Digital holography and hybrid opto-acoustic imaging system for vibration analysis

Abstract

Holografi, yüksek çözünürlüklü üç boyutlu (3B) mikroskopik görüntülemeden interferometrik denetime kadar çeşitli uygulamaları olan bir gerçek 3B görüntüleme yöntemidir. Bu tezde bir dijital holografik interferometrenin ve bir akustik mikrofon dizisinin birleşimi olan hibrit opto-akustik titreşim analizi sistemitasarlanmış ve sistem kullanılarak çeşitli nesneler analiz edilmiştir. Sistem geniş bir titreşim büyüklüğü aralığını akustik mikrofon dizisini kullanarak geniş ölçekte, holografik interferometreyi kullanarak da birkaç yüz nanometreye kadar küçük ölçekte analiz edebilmektedir. Sistemin tasarım sürecinde, holografi üzerine teorik ve pratik açıdan kapsamlı bir akademik araştırma yürütülmüştür. Teorik kısımda, dijital hologramların sayısal olarak yeniden yapılandırılmasında genellikle karşılaşılan bir karışıklık açığa kavuşturulmuştur ve dağılma desenlerinin hesaplanmasında yeni bir yöntem olan Düzlemsel Katmanlar Yöntemi (DKY) sunulmuştur. DKY, bilgisayarda sentezlenmiş 3B nesnelerin düzlemsel katmanlara ayrılmasını ve bu katmanların dağılma desenlerinin hızlı Fourier dönüşümü (HFD) temelli Fresnel dönüşümü kullanılarakhesaplanması fikri üzerine kurulmuş hızlı bir yöntemdir. Holografi ile ilgili pratik konularda ise ayrı bir referans dalgasına ihtiyaç duymayan yeni bir holografik kayıt düzeneği sunulmuştur. Bu yöntemde referans dalgası yansıyan nesne dalgasından üretilmiştir, bu yüzden dalgaların katettiği mesafeler otomatik olarak eşitlenmiştir.

Holography is a true three dimensional (3D) imaging technique that has real life applications varying from high resolution 3D microscopy to interferometric analysis. In this thesis a hybrid opto-acoustic vibration analysis system is designed and implemented which is combination of a digital holographic interferometer and an acoustic microphone array. The system is capable of analyzing broad range of vibration amplitudes by utilizing acoustic microphone array for coarser analysis and holographic interferometer for small scaleanalysis on the order of few hundred nanometers. In the design process of the system, a comprehensive research on holography is performed both from theoretical and practical perspectives. In the theoretical part, a discrepancy that exists in the literature for the numerical reconstruction of digital holograms is clarified and a new method for diffraction pattern calculation is presented which we call Planar Layers Method (PLM). PLM is a fast method based on the idea of representing 3D computer synthesized objects with discrete planar layers and evaluating the diffraction patterns efficiently using Fast Fourier Transform (FFT) based Fresnel Transform. In the practical issues about holography, a new holographic recording scheme is presented in which there is no need for a separate reference wave. In the method reference beam is generated from the reflecting object wave, therefore path length equalization can be done automatically.