激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解
实验3-3 剪切散斑干涉法指导书
1剪切电子散斑干涉术（ESSPI ）测量物体离面位移导数(2学时，每次实验12人)一． 实验目的● 了解和掌握ESSPI 测量物体离面位移导数的方法和技术； ● 学会用ESSPI 测试周边固支圆板的离面位移导数。
二． 实验器材和装置试件为铝箔中心固支圆板。
试验器材有：激光器、反射镜、分光镜、扩束镜、透镜、CCD 、图象卡、计算机及软件。
实验装置和光路如图1所示。
图1 电子剪切散斑干涉术光路图三． ESSPI 的基本原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔，光线通过此玻璃光楔将产生偏折，在像平面上产生与光楔的楔角相同方向的两个剪切像，由激光形成的这两个像在像平面上相互干涉而形成散斑干涉条纹。
对于整个物体来说，在像平面上形成两个互相剪切的像，它们的波前分别为[]),(exp ),(y x a y x U Φ=（2） []),(exp ),(y x x a y x x U δδ+Φ=+（3）这里a 表示光的振幅分布，Ф(x ,y )和Ф(x +δx ,y )分别表示为两个剪切像的相位分布，这样在像平面上两个像叠加结果为),(),(y x x U y x U U T δ++=（4）则光强为[]x T T a U U I φcos 12*2+==，),(),(y x y x x x Φ-+Φ=δφ （5）当物体变形后，光波将产生一个相位的变化量Δφx ，则变形后的光强为()[]x x a I φφ∆++=cos 12'2（6）2在剪切电子散斑干涉方法中，采用CCD 摄像机进行记录并存入计算机中，采用电子散斑干涉相同的图像相减处理方法，即变形前后两幅散斑图相减，即等式（6）和等式（5）相减可得2sin 2sin 4'2x x x T a I I I φφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+=-=（7）这种相减方式排除了背景光强的影响，突出了由于变形引起的相位变化Δφx 的结果。
该低频条纹取决于物体变形引起的光波相位改变。
散斑干涉以及散斑照相术
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 ∆������������ ≈ ������ = ������ ������
激光散斑干涉实验
激光散斑干涉实验激光散斑干涉实验摘要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法，这种方法具有很强的实用价值。
散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量，也可以进行面内微位移测量。
主要是对面内微位移进行了测量研究，利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来，分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理，并得出了相应的结论。
关键词:激光散斑;位移测量;数字图像处理一、引言激光自散射体的粗糙表面漫反射或通过透明散射体（毛玻璃等）时，在散射表面或附近的光场中会形成无规则分布的亮暗斑点，称为激光散斑。
激光散斑在全息图上是一种有害的背景噪声，但由于散斑携带了光束和光束所通过物体的光学信息，于是产生了广泛的应用。
例如，用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度；利用散斑的动态情况测量物体运动的速度；用散斑进行光学信息处理，甚至利用散斑验光等等。
但应用领域最广的是散斑干涉测量技术。
散斑干涉技术在机械工程方面可以用于测量物体表面的形变和裂纹、损伤和应力分布，在天文学方面可以测量大气的扰动和温度场分布，在医学、力学和光处理等领域也有广泛的影响。
二、实验2.1实验测试系统散斑干涉测量离面位移光路图如下图所示2.2实验原理（1）激光散斑当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。
由于激光的高度相干性，表面散射光在空间中随机相干叠加后会形成一些亮暗分明的区域，且呈现无规则分布，按照在散射面有无透镜，可以将散斑场划分为主观散斑和客观散斑，由于透镜的使用，主观散斑又被称为成像散斑。
（2）利用散斑干涉术测量面内位移散斑干涉计量就是将物体表面空间的散斑记录下来，当物体运动或由于受力而产生变形时，这些随机分布的散斑也随之在空间按一定规律运动。
因此能利用记录的散斑图分析物体运动或变形的有关信息。
当测量物体在面内发生位移时，通常在被测物体位移前，将散斑记录下来，然后使物体垂直于光轴发生一微小面内位移d，再次记录。
