Moiré-módszeres felületvizsgálat

0
optikai-magazin-moire-modszeres-felulvizsgalat-02-3
A felületek, testek térbeli helyzetének és alakjának mérési módszerei között egyre kizárólagosabbak az optikai elvekre épülők. Legfontosabb előnyeik közé tartozik az érintésmentesség és az egyidejűség.
Az utóbbinak például orvostechnikai alkalmazásoknál van komoly jelentősége.
A jelenségről

A moiré-jelenséggel szinte naponta találkozhatunk. Mindenki megfigyelte már, hogy ha a finom szövésű függöny két rétege egymásra vagy egymáshoz közel kerül, akkor egy, annak struktúrájánál sokkal durvább csíkrendszer alakul ki, ami a rétegek kismértékű elmozdulására nagy alak- és helyváltozással válaszol. Ez a moiré-jelenség. A szó francia eredetű: habos vagy lángmintát jelent. Leírásával már a tizenkilencedik században is foglalkoztak a fizikusok. Lord Rayleigh egész precíz tudományos leírást adott róla egy 1874-ben megjelent művében, mely a diffrakciós rácsok elméletéről és készítésének kérdéseiről szólt. Megállapította, hogy ha két rácsot – amelyek hosszegységenként ugyanannyi csíkot tartalmaznak – kis szögeltéréssel fedésbe hozunk, akkor párhuzamos csíkrendszer jelenik meg, amelyben a csíkrendszer irányvonala felezi a két rács által bezárt külső szöget, és a keletkező csíkok távolsága az eredeti rácsok szögétől függ.

optikai-magazin-moire-modszeres-felulvizsgalat-02-2

1. ábra: Különböző térfrekvenciájú alaprácsok által létrehozott moiré-jelenség

Ő volt az első, aki javasolta, hogy a jelenséget használják méréstechnikai célokra. A csillagászati távcsövek tükreinek ellenőrzésére alkalmazott módszere kidolgozása során Foucalt a rácsok alkalmazására épülő módszert is vizsgálta, azonban a róla elnevezett késélpróbánál kevésbé érzékenynek minősítette, így részletesebb kidolgozását nem végezte el. 1925-ben Vasco Ronchi, a híres olasz optikus ismét elővette Foucalt ötletét, lencsék és tükrök optikai vizsgálata céljából. Kísérletében a pontszerű fényforrás és a vizsgált felület közé helyezett optikai rácson keresztül szemlélte a megvilágított felületet.
Azon moiré-csíkok voltak láthatók, melyekben a vizsgált optikai elemek és rendszerek hibái látható és azonosítható módon jelentek meg. A múlt század utolsó harmadáig számtalan mérési elrendezésre tettek javaslatot, a módszer igazi elterjedésének azonban a nagy teljesítményű számítógépes kép- és adatfeldolgozás megjelenése adott döntő lökést. Ebben az időben indult fejlődésnek a moiré-topográfia, elsősorban Takasaki munkásságának köszönhetően, aki a jelenség topológiai szemléletét alapozta meg. A moiré-technika fejlődésére az optikai méréstechnikán túl számos más tudományterület is megtermékenyítőleg hatott, ennek révén vált jelentős számban megoldhatóvá sok – korábban csak nehezen és körülményesen kivitelezhető – méréstechnikai feladat. Természetesen az sem lebecsülendő, hogy az e területen folyó kutatások más tudományterületek fejlődésére is ösztönzőleg hatottak, mint például az alakfelismerés, a digitális képfeldolgozás vagy éppen a mesterséges intelligencia algoritmusainak alkalmazása.

optikai-magazin-moire-modszeres-felulvizsgalat-03

2. ábra: Valóságos felületről készült elektronikus moiré-felvétel

A moiré-jelenség keletkezése
optikai-magazin-moire-modszeres-felulvizsgalat-05

3. ábra: Az elektronikus moiré-berendezés működésének blokkvázlata

A jelenség létrejötte szempontjából különös fontossága van az – optikai értelemben amplitúdórácsokat jelentő – alapcsíkozatoknak, melyek közös jellemzője a térfrekvencia, azaz a hosszúságegységre eső periódusok száma. Mértékegysége a vonalpár per milliméter [vp/mm]. Ennek reciproka a T periódushossz, mértékegysége a milliméter [mm]. Az alapcsíkozatok egymással kapcsolatba kerülve moiré-jelenséget hoznak létre, mely – alkalmas elrendezésben – a vizsgált felületet a térképek szintvonalaihoz hasonlóan írja le. Tehát a moiré-jelenség által keletkező moiré-csíkok a vizsgált felületnek egy adott síktól egyenlő távolságra lévő pontjait kötik össze.
Azt a képet, amely két dimenzióban ábrázolja a moiré-csíkokkal borított – mért – felületet, moiré-képnek nevezzük. A mérési eredmények feldolgozása során az igazi feladat a mért felület harmadik dimenziójának a visszaállítása a moiré-képen látható moiré-csíkokból, azaz térbeli koordináták hozzárendelése az egyes képpontokhoz.
A moiré-méréstechnika
optikai-magazin-moire-modszeres-felulvizsgalat-04

