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山东师范大学硕士学位论文 电子散斑干涉及位移场分离 中文摘要 光学是物理学中古老的门应用性较强的基础学科，光学的起源应追溯到远古时 代( 我国春秋战国时期) 。之后的二千多年漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，它是 光学发展史上一段缓慢前进的年代。电子散斑干涉计量是光学测量技术的一个重要分 支。它利用相干光照射在粗糙的物体表面。在空间所形成的散斑，或物体表面自然存 在的或人造的斑粒，实现物体表面位移和变形检测。在过去的3 0 多年中，除了对散斑 场自身的特性和规律给予深入的研究外，有多种散斑测量技术逐渐发展和建立起来， 并在不同的领域中获得了广泛的应用。 电子散斑干涉测量技术是一种现代高科技光测方法，它具有全场、非接触、高精度、 高灵敏度、不避光、不照相、不需要特殊防震、快速实时并可在线检测等优点。被广 泛的应用于汽车、防伪、工业测量、机械、土木、水利、电器、天文、航空航天、兵 器工业、信息处理、表面粗糙度、三维面型测量及生物医学等领域的检测中。 本文就电子散斑干涉及位移场分离等方面进行了研究和探讨，主要内容概括如下： 1 回顾了散斑现象的发现、发展、分类及应用。从光的干涉测量着手，先后介绍 了电子散斑干涉现象，电子散斑干涉测量的特点及优点，电子散斑干涉测量的发展前 景，激光散斑干涉测量方法。 2 介绍了相移相位测量法、傅里时变换相位测量法、e s p i 条纹图的频域滤波方法、 分析了散斑干涉图像的特征。 3 总结了位移场分离的几种方法。提出了利用单幅电子散斑物体变形相位图分离 二维分量的方法。传统电子散斑干涉技术测量得到的是物体变形的混合相位场。当物 体具有对称变形时，可通过图像处理的方法，获得二维变形场的分量值。利用三点加 载的简支梁进行了实验，给出了实验结果，验证了该方法的正确性。该方法保持了传 统电子散斑干涉系统的简单、稳定、便于应用的优点，并进一步得到了二维场分量的 信息。 山东师范大学硕士学位论文 2 关键词：电子散斑干涉：位移测量；对称变形场；位移场分离；相移技术； 傅立叶变换 分类号：0 4 3 8 山东师范大学硕士学位论文 e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r ya n d d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t a b s t r a c t o p t i c sw a si nt h ep h y s i c sa l la n c i e n ta p p l i c a t i o ns t r o n g e rf o u n d a t i o nd i s c i p l i n e ，o p t i c s o r i g i ns h o u l dt r a c et h ea n c i e n tt i m e st i m e ( o u re o t m t r ys p r i n ga n da u a m mp e r i o dw a n i n g s t a t e st i m e ) t h ea f t e r w a r d sm o r et h a n2 , 0 0 0y e a rl o n gy e a rc o n s t i t u t e do p t i c sd e v e l o p m e n t g e r m i n a t i o np e r i o d , i ti si no p t i c sh i s t o r ys e c t i o no f s l o wa d v a n c e sa g e s e l e c t r o n i cs p e c k l e p a a e mi n t e f f e r o m e t r y ( e s p i ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f o p t i c a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s s p e c k l et e c h n i q u e sm a k eu s eo fl a s e rs p e c k l e sf o r m e di ns p a c eo ra r t i f i c i a ls p e c k l e s d e p o s i t e do i lt h es p