激光散斑干涉
激光散斑干涉电子散斑一、实验内容：1．了解电子散斑干涉原理；2．掌握干涉光路及图像处理软件；3．学会使用本系统来测量三维离面位移。
二、实验仪器：成像透镜被测物体的平面镜氦氖激光器CCD摄像机分光镜扩束器图一xgs-1电子散斑干涉(espi)实验系统三、实验原理：电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术，其光路如下图所示，图二为测量离面位移（即前后沿z轴方向的位移w）的光路，由激光器1发出的激光束，经扩束镜2及准直镜3形成光斑放大了的准直光，再经分光镜4分成两束，一束照射到反射镜5再返回，另一束照射到被测物6的表面再返回，两束返回的光束干涉形成干涉条纹，也就是一系列等位移线n，则离面位移为w=λn/2式中λ为测试光的波长，n为条纹的级数。
图二光路图四、实验步骤：1.放置平台并将其调平。
2、各个实验仪器的位置参看图一，先把各个仪器的中心高度调至共轴。
3.使激光器发出的光束平行于工作平台的工作表面。
分别放置扩束器和准直器，调整准直器，使经过扩束器的激光变成平行光。
平行光束应穿过光路（分束器、被测物体、反射器等）中部件的中心，并与平台平行。
在扩束器前面放置一个偏振器，以调整亮度，防止损坏CCD相机。
4、放入被测物品和ccd摄像机，调节分光镜上二维调整台的微调旋扭，使被物品反射的光的中心照射到ccd摄像机接收表面上。
5.然后放入平面镜，使平面镜和分束器之间的距离与被测物体和分束器之间的距离相同，并调整反射光束的中心，使其也入射到CCD相机的接收面上。
此时，可以在图像采集软件上看到干涉条纹。
最后，放入聚焦透镜，调整透镜和CCD之间的距离，以获得屏幕上最清晰、最完整的图像。
调整反射器上二维调整框的微调旋钮，使获得的图像的干涉条纹最清晰，处于中心位置。
6、这时就可以给物品加压，调节物品架上的旋扭给物品加压，随着旋扭的调节，电脑的屏幕上出现的干涉条纹越来越多，且为同心圆环。
激光散斑照相法
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二、原理
再现光路改进：
单位:cm
L=11.25 F=15.00 u’=17.00 v’=127.50
二、原理
✓波动光学认为：
➢物面的一个点源（次波源）经过光学系统后在 整个像面产生波前
➢像面上的一点对应于物面上各点（次波源）的 波前在该处的叠加
➢物面像面（几何光学：物点像点）
✓ 波动光学解释： 二、原理
89.6
条纹更多更细密
一、极值测量
2.再现图像：
Result
3.图表：
一、极值测量
二、测量应用
✓实际应用：
———尝试测量压电陶瓷的电致变形特性
将手动改为自动：在压电陶瓷的两端镀上金 属电极，连接在直流电源的两端，在给陶瓷 加上电压前后分别拍摄记录一次，通过再现 得出散斑干涉条纹，并测量条纹宽度，然后 由理论公式倒推计算出陶瓷因所加直流电压 U而引起的相应形变量d。改变U的大小，分 别测量记录相应形变量d，绘出d随U的变化 关系图。
Discussion
✓对于光学成像有更进一步认识
✓了解学习了一种全新的，原理简单、奇妙 的测量微小位移的光学方法（一度曾令全 息工作者头疼的散斑却变成了一种极好的 崭新的计量方法！）
✓实验过程中，张朝晖老师给予了悉心指导 帮助，二位实验者互助合作密切，整个实 验过程经历了探索、发现、顿悟和成功， 其间洒满了苦思冥想、专注之致、愉快合 作的点点滴滴
电子剪切散斑干涉ESSPI实验教案
剪切电子散斑干涉术实验教案一、实验目的1.认识散斑现象和散斑的电子记录；2.了解剪切电子散斑干涉的原理和用途；3.了解剪切电子散斑图象处理的过程二、实验设备剪切电子散斑干涉大多使用剪切棱镜。
常见的剪切棱镜是Wollaston棱镜。
该棱镜是由两个直角棱镜组成，当一束光垂直入射到棱镜表面上时，在后表面形成两束互相分开的，振动方向互相垂直的平面偏振光。
这两束光互为参考光和物光而干涉, 但其振动方向互相垂直，所以需要在棱镜后加一块偏振片，使其振动方向相同。
光路布置如图1所示。
它的优点在于光路布置简单，两束相干光波强度基本相等，因而可达到等光强的要求。
L ：扩束镜 M ：反射镜 W ：Wollaston 棱镜 P ：偏振镜图3 剪切电子散斑干涉光路图三、剪切电子散斑干涉术基本原理剪切电子散斑干涉术(ESSPI)是继电子散斑干涉术后发展的一种测量位移导数的新技术。
它与电子散斑干涉术不同的是在光学结构上，后续的图象处理系统是相同的。
它除了电子散斑干涉术的许多优点外，还有光路简单，对振动隔绝的要求低等特点。
另外，它测量的是位移导数，在自动消除刚体位移的同时对于缺陷受载的应变集中十分灵敏，因此被广泛地应用于无损检测（NDT ）领域 。
除此之外，它与电子散斑干涉不同，其条纹与位移导数的对应关系可以在很大程度上调节变化。
