Pokročilá metoda časově středované digitální holografie prostřednictvím frekvenční a fázové modulace

Ing. Pavel Psota

Doctoral thesis

Advanced time average digital holography by means of frequency and phase modulation

Abstract:

This dissertation introduces some developments in the field of time average digital holography widely using as a tool for vibration analysis. The work deals with the most significant drawbacks of the method: limited measurement range and quantitative analysis of the measured Bessel fringe patterns. Different frequency modulation of an object wave and a reference wave in experimental arrangements results in temporally harmonic variation of intensity values of a digital hologram. This feature expresses a relative phase difference between the both waves and therefore any of phase-shifting algorithms can be applied in order to directly calculate a complex field in the hologram plane. This leads on the one hand to improvement of lateral resolution within the reconstructed surface of the object. On the other hand the signal-to-noise ratio is increased. When frequency of the reference wave is in addition modulated by an integer multiple of frequency at which the object oscillates, the measurement range of the method can be shifted either to smaller or to larger vibration amplitudes. The threshold of the smallest measurable amplitude is experimentally established to be under 0.1 nm while the largest measured amplitude is about 10 ?m. Phase modulation of the reference wave is used to obtain a sequence of phase modulated fringe patterns (reconstructed fields). Such fringe patterns can be combined by means of phase shifting algorithms and amplitudes of vibrations can be straightforwardly computed. This approach calculates the amplitude values independently in every single pixel. The both frequency and phase modulation are realized by proper control of Bragg cells.

Abstract:

Tato práce rozvijí digitálně holografickou metodu časového středování, která patří mezi důležité nástroje v oblasti analýzy vibrací. Vývoj se zaměřuje na největší slabiny této metody, které jsou její omezený měřicí rozsah a kvantifikace amplitud vibrací z rekonstruovaných polí. Rozdílná frekvenční modulace referenční a objektové vlny holografického uspořádání způsobuje harmonicky se vyvíjející interferenční pole digitálního hologramu. Tato časová proměnnost je určena relativní fázovou změnou mezi oběma vlnami. Toho lze využít pro přímý výpočet komplexního pole v rovině hologramu pomocí některého z rodiny "phase-shifting" algoritmů. Výsledkem je dosažení lepšího prostorového rozlišení uvnitř měřené oblasti a zvýšení poměru signál-šum. Je-li dále referenční vlna modulována frekvencí odpovídající násobku frekvence měřeného objektu, lze posouvat měřicí rozsah metody do hodnot velmi malých i velkých amplitud vibrací. Prahová hodnota měřitelnosti pro malé amplitudy vibrací byla experimentálně stanovena pod 0.1 nm. Na druhé straně lze metodu modifikovat i pro měření amplitud vibrací kolem cca 10 ?m. Kromě frekvenční modulace je možné do metody zakomponovat i modulaci fáze jedné z vln holografického uspořádání. Tímto způsobem získáme sekvenci fázově posunutých interferenčních struktur, které lze opět pomocí "phase-shifting" algoritmů využít pro výpočet rozložení amplitud vibrací nezávisle v každém bodě povrchu. Frekvenční i fázová modulace je realizována pomocí Braggových cel.

Keywords

Analýza vibrací, digitální holografie, holografie časového středování, frekvenční modulace, fázová modulace, velmi malé amplitudy vibrací, rozložení amplitud vibrací

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 12. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 17. 12. 2015
• Supervisor: prof. Ing. Václav Kopecký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Science in Technology / Applied Science in Technology