e c i m e ns u r f a c et om o n i t o rd i s p l a c e m e n to rt oc a n yo u td e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t i nt h ep a s tt h r e ed e c a d e s ，i na d d i t i o nt ot h es t u d yo f t h ei n h e r e n tp r o p e r t i e so f l a s e rs p e c k l ef i e l d s ，v a r i o u ss p e c k l em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa l eg r a d u a l l yd e v e l o p e da n d w i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n tf i e l d s e l e c t r o n i c s p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) ，w h i c hu s e sf r i n g ea n a l y s i sf o r n o n d e s t m c t i v ed e f o r m a t i o nf i e l dm e a s u r e m e n t s ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt e c h n i q u e t h e m e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e so ft h ew h o l e f i e l dm e a s u r e m e n t , t h es i m p l eo p t i c a lr o a d ，t h e e a s ym o d u l a t i o na n dt h el o wd e m a n df o re n v i r o n m e n t b yt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o nt ot h e a u t o m o b i l e ，i sg u a r d e da g a i n s tf a l s e ，d o m a i ni n t h ea n ds oo bc o m m e r c i a l m e a s u r e m e n t ，m a c h i n e r y , c o n s t r u c t i o n , w a t e r - c o n s e r v a t i o n ，e l e c t r i c a p p l i a n c e ，a s t r o n o m y , a e r o s p a c e ，w e a p o ni n d u s t r y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，s u r f a c er o u g h n e s s ，t h r e ed i m e n s i o n a l f a c es h a p es u r v e y t nt h i s d i s s e r t a t i o n , e l e c t r o n i cs p e c k l e p a a e r ni n t e r f e r o m e t r ya n dd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n ta r ed e t a i l c d l yd i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da st h ef o l l o w i n g ： 1 r e v i e w e dh a se l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) t h ed i s c o v e r y , t h e d e v e l o p m e n t , t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o