlna po odbiciu od zwierciadła rekombinuje na kostce światłodzielącej z wiązką rozproszoną na obiekcie i powstaje obraz prążkowy (hologram), który rejestrowany jest przez matrycę CCD. Pomiar kształtu realizowany jest metodą dwóch źródeł poprzez przesuwanie wiązki oświetlającej. Element PZT powinien realizować przesuw w zakresie: µm, aby uzyskać warstwice 200 µm 1mm. 21

23 Rys.29. Głowica typu endoskopowego (FOI -1D) do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych, M zwierciadło, GL soczewka kolidująca, DW dzielnik wiązki, PS przesuwnik włókna 2. Głowica typu endoskopowego dla interferometru do pomiaru dowolnego wektora przemieszczeń FOI-3D zaprezentowana została na rys. 30. W zaproponowanej poniżej koncepcji wykorzystywane są cztery wiązki przedmiotowe symetrycznie oświetlające obiekt. Jest to rozwiązanie różne od typowo proponowanego w holografii klasycznej [9]. Rys. 30. Głowica typu endoskopowego (FOI -3D) do pomiaru dowolnego wektora przemieszczenia, M zwierciadło, DW dzielnik wiązki, GL soczewka kolimująca. Schemat konfiguracji z symetrycznym oświetleniem obiektu [5] przedstawiono na rys. 31. W układzie tym mierzone są składowe przemieszczenia w płaszczyźnie u(x,y) i v(x,y) oraz składowa przmieszczenia pozapłaszczyznowego w(x,y). Hologramy są rejestrowane przed i po odkształceniu obiektu. Obiekt oświetlony jest z dwóch symetrycznych kierunków lewego Σ ill (L) i prawego Σ ilr (P). Metoda polega na rejestracji kolejnych hologramów obiektu: - pierwsza para przed odkształceniem obiektu (Ref +L, Ref+P), - druga para po odkształceniu obiektu (Ref + L, Ref+P ). Każda z wiązek interferuje z wiązką odniesienia Σ ref (REF) i kolejne hologramy są rejestrowane. Należy podkreślić, że zaproponowane układy interferometrów wraz z głowicami endoskopowymi umożliwiają pracę zarówno ze źródłami ciągłego Rys. 31. Podstawowy układ do pomiaru przemieszczenia w płaszczyźnie i pozapłaszczynowego z wykorzystaniem symetrycznego oświetlenia. 22

24 działania jak i impulsowymi. Wykorzystanie impulsowego źródła światła umożliwia pracę w niestabilnych warunkach pomiarowych. Dodatkowo zaproponowane konstrukcje głowic endoskopowych pozwalają na miniaturyzację tego modułu przy równoczesnym uzyskaniu pola pomiarowego powyżej 10 mm 10 mm. Zastosowanie odpowiedniego pokrycia włókien światłowodowych pozwala również na minimalizację wpływu temperatury na działanie interferometru. Na etapie rejestracji przy użyciu cyfrowych detektorów obrazowych (CCD) należy się liczyć z ograniczeniami wynikającymi z ich stosowania. Dyskretna struktura matryc CCD wyznacza konieczność spełnienia kryterium Nyquista. Zgodnie z tym kryterium, aby jednoznacznie próbkować hologram konieczne są przynajmniej dwa piksele matrycy CCD na każdy prążek interferencyjny. λ p = 2 p (5) γ 2sin( ) 2 gdzie p - okres prążków interferencyjnych, λ - długość fali światła, γ- kąt między interferującymi wiązkami, - rozmiar piksela. Biorąc pod uwagę aperturę kamery i pole pomiarowe, jakie chcemy uzyskać odległość, w jakiej powinien się znaleźć badany przedmiot liczona jest z wzoru: X max d = (6) 2sin[1/ 2γ ] gdzie d - odległość detektor przedmiot, X max maksymalny wymiar pola pomiarowego. W tabeli 2 podano przykładowe parametry geometryczne układu w zależności od zastosowanego typu kamery (wymiaru piksela i matrycy) i od długości fali. Tabela 2. Przykładowe parametry geometryczne układu głowicy interferometru holograficznego Rozmiar piksela λ = µm λ = 532nm γ d γ d 5 µm 6,09 94 mm 3, mm 9 µm 3,4 168 mm 1,7 337 mm Aby umożliwić właściwą konstrukcję docelowych głowic pomiarowych zbudowano ich modele i przeprowadzono optymalizację parametrów geometrycznych głowic. A. Model modułu głowicy pomiarowej do pomiarów dowolnego wektora przemieszczeń w wersji propagacji w wolnej przestrzeni Zbudowany został model układu bazujący na klasycznych elementach opto-mechanicznoelektronicznych umieszczonych w wolnej przestrzeni i zlokalizowanych na stole antywibracyjnym. W układzie zastosowano symetryczne oświetlenie obiektu w celu sprawdzenia poprawności koncepcji (znanej z interferometrii siatkowej i elektronicznej interferometrii plamkowej [10]) wyznaczania przemieszczeń w płaszczyźnie i pozapłaszczyznowych z zestawu zarejestrowanych frontów falowych [5]. Schemat układu i jego fizyczną realizację przedstawiono na rys