3．1 剪切电子散斑干涉术的原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔块，光线通过此玻璃光楔块将产生偏折，在焦平面上产生与楔块的楔角相同方向的两个剪切的象。
这两个象是由激光形成的，它们将在焦平面上互相干涉而形成散斑干涉图象。
当两个变形前后的散斑干涉图象同时记录在一块干板上，经过处理后，将干板放在傅立叶滤波光路中，将出现一个表示物体位移偏导数的条纹图案。
图1是剪切散斑的光路图。
楔块的楔角为α，μ是折射率，在象平面上被测量物体的剪切量αμδ)1(1'-=D x 。
同样地，如折合到物体表面的剪切量为αμδδ)1(010'-==D D D x x (1)其中D 0和D 1分别为透镜到物体表面和到成象平面的距离。
电子散斑-ESPI实验指导书-面内位移
1
双光束电子散斑干涉术测量物体面内位移
(2学时，每次实验12人)
一． 实验目的
了解和掌握双光束电子散斑干涉术测量物体离面位移的方法和技术。
二． 实验器材和装置
试验器材有：激光器、反射镜、分光镜、扩束镜、CCD 、图象卡、计算机及软件。
实验装置和光路如图1所示。
B1：分光镜 M ：反射镜 L1：扩束镜
图1 双光束电子散斑干涉术的光路图
三． 基本原理
双光束电子散斑干涉术的两束光互为物光和参考光。
由于变形对两束光的相位都有影响，所以物体变形时合成的相位差与位移的关系为：
[])sin (sin )cos (cos 221θθθθλπφ++-=
∆d d 2)(sin 4d θλ
π= 其中d 2即为物体变形时的面内位移。
当两束光的照明角θ较大时，测量的灵敏度较高。
四．实验步骤
1．按图1摆好光路。
调整光路时要求两束光的光程、光强和高度近似相等。
散斑图要求含有固定边缘。
2．打开采图软件（如图2所示），点击工具栏中Capture Image，弹出一个实时监控的窗口。
点击窗口中的Real Time按钮，施加一定压力，开始连续采集散斑图，
并自动把每一幅散斑图都和第一幅进行相减处理，形成的条纹图显示在窗口中。
在监测到一幅清晰的条纹图时，再按Real Time钮，使之弹起，固定条纹图。
然
后把条纹图保存起来（*.bmp文件）。
图2 双光束测量物体面内位移的软件操作窗口
五．实验报告要求
求出试件中心位置处的面内位移d2。
2。
傅里叶光学第9章-散斑测量术课件
式中：ϕ1=arg{I1}，ϕ2=arg{I2}，I1和I2分别为I1和I2的傅里叶变换。
条纹的周期和平移量的关系是：
Tx=| | ，Ty=| |
0
0
两次曝光的散斑图，每次选择一个小窗口区域进行傅里叶分析，逐点观察。这
种方法称为逐点分析法。
2、散斑照相术
全场滤波法
参见图 9-5，采用4f光学信息处理系统，两次曝光散斑图H置于输入面。当谱
场测量。
（2）采用数字图像处理技术使得散斑图的分析处理更加方便有效。
2、散斑照相术
2.3 数字散斑相关术
通过CCD等光电成像器件记录物体变形前后表面产生的散斑场的强度，
通过数字图像相关运算，提取物体表面位移场的信息。
若f(x,y) 和g(x,y)是物体变形前后表面散斑场的强度分布，则：
C(x, y)=∑f(x+m, y+n)g(m, n)
或形变)的散斑图，从中提取漫射表面位移或形变的信息.
图9-4 两次曝光的散斑图的记录和处理
a) 散斑图的记录 b) 对散斑图做光学傅里叶变换
2、散斑照相术
图9-4a为记录光路，总的光强分布为两个散斑图强度之和：
I(x,y)=I1(x,y)+I2(x-x0,y-y0)
经透镜傅里叶变换，在(u,ν)后焦面上观察到被散斑晕调制的条纹图样(见图 9-4b)，即：
采用相移技术,通过多幅干涉图的强度计算Δϕ，可实现相位分布的精确测量。
3、散斑干涉术
3.5 散斑测量振动
图9-10
用于振动分析的散斑成像干涉系统
参看上图，在一个成像光路中，激光照明物体粗糙表面，引入参考光与物体所成的
像干涉，采用CCD探测器作光强记录。
激光散斑测量(中国科大实验讲义)
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19
一维自相关函数图
实验曲线
拟合曲线
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20
一维互相关函数图
实验曲线
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21
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22
激光散斑实验
什麽是激光散斑现象? 激光散斑现象的特点
激光散斑的应用 散斑测量实验的内容 数据处理的方法和结论
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1
什麽是激光散斑现象?