n b e g i n sf r o mt h el i g h ti n t e r f e r e n c e s u r v e y , s u c c e s s i v e l yi n t r o d u c e dt h ee s p i ，t h ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h em e r i t , t h e 3 山东师范大学硪士学位论文 p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t t h em e t h o do fs p e c k l ep a t t e mi n t e r f b r o m e t r ym e a s u r e m e m 2 p r i n c i p l eo ft h ep h a s em e a s u r e m e n ta n df t mm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l e 。 t h em e t h o da n dt h ea r i t h m e t i co ft h ep h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u ei ss p e c i a l l yi n t r o d u c e d t h e e s p is t r i p ec h a r tf r e q u e n c yr a n g ef i l t e rm e t h o d ，a n a l y z e dh a sd i s p e r s e dt h ep i c t u r et h e c h a r a c t e r i s t i c ；3 s u m m a r i z e dt h ed i s p l a c e m e n tm e a s l l r e m e ms e v e r a lm e t h o d s am e t h o da b o u tt h e i s o l a t i o no ft w o - d i m e n s i o n a ld i s p l a c e m e n tb yu s i n go n ep h a s em a pi sp r e s e n t e d 。w h e nt h e t y p i c a le s p ii s u s e df o rd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t , am i x e dp h a s ed i s t r i b u t i o no f d e f o r m a t i o nc o nb em e a s u r e d i ft h ed e f o r m a t i o no ft h eo b j e c ti ss y m m e t r i c a l ，t w o c o m p o n e n t so fd e f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e db yi m a g ep r o c e s s i n g at y p i c a le x p e r i m e n t 琳i n gnt h r e e - p o i n t - b e n d i n gi se o m p m t e d me x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ec o f f e e , l e s so f t h em e t h o d n 地m e t h o dp r e s e n t e dd o e sn o to n l yk e e pt h ea d v a n t a g e so fs i m p l e n e s s s t a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t y , b u ta l s o o b t a i n t h ei n - p l a n e d i s p l a c e m e n ta n d o u t - p l a n e d i s p l a c e m e n ts i m u l t a n e o u s l y k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c