25 a) b) c) Rys. 32. Zbudowany model modułu pomiarowego CIH: a) schemat układu, b) wygląd układu, c) przykładowe prążki fazowe mod 2π odkształcanej mikromembrany krzemowej. Przykładowe wyniki pomiarów przemieszczeń w płaszczyźnie w kierunku x (u(x,y)) i pozapłaszczyznowych (w(x,y)) mikromembrany krzemowej obciążanej ciśnieniem w zakresie kpa przedstawione są na rys. 33. a) b) Rys. 33. Wyniki pomiarów przemieszczeń: a) w płaszczyźnie, b) pozapłaszczyznowych membrany krzemowej obciążanej w zakresie kpa z krokiem 0.1 kpa. Badania modelowe wykazały słuszność zaproponowanej konfiguracji i metodyki wyznaczania przemieszczeń (u,v,w) i w dalszej części projektu posłużą do opracowanioa właściwej konfiguracji głowicy FOI-3D. B. Model modułu głowicy pomiarowej do pomiarów przemieszczeń pozapłaszczyznowych (wersja światłowodowa) W następnym etapie prac zestawiony został układ interferometru holograficznego bazujący na elementach światłowodowych. Schemat i zdjęcie tego układu zostały przedstawione na rys. 34. Układ służy do pomiaru przemieszczeń pozapłaszczyznowych i kształtu małych elementów 24

26 lub niewielkich obszarów części maszyn. W układzie sprawdzono możliwość rejestracji i rekonstrukcji hologramów przy zastosowaniu elementów światłowodowych. a) b) Rys.34. Schemat modelu modułu głowicy pomiarowej do pomiarów przemieszczeń pozapłaszczyznowych w wersji światłowodowej, FC sprzęgacz światłowodowy, MF modulator fazy, K kolimator, KS element światłodzielący, Układ [13] składa się z lasera z wyjściem światłowodowym firmy DreamLaser SDL o mocy 20mW i długości fali 532 nm (źródło to zastąpione zostanie mikrolaserem przygotowywanym przez WAT), sprzęgacza światłowodowego FC dzielącego wiązkę w stosunku 10/90. Sprzęgacz tworzy wiązkę referencyjną (R) i obiektową (O). W wiązce referencyjnej znajduje się światłowodowy modulator fazy (MF). Jest to walec PZT, na który nawinięty jest światłowód. Wiązka referencyjna jest kolimowana soczewką K, a następnie pada na kostkę światłodzielącą KS i kamerę, która rejestruje rozkład intensywności w polu interferencyjnym (hologram) utworzonym poprzez interferencję wiązki odniesienia i wiązki rozproszonej na powierzchni obiektu. Przeprowadzono wstępne doświadczenia mające na celu: - udowodnienie możliwości rejestracji hologramów do pomiarów z wykorzystaniem metody bezpośredniej rekonstrukcji hologramów Fresnela [10] oraz metodą z przesunięciem fazy [12], - udowodnienie możliwości wyznaczenia kształtu metodą dwóch położeń źródła [10,12], - określenie parametrów geometrycznych i optycznych poszczególnych elementów składowych układu dla wspomożenia realizacji konstrukcji modułów głowicy. Przykładowe wyniki pomiarów belki zginanej dwupunktowo metodą rekonstrukcji hologramów Fresnela pokazano na rys. 35. a) b) c) Rys. 35. Wynik pomiarów przemieszczeń pozapłaszczyznowych belki zginanej dwupunktowo: a) faza modulo 2π, b) pole prz przykładowy przekrój. 25