• 当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面 上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去 接收光总可以看到一些斑点。这就是激光散 斑现象。
• 经透镜成象形成的散斑是主观散斑 。在自由 空间传播形成的 散斑叫做客观散斑。
xdx(1P 2/(P 1))
gc
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x
17
实验相关函数的计算
• 利用CCD和采集卡（10moons）得到的是BMP格式的图 象文件，调用程序可以将BMP图象文件转化为两维的 数据文件，也就是得到了CCD面阵所在的这一面积上 的光强的值I（i, j）(i,j=1,2…,N0) 。利用这些值就可以 计算散斑场的归一化样本自相关函数和互相关函数。 这些由计算机完成。
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6
由激光器出射的高斯光束
d
2W0
d=250mm ，=0.0006328mm ，w0=0.2244mm
d 1 w0 ( ) 2
可编辑ppt
7
高斯光束的复振幅表达式：
I I0
W0 0.135I0
u ( x , y , z ) A exp[ ik ( x y ) ] q(z)
S P W
【精品】激光散斑检测技术
【关键字】精品《无损检测导论》课程论文激光散斑检测技术在航空领域的应用一、应用背景复合材料在航空、航天、兵器、船舶、汽车、建筑、医疗、制药、压力容器、橡胶工业等行业中占的比例越来越大，然而复合材料在生产和使用过程易产生开胶、分层、冲击损伤、渗水、蜂窝变形等缺陷，缺陷的扩展给装备带来安全隐患。
目前国内复合材料的检测普遍采用落后的敲击法、超声波、声阻检测方法，这些方法普遍存在灵敏度低、对操作者要求高、缺陷难以定量和定位、检测速度慢等问题。
国外普遍采用先进的激光错位散斑成像无损检测技术，不仅检测灵敏度高，缺陷可以直观数码成像，还可以精确测量缺陷的尺寸、位置，操作简捷方便、速度快，成为复合材料生产或现场无损检测专门解决方案。
成立于1977年的美国激光技术有限公司(LTI)是世界激光散斑成像无损检测技术的领导者，其激光散斑成像技术克服了其它检测手段和早期激光干涉检测技术的许多瓶颈和局限，广泛应用于飞机、火箭、卫星、导弹、舰船、飞船、装甲等生产或在役检测，在实践中证实了巨大的成本效益和超强的无损检测能力。
二、发展激光散斑检测技术于八十年代初期开始应用于无损检测领域，纵观激光检测技术的发展历史,经历了几个发展阶段。
20世纪80年代,出现了激光全息技术,虽具有灵敏度高的优点,也存在着干版化学处理繁琐、必须在隔振台和一定暗室条件下才能工作的缺点。
通过CCD摄像机取代干版、隔振性能改善等一系列改进,出现了电子散斑干涉技术(ESPI),但其还不能适应现场检测的需要,目前已进入到激光错位散斑技术 (shearography)时代。
激光错位散斑干涉技术该技术具有全场性、非接触、无污染、高精度和高灵敏度、快速实时检测等优点适用于蜂窝夹层结构、橡胶轮胎、复合材料粘结质量的检测，并已在航空、航天、汽车和建筑等领域得到了广泛的应用三、基本原理激光错位散斑干涉也称剪切散斑，是在单光束散斑干涉的基础上，利用有一定角度的玻璃光楔使得成像平面上造成特定的错位，在照相干板得到双曝光错位散斑图，再以适当的光路布置显现出条纹进行分析通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。
电子散斑干涉测振技术
电子散斑干涉测振技术的优势
( 1 ) 首先， 电子散斑干涉测量所获得 的信息丰富，测量精度高 ，可以实现实时全 场测量，工作效率高;
( 2 ) 将视频信号通过数字化后输人计算机中，并经适当的分析软件就可识别出结构 的振型; 不仅能表现出结构振动节线的变化 ，同时能给出振幅或变形的详细变化规 律;
( 3 ) 可以对结构在不同激振力或载荷下的振型或变形加以比 较 ，从而了解结构的 振动特性 ， 避免出现共振 ;
应用实例
L=80mm t=1mm r=5mm
有限元模拟结果与ESPI实验结果很接近，该方法的精度较高
谢谢
谢谢大家
06.07.2021
生产计划部
电子散斑干涉测振技术
2021/7/6
生产计划部
电子散斑干涉技术
电子散斑干涉技术 (ESPI) ，又称激光电视全息技术，是一种综合 了激光、视频 、电子及数字图像处理等技术的现代光测方法。