s p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y 但s p i ) ；d i s p l a c e m e n t m e 鹤嘲n e n t ：p h a s e - s h i f t i n g ；s y m m e t r i c a ld e f o r m a t i o n ；f t m c l cn u m b e r ：0 4 3 8 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：焉鸯拘 字：寺 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位论文作者签名：齑谵构 签7 - 日期：2 0 0 年月日 导师签字： 弘亍 签字日期：2 0 07 年r 月蝴 山东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 光学是物理学中古老的一门应用性较强的基础学科，光学的起源应追溯到远古时 代( 我国春秋战国时期) 。之后的二千多年漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，它是 光学发展史上一段缓慢前进的年代。电子散斑干涉计量是光学测量技术的一个重要分 支。散斑干涉技术测量具有非接触，高精度和全场等优点，一直为人们所重视，尤其是被 大量地应用于表面变形的测量。 1 1 电子散斑的发现、发展及特点n ” 散斑现象早在牛顿时代就被人们所认识【1 一。但是散斑现象的广为人知并在光学及 相关应用领域受到足够重视，还是在1 9 6 0 年，世界上第一台气体激光器诞生之后，激 光器的诞生使全息干涉技术得到了发展。由于散斑的存在，影响了全息图质量，散斑 开始是作为一种噪声来研究的，大量的工作是试图如何克服消除散斑效应。直到1 9 6 6 年，b r u c h 和e m a o s 在实验中发现散斑具有可铡的强度和确定的相位，从而为散斑的 应用奠定了基础。此后g r o h 把散斑引入计量领域，他利用散斑图样作为测量疲劳断裂 的阴影模板，结果表明这是一种非常灵敏的测量表面位移的方法。1 9 6 8 年，a r c h b 0 1 d 等人首次将散斑技术应用在测量中1 9 6 9 年。l e e n d e r t z 在国际光学会议上，提出了散 斑相关干涉计量术( s p c i ) 这是散斑计量技术的一个重要发展，基于这种思想，他又提 出了剪切散斑干涉, ( s s 0 。后来，经y y h u n g 和l i a n g 的改进，成为一种非常实用的 方法。散斑干涉的基本原理是在1 9 7 0 年由l e e n d e r t z 建立并提出散斑相关干涉术( s p c ) 。 1 9 7 1 年b u t t e s 和l e e n d e r t z 首先应用光电子器件( 摄像机) 代替了全息干板记录散斑场的 光强信息并存储在磁带上，由电视摄像机输入物体变形后的散斑图通过电子处理的方 法不断与磁带中变形前的散斑图进行比较处理，从而在监视器上能观察到散斑干涉条 纹这种方法就称为电子散斑干涉法( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y 简写为 e s p i ) 。同年m a e o v s k i 发表了类似的文章。1 8 7 4 年p e d e s e n 等把硅靶摄像管作为光电 探测头应用在e s p i 中，提高了e s p i 系统对光的敏感度。1 9 7 6 年l o k b e r g 等把全息干 涉术中的参考光位相调制技术引入电子散斑，使之能测量振动的位相分布。1 9 7 7 年 w y k e s 讨论了电子散斑干涉法中的消相关效应，并提出了相应的改进措施。1 9 7 8 年， j o n e s 等利用双波长电子散斑干涉法测量了物体的轮廓。1 9 8 1 年j o n e s 等系统地对电子 散斑干涉中各种参数的选取和优化作了详细报道。这样，几乎用了十年的时间。人们 山东师范大学硕士学位论文 完成了对电子散斑技术的基本原理和它的性质的研究。提出了改善e s p i 条纹质量的系 统参数选取方法，为以后的研究和应用打下了基础，并研制了商品化的e s p i 干涉仪。 随后，l o k b e r g 把脉冲激光用于电子散斑。1 9 8 7 年，w y k e s 等使用小功率激光器和半 导体激光器实现了电子散斑干涉术，从而使系统更加紧凑、实用。 