27 Dodatkowo w tym układzie interferometrycznym przeprowadzono próby kalibracji światłowodowego przesuwnika fazy. Dla uzyskania najlepszej dokładności kalibracji obiekt rozpraszający zamieniony został na płaską powierzchnię zwierciadlaną. Do kalibracji zastosowana została metoda heterodynowania czasowego, która bazuje się na analizie zmian funkcji intensywności w ustalonym punkcie powierzchni przedmiotu w czasie. Wyznaczona została charakterystyka napięciowo-fazowa elementu PZT przy wykorzystaniu skryptu napisanego w MatLabie, który analizował przechwycone przez kamerę CCD obrazy w równych odstępach czasu, podczas gdy w podobny tempie zmianom ulegało napięcie zasilające modulator PZT. a) b) c) d) Rys.36. Kalibracja elementu PZT: a) sinusoidalna zmiana intensywności dla 64 obrazów dla wybranego piksela, b) transformata Fouriera sinusoidy, c) filtracja widma, d) zależność zmiany fazy od zmian napięcia zasilającego PZT. Sinusoidalną zmianę intensywności dla 64 obrazów przedstawiono na rys. 36a. Następnie obliczona została transformata Fouriera (rys. 36b). Pik środkowy (rząd zerowy) odpowiedzialny jest za tło w obrazach, natomiast symetrycznie położone dwa pierwsze rzędy widma niosą informację o częstotliwości nośnej prążków. Wycięto fragment widma, a następnie wyzerowano niepotrzebne części widma oraz przeprowadzono odwrotną transformatę Fouriera i usunięto skoki fazy z uzyskanego przebiegu. Zależność zmiany fazy (różnicy dróg optycznych) wniesionej przez zmiany napięcia zasilającego piezoelement od zmian tego napięcia przedstawia rys. 36d. Wykazano bardzo dobrą liniowość stosowanego przesuwnika w zakresie wymaganych zmian fazowych, co wskazuje na prawidłowość doboru elementów i możliwość zastosowania metody przesunięcia fazy do analizy wyników w tym układzie interferometru holograficznego. 26

28 C. Model światłowodowego modułu aktywnej modulacji fazy Schemat modułu aktywnej modulacji fazy i formowania wiązki odniesienia i przedmiotowej dla potrzeb głowicy interferometru do pomiarów przemieszczeń pozapłaszczyznowych i kształtu przedstawiono na rys.37. a) b) Rys. 37. Światłowodowy moduł aktywnej modulacji fazy dla interferometru holograficznego do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych: a) schemat, b) fotografia modelu układu. W skład światłowodowego modułu aktywnej modulacji fazy wchodzić będą następujące elementy światłowodowe 1) włókno światłowodowe, Nazwa: single mode fiber SM450, Zakres długości fali: [nm], MDF: 3.3µm dla 488nm, 3.4µm dla 514nm, Średnica płaszcza: 125±1µm, Średnica pokrycia: 245±5%, Długość fali odcięcia: 400±50nm, Tłumienie: <12dB/km dla 630nm (katalog) Apertura numeryczna: 0.13 Producent: Fibrecore: ( Dostawca: Eurotek International Ltd.: inbox@eurotek.com.pl. Cena: 5.5 /m przy zamówieniu powyżej 50m. 2) sprzęgacz o podziale mocy 10/90, Nazwa: Short wavelength single mode fiber optic coupler, Liczba wejść: 2, Liczba wyjść: 2, Podział mocy pomiędzy wyjściami (w procentach): 10/90, Straty na poszczególnych wyjściach w decybelach (mocy): 1.1/14.1 Długość fali: 532nm, Pasmo pracy: ±10nm, Rodzaj włókna światłowodowego: S405, 460HP (Nufern), SM450 (Fibrecore)- włókna Nieosłonięte (pokrycie akrylowe o średnicy 250µm), Moc maksymalna: 200mW, Producent/Dostawca: Fiber Optic Network Technology Co, info@fiberwdm.ca Cena jednostkowa: 526$+4.7% cło+ 22%VAT 3) światłowodowy modulator fazy (rys. 38), 27