它可以完成位移、应变、表面缺陷、裂纹检测和流体场、温度场等 多种测试，因其通用性强、测量精度高、灵敏度高、频率范围宽、 测量迅速简便及全场实时测量等优点，近年来获得了快速发展。
( 4 ) 测量振动模态时不需要系统的传递函 数，所以对于大阻尼非线性结构的 振动 测量也非常有效;
( 5 ) 采用相减模式处理干涉散斑条纹，消除了一般杂散光的影响; 测试仪器可在较 强的环境光条件下工作 ，即可在太阳 光下工作 ，也可测量高温物体的振动。
因此 ，电子散斑干涉测试技术在振动测量方面有很好的应用前景 。
ESPI原理图
电子散斑干涉测振技术
电子散斑干涉法已广泛应用于振动测量和模态分析中 ， 出现了多 种测振方法： 如时间平均法、双脉冲测振法和频闪测振法等。
电子散斑-ESPI实验指导书-离面位移
1电子散斑干涉术（ESPI ）测量物体离面位移(2学时，每次实验12人)一． 实验目的1． 了解和掌握ESPI 测量物体离面位移的方法和技术； 2．学会用ESPI 测试周边固支圆板的离面位移。
二． 实验器材和装置试件为铝箔中心固支圆板。
试验器材有：激光器、反射镜、分光镜、扩束镜、透镜、CCD 、图象卡、计算机及软件。
实验装置和光路如图1所示。
B1：分光镜 B2：半透半反镜 M ：反射镜 L1：扩束镜 L2：成像透镜图1 电子散斑干涉术光路图三． ESPI 的基本原理电子散斑干涉术对物体离面位移测量比较敏感。
由激光器发出的单束光经分光镜分成物光和参考光。
这两束光相互干涉，形成合成光强。
物光的光强分布：)(exp )()(r r u r U O O O φ=其中)(r u O 是光波的振幅，)(r O φ是经物体漫射后的物体光波的相位。
参考光的光强分布：)(exp )(r r u U R R R φ=两束光的合成光强为：2)cos(2)(22R O R O R O u u u u r I φφ-++=。
当物体发生变形后，物体表面各点的散斑场振幅)(r u O 基本不变，而相位O φ改变为)(r O φφ∆-，既)]()(exp[)()('r r r u r U O O Oφφ∆-=，变形前后的参考光波维持不变。
这样，产生位移后的合成光强为：)](cos[2)(22'r u u u u r I R O R O R O φφφ∆--++=。
对变形前后的两个光强相减处理：2)(sin 2)()(sin 4)()('r r u u r I r I I R O R O φφφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+-=-= 可见，得到的光强包含有高频载波项和低频条纹。
该低频条纹取决于物体变形引起的光波相位改变。
当πφk 2=∆时，I =0，及出现暗条纹。
由光波相位改变与物体变形的关系：[]θθλπφsin )cos 1(221d d ++=∆其中λ是所用激光波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，d 1是物体变形的离面位移，d 2是物体变形的面内方向位移。
激光散斑干涉电子测量技术
激光散斑干涉电子测量技术李康华（哈尔滨工业大学威海校区光电科学系，威海 264209）摘要：激光散斑干涉测量是根据与物体变形有内在联系的散斑图, 将物体表面变形测量出来。
本文介绍了激光散斑干涉技术的原理、检测方法及其应用。
从实验检测中,发现其是一种非常便捷、先进、并具有发展潜力的光测技术,能广泛应用在许多领域中,尤其是工业产品生产的领域中。
关键词:激光散斑干涉技术1 引言散斑现象早已被人们所熟悉,但是在激光问世之后才被深刻的了解,并且应用到许多的领域.激光是一种高度相干性的光源,当它照射在具有漫反射性质的物体表面,根据惠更斯理论,物体表面的每一点都可以看成一个点光源,从物体表面反射的光在空间相互叠加,就会在整个空间发生干涉,形成随机分布的,明暗相间的斑点,这些斑点成为激光斑点(speckle)[1].随着科技的发展，对散斑的深入研究，人们发现, 发现这些斑点的大小和位置虽然是随机分布，但是整体上斑点是符合统计学规律的。
在一点范围内，散斑场的运动是与物体表面上各点的运动一一对应的。
散斑的尺寸和形状, 与物体表面的结构、观察位置、光源和光源到记录装置之间的光程等因素有关。
当物体表面位移或变形时, 其散斑图也随之发生变化, 物体散斑虽为随机分布。
但物体变形前、后散斑有一定规律, 且常有物体表面位移或变形的信息。
散斑干涉计量就是根据与物体变形有内在联系的散斑图, 将物体表面位移或变形测量出来。
激光散斑干涉法测量物体变形，除了具备全息干涉法的非接触直观，可以遥感，全场性实时性外，还具备光路简单，对试件表面，实验条件要求不高，计算方便，精度可靠等特点[8-10]。