进入八十年代，电子技术、计算机技术、激光技术的发展促进了散斑计量技术的 发展，高速存储器加快了数字图像的存取速度，计算机的高速运算能力使图像处理的 复杂运算成为可能。把这些技术应用在电子散斑干涉中，就出现了数字电子散斑干涉 术( d s p i ) 。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，存贮在计算机中，由计 算机用数字的方法对它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹图。数字散斑干涉减 小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。1 9 8 0 年n a k a d a t e 首次实现并得 到5 1 2 x 5 1 2 列阵的数字散斑干涉条纹，但直到1 9 8 4 年才由c r e a t h 正式提出来并作为 一种新技术加以推广，数字图象列阵也逐步发展到今天的5 1 2 5 1 2 或1 0 2 4 x1 0 2 4 ， 灰度等级发展到2 5 6 ，而且以微机和图像板取代了原始的大型数字图像处理系统。目 前，该技术逐步代替了用电子处理方法的电子散斑干涉法，但在习惯上，人们往往将 用电子处理方法实现的电子散斑干涉法( e s p i ) 和用数字处理方法实现的数字散斑干涉 法s p i ) 统称为电子散斑干涉法( e s p i ) 。 ： 为了进一步提高e s p i 的抗震性能，1 9 8 5 年h u n g 提出了将错位技术引入电子散斑 的设想，提出了电子错位术的概念( e s ) 在国内，1 9 8 9 年天津大学首次研制成功了电子 错位散斑( 或称电子剪切散斑) 干涉系统( e s s ) 随后又开发了d s s p i 系统。1 9 9 2 年，中国 科学技术大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑干涉中，并由可切换的双频光栅 实现了错位，1 9 9 3 年西安交通大学研制了光纤电子散斑技术干涉系统。 - 为了适用于各种工程环境测量的需要，一些仪器化，商品化的电子散斑干涉仪也 相继问世，1 9 8 0 年英国的v i n t e n 公司首次推出一种电子散斑干涉仪。1 9 8 8 年美国激 t 光技术公司首次推出电子错位散斑干涉仪e s 9 1 0 0 。1 9 9 0 年美国的n e w p o n 公司推出 h c 一4 0 0 0 型的e s p i 干涉仪。1 9 9 2 年瑞士的v i b m m e t e r 公司也推出了r e t r a l 0 0 型电 予散斑干涉仪。1 9 9 2 年美国激光技术公司又推出了新型的电子散斑错位系统 e s 9 2 0 0 ，e s 9 4 0 0 ，e s 9 1 2 0 ，e s 9 6 0 0 及s c - 4 0 0 0 便携式电子错位散斑干涉仪。国内，1 9 8 9 年天津大学首次研制成功e s s 电子错位散斑系统。1 9 9 0 年中国大恒公司光电室与西德 j u r i d 公司合作开发了d a h e n g j u r i d 电子散斑仪，西安交大也有己通过鉴定的t v h 3 0 2 山东师范大学硕士学位论文 电子散斑计量系统。1 9 9 2 年中国科学技术大学研制的新型光学头部，采用了先进的半 导体激光器作为光源，还加有可切换的双频光栅实现错位，使e s p i 更好地仪器化。另 外，北京光电技术公司也在生产电子散斑仪向工业应用领域推出。 电子散斑干涉法( e s p i ) 采用c c d 或t v 摄像机采集相干散斑干涉场的光强信息， 电子信号经过电子或数字处理后就以条纹图的形式显示在图像监视器上。条纹可代表 物体表面的振动模式、离面位移、面内位移、位移导数及物体形状的等值线，它们的 获得依赖不同的光路布置。电子散斑是一种测量光学粗糙表面位移或变形等物理量的 干涉测量技术，并且被应用在无损检测q d t ) 中，具有波长量级的灵敏度。由于它综 合了现代发展的三大技术：激光技术，视频技术和计算机数字图像处理技术，因此电 子散斑具有如下特点：它采用c c d 或t v 摄像机和电子存储器取代了全息干板记录物 面散斑场的光强信息，可用电子或数字技术实时处理信息，实时显示干涉条纹，快速 方便：它使用的图像采集卡快速采集散斑场信息，从而对工作环境的防震要求大大降 低，由e s p i 发展而来的电子错位干涉法( e s s p o 贝u 完全不需要防震，可以走出实验室， 进入现场测试：它可以采用相减模式处理干涉散斑场，消除一般杂散光的影响，所以 它可以在照明条件下操作，这给工作人员带来了方便；电子散斑条纹图可以数字形式 存贮，所以便于条纹后处理，结合计算机技术使条纹自动分析成为可能，为实现条纹 自动化测量创造了良好的条件。 