29 Elementy składowe to włókno światłowodowe o długości 2-3 m oraz cylindryczna kształtka piezoceramiczna z kablem zasilającym ze złączem elektrycznym np. BNC. (patrz rysunek poniżej). Rys. 38. Światłowodowy modulator fazy. Kształtka piezoceramiczna. Wymiary geometryczne średnica/wysokość/grubość: 30x18x1 mm, Producent/Dostawca: Piezomechanik GmbH, info@piezomechanik.com, Cena: 140 Włókno światłowodowe: 4m, Wykonanie: Światłowodowy modulator fazy wykonany został przez pracowników Zakładu Technicznych Zastosowań Fizyki, Instytutu Fizyki Technicznej, WAT. 4) światłowód wyrównujący drogi optyczne 1 i 2, Światłowód identyczny, co do rodzaju i długość z wykorzystanym do budowy światłowodowego modulatora fazy. 5) światłowód referencyjny 1 ze złączem FC/PC do kolimatora, Światłowód zabezpieczony pokryciem plastykowym (900mm), włóknem kewlarowym oraz plastikową tubą do średnicy 3mm zakończony z jednej strony złączem FC/PC. 6) światłowód oświetleniowy 2 zakończony modyfikowanym złączem FC/PC. Światłowód zabezpieczony pokryciem plastykowym (900 mm), włóknem kewlarowym oraz plastikową tubą do średnicy 3mm zakończony z jednej strony modyfikowany złączem FC/PC. Modyfikacja polega na usunięcia części ruchomych złącza tak, aby możliwe było jego sztywne zamocowanie w głowicy endoskopowej. Rysunki konstrukcyjne tego modułu zamieszczone są w punkcie sprawozdania dot. konstrukcji modułów interferometrów światłowodowych. D. Wybór układu detekcji Ważnym zagadnieniem w realizacji projektu jest dobór właściwego detektora macierzowego CCD lub CMOS. Na rynku oferta takich detektorów jest bardzo duża jednakże detektor, który będzie stosowany w głowicy pomiarowej powinien spełniać trzy podstawowe warunki: - duża rozdzielczość (min. 512x512) i wysoki stosunek sygnału do szumu w detekowanym obrazie, - rejestracja hologramów z wykorzystaniem alternatywnie dwóch długości fali: 532nm i 1064 nm, - duża miniaturyzacja detektora, który musi być zintegrowany z głowicą pomiarową. Po obszernym przeglądzie oferty rynkowej wybrano po dwóch reprezentantów matryc detektorów: CCD i CMOS. Poniżej przedstawiono analizy i doświadczenia przeprowadzone pod kątem ich przydatności do układów holografii cyfrowej opracowywanych w projekcie. 28

30 Badania czułości detektorów macierzowych dla obrazów generowanych promieniowaniem 1064 nm Charakterystyka spektralna większości rozważanych detektorów ma obniżoną czułość w zakresie długości fali >1000 nm. Przykładowa charakterystyka spektralna kamery CCD przedstawiona jest na rys. 39. Rys. 39. Przykładowy wykres czułości spektralnej matrycy CCD. Ostateczny wybór detektora uzależniony jest od czułości kamer na promieniowanie 1064 nm. Dlatego zdecydowano się przeprowadzić próby rejestracji obrazów dla tej długości fali. Badania przeprowadzono w dwóch etapach: w pierwszym oświetlano detektor bezpośrednio skoligowaną wiązką lasera, następnie zestawiono układ interferometru Twymana-Greena i sprawdzono możliwość rejestracji prążków interferencyjnych dla tej długości fali. Przykładowe obrazy zarejestrowane przez zestaw różnych kamer w pierwszym przypadku dla mocy lasera 1mW przedstawione są na rys. 40. Kamera: JAI CV-A1 Czas ekspozycji: 1/100s, moc lasera: 1 mw Pixelink PL-A661, 10 ms, 1 mw Sanyo VCB-3572IRP, 1mW, automatyczna migawka Miniaturowa przemysłowa, 1 mw Rys. 40. Wyniki rejestracji obrazów po oświetleniu zestawu kamer skoligowaną wiązką lasera 1064 nm. Powyższe proste eksperymenty wykazały znaczną czułość wybranych kamer (zwł. JAI CV-A1 oraz Pixelink PL-A661) na promieniowanie 1064nm. Kamerę firmy JAI CV-A1, ze względu na to szereg jej parametrów, które omówione są poniżej, wytypowano jako najlepszy sensor do zastosowań interferometrycznych. Z tego powodu sprawdzono efektywność działania przy rejestracji prążków interferencyjnych wytworzonych w układzie interferometru (rys. 41). 1 mw 1 mw Rys. 41. Interferogramy zarejestrowane na kamerze JAI CV-A1dla różnych mocy laser. 29

