Разработке компактного помехоустойчивого цифрового спекл-интерферометра для вибродиагностики конструкций

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 42 с., 27 рисунков, 4 таблицы,  34 источника, 7 приложений.

Графическая часть: 1 лист формата А1, 1 лист формата А2, 7 листов формата А3, 6 листов формата А4.

ЛАЗЕРНЫЙ ДИОД, ЦИФРОВОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТР,  СМОS МАТРИЦА,  СПЕКЛ-КАРТИНА. 



Цель дипломной работы:  

Объектом исследования является измерительный комплекс на основе цифрового спекл-интерферометра для исследования напряжённо-деформированного состояния  элементов конструкций.

Цель работы заключается в разработке компактного помехоустойчивого цифрового спекл-интерферометра для вибродиагностики конструкций.



Результаты проделанной работы позволят получать более качественные и информативные результаты измерений различных процессов.






СОДЕРЖАНИЕ



	ВВЕДЕНИЕ	4

	1 ОСНОВЫ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ	5

	1.1 Физические основы и анализ механизма формирования спекл-структуры	5

	1.2 Описание метода цифровой спекл-интерферометрии	10

	1.3 Описание существующих установок	13

	2 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СПЕКЛ - ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ДИОДНОМ ЛАЗЕРЕ	18

	2.1 Подбор компонентов спекл–интерферометра	18

2.2 Система регистрации спекл-интерферометра……………………………..22

2.3 Сборка спекл-интерферометра……………………………………………...29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….……33

	СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	34

ПРИЛОЖЕНИЕ А……………………………………………………………….35

ПРИЛОЖЕНИЕ Б….…………………………………………………………….36

ПРИЛОЖЕНИЕ В.……………………………………………………………….37

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.……………………………………………………………….38

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.……………………………………………………………….39

ПРИЛОЖЕНИЕ Е….…………………………………………………………….40

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж……………………………………………………………….41







ВВЕДЕНИЕ

Изобретение лазеров не только стимулировало развитие оптической интерферометрии – методов измерения и контроля, основанных на интерференции света, но и вызвало к жизни новые направления – голографи-ческую и спекл-интерферометрию. Эти методы позволили применить интерферометрию к объектам с оптически грубой поверхностью, которой обладает большинство технических, биологических и растительных предметов. В сочетании с возможностью интерференционного сравнения оптических образов, существовавших в различные моменты времени, эти качества голографической и спекл-интерферометрии открыли широкие перспективы в высокоточных исследованиях и неразрушающем контроле смещений, деформаций, вибраций отражающих объектов, в задачах визуализации потоков, определения оптической плотности прозрачных сред. Носителем измерительной информации в спекл-интерферометрии выступают спекл-модулированные волны. Методы спекл-интерферометрии развивались во многом под влиянием идей и методологии голографической интерферометрии. Они отличаются простотой в реализации по сравнению с голографической интерферометрией при достижении такой же высокой чувствительности. Это определило широкое их использование в решении разнообразных научных и технических задач. В оптической астрономии методы спекл-интерферометрии позволили реализовать высокоразрешающие наблюдения космических объектов через турбулентную атмосферу.

Целью данной работы является разработка помехоустойчивого цифрового спекл–интерферометра на диодном лазере.

















1 ОСНОВЫ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

1.1 Физические основы и анализ механизма формирования спекл-структуры



	Одно из характерных свойств лазерного излучения заключается в том, что при отражении от диффузного объекта поверхность покрывается мелкими тёмными и светлыми областями, которые смещаются с изменением точки наблюдения. Аналогичная картина наблюдается, если на пути лазерного излучения встречается диффузный объект. 



Рисунок 1.1-Спекл-картина

	Пятнистая структура представляет собой картину минимумов и максимумов интенсивности, возникающую из-за интерференции волнового фронта со случайным фазовым распределением на отдельных малых участках.

	Когда шероховатая поверхность освещается когерентным светом, то из-за интерференции света, отражённого от разных точек объекта, создаётся эффект зернистости, так называемый спекл–эффект.