总之散斑测量技术经历了两个发展阶段【l 】。第一阶段1 9 6 5 1 9 7 8 年，以纯光学的 相干计量技术为主的发展阶段。在这一时期，激光光源提供的光场优良相干性使相干 测量带来的潜能被充分发掘，形成了一系列纯光学的全息散斑计量方法。对计量机理 的解释，主要是用传统的干涉计量理论，以几何光学光程差的定量分析为基础，辅助 以波动光学和统计光学的定性解释。第二阶段是由7 0 年代末期微电子技术的发展开始 的，是以光电结合的精密计量技术为主的发展阶段。在这一时期，计算机硬、软件技 术的不断普及及其与纯光学计量技术的结合，使全息散斑计量技术向着高精度、高速 度及自动化方向发展。人们对全息散斑计量机理的认识也发生了深刻的变化，发展出 了用统计学方法解释的新理论，该理论更适合描述空间随机分布光场。 1 2 电子散斑技术的应用“3 1 由于散斑干涉技术测量具有全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时快速等优点， 现已广泛应用于振动、位移、变形、断裂及粗糙度的测量，成为无损计量的有效工具， 山东师范大学硕士学位论文 是当前国际上的热门研究课题之一。 电子散斑干涉法自问世以来即得到广泛的应用，而且这种趋势与日俱增。首先电 子散斑干涉法被广泛的用于振动测量和模态分析，其次它被用于物体轮廓的测量。电 子散斑技术还可用于高温物体的位移测量和热变形测量，另外电子散斑技术在无损检 测方面也取得了很多成功的应用。发展的新型漫射参考光光路，实现了对于相位物体 的检测。1 9 9 0 年，g u l k e r 把e s p i 用于建筑物现场测试，而g a n e s a n 早在1 9 8 9 年就把e s p i 用于泊松比的实时测量。e s p i 用于动态问题的研究也己有报导。从七十年代到九十年 代二十年的时间里人们不断地把e s p i 技术用于各种工程测试中去。电子错位散斑技术 虽然在八十年代末期才兴起，至今不过十几年的时间，但也取得了许多可喜得研究成 果和应用。 时间序列散斑干涉计量方法能适应大变形、时变测量，因而可广泛地应用于工程构 件与材料性能等方面的检测。将其应用于火箭固体燃料在机械和热载荷作用下的性能 检测。如应用于火箭固体燃料的力学性能检测“”。 总之，电子散斑干涉测量技术【l 6 1 是在现代高科技成果，包括激光技术：视频技术、 电子技术、信息和图像处理技术、计算机技术、全息干涉和散斑干涉技术、精密仪器 及自动控制技术的基础上发展起来的一种现代光测方法，它具有全场、非接触、高精度 和高灵敏度，不避光、不照相、不需要特殊防震、快速实时并可在线检测等优点。e s p i 用途很广：可用在检测各种工程机械及设备的变形、振动、冲击、粗糙度、刚度和强度 等特性，还可用在土木结构、水利设施的变形测量。它不但可以作为模型设计、分析、 样机实验的先进工具，而且还可以作为产品检验和生产过程控制的一种有利工具。该技 术也可用来检测复合材料“”、集成电路、压力容器和焊接物体表面或内部缺陷，成为x 射线、红外和超声等传统无损检测方法的一种有效的补偿手段。因此，该技术在机械、 土木、水利、电器、航空航天、兵器工业及生物医学等领域的检测中具有非常重要的 地位 l - 3 散斑发展现状和展望“订 随着现代社会的迅速发展，要求散斑计量技术更趋向于实用化。要解决这一问题， 就必须解决检测系统的实时性好、小型化、提高抗干扰能力等，由此散斑计量技术又发 展了新的技术。从8 0 年代初，美国贝尔实验室的d u d d e r a r 等将光纤成功用于全息测量中， 到现在，各种光纤和传像束在e s p i d s p i 系统中的应用进行了理论和实验研究，获得了 4 山东师范大学硕士学位论文 较好的效果。该技术简化了光路、缩小了体积、耐腐蚀、可用于恶劣环境。半导体激 光器与光纤的耦合效率问题是发展的关键，相信在未来的几年，问题会得到解决。数字 散斑相关测量方法是8 0 年代末由日本y a m a g u c h i 和美国南卡罗来纳大学的p a n s o n 等人 独立提出的，是一种计算机辅助的测量方法，具有光路简单、对测量环境要求低、自动 进行数据处理等优点。但大量繁琐重复的相关运算，使得计算量非常庞大、处理数据的 过程相当的缓慢，同时环境、光源等因素也影响了相关搜索的准确性。但随着算法的发 展、简化，和计算机日新月异的更新。这些问题会逐渐得到解决。同时，伴随着现代科技 的不断进步，新思想、新领域的不断涌现，目前，还有计算机辅助散斑干涉计量术、光栅 大错位数字散斑术等具有不同优点，不同应用场合的散斑干涉计量技术涌现。 