散斑干涉以及散斑照相术

电子散斑干涉术摘要电子散斑干涉(ESPI)技术是一种非接触式全场实时测量技术,因其通用性强、测量精度高、频率范围宽及测量简便等优点,近年来获得了快速发展。电子散斑干涉无损检测技术可以完成位移、应变、表面缺陷和裂纹等多种测试。本文就目前国内外散斑干涉术进行简单阐述，总结目前国内的主要散斑干涉技术以及应用。例如，用散斑照相术和散斑干涉术测变形、位移、倾斜、震动，以及根据散斑位移与物体位移间的关系测量物体位移的速度，根据散斑的对比度测量表面的粗糙度等。关键词：电子散斑干涉术、测量技术、应用、散斑照相术。引言一束相干光照射到粗糖物体表面时,散射出来的光叠加干涉就形成了散斑(如图1.1所示),所以散斑其实是一种光干涉现象。图1.1散斑人们最早发现散斑是1914年,当时散斑被人们认为是一种干扰的噪声,对实验研究的负面影响很大，主要的研究是去克服和消除散斑的负面影响。后来第一台激光器在1960年研制成功,散斑干涉技术也应运而生。到了1968年，Archbold等人发现散斑干涉技术可以作为一种新型的测量方式,并首次将它应用在了对散斑的强度进行测量。1971年Butters和Leendertz运用电子散斑干涉术(ESPI)通过光电子器件來记录散斑场的光强信息,采用电子的方法来测量物体的变形,取代了传统的全息干板,省去了一些繁琐的化学湿处理过程,从而在监视器上能观察到散斑干涉条纹。1978年Jones等人在实验室运用双波长的方法对物体的轮廓进行了测量,在1981年针对实验中各种参数的选取和系统的优化进行了详细的研究,最后研究出了商品化的ESPI千涉仪,该干涉仪对ESPI条纹的质量进行了系统地改善。而中国大恒公司在1990年与西德Jurid公司合作,共同研发出了电子散斑仪Daheng—Jurid。西安交大也研制出了进行电子散斑计量的型号为TVH—30的ESPI干涉仪。与此同时,美国的Newpon公司也于1990年推出了型号为HC—4000的ESFPI干涉仪。在1996年,天津大学的恪景伟、张东升等人在实验室设计出一个由386微机、CA2P530图像采集卡、CCD摄像机等组成的散斑干涉系统,并用该系统对撞击载荷下电子(数字)散斑离面位移的测试进行了实验。1999年天津大学首次研制出了ESS的电子错位散斑系统。由上可知,ESPI的发展大致可以分为两个阶段。第一阶段是六十年代到七十年代初期,这一时期由于激光光源良好的相干性,应用传统的干涉计量理论进行纯光学的相干计量测试,形成了比较完整的光学的散斑计量技术;第二阶段是70年代末期到90年代中期,这个时期由于计算机和电子技术的飞速发展,ESPI的发展更加迅猛,使其的测试精度更高,分析速度也更快。散斑的成因及类型散斑的成因散斑(speckle)是由具有空间相干性和时间相干性的光波照射到具有漫反射的光学粗糖物体表面后(如图2.1所示)形成的杂散无规则的明暗颗粒状的斑点光强分布,有亮散斑和暗散斑之分。此外,由于散斑是粗糖物体自身不同面积元之间的一种干涉现象,携带了粗糖物体的某些信息,因此散斑不仅可以用来对粗糖物体表面本身进行研究,还可以用来对粗糙物体的形变进行研究。此外,为了使实验物体表面产生高反差的散斑图,有两个条件必须满足:(1)物体的表面要具有一定的光学粗糖度,所谓“光学粗糙度”,是指物体的一些光学参数的空间分布函数是随机函数,物体的各个光学参数能与波长λ可相比拟或能在更小的局部区域上作无规则分布,即空间坐标的随机过程。当光照射到这样的光学粗糖度的物体表面时才会发生散射而形成散斑。此外,物体的表面粗糖深度要大于光波长,这样散射光才能达到相对均匀;(2)参加干涉的光波在时间上必须是彼此相干的,必须有足够的位相差,以便在散斑干涉场得到的图样中任意点上都能形成完全相消干涉。散斑的类型由散斑的定义可知,散斑主要是粗糖物体自身不同面积元之间的一种干涉现象。