	Для наблюдения спекл-картины не требуется большая разрешающая способность, поэтому для её регистрации могут быть использованы обычные телекамеры. Основным достоинством спекл–методов является то, что размер спекла можно регулировать, чтобы удовлетворить разрешению используемого детектора. Спекл–картина зависит от тонкой структуры поверхности объекта, обычно не различимой глазом, направления наблюдения, направления освещения и от оптической системы. Если поверхность объекта сдвигается, то вместе с ней сдвигается и её спекл–картина, оставаясь при этом постоянной. В спекл-структуреприсутствует полезная информация о текущей форме объекта, а также помеховая информация о микрорельефе его поверхности.

	Иногда такое освещение реализуется обычными источниками света широкого спектрального диапазона с протяженным телом светимости, излучающим частично когерентный свет с малой длиной временной когерентности и малой областью пространственной когерентности. Поэтому спекл-структура наблюдается не только в лазерном излучении, но ее активное изучение и практическое применение стимулированы в основном использованием лазеров, так как при использовании некогерентного излучения, для контроля формы и деформации, доступны только объекты с оптически гладкой поверхностью.

	Для обеспечения интерферометрического контроля объектов, на светочувствительной поверхности камеры с помощью некоторых элементов оптической схемы экспериментальной установки формируется опорный сигнал, когерентный с сигналом изображения.

	Опорный пучок, обычно,  должен иметь гладкий волновой фронт, однако, юстировка интерферометра с диффузным опорным пучком более проста.

	Светочувствительные элементы телевизионной камеры, которые представляют собой квадратичные детекторы, не чувствительны к фазе сигнала и реагируют только на интенсивность излучения. Для того чтобы телевизионная камера приобрела требуемую чувствительность к фазе предметного сигнала, необходимо наличие опорного пучка, что способствует преобразованию светочувствительной поверхности матрицы камеры в двумерный фазовый детектор. Это обеспечивает измерение перемещения точек поверхности объекта при его деформации.

	Так как процессы, протекающие в данном методе имеют волновой характер, размеры мелких частей неровной поверхности, имеющих размер меньший, чем длина волны излучения, не могут быть исследованы, не смотря на то, что участвуют в процессе формирования рассеянного назад излучения. 

	На рисунке 1.2 показан процесс возникновения спеклов при отражении от неровной поверхности объекта. Такие спеклы принято называть объективными.









Рисунок 1.2 – Схема возникновения объективных спеклов при рассеянии излучения на шероховатой поверхности: 1 – лазер; 2 – расширительная линза; 3 – шероховатый объект; 4 – плоскость наблюдения; 5,6 – произвольные точки

	С помощью источника когерентного излучения 1 через расширительную линзу 2 освещается шероховатый объект 3. Каждая точка объекта 3 рассеивает некоторое количество света в каждую точку поверхности 4. Так как лазерное излучение обладает высокой когерентностью излучения, в каждой точке поверхности 4, например, в точках 5 и 6, происходит интерференция света, рассеянного разными точками шероховатого объекта 3. Это и называется спеклами. Фаза рассеянного излучения изменяется случайно от точки к точке в зависимости от высоты рельефа в данном месте. Из – за этого полученная в результате интерференционная картина в точках 5 и 6 будет различной. Это и является причиной хаотичности спекл–структур.

	Образование спекловпри прохождении когерентного света через рассеивающую среду -  диффузор, показан на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3 – Схема формирования объективных спеклов на пропускающем диффузоре: 1 – лазер; 2 – расширительная линза; 3 – диффузор; 4 – плоскость наблюдения; 5,6 – произвольные точки

	Излучение лазера 1 освещает светорассеивающую пластинку – диффузор 3 через расширительную линзу 2. Каждая точка диффузора 3 рассеивает излучение в каждую точку поверхности 4. Освещённость в каждой точке поверхности 4, например, в точках 5 и 6, будет определяться суммарной интерференционной картиной рассеянного когерентного излучения от всех точек диффузора 3. При прохождении через диффузор 3, световая волна случайным образом модулируется по фазе.	