31 Wymiar piksela Następnym ważnym aspektem doboru detektora jest wymiar piksela. Przy założeniu pola pomiarowego o wymiarze 10x10 mm policzone zostały minimalne odległości między kamerą a obiektem dla różnych wymiarów piksela i dla dwóch stosowanych długości fali światła (Tabela 3). Na czerwono zaznaczono wybrany wariant. Tabela 3. Parametry opto-mechaniczne układu HC zależności od wymiaru piksela Wymiar piksela Długość fali (nm) Kąt akceptacji (stopnie) Odległość od kamery [mm] Analiza porównawcza badanych kamer W tabeli 4 umieszczono podstawowe parametry badanych kamer i wyniki badania ich czułości na promieniowane o długości fali 1064 nm. Tabela 4. Porównanie parametrów kamer CCD i CMOS pod kątem przydatności w budowie układu HC Kamera Opis matrycy Wymiar piksela Wymiar geometryczny kamery Kontrola czasu ekspozycji Rejestracja 1064nm JAI CV-A1 CCD, 1376x1035 4,65 µm 29 x 44 x 66 mm ++ + Pixelink PL- A661 CMOS, 6 µm 68x95x Sanyo VCB- 3572IRP Miniaturowa przemysłowa CCD, z podwyższoną czułością w zakresie bliskiej podczerwieni 8,5 µm 56x45x99, CMOS, 1/4 bd bd + + Z powyższej tabeli wynika iż czułość kamer CCD i CMOS na promieniowanie 1064nm jest zadawalająca. Jednak z doświadczenia pracowników ZTO przy zastosowaniu kamer CMOS i CCD w HC wynika, że stosunek sygnału do szumu w kamerach CMOS jest znacznie gorszy. Tak więc zdecydowano się wybrać detektor z matrycą CCD. Analiza oferty rynkowej 30

32 pozwoliła ostatecznie wyselekcjonować jako najbardziej odpowiednią kamerę firmy JAI model M536, która ma oddzieloną matrycę detektorów od dużej części układu elektronicznego. Kamera ta ma średnicę głowicy 17 mm, wymiar matrycy 752x582 pikseli i wymiar piksela 8.6µm [14]. E. Analiza za i przeciw budowie światłowodowych interferometrów holograficznych na długość fali 532nm lub 1064nm. W projekcie zaproponowano budowę światłowodowych interferometrów holograficznych bazujących na dwóch konfiguracjach aplikacyjnych: - układ do pomiaru kształtu i przemieszczeń pozapłaszczyznowych, - układ do pomiaru składowych dowolnego wektora przemieszczeń (u,v,w). Przy zastosowaniu technik światłowodowych podstawowym elementem warunkującym dostępność i koszty elementu jest kompatybilność ze światłowodowymi technikami telekomunikacyjnymi. Podstawową regułą jest, iż to co opracowano dla zastosowań telekomunikacyjnych jest wielokrotnie tańsze niż elementy nie spełniające tego kryterium. Oceniając potrzeby materiałowe związane z konstrukcją tego typu układów do budowy pierwszego z nich wymagane są: źródło wiązki świetlnej z wyjściem światłowodowym, sprzęgacz światłowodowy o procentowym podziale mocy 10/90, światłowodowy modulator fazy, włókno oświetlające oraz referencyjne, to ostatnie połączone z kolimatorem, zwierciadło, kostka światłodzieląca oraz kamera CCD. W konstrukcji interferometru drugiego typu należy uwzględnić przełącznik optyczny 1x4 w ramieniu oświetlającym, tak aby uzyskać cztery punkty oświetlające obiekt. Oceniając możliwość konstrukcji i wykonania tego typu układów z równoczesnym uwzględnieniem analizy kosztów poniżej przedstawiono zestawienie zalet i wad tych układów przy realizacji dla obydwu długości fali światła. Tabela 4. Porównanie dostępności elementów układów HC przy realizacji dla 532nm i 1064nm Lp. Nazwa elementu 532nm 1064nm za przeciw za przeciw 1 Źródło wiązki świetlnej z wyjściem światłowodowym 2 Izolator optyczny (ograniczenie wstecznego odbicia) 3 Sprzęgacz światłowodowy cena minimalna ofert handlowych - eliminacja kosztownej optyki do wprowadzania wiązki z lasera do światłowodu 1350$+cło i VAT (Chiny) - mała dostępność firm oferujących tego typu źródła - brak oferty handlowej - mała dostępność - ujawnione w czasie badań trudności w utrzymaniu parametrów technicznych dotyczących podziału mocy. Cena minimalna ofert handlowych - eliminacja kosztownej optyki do wprowadzania wiązki z lasera 1880$+cło i VAT (Chiny) - średnia dostępność 140$+cło+VAT (Taiwan) - duża dostępność, - mała dostępność firm oferujących tego typu źródła 31