因此，激光散斑干涉电子测量技术在许多领域上都得到到了广泛的应用。
2 散斑干涉原理散斑干涉计量的全过程分为2 步: 第1 步应用相干光照射目标的粗糙表面, 记录目标表面位移信息的散斑图; 第2 步将记录的散斑图放在某一分析光路( 逐点分析或全场分析光路) 中, 把散斑图中传感的位移或变形信息分离出来, 进行定性或定量分析。
电子散斑干涉试验讲义
电子散斑干涉实验讲义（电子散斑干涉术测离面位移）1．引言电子散斑干涉术（ESPI）测离面位移具有实时、灵敏、全场测量等特点，在变形场测量、振型测量及工业无损检测方面具有广泛的应用。
2．实验目的了解电子散斑干涉原理、掌握干涉光路及图像处理软件。
对力学专业学生还可与板的理论分析进行验证。
3．基本原理图1是常用的均匀参考光光路图，它将分光镜B1分出的一小部分激光经扩束后照射到另一块半透半反镜而与物体漫射光相汇合而形成干涉，前者是参考光，后者是物光。
B 分光镜M:反射镜L1:扩束镜 L2: 成像透镜图 1。
电子散斑干涉术（ESPI ）光路图物光的光强分布为：)(ex p )()(r r u r U o o o Φ= (1)其中)(0r u 是光波的振幅，)(0r Φ是经物体漫射后的物体光波的相位。
参考光的光强分布为：)(ex p )()(r r u r U R R R Φ= (2)物光与参考光在CCD 靶面上汇合形成光强)(r I 为：)cos(2)(22R o R o R o u u u u r I φφ-++= (3)当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅)(r u o 基本不变，而位相)(r o φ将改变为)()(r r o φφ∆-，即[])()(ex p )('r r r u U o o O φφ∆-= (4)其中ΔФ（r ）为由于物体变形产生的相位变化。
变形前后的参考光波维持不变。
这样，变形后的合成光强)('r I 为：[])(cos 2)(22'r u u u u r I R o R o R o φφφ∆--++= (5)对变形前后的两个光强进行相减处理：)()('r I r I I -=＝[][])cos(2)(cos 22222R o R o R o R o R o R o u u u u r u u u u φφφφφ-++-∆--++ ＝2)(sin 2)()(sin 4r r u u R o R o ϕϕφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-- (6)由式(6)可见，相减处理后的光强是一个包含有高频载波项⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆--2)()(sin r R o ϕφφ的低频条纹2)(sin r ϕ∆。
散斑干涉技术在测量中的应用
散斑干涉技术在测量中的应用散斑干涉技术是一种基于光学干涉原理的测量技术，利用光波的干涉现象来实现对物体表面形貌、位移、振动等参数的测量。
该技术具有测量精度高、非接触性强、适用范围广等优点，在工业、科研等领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍散斑干涉技术在测量中的应用，包括表面形貌测量、位移测量和振动分析等方面。
一、表面形貌测量散斑干涉技术在表面形貌测量中具有独特的优势，可以实现对物体表面微小形貌的高精度测量。
通过散斑干涉技术，可以获取物体表面的三维形貌信息，包括表面的高程、曲率等参数。
这对于工件的质量控制、表面质量评估具有重要意义。
在实际应用中，散斑干涉技术常常与数字图像处理技术相结合，利用计算机对采集到的干涉图像进行处理和分析，从而得到物体表面的形貌信息。
通过对比不同时刻的干涉图像，可以实现对物体表面的形貌变化进行实时监测和分析，为工艺控制和质量检测提供重要依据。
二、位移测量散斑干涉技术在位移测量领域也有着重要的应用。
通过测量物体表面的位移信息，可以实现对物体运动、变形等参数的监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对微小位移的高灵敏度检测，广泛应用于微位移传感、振动分析等领域。
在位移测量中，散斑干涉技术可以实现对物体表面微小位移的实时监测，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
通过对散斑图像的处理和分析，可以获取物体表面的位移信息，并实现对物体运动状态的精确控制。
这对于机械系统的振动分析、结构健康监测等方面具有重要意义。