	Фаза излучения в каждой точке не зависит от времени, если объект неподвижен, однако при переходе от одной точки к другой фаза меняется по некоторому закону, имеющему закономерную и случайную составляющие.

	Детерминированная составляющая определяется формой объекта, а случайная – следами обработки и шероховатости поверхности.

	Каждая точка исследуемого объекта будет являться точечным источником излучения и при равномерном освещении мощность излучения от каждого такого источника будет приближённо равна, каждый такой источник будет иметь широкую диаграмму направленности, в следствие чего падающая на этот источник энергия будет переизлучаться практически во всю полусферу.

	Это означает, что на заданную точку телекамеры приходит излучение от всех точек видимой поверхности изучаемого объекта с приближённо одинаковой интенсивностью, в то время, как излучение от каждого точечного источника участвует в формировании поля на всей площади рабочей зоны входного зрачка телекамеры.

	В обоих выше приведённых случаях комплексный вектор амплитуды  в любой точке пространства представляет собой сумму комплексных амплитуд всех интерферирующих плоских волн, попадающих в рассматриваемую точку от разных точек рассеивающей поверхности 3.

, (1)

	Так определяется комплексная амплитуда электрического поля в любой рассматриваемой точке,  поверхности 4.

	Из этого следует, что элементарные области рассеяния не связаны и по сравнению с длиной волны, шероховатости поверхности больше, что обуславливает одинаковое распределение интенсивности при фазовом отклонении кратном 2? радиан.

	Зная статистику комплексной амплитуды можно получить статистические свойства интенсивности и фазы в спекл–картине:



 (3)

Где P(I) иP(Ф) – статистические свойства интенсивности и фазы соответственно.

Исходя из выражений (2) и (3), следует вывод, что интенсивность света в спекл–картине зависит от статистики обратной экспоненты, в то время как фаза подчиняется равномерной статистике.

	Расстояние между соседними областями минимумов и максимумов интенсивности спекл–картины зависит от размера лазерных спеклов.

	В свою очередь размер лазерных спеклов зависит от апертурного угла, под которым излучение падает на регистрирующую плоскость.

(4)

где ? – длина волны лазерного излучения; L – расстояние от излучателя до регистрирующей плоскости; D – диаметр облучаемой плоскости.

1.2Описание методацифровой спекл-интерферометрии



	В тех случаях, когда необходим непрерывный производственный контроль, возникает необходимость использовать для регистрации телевизионные системы. Это способствовало возникновению так называемой электронной спекл–интерферометрии. Метод функционирует в реальном масштабе времени и служит для измерения динамических перемещений. Для повышения контрастности полос стали применять методы электронной обработки спекл–картин путём сложения или вычитания видеосигнала.

	Метод цифровой спекл–интерферометрии является дальнейшим развитием метода электронной спекл–интерферометрии, так как имеет ряд преимуществ, например,  доступность и оперативность.

	В основе цифровогоспекл–интерферометра лежит оптическая схема электронного спекл–интерферометра. Интерференционная картина образуется непосредственно в памяти компьютера, соединённого с цифровой телевизионной камерой. Регистрация спекл–структуры с помощью телекамер, а также реализация различных алгоритмов для улучшения получаемых интерференционных полос не представляет каких – либо технических трудностей.

	В зависимости от используемого лазера цифровые спекл–интерферометры можно разделить на две группы:

	- ЦСИ на основе импульсного лазера;

	- ЦСИ на основе непрерывного лазера.

	Использование цифровых спекл–интерферометров с импульсными лазерами ограничивается одним главным недостатком, а именно сложностью синхронизации импульсов с колебаниями объекта.

	Поскольку длительность каждого импульса составляет несколько десятков наносекунд, необходимо использование специальных дорогостоящих телекамер. 

	К тому же высокая стоимость самого импульсного лазера и блока синхронизации значительно повышают цену ЦСИ с импульсным лазером. Всё это накладывает ограничение на широкое распространение импульсных ЦСИ.

