激光散斑干涉电子测量

激光散斑干涉电子测量技术

摘要：激光散斑干涉测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。介绍了激光散斑干涉技术的物理学基础、检测方法及其应用。说明它是一种非常便捷、先进、并具有发展潜力的光测技术。

1. 引言

用相干激光照射表面粗糙的物体, 按照惠更斯的原理, 在物体表面散射的光, 尤如无数新的点光源发出相干子波, 它们相互之间将产生相长或相消干涉。在物体表面的前方空间出现无数随机分布的亮点与暗点, 形成一幅很复杂的散斑图。 人们发现, 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。

2. 散斑干涉实验装置及原理

散斑干涉实验原理示意图如图2-1所示，它将激光经过分光镜B 分出的两束激光经扩束后照射到另一块反射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。

图2-1 散斑干涉实验原理示意图如 物光的光强分布为：

)(exp )()(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：

)(exp )()(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

[]

)()(exp )('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)()(s i n r R o ϕφφ的低频条纹2)(sin r ϕ∆。该低频条纹取决于物体变形引起的

光波相位改变。这个光波相位变化与物体变形关系从光波传播的理论可以推导出来，即有：

[]θθλπφsin )cos 1(221d d ++=∆ (7) 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，1d 是物体变形的离面位移，2d 是物体变形的面内方向位移。

为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角θ比较小，即0sin ,1cos ≈≈θθ，则由（7）式可以得到：

14d λπφ=∆ (8)

有(6)式可知，在暗条纹处，

πφk 2=∆ (9)

由(8)式和（9）式可得到：

21λk d = （10）

即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。

3. 实验结果与分析

搭建图2-1所示的光路图，然后给测量物体加压，调节物品架上的旋钮给物品加压，随着旋钮的调节，电脑的屏幕上出现的干涉条纹越来越多，且为同心圆

环。给物品加上适当压力，并拍摄下其变形后的干涉条纹，如图3-1所示。

图3-1 电子散斑干涉条纹

利用计算机软件进行图像处理，干涉图像中央部分是里面位移最大的地方，分别取靠近干涉条纹中央的5个黑色圆环进行分析，得到被测物体受压后的立体图，如图3-2所示，同时也可以看到被测物体在X和Y方向的离面位移的大小。从图中可以看出，在物体中心处的里面位移最大，其次向外的离面位移依次减小。

图3-2 （1）物体变形的立体图（2）X和Y方向的离面位移图4.结论

本实验系统中利用CCD摄像头、视频图像采集卡，以及图像处理软件来对光学干涉条纹图进行采集与处理，实现光学图像数字化，以便更可靠迅速地分析光学干涉条纹图的数据，其关键在于通过采集图像，得出相应的干涉条纹强度分布图，进一步利用干涉条纹图处理软件对受力变形后的测试表面进行3维图像重构，得出变形后3维立体图，可以清楚地看出被测物品在任何一点的离面位移量。

5.参考文献

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