因此,按物体的粗糖性和照明光场的相干性可以将散斑分为完全相干型散斑和部分相干型散斑;只看被照明的粗糖物体表面的性质,则散斑分为正态型散斑和非正态型散斑,而正态型散斑是由强散射屏产生的,非正态型散斑是由弱散射屏产生的;按照明光场的光传播方式,散斑分为远场散斑(即夫娘;和费散斑如图2.2)、近场散斑(即菲涅尔散斑如图2.3)和像面散斑三种类型。此外,按照照明的类型,散斑还可以分主观散斑和客观散斑。“主观散斑”(又名像面散斑如图2.4)是用激光照明粗糖物体表面时,物体在光学系统成像面所成的象与物体自身强度之间有着某种类似的随机分布;而“客观散斑”(如图2.5,分为近场散斑和远场散斑)是用激光照明粗糖物体表面时,物体表面会对光产生漫反射和散射,且漫反射和散射的光的强度会随着照明位置的不同而有所变化。散斑干涉的特点一、散斑大小散斑的大小与观察平面的位置有关。如果在近场观察，那么在垂直于光轴方向的平均散斑直径。∆𝑋𝑠≈𝜆𝛼=𝜆𝐿𝑑在光轴方向的平均散斑直径∆𝑍𝑠≈𝜆𝛼=𝜆(Ld)2式中λ----光波波长；α----被照明的散射表面对观察点的张角；d----被照明的散射表面的直径；L----从散射面到观察面的距离。由此可知，散斑的大小随观察距离的增加而增大，散斑的纵向尺寸要比横向尺寸大得多。如果在远场观察，即在透镜的后焦平面上观察散斑图，那么平均散斑的直径是∆𝑋𝑠≈𝜆𝛼=𝜆f𝐷′式中f′----透镜的焦距；D----透镜的口径。当观察面不在透镜的焦面上时，则必须考虑到透镜的放大倍率，散斑的平均直径是∆𝑋𝑠≈𝜆𝛼=𝜆z𝐷′式中z‘----象距。二、散斑的对比度在利用散斑干涉术进行测量时,散斑的对比度是散斑的一个重要特性。它是能否产生利于判读的散斑图的决定因素,而散斑的对比度取决于被测量的物体表面的最小粗糖度。下图2.6示出散斑的对比度P与散射面的粗糙度R之间的一种关系曲线图。从图中我们能看出:坐标的纵轴表示散斑的对比度P,坐标的横轴表示散斑面旳粗糖度R,图中曲线2是光学系统成像像面的散斑对比度;曲线1是直接传播的自由空间非像面的散斑对比度,两条曲线在趋近于1.0处进行汇合。散射面的均分粗糖度R为:𝑅=√1𝑁∑(ℎ𝑖−ℎ)2𝑁𝑖=1式中hi----散射面各采样点的高度；h----散射面的平均高度。平均散斑对比度定义为在观察平面上散斑强度的规划标准偏差P=1𝐼√1N∑(In−𝐼)2Nn=1式中In----各采样点的散斑强度；I----平均散斑强度。对于He-Ne激光器(λ=632.8nm)，当R≥λ3时，散斑对比度接近于极大值（P=1），并保持为常数。散斑干涉术散斑干涉术是激光照明时,被测试物体表面形成的散射光与参考光束(其可以是平面波和球面波的单光束、双光束或是另一个散斑场)进行干涉而产生具有一定对比度的散斑,是精确检测物体表面各点变形(位移或旋转)的一种光学测试法。对于透明物体而言,其散斑干涉条纹是物体折射率变化或厚度变化的一种量度;对于漫反射物体而言,其反射光波干涉形成的散斑干涉条纹是表征漫反射物体变形、位移或旋转的一种量度,且形成的散斑干涉条纹随物体变形(位移或旋转)而变化。因此,散斑干涉术虽然必须加入参考光,但是通过散斑干涉术获得的散斑干涉条纹却可以直接的表征物体的变形(位移或旋转)及其他运动情况。而且该散斑干涉条纹的采集、记录和后期处理都是利用计算机实时完成的。散斑照相术散斑照相是在一张照相底版上通过两次曝光(根据需要可以多次乃至连续曝光),来记录表面粗糖物体的变形(或位移)前后过程中的散斑图,继而对所得散斑图样进行适当的事后处理,以获得有关物体变形(或位移)信息的方法。散斑照相术在散斑计量中是比较简单的全场无损检测技术,它幵启了现代科学技术的新起点它与散斑干涉术最大的区别在于:散斑照相术只需要一束光即物光,光传播过程中能量流失较小。它包括散斑记录和检测两个部分,首先记录散斑图(如图2.7)再对散斑图进行分析。此外,对于散斑照相所得的散斑图分析有逐点分析法和全场分析法。