	Создание ЦСИ с непрерывным лазером не требует специальных телекамер и дорогостоящих лазеров. Вследствие этого цифровойспекл–интерферометр на непрерывном лазере получил более широкое распространение по сравнению с импульсным ЦСИ.

	Для исследования колебаний используются два метода:

	-Со стробированием;

	-С усреднением по времени.

	При методе со стробированием осуществляется амплитудная модуляция лазерного пучка. Использование стробоскопического пучка позволяет повысить контраст полос на спекл–интерферограмме. Однако важным недостатком такого интерферометра являются высокие требования к виброзащите его оптической схемы. 

	Поэтому, для вибрационного контроля наиболее широкое распространение получили ЦСИ с непрерывным излучением, работающие на основе метода усреднения во времени.

	К недостаткам ЦСИ с методом усреднения во времени можно отнести:

	- Оптическая схема такого ЦСИ содержит большое число функциональных элементов и может быть размещена только на интерферометрическом столе;

	- Оптическая схема спекл–интерферометра должна бытьизолирована от внешних возмущений, так разность фаз между опорным и предметным пучком не должна меняться от случайных вибраций. Это достигается размещением оптической схемы ЦСИ на виброизолированном столе установленном в лаборатории с виброизолированным фундаментом;

	- Юстировка интерферометра отличается большой трудоёмкостью,так как необходимо совместить с помощью оптического клина оптические оси предметного и опорного пучков. На этой же оси должна располагаться телекамера. Одновременно с этим необходимо сфокусировать опорный пучок в плоскости диафрагмы объектива телекамеры для равномерного освещения рабочей поверхности ПЗС – матрицы телекамеры;

	- Объект должен быть установлен на общем с элементами оптической схемы основании;

	- Высокий уровень спекл–шумов в результатирующем изображении.

	Однако эти недостатки можно частично преодолеть, например, можно разместить оптический стол в обычном помещении без изоляции от случайных воздействий, что приводит к переходу от регулируемого сдвига фазы между предметным и опорным пучками к случайному, за счёт применения специального метода статистической обработки ансамбля независимых спекл–изображений колеблющегося на резонансной частоте объекта.

	Пример такой схемы приведён на рисунке 2.1:



Рисунок 2.1 – Оптико – электронная схема помехоустойчивого цифрового спекл–интерферометра со случайным сдвигом фаз: 1 – лазер; 2,3 – микрообъектив с диафрагмой; 4 – светоделитель; 5 – плоскопараллельная пластина; 6, 7, 8 – поворотные зеркала; 9 – линза; 10 – светофильтр; 11 – объект; 12 – телекамера с объективом; 13 – ПЭВМ; 14 – блок ввода изображения; 15 – звуковой генератор; 16 – вибратор; 17 – оптический стол без виброизоляции.

1.3 Описание существующих установок

	Существует много различных цифровых спекл–интерферометров. В промышленном масштабе на рынке присутствуют спекл–интерферометры производства США, Германии и Норвегии. В Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) также создан лабораторный образец помехоустойчивого цифрового спекл–интерферометра.

	Норвежская компания Optonorпроизводит приборы MEMSMap 510 иVibroMap 1000бесконтактного измерения поверхностных колебаний объектов и статических прогибов, которые изображены на рисунках 2.2 и 2.3. Система разработана с уникальным программным обеспечением, которое позволяет производить точные измерения, включая анимацию. Размер объекта может варьироваться от сантиметров до нескольких метров. Могут быть обнаружены изменения амплитуды колебаний вплоть до нанометра. Данные приборы используются для измерения вибраций компонентов двигателя, например, турбинных лопаток, пропеллеров, органов автомобилей и акустических шкафов.