三、振动分析散斑干涉技术在振动分析领域也有着广泛的应用。
通过对物体表面的散斑图像进行采集和处理，可以实现对物体振动状态的实时监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对物体振动的高精度测量，为振动分析和结构动力学研究提供了重要手段。
在振动分析中，散斑干涉技术可以实现对物体振动模式、频率等参数的准确测量，为结构的动态特性分析提供重要数据支持。
通过对散斑图像的时域和频域分析，可以获取物体振动的频谱信息，进而实现对振动源的诊断和分析。
电子剪切散斑干涉技术
电子剪切散斑干涉技术F o r p e s n a u s e o n y s u d y a n d r e s a c h n o f r c m me r c a u s e3章剪切散斑干涉技术虿第螅3.1 剪切散斑干涉技术的概念芃剪切散斑干涉技术（Shearography）因其快速准确的检测能力在航空航天领域得到广泛认可，它与红外热成像检测技术（Thermography）一样，都是一种高效率的无接触无损检测技术，可以用于进行大面积的检测，在检测同时可以提供被测构件的完整图像的即时成像功能。
与Thermography 不同的是Shearography是一种光学传感技术，它利用激光照射在构件身上产生的散斑，对构件的表面破损、变形进行全面检测，所以它也是一种散斑干涉测量技术。
莈Shearography源自1971年诺贝尔物理学奖得主Dennis Gabor发明的全息干涉技术（Holography），可以说Shearography 属于Holography系列，是Holography的一个简化版本。
膈由于Holography需要在宁静、避震的环境下才能发挥出功效，香港大学机械工程学系教授洪友仁于1980年将Holography改良，于是发明了Shearography，之后便将其应用于检测汽车轮胎上，不久洛杉矶发生飞机爆胎意外，FAA开始强制要求所有航空公司必须用Shearography检测飞机轮胎，自此之后，因轮胎问题而引起的飞机意外很少有发生。
蒅近年来美国LTI（Laser Technology Inc.）公司开始将Shearography用于飞机无损检测。
他们开发出基于Shearography的标准无损检测系统，可以用来检测部件的分层、脱胶、裂纹、空隙、冲击损伤、损坏的修补部位以及任何对结构完整性造成影响的缺陷。
它可以应用于许多不同材料的检测，包括碾压材料，复合材料，蜂窝结构以及泡沫材料等，尤其对蜂窝结构的检测得心应手。
《信息光学》第九章 激光散斑及其应用
x
di
D
其中，为光的波长，di为像距， D为透镜孔径。 像面散斑的尺寸与漫射体被照 明的面积无关，而仅与透镜孔径 对观察点的张角有关。
2、散斑照相术 什么是散斑照相术？ 用一束激光照射漫射体，在同一底片上记录物体位 移（或形变）前后的两个或多个散斑图，再用光学 方法从中提取出漫射表面位移或形变的信息，这种 方法称为散斑照相。 利用散斑照相术可以测量漫射物体的位移、形变、 振动等，还可以进行图像处理；下面将介绍散斑照 相术的一些典型应用：
比较漫射体运动或形变前后所得到的两 个F3(x,y)的相关性：
m （1） d 2
2
2d
m 0, 1, 2,
具有最大相关
（2） d
2m 1 4
m 0, 1, 2, 相关为零
由于运动导致F3(x,y)的变化，与运动前相比 较相关程度周期性变化，探测出这一变化， 就可测量出漫射体的纵向运动或变形。
3、散斑干涉计量
3.2 两个散斑场的干涉 1） 测量纵向位移 仍利用迈克尔逊干涉仪系统，把两个反射镜都换成散射体(A1和A2)，就可 以实现两个散斑场的干涉，在相平面用底片H作照相记录。假设两个散 斑体产生的像面散斑分别是F1(x,y)和F2(x,y)，相干叠加得到F3(x,y)。当其 中一个漫射表面沿纵向位移为d时，任一点的位相差均改变，而且：
当激光照射物体的漫射表面（如纸张、未抛光的金属表面、混凝土表 面等），或者通过一个透明的漫射体时，会在其表面以及附近空间产生 无规则分布的亮暗斑纹，即激光散斑。 散斑是一种干涉现象。激光照射粗糙表面时，表面上每一点都可看作 子波源，产生散射光（子波），这些子波是彼此相干的。在空间某一点 相遇时，各子波的振幅和位相都不同，产生相长干涉或相消干涉，在空 间产生无规则分布的亮暗散斑纹，如下图所示。
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在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。