散斑干涉计量技术在很多应用中有着其它方法不可比拟的优势，除被广泛的应用 于工业测量中，还在汽车、天文、防伪、信息处理、表面粗糙度、三维面型测量等方面 都有所建树。 从电子散斑干涉技术的发展和应用可以看出，其今后重要发展的趋势是：( 1 ) 条纹 数据的自动抽取和分析：( 2 ) 对工业环境的适应性研究：( 3 ) 多功能性，一机多用的研究 1 4 电子散斑的分类 按观察方式的不同，散斑通常分为两类：客观型( o b j e c t i v es p e c k l e ) 和主观型 ( s u b j e c t i v es p e c k l e ) 。客观型散斑也称直接散斑，指用激光束直接照射一个漫射体而在 空间形成的散斑。主观型散斑指使用透镜把漫射体表面成像于观察平面上所形成的散 斑，其平均散斑大小取决于透镜的f 数，因而可以通过改变透镜孔径来调节它的大小 散斑的大小的重要性在于它对几何形状和实验光学系统参数的量纲有直接的关系，并 且它在确定测量散斑范围的极限时起作用。 在用c c d 摄像机记录散斑干涉图样时，散斑的大小必须不小于c c d 光敏单元的大小， 因此在实验中必须适当调节透镜的孔径大小以适应不同实验的需要。形成散斑必备条 件有：有能发生散射光的粗糙表面且深度必须大于波长，以使散射光比较均匀：入射光 的相干度要足够高，如激光。 1 5 论文写作思路及主要工作 由于物体的变形是三维的，常常需要测量物体的二维或三维变形分量。但在已有 的研究成果中，单光束照明的电子散斑干涉只能获得离面位移相位场或者混合相位场。 对混合相位场中信息的提取重视不足。物体的二维位移分量的测量，其实验系统往往 山东师范大学硕士学位论文 比较复杂，通常采用对称光束照明或者多光束照明的方式。复杂的光学系统增加了测 量的不确定度，不利于实现物体位移场的快速、稳定的测量，从而限制了该技术在工 业等领域的某些应用。 事实上很多物体的变形场是具有对称性的。我们可以根据变形场对称的特点，通 过图像处理的办法，由单光束照明测量得到的相位场中分离获得二维的变形分量。本 文利用典型的单光束照明电子散斑相移系统得到变形的相位场，根据变形场对称的特 点，对这一幅相位图进行相应运算就可实现二维位移场分离，从而得到物体的二维位 移场的分量值。该方法为近似计算方法，但是系统简单，简化了测量过程，也减少了 测量时间，为二维测量提供了一可选择的方法。 本论文根据自身的理论水平和研究的需要主要写了七章： 第一章绪论介绍了散斑现象的发现、发展、分类、应用及写作思路。 第二章电子散斑干涉测量本章从光的干涉测量着手，先后介绍了激光电子散斑干 涉现象，电子散斑干涉测量的特点及优点，电子散斑干涉测量的发展前景，电子散斑- 干涉测量方法：包括参考束型散斑干涉测量方法和双散斑场的干涉及数字剪切散斑= f 涉测量方法。 第三章电子散斑图像处理及位相测量所谓的位相测量并不是直接给出待测数据， 而是以条纹图的形式给出；条纹图中的条纹根据不同的方法有不同的物理意义。因此， 如何分析条纹图，如何从条纹图中得到各点的待测数据，就成为光测技术中一个非常 重要的工作。本章根据实验的需要主要介绍了：相移相位测量法：定步长相移法( 多 步相移) ；三步相移法：四步相移法；等步长相移法；p z t 相移器；傅里叶变换相位测 量法；傅里叶变换法原理：e s p i 条纹图的频域滤波方法：散斑干涉图像的特征分析。 第四章位移场的分离方法本章通过介绍电子散斑干涉技术原理，总结了三种位移场 分离的方法。 第五章单幅相位图的二维位移分离技术与图象处理本章提出了利用单幅电子 散斑物体变形相位图分离二维分量的方法。讨论了位移分量分离原理；并用三点加载 的简支梁进行了实验验证了该技术的优越性。给出了实验结果，验证了该方法的正确 性。该方法保持了传统电子散斑干涉系统的简单、稳定、便于应用的优点，并进一步 得到了二维场分量的信息。 第六章散斑剪切干涉法位移场分离剪切电子散斑干涉术具有高精度、实时检测以及 6 山东师范大学硕士学位论文 利用实时数字图像处理方法对于涉条纹进行自动分析等优点，将是走出实验室应用于 现场的新技术，本章研究了数字散斑剪切干涉模型与干涉原理；错位散斑剪切干涉原 理；并做了大量的实验试图用典型实验分离位移场。 第七章总结和展望 7 山东师范大学硕士学位论文 第二章电子散斑干涉测量 当用相干光( 如激光) 照明漫射物体表面时。在物体表面前的整个空间中将 形成随机分布的明、暗散斑场。对于确定的漫射面，其对应的散斑场也是确定的， 漫射面与散斑场有着一一对应的关系。 当物体表面发生刚体位移或弹性变形时，空间散斑将发生相应的位移或运动。 这种对应关系称之为散斑运动规律。空问散斑的运动规律，是散斑干涉计量的理 论基础。 