散斑干涉以及散斑照相术.docx

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 所示),所以散斑其实是一种光干涉现象。 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,Archbol d 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。 197 8年Jone s 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,ESP I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 ) 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 )、近场散斑(即菲涅尔散斑如图 )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 ) 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.