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。
λ
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。
������ L
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 ∆������������ ≈ ������ = ������ ������
������ f′
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 ∆������������ ≈ ������ = ������ ������
式中：
像的强度分布是：
上式表明，频谱 FT B(x ′ , y ′ ) 大值位置可由下式求出：
2
)受垂直于位移方向杨氏条纹的调制。条纹的极
若m=1，则可求出条纹的间隔xρ 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Δx。 设物体位移的速度为V， 在两次曝光时间t内物体位移为Δx， 物体位移的速度 可由下式求出：
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B′(x ′ , y′)其脉冲响应是点扩散函数 δ(x, y)。因平移等价于与δ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。
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。
∆������������ ≈
������ ������
= ������
������ ������
在光轴方向的平均散斑直径 ∆������������ ≈ ������ = ������(d )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
������ z′
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。
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:
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。
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。
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。
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。
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：
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。