Рисунок 2.2 - MEMSMap 510



Рисунок 2.3 - VibroMap 1000



	Компания DantecDynamics,основанная в Германии, производит прибор Q-300, который обеспечивает полный высокочувствительный трёхмерный анализ деформаций любого компонента. Измерение выполняется без контакта и на всей измерительной области. Не требует маркировки на объекте измерения. Благодаря своей компактности головка датчика системы обеспечивает удобную мобильность и гибкую настройку для любого материала измерительной задачи. Этот прибор лучше всего подходит для разработки и тестирования сложных деталей и конструкций в области электроники, автомобильного дизайна, обработки и исследования материалов. Он идеально подходит для экспериментальной проверки аналитических и численных методов расчёта. Полностью портативный прибор разработан симметричным, со сменными плечами лазерного освещения для поддержания различных длин освещения. Таким образом, прибор может работать в 1D, 2D или 3D режиме без потери мощности. Встроенный объектив позволяет адаптироваться к различным размерам объектов и их геометрии. Датчик управляется электронной системой управления с полным пакетом программного обеспечения . Данный прибор изображён на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4 - Q-300

	Компания ISI-SYS предлагает ESPI системы SE-1, SE-2 и SE-3 предназначенные для ширографии, основанныеisi–Studioпрограммном обеспечении в сочетании со специальными аксессуарами для динамичной, тепловой и вакуумной нагрузки. Они могут использоваться для различных применений, например, полных полевых измерений, безконтактного неразрушающего контроля вибраций и деформаций. В этой системе используется пьезошейкер, который устанавливается на поверхность, которую необходимо исследовать. Также в системе используется пяти мегапиксельнаяCCD камера. Прибор имеет 1 класс лазерной безопасности. Примеры датчиков изображены на рисунках 2.5, 2.6, 2.7 и 2.8.

	Система датчиков SE-1 предназначена для автоматизированных систем, таких как тестирование шин. Система SE-2 имеет 10 регулируемых лазерных диодов мощностью 1 Вт или 12 Вт.



Рисунок 2.5 – SE-1



Рисунок 2.6 - SE-2 с 1 Вт диодами



Рисунок 2.7 - SE-2 с 12 Вт диодами



Рисунок 2.8 - SE-3




2ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ДИОДНОМ ЛАЗЕРЕ

2.1 Подбор компонентов спекл–интерферометра



Рисунок 3.1 – Оптическая структурная схема спекл–интерферометра: 1 –драйвер лазерного диода; 2 – лазерный диод; 3 – микрообъектив – расширитель пучка; 4 – диффузор; 5 – вибрирующий объект; 6 – объектив; 7 – приёмная видеокамера; 8 – ПЭВМ

	Чертёж оптической структурной схемы спекл-интерферометра представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ А - СУ.5403.01.0000).

	Источник когерентного излучения, в данном случае лазерный диод 2, освещает вибрирующий объект 5.Перед тем как достигнуть исследуемого объекта 5, излучение проходит через микрообъектив 3 и диффузор 4. Диффузор 4 выполнен в виде оптически прозрачной пластины и имеет слабую диффузность. Питание лазерного диода 2 осуществляется с помощью драйвера 1.

	При этом небольшая часть излучения расходуется на образование спеклов внутри самого диффузора 4, а основная часть излучения расходуется на освещение вибрирующего объекта 5. В результате с помощью объектива 6  матрица приёмной видеокамеры  7 регистрирует и совмещает спекл–модулированное излучение от диффузора 4 и вибрирующего объекта 5.Расстояние между диффузором 4 и исследуемым вибрирующим объектом должно выбираться так, чтобы половина длины когерентности используемого лазерного излучения не превышала этого расстояния. В результате на матрице видеокамеры 7 происходит интерференция двух спекл–модулированных структур. Видеокамера 7 соединена с ПЭВМ 8, где происходит обработка полученных изображений. Видеокамера 7 должна быть расположена как можно ближе к оптической оси.

	В данном приборе используется лазерный диод MitsubishiML520G54 (рисунок 3.2). Этот лазерный диод оптимально подходит для реализации данной конструкции, так как имеет необходимую длину волны излучения и мощность, а также имеет сравнительно небольшую стоимость. Характеристики данного лазерного диода представлены в таблице 1.1.