4. ábra: Az árnyék moiré-berendezés vázlata

A moiré-jelenség az interferencia egy speciális esetének tekinthető, itt azonban nem hullámfrontok, hanem eltérő térfrekvenciájú periodikus struktúrák egymásra hatásának eredményeként keletkezik. A szakirodalomban gyakran nevezik mechanikus vagy geometriai interferenciának. Nyilvánvaló, hogy az eredő jelenség egyértelmű kapcsolatban van az őt létrehozó alapcsíkozatokkal, így a moiré-jelenség méréstechnikai alkalmazásának alapgondolata az, hogy ha az alapcsíkozatok közül az egyik a vizsgálandó objektum egy adott állapotával van kapcsolatban, míg a másik egy ettől eltérő – például egy referenciaállapottal –, akkor az eredő moiré-csíkokból következtethetünk a két állapot közötti eltérésre.
A moiré-topográfia műszerei három csoportba sorolhatók: a reflexiós, az árnyék és a projekciós moiré-elrendezés csoportjába. Az első a tükrösen, a második és a harmadik pedig a diffúz módon reflektáló felületű tárgyak vizsgálatára alkalmas. E berendezések előnye, hogy a mérés során a felületről térben és időben folytonos információt adnak, a felületprofilt leíró kétdimenziós kontúrvonalak formájában.
A leggyakrabban alkalmazott elrendezések

A moiré-módszeres mérések gyakorlatában elsősorban a diffúz módon reflektáló felületek vizsgálatára alkalmas elrendezések terjedtek el, melyeknek két alaptípusa a legismertebb. A projekciós elrendezés esetében a mért felületre optikai úton egy lineáris alaprácsot képeznek le, az így megjelenő csíkokat a berendezés analizáló egységének optikai rendszere egy referenciarácsra képezi le, ahol e két rácsozat egymásra hatása hozza létre a moiré-jelenséget, amely rögzíthető, mintavételezett formában tárolható. Az úgynevezett árnyék moiré-elrendezésben a pontszerű fényforrás világítja meg az egyenközű csíkozatot tartalmazó vizsgálórácsot, mely árnyékot vet a vizsgált felületre. A fényforrástól eltérő helyen elhelyezkedő megfigyelő számára láthatóvá válik egyrészt a vizsgálórács, másrészt a felületen megjelenő csíkozat, melyek egymásra hatása eredményezi a moiré-jelenséget. A korszerű, úgynevezett elektronikus moiré-berendezésekben a csíkok, illetve a rácsok generálása elektronikus úton történik, a csíkokkal borított felület képét számítástechnikai úton hozzák kapcsolatba a virtuálisan generált referenciaráccsal, így hozva létre a moiré-képet, amely a számítógép memóriájában keletkezik. A mérés paraméterei rugalmasan változtathatók; a mérési tartomány, illetve a felbontás jobban illeszthető a feladathoz. A moiré-jelenség alkalmazása során a vizsgált felület pontos térbeli adatainak meghatározásához a berendezés paramétereire közvetlenül van szükség. A képek feldolgozása során a felület tetszőleges pontja háromdimenziós koordinátájának meghatározásához az egyik leglényegesebb feladat az adott moiré-csík rendjének az azonosítása.

Alkalmazások

A moiré-módszeres mérések mindazokon a területeken alkalmazhatók, ahol a vizsgált felület térbeli alakja vagy mechanikai tulajdonságai más módszer felhasználását nem teszik lehetővé. Az egyik legismertebb és legelterjedtebb alkalmazás ortopédiai jellegű: a gerincferdülés mértéke és jellege a háton keletkező moiré-csíkokból könnyen meghatározható.

Felhasznált irodalom:
[1] P. S. Theocaris, J. Sved: Moiré Fringes in Strain Analysis, Pergamon Press, 1969.
[2] D. Post, B. Han, P. Ifju: High Sensitivity Moiré, Springer, 1994.
[3] I. Amidror: The Theory of the Moiré Phenomenon, Kluwer, 2000.
[4] K. Patorski, M. Kujawinska: Handbook of the Moiré Fringe Technique, Elsevier, 1993.

ÁBRÁK FORRÁSA: ANTAL ÁKOS

Megosztás.

Comments are closed.