如图2.8(a)和(b)所示:由图2.8可知:逐点分析法即图2.8(a)简单直接,可用该方法获取物面某点变形信息,应用高分辨率的CCD摄像机、光折射晶体等光电子器件,通过功能强大的数字图像处理系统实现,来弥补逐点分析法中数据处理量大,信息量少的缺点,使得逐点分析法应用更加方便。相对而言,在全场分析法即图2.8(b)中,利用准直扩束后的平行光光束对被双曝光之后的散斑图进行全场照明,照明光经过傅立叶透镜透射,再对散斑图进行一次傅立叶变换,最终可以得到该散斑图的频谱分布。为了滤除某些噪音成分的频谱,可以在频谱平面上使用一些空间滤波器,将对实验研究没有用的物体信息从成像系统中滤掉,最后在像面上可以采集到含有物体表面有用信息的全场投影条纹,且空间滤波器滤波孔的位置决定了所采集到的全场条纹的多少。从原理上来说,全场分析法除了可以全场表征出物体的形变或位移外,还可以快速直接及时的反映某一局部区域的变形或位移信息。二者缺点:全场分析法在条纹自动化处理方面较为困难;而逐点分析法是利用激光卑点照射,散射出的光在空间中形成散斑,这样进入到成像系统中的噪声比较大,因而逐点分析法得到的条纹对比度较差。散斑照相术测量位移原理若物体位移量大于散斑的横向尺寸，则根据散斑的位移量可以测出物体的位移量。如图3．2所示。用激光照明光学粗糙表面，物体由位移到1，对应的散斑图由′位移到1′。设物镜的放大倍律是，则散斑位移′到的关系是：如果在一个高分辨率的记录介质上先后记录下物体位移前和位移后的散斑图，那么可以获得一对对相同位移的散斑。比较和判读散斑对的衍射图，可以把两个用相干光照明的点或缝的衍射图区分开。图3．3示出的观测散斑图的方法：被记录的散斑图放在物镜前，用平行光照明在物镜的后焦平面上观察衍射图。设在底片某小区域几何像的强度分布为(′)其脉冲响应是点扩散函数()。因平移等价于与函数的卷积，故在该小区域底片上的强度分布为：当用平行光照明散斑图的负片后，在透镜的后焦平面上的像的复振幅分布是式(3．2)的傅里叶变换。式中：像的强度分布是：上式表明，频谱|{(′′)}|2)受垂直于位移方向杨氏条纹的调制。条纹的极大值位置可由下式求出：若m=1，则可求出条纹的间隔与散斑位移量的关系：干涉条纹的间隔反比于物体的位移量，即：由式(3．8)可以求出物体位移量。设物体位移的速度为V，在两次曝光时间t内物体位移为，物体位移的速度可由下式求出：利用散斑照相法，可以类似地测定物体沿法线方向的位移量，但是散斑照相法对法向位移不敏感，一般采用。散斑图的位移分析可以用两种方法获得，即逐点分析法和全场分析法。逐点分析方法如图3．4，用一束激光照射散斑图，在接收平面上即可获得由激光衍射晕调制的等间距条纹，即所谓的Young's条纹。这一条纹其方向垂直于物体表面位移方向，条纹间距反比于位移的大小，即：式中λ----照明波长----条纹间距M----散斑照相时的成像放大倍率逐点分析法可以方便地获得物体表面某点变形数据，但是为了获得表面全场变形，就需要分析和处理大量的Yomg’s条纹图。基于这一原因，自1980年以来发展了不同的数字和光学方法用于条纹图的自动分析，以克服散斑照相术中数据处理量大的缺点，使该技术进一步方便应用。尤其是高分辨固体摄像机、功能强大且廉价的数字图像处理系统、光折射晶体和空间光调制器等光电子器件的发展，使得散斑照相技术得以进一步的发展。全场分析方法如图3.5。在这一分析方法中，被双曝光记录的散斑图用准直激光全场照明，然后应用傅里叶分析透镜获得散斑的频谱分布，并在频谱平面用滤波孔使某些频谱分量透过并进入成像系统，这样在成像面上几科获得由滤波孔位置所决定的全场投影条纹，这一条纹场表征了滤波孔所在的方向散斑位移等高线。从原理上来说，全场分析法可以使人们快速地观察到物体表面的全场变形，并能及时发现局部高应变区域。但与逐点法相比，该方法在条纹自动化处理方面较为困难。由于散斑照相术不需要参考光即可实现物体表面变形检测。与全息术相比这是一个极大的进步。一方面它使检测系统变得简单，