１、剪切散斑干涉技术：
１．１剪切散斑干涉的原理
电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在计算机显示屏上即可实时显示物体变形信息的散斑条纹图。
被测物
图ｌ电子散斑剪切干涉的光路系统
因此，电子剪切散斑干涉是同一个物体的两个剪切像的干涉。物面上的一点，经过剪切装置后，在像面上形成相邻两个点。假定是在ｘ方向剪切，由剪切镜产生的物面上的剪切量为６。．对于整个物体来说，在像平面上形成了两个相互剪切的像，它们的波前分别为：１３９
Ｆ＠，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｑ）ｘ，ｙ）】（１）
１４１
量，可以分别求得不同的相位公式。图３为使用压电陶瓷法进行的相移散斑实验光路图。
图２实时时间差法所得散斑图
２、相移ＥＳＰＩ技术
２．１相移ＥＳＰＩ技术原理
相移ＥＳＰＩ技术是以条纹图中的余弦函数的相位为测量对象，通常是利用对已知相移（通常是在参考光波中导入线性变化的相位）的被测光波采样后来自得的光强分布进行处理以求得相位值。
早在１９６６年Ｃａｒｒ６就提出了时间相移法的思想，并给出了相位计算公式（Ｃａｒｒ＠算法），但一般认为Ｂｒｕｎｉｎｇ等人１９７４年发表的工作是时间相移法的发端。
示为：
Ｉｎ＝Ｉｏ【１＋７，ｃｏｓ（≯＋６）】（８）
式中６是可控的附加相位调制项，称为相移步长，它是随时间变化的，也就是说不同相移量是在不同时刻引入的。当使可控相移６步进变化，利用几个不同相位下测到的强度Ｉ。便可解算出被测相位西。
相移步长是在不同时刻引入的，而相位量需要由各种移相器提供。常用引入相移的方法有压电陶瓷法、偏振相移法、倾斜玻璃法、光栅相移法、拉伸光纤法、液晶相移法、改变半导体激光器波长和空气相移法等。其中最常用的是压电陶瓷法。对于周期不同的采样情况，施以不同的附加相移
关键词：无损检测剪切散斑干涉术相移ＥＳＰＩ技术
引言：激光散斑检测技术在无损检测应用广泛。与非光测技术相比，激光散斑检测技术具有非接触，高精度和全场等优点，是无损检测领域的一种重要和新兴的检测方法，随着激光散斑测量技术的发展，采用ＣＣＤ摄像机输出干涉图像信号，可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。
当干涉仪中两波面相遇发生干涉时，干涉条纹图被摄相机存储为数字图像，其光强表示为：
Ｉ。＝Ｉｏ（１＋ｙＣＯＳ≯）（７）
式中Ｌ是第ｎ次相移的干涉图中一点的光强，，ｏ是背景光强分布，），是条纹调制度，≯是被测相位，即干涉图中被测点处两波面的相位差。光强公式（７）中未知数过多，只知道某点光强，。的情况下无法求得被测相位西，一般情况下，需要在条纹相位上附加一个已知相移量来增加方程数，使方程数大于或等于未知量来解出相位值，而这个己知相位量需要移相器提供，此时干涉条纹图的光强表
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术介绍
孙小勇周克印王开福
（南京航空航天大学无损检测中心南京中国２１００１６）
摘要：本文介绍了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术成像的原理，对剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术应用于无损检测领域中散斑图像的获取方法进行了说明，列举了两种方法所得的散斑图，并比较了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术在无损检测领域的应用，可为激光散斑检测技术应用到无损检测工作提供有益的参考。
，‘＝２Ａ２【１＋ｃｏｓ（ｑ，＋△妒）】（５）
在电子剪切散斑干涉法中，采用光电元件（通常ＣＣＤ摄像机）进行记录并直接输入计算机，它采用与变形前后两幅散斑图的图像相减，其合成的记录光强为式（４）和（５）相减：
小Ｉ卜小１４们ｓｉｎ妒＋等】ｓｉｎ爿
（６）这种相减方法把背景光强去除，而突出了由于形变引起的相位变化△妒的结果。
Ｆ＠＋瓯，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｆｐ（ｘ＋屯，ｙ）】
（２）上两式中假设两点振幅是相等的，仅位相不同妒Ｏ，Ｙ）ｆｌｌｑ，（ｘ＋６，，ｙ）。到底板在物体未变形状态下的波前的合成为：
Ｅ＝Ｆ∞ｙ）＋Ｆ＠＋戌）
（３）
其光强为：，＝Ｅ・耳＝２Ａ２０＋ｃｏｓ功
（４）
够＝驴０＋ｔ，ｙ）－ｑｏ（ｘ，Ｙ）
当物体变形而引入的相位差为△驴，光波将形成一个相位的相应变化△妒，变形后的光强将变为：