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。散斑图记录方法常用的可分2 种[2-4]:

2.1散斑照相记录

散斑照相记录又称主观散斑, 如图1( a) 所示。目标在扩散后的激光束照射下, 漫反照形成的空间散斑场, 用成像透镜将目标的像连同散斑一起记录在

全息底片上。

2.2散斑直接记录

散斑直接记录又称客观散斑。如图1( b) 所示。将记录底片直接紧靠目标表面, 固定连接于目标的某一点上。激光通过底片照射到目标表面, 与由目标表面反射的光波相互干涉, 形成散斑, 记录在底片上。

利用散斑干涉技术测量表面位移, 通常应用二次曝光法。同样, 在目标未变形前曝光一次记录的散斑图相当于许多形状和大小不同且随机分布小孔不透明屏。目标变形后, 其表面某一点产生位移, 像上相应的点也产生位移, 透镜能够分辨的各个小区域发生不同的位移, 在同一张全息底片上再进行第2 次曝光, 此时记录的散斑图也相应地产生位移。2次曝光的底片, 满布屏幕上的已是双孔。每一对双孔对应着目标某一小区域的位移。

(a)散斑照相记录 (b) )散斑直接记录

图1 记录散斑图的2种光路示意图

1、试样

2、底片

3、相机

4、激光器

5、快门

6、透镜

7、固定点

8、式样

9、记录介质

散斑尺寸的大小, 与记录使用的透镜尺寸有关,它由端利准则来确定

f

=λ= (1)

d 1.22F 1.22()

D

式中d：散斑直径;λ：激光波长;F：透镜相对孔径;f：透镜焦距;D：透镜孔径。

3 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[5-6]。

图2-1 散斑干涉实验原理示意图如

物光的光强分布为：

)(ex p )()(r r u r U o o o Φ= (2) 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= (3) 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-++= (4)

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∆-= (5) 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∆--++= (6)

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∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-- (7)

由上式可见，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∆。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： []θθλπ

φsin )cos 1(221d d ++=∆ (8)

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（8）式可以得到[7]：

14d λπφ=∆ (9) 有(7)式可知，在暗条纹处，

πφk 2=∆ (10)

由(9)式和（10）式可得到：

21λk d = (11) 即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。

4 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