光栅大错位数字散斑干涉仪

　　1　引　　言

　　现代光学测量技术包括全息干涉、散斑计量、云纹法和云纹干涉等。这些光学计量技术的特点是全场测量、非接触、高测量精度。文献[1]中散斑计量技术以其装置简单、计量方便的独特优点而受到人们的青睐。它能进行变形、振型、形貌、温度分布和无损检测等方面的测量[2～4],但是这些方法在工程实际应用中存在一些困难:对测量环境要求高、自动识别困难、体积过大等。近年来,国内研制出渥拉斯顿棱镜的双折射现象实现大错位的数字散斑干涉仪[5～6],使它既能测量离面位移w(x,y),又具有较低的防震要求。但大体积的渥拉斯顿棱镜价格昂贵,仪器造价比较高,且波像差大。

　　针对上述数字散斑干涉技术(DSPI)存在的不足和局限性,从工业测量、工程实际需要出发,将常规DSPI、错位DSPI、图像处理技术、计算机系统等结合起来,开发出一种新的大错位数字散斑干涉仪,使测量仪器具有测量精度高,使用方便,成本低等特点,而且可以实现在线检测。

　　2　光栅大错位基本原理

　　图1为光栅大错位散斑干涉仪原理图。被测物s和参考物s′经成像物镜和光栅在像平面上衍射成像,分别获得s和s′的0级,±1级,±2级...,衍射像。适当调节光栅到CCD靶面的距离,将0级物像与+1级参考物像重合,则0级物像Uo,0和+1级参考物像Ur,1形成大错位干涉。则CCD靶面上光场可表示为:

　　CCD将光强信号转换为视频信号,再经A/D转换为数字散斑信号,它正比于光强。分别采集变形前后的数字散斑,并将两者相减平方后再由D/A转换为模拟信号,给显示器进行视频显示,显示的相关条纹亮度经散斑统计理论推导(由于篇幅略)得:

　　对于特殊情况,若(I0)=(Ir),即K=1,又面内位移很小,即hi(u,v)≈1则上式简化为:

　　上式表明干涉条纹的明暗随4π/λw变化,即干涉条纹是离面位移w的等值线。其测量灵敏度为λ/4。

　　3　光栅大错位散斑干涉无损检测原理

　　光栅大错位散斑干涉无损检测原理是建立在判断散斑干涉条纹与结构变形量之间关系的基础上。结构在外力作用下,将产生表面变形。应用散斑干涉计量的方法,将这种不同表面的变形转换成光强表示的干涉条纹,经光学系统由CCD(电荷耦合器)转换成电信号输入计算机采集卡存储起来。若结构不存在缺陷,则这种干涉条纹只与外加载荷有关,且干涉条纹是有规律的,每一根条纹都表示结构变形的等位移线。若结构存在缺陷,则缺陷部位的刚度、强度、热传导系数等物理量均发生变化,缺陷部位的条纹变化不仅取决于外加载荷,还取决于缺陷对结构的影响,因而在缺陷处产生的干涉条纹,是结构在外加载荷作用下产生的等位移线与缺陷引起的变形干涉条纹迭加的结果。这种迭加将引起缺陷部位的表面干涉条纹畸变。根据这种畸变则可以确定结构是否存在缺陷。