Рисунок 3.2 –Лазерный диод MitsubishiML520G54

Таблица 1.1 – Технические характеристики лазерного диода MitsubishiML520G54

Длина волны

638 нм

Выходная мощность

110 мВт

Пороговый ток

35 – 65 мА

Температура нагрева корпуса

-5 - +60 °С

Температура эксплуатирования

-40 - +100 °С

Обратное напряжение

2 В

Угол расходимости пучка (параллельный)

5 – 13 °

Угол расходимости пучка (перпендикулярный)

14 – 24 °

Рабочий ток

100 – 200 мА

Рабочее напряжение

2.4 – 3 В

Крутизна

0.8 - 1.3 мВт/мА

Корпус

?5.6 мм



	Питание лазерного диода осуществляется с помощью драйвера лазерного диода EU– 37.



Рисунок 3.3 – Схема драйвера лазерного диода EU– 37

Таблица 1.2 – Технические характеристики драйвера лазерного диода EU– 37

Габаритные размеры

10,5 х 18,0 мм2

Напряжение питания

4,5 – 6 В

Максимальный ток лазерного диода

200 мА

Ток фотодиода

120 мкА – 1,2 мА



	Корпус данного прибора состоит из двух частей и изготовлен из материала сталь АД0 ГОСТ 4784-97. Толщина корпуса 3 мм.

Для того чтобы спекл–интерферометр обладал высокой помехоустойчивостью, необходимо размещать его на жёстком основании для обеспечения виброизоляции конструкции. С этой целью основание нижней части корпуса делается по возможности максимально массивным.На нижней части корпуса имеютсярезьбовые отверстия для крепления двух стоек под драйвер лазерного диода и держателя видеокамеры, а также отверстия на передней части корпуса, предназначенные для установки камеры с объективом и лазерного диодас микрообъективом и отверстия на задней части корпуса, под USB разъёмы. USB разъёмы предназначены для питания драйвера лазерного диода и видеокамеры, а также подключения к ПЭВМ.

	На верхней части корпуса имеется четыре сквозных резьбовых отверстия для крепления к основанию.Нижняя и верхняя часть корпуса представлены на рисунках 3.4 и 3.5 соответственно.

Механический чертёж нижней и верхней части корпуса представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ Б - СУ.5403.01.001 и ПРИЛОЖЕНИЕ В СУ.5403.01.002).



Рисунок 3.4 – Нижняя часть корпуса спекл–интерферометра



Рисунок 3.5 – Верхняя часть корпуса спекл–интерферометра

	Держатель видеокамеры сделан из технического алюминия АД0 ГОСТ 4784-97. Данная деталь идёт в комплекте с видеокамерой. Держатель имеет два отверстия, одно из которых служит для винтового крепления к основанию ЦСИ, а другое для фиксации видеокамеры. Механический чертёж держателя камеры представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ Г - СУ.5403.01.003).



Рисунок 3. – Общий вид держателя видеокамеры

	Для корректной работы лазерного диода, необходимо поддерживать его заданный температурный диапазон. В качестве элемента охлаждения лазерного диода используется радиатор. Радиатор изготовлен из медного сплава М0 ГОСТ 859-2001. Данный радиатор изготавливается на фрезерном станке. Этот радиатор предназначен для работы с лазерными диодами именно такого типоразмера. Диодный лазер непосредственно вставляется в радиатор. Также имеется специальная резьба для микрообъектива. Так как радиатор контактирует с корпусом, необходимо покрыть соприкасаемые поверхности тонким и равномерным слоем термопасты.Механический чертёж радиатора представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ Д - СУ.5403.01.004).



Рисунок 3.7 – Общий вид радиатора лазерного диода

2.2 Система регистрации спекл–интерферометра

	Система регистрации спекл–интерферометра состоит из цифровой видеокамеры, объектива и персональной ЭВМ.

	Работа спекл–интерферометра заключается в освещении объекта лазерным излучением. Рассеянное на объекте излучение собирается объективом, где строится его спекл–изображение. Светочувствительные элементы телевизионной камеры, которые представляют собой квадратичные детекторы, не чувствительны к фазе сигнала и реагируют только на интенсивность излучения.

