电子散斑测量仪及其在无损检测中的应用

　　1　引言

　　电子散斑测量技术是一种先进的测量技术。它广泛应用于微变形测量[1、2],无损检测[3],应力应变分析[4],以及振动测量[5]等领域,具有全场、非接触、精度高等优点,在科研、工业生产、国防建设等领域都有着广泛的应用前景。

　　相位测量技术[6]是近十年来发展起来的用于光学干涉计量、计算机辅助光学测量中的重要技术。把相位测量技术与电子散斑测量技术相结合,使电子散斑测量技术由原来计数条纹级数发展成为计数条纹相位(1条纹=360度相位),使测量精度大大提高,并能给出全场测量数据,测量实现自动化,因此,电子散斑测量技术越来越受到人们的重视。电子散斑测量技术本身由于测量精度很高(电子散斑测量技术测量精度达λ/2,而相移电子散斑测量技术测量精度达λ/10,甚至更高),因此对环境及系统本身稳定性要求都很高。在对电子散斑测量技术的研究中,几乎都是在实验室的光学隔振平台上由分离光学元件组成的光路系统中实现的;电子散斑测量技术走出实验室,实现仪器化并走向实际应用一直是一个难题,同时也限制了该项技术在实际工程中的应用。本文介绍一种我们研制的相移电子散斑检测仪,该仪器已成功应用于实际工程测量中。

　　2　电子散斑和相移电子散斑原理

　　2.1　电子散斑

　　图1是电子散斑干涉技术原理示意图。图中物光(IA)和参考光(IB)是由同一光源发出的两束相干光。IA照明被测物体表面,被测物体由成像透镜成像,经分光棱镜到像面;IB由分光棱镜反射到像面,在像面物光散斑场与光滑参考光干涉形成干涉散斑场。物体变形前像面上任一点(x,y)的光强可表示为

　　物体沿观察方向发生离面dZ的变形后,将引起Δφ的相位改变

　　实际情况,Δφ变化比φ变化慢的多,由式(4)可看到它有两个互相调制的函数项,第一项频率高,表示散斑,第二项变化频率低,表示散斑条纹。

　　2.2　相移电子散斑

　　由于电子散斑条纹图中存在高频项sin12(2φ+Δφ) ,使条纹图具有较大的噪声,难以对条纹图进行自动图像处理并给出最终结果。相移电子散斑测量技术能直接计算出物体的位相信息,其基本思想是通过引入已知的相移量,人为地改变干涉条纹的位相,比较干涉场中同一点在不同相移量下的光强变化来求解相位。

　　电子散斑干涉条纹图可表示为

　　由式(12)可计算出φ(x,y),其值在-π到π之间,因此相位图中φ=±π处存在间断点,通过判断间断点的值对相位进行包裹处理,便可得到连续相位图,该连续相位图反映了物体真实变形情况。