	В спекл–интерферометрии при освещении шероховатого объекта лазерным излучением регистрируются низкочастотные спекл-структуры, в отличие от голографии, где характерна регистрация высокочастотных интерференционных картин.

	Оптический сигнал в виде спекл–структуры регистрируется на фотоэлектрической или фотоэлектронной матрице, являющейся основой регистрирующей техники типа видеокамеры, преобразуется в электрический сигнал и регистрируется на персональной ЭВМ.

	Важнейшими параметрами регистрирующей камеры являются разрешающая способность и частота кадров в секунду. Так же видеокамера выбиралась исходя из следующих параметров: тип матрицы, размер пикселей, шаг пикселей, интерфейс подключения и тип программного обеспечения.Исходя из всех этих параметров, среди камер, используемых в научных целях, была выбрана камера LSM-10M1M.Характеристики данной видеокамеры указаны в таблице 1.3.



Рисунок 3.8 – Общий вид видеокамеры LSM-10M1M



Рисунок 3.9 – Чертежи видеокамеры LSM-10M1M

Таблица 1.3 – Технические характеристики видеокамеры LSM-10M1M

Частота кадров в секунду (fps) (48 МГц)

30 fpsна 1280 х 1024, fullresolution

111 fpsна 640 х 480184 fps на 400 х 400

Выход Бит на пиксель

Выбор: 8 или 10 бит на пиксель

Экспозиция на максимальном разрешении, мс

min: 0.03 (на 48 МГц);max: 131.40 (на 12 МГц)

Частота пикселей

12, 24, 48 МГц

Управление усилением пикселей

Программируемый коэффициент усиления: 48 уровней от 1 до 15;

От 1 до 4 с шагом 0.125;

От 4.25 до 8 с шагом 0.25;

От 9 до 15 с шагом 1

Режимы отображения

Размер изображения (от 1280 х 1024 до 8 х 8 с шагом 2 пикселя / 2 строки)

Формат кадра (1:1, 1:2, 1:4, 1:8)

Аппаратное обеспечение для зеркального отображения и поворота изображения

Контроль яркости, контраста, цвета

Программируемая с использованием справочной таблицы

Тип сенсора

Цветной 1.3 мегапиксельныйCMOS сенсор с оптическим форматом 1/2" 

Производитель сенсора MicronTechnology, Inc (Aptina) модель: MT9M001

Размер пикселя

5.2 мкм х 5.2 мкм

Размеры сенсора

6.66 мм х 5.32 мм, 8.4 мм диагональ, 5:4

Затвор (Shutter)

RollingShutter

Режим сканирования

Прогрессивный

Чувствительность

2.1 V/lux-sec

Динамический диапазон

68.2 Дб

Питание видеокамеры

5 В через USB 2.0 интерфейс, 176 мА (на 5 В)

Максимальная потребляемая мощность

0.88 Вт

Интерфейс видеокамеры

USB 2.0, 480 Mbps,USB mini-B, 5 pin

 Тип крепления 

C-mount

	

	Для того чтобы спекл-интерферометр функционировал, необходимо наличие объектива. С этой целью был выбран объектив Kowa LM4NCL, с таким же типом крепления, как и увидеокамеры. Технические характеристики объектива приведены в таблице 1.4.



Рисунок 3.10–Объектив Kowa LM4NCL

Таблица 1.4 – Технические характеристики объектива Kowa LM4NCL

Фокусное расстояние

f = 3,5 мм

Формат

1/2" (8 мм)

Относительное отверстие

F:1-1,4

Диапазон фокусировки

0,2 м ??

Регулировка диафрагмы

Ручная

Фокусировка

Ручная

Поле зрения на минимальном рабочем расстоянии

396 х 247 мм

Угол зрения

1/2" – 103,6 х 76,6°; 1/3" – 77,0 х 57,7°

Горизонтальный угол обзора

103,6°

Вертикальный угол обзора

76,6°

Угол обзора по диагонали

132,1°

Размер изображения по горизонтали на минимальном рабочем расстоянии

396 мм

Размер изображения по вертикали на минимальном рабочем расстоянии

247 мм

Размер изображения по диагонали на минимальном рабочем расстоянии

688 мм

Разрешение (в центре, по краям)

100 лин/мм, 60 лин/мм

Дисторсия (ТВ)

-28,0%

Тип крепления

C-mount

Минимальное рабочее расстояние

0,2 м

Габариты

?31,0 х 30,5 мм

Вес

73 г

Температурный режим работы

-10 °С ? 45°С









2.3 Сборка спекл–интерферометра

	В собранном виде спекл-интерферометр представлен на рисунке 3.9. Для наглядности, на рисунке отсутствует верхняя часть корпуса.Механический чертёж общего вида спекл-интерферометра представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ Е - СУ.5403.01.000).



Рисунок 3.11 – Общий вид спекл-интерферометра

	Все детали и компоненты спекл-интерферометра крепятся на нижнюю часть корпуса. Соединение всех частей прибора осуществляется с помощью резьбовых соединений. 

Прибор стоит на четырёх ножках, сделанных также из технического алюминия АД0 ГОСТ 4784-97. Однако при необходимости прибор можно размещать на штативе. Для этого на днище нижней части корпуса имеется специальный крепёжный элемент. На этом элементе имеется четыре резьбовых отверстия диаметром 2,5 мм для крепления к корпусу и резьбовое отверстие диаметром 22 мм для крепления штатива.Механический чертёж крепления под штатив представлен графической документацией (ПРИЛОЖЕНИЕ Ж - СУ.5403.01.008).



Рисунок 3.12 – Крепёж под штатив

	На фронтальной части нижней части корпуса имеется 2 сквозных отверстия для размещения видеокамеры и микрообъектива. 

	К камере 2, закреплённой в специальном держателе,  присоединяется  объектив 1специальным типом крепления C-mount.

	Микробъектив 3 имеет собственную резьбу и вкручивается в радиатор 5. Также в радиатор вставляется лазерный диод 4. Для лучшей теплоотдачи, на радиатор 5 необходимо нанести тонкий слой термопасты.





Рисунок 3.13 – Крепление микрообъектива и лазерного диода в радиаторе

	Для питания лазерного диода в данном приборе используется драйвер лазерного диода EU-37. На этом драйвере имеются 3 отверстия для контактов диодного лазера и 2 отверстия для питания самого драйвера. Драйвер крепится на двух стойках, вкрученных в нижнюю часть корпуса.



Рисунок 3.14 – Драйвер лазерного диода EU-37

Для питания видеокамеры и драйвера, а также для передачи информации с камеры к персональной ЭВМ используются два USBразъёма, размещённые на тыльной стороне нижней части корпуса.



Рисунок 3.15 – USB разъём

	Каждый USB разъём присоединяется к нижней части корпуса двумя винтами диаметром 1 мм.

	Верхняя часть корпуса крепится к нижней части с помощью четырёх резьбовых отверстий диаметром 4 мм.

	Таким образом, полностью собранныйспекл-интерферометр изображён на рисунке 3.16.



Рисунок 3.16 – Спекл-интерферометр

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



	В настоящем дипломном проекте:

Рассмотрены физические основы спекл-эффекта и спекл-интерферометрии.

Осуществлён анализ существующих установок.

Разработана и реализована схема компактногопомехоустойчивого спекл-интерферометра на диодном лазере.

Выбраны стандартные комплектующие.

Для данного спекл-интерферометра разработаны устройства крепления элементов системы и корпус с массивным жёстким основанием, на котором устанавливаются все компоненты спекл-интерферометра.




СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ






ПРИЛОЖЕНИЕ А


ПРИЛОЖЕНИЕ Б




ПРИЛОЖЕНИЕ В




ПРИЛОЖЕНИЕ Г




ПРИЛОЖЕНИЕ Д




ПРИЛОЖЕНИЕ Е




ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

2.......................