2 1 光的干涉测量 两列光波在传播过程中相遇叠加后，如果光的强度在叠加区域的一些地方有极大 值，些地方有极小值，这种叠加区域出现的光强度的强弱分布现象称为光的干涉现 象。而两列波相遇时要发生光干涉的条件是：振动频率相同，振动方向相同，相位相同 或相位差恒定。光波是电磁波的一种，当满足上述三个条件时，就能发生干涉。由于 光干涉的条件非常苛刻，要得到光的干涉，现在常用的方法就是把由同一光源所发出 的光分成两束，然后使这两束光再在空间相遇，在这种情况下，由光源中发出的两束 光，都能满足相干条件，从而发生干涉，这两束光称为相干光。 近代光学干涉检测是一项复杂的精密测试技术，它需要结合并运用光学、电子、 机械、计算机等多个领域的知识和技术，这种检测方法最终归结为对一系列静态或动 态连续的实时干涉条纹图进行分析和计算。条纹图像数字化处理技术基本上分为两类： 基于条纹亮度分析的条纹中心法和基于时间与空间相位分析的相位法。 2 2 电子散斑干涉现象 当激光照射在墙壁、纸张、毛玻璃等这些平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表 面( 或透过光学粗糙的透射板) 上时，这些表面上无规分布的面元散射的子波相互叠加 使反射光场( 或透射光场) 具有随机的空间光强分布，呈现出颗粒状的结构，形成随机 分布的亮斑和暗斑，称为激光散斑或相干散斑。人为在表面上制作的随机斑点称为人 工散斑，是非相干光散斑。当反射面运动或变形时散斑将随之发生运动和细节变化。 电子散斑具有随机性，无空间参照性，它与无线电收音机的电噪声一样，对信息的 传递是有害的。然而噪声本身也是物质运动的一种形式，在无线电广播中人们就利用 盛 山东师范大学硕士学位论文 高频电波作载波传递信息。因此，只要运用得当，散斑也可以成为信息的载体。 散斑计量术的基本思想是通过检测散斑的运动或细节变化得到物体表面位移和 变形分布。 2 3 电子散斑干涉测量的特点及优点 一、电子散斑干涉测量的特点： 散斑干涉测量是非接触测量，对被测物体没有附加质量的影响。 散斑于涉测量系统光路比较简单，一般不需要隔震台，对光源功率要求也不高。 散斑干涉测量对试件的材料没有特殊要求，不需要模型转化，一般可在实际物 体上进行测试。 散斑干涉测量在分析散斑图像时，通过一张散斑图，在不同方向空间滤波，可以 得到不同方向位移分量的全场等值线图，并可得不同灵敏度的结果。散斑干涉测量范 围较大，测量精度较高。 二、电子散斑干涉测量的优点： 散斑条纹分析可以利用电子存储和计算机技术。 采用c c d 或t v 摄象机和电子存储器取代全息干板记录物面散斑场的光强信息，可用 电子或数字处理技术实时处理信息，实时显示干涉条纹，快速方便。 使用图像采集卡( f r a m eg r a b b e rb o a r d ) 以每秒3 0 帧的速率采集散斑场信息，从而 对工作环境的防震要求大大降低。由e s p i 发展而来的电子错位干涉法则完全不需要防 震，可以走出实验室进行现场测试。 采用相减模式处理干涉散斑场，可消除一般杂散光的影响，明室操作，这给工作人员 带来方便。 电子散斑条纹图可以数字形式保存在存储介质中，这样便于条纹后处理，结合计算 机技术使条纹自动分析成为可能。 2 4 电子散斑干涉测量的发展及前景 几乎在散斑干涉测量技术的同时，用电视替代照相机，用电子技术和计算机技术 替代光学滤波的电子散斑干涉技术已经开始出现。随着近2 0 年来计算机技术的高速度 发展，电子散斑干涉术已成为全息散斑计量技术中最有使用价值的技术之一。在电子 散斑干涉计量( e s p i ) 中，原始的散斑干涉场由光电器件转换成电信号记录下来。用 模拟电子技术或数字电子技术方法实现信息的提取，形成的散斑干涉场可直接显示在 9 山东师范大学硕士学位论文 图像监视器上，也可以存入电子计算机。与光学滤波方法相比，e s p i 操作简单、实用 性强、自动化程度高，可以进行静态和动态测试。具有很多优点。两者不同之处还在 于获取变形信息的原理，e s p i 采取的主要方法是图像相减技术。尽管相减技术和二次 曝光的相加技术实质相同，但是相减技术产生的条纹质量要好得多。 目前，e s p i 在建筑物现场检测、复合材料无损测量、焊缝质量检测等方面的应用 研究都有详细报道，一些充分利用散斑技术和优势的产品如散斑测距、散斑检测损伤 等系统己仪器化并已投入了商业使用。散斑测量技术的发展方向主要有两个，一是由 静态测试向动态、实时测试的方向发展，现在的“实时”离确切的实时还有一定差距； 二是由一维测量n - - - 维，三维测量的方向发展。 2 5 散斑干涉测量方法 近代光学干涉检测是一项复杂的精密测试技术，它需要结合并运用光学、电子、 机械、计算机等多个领域的知识和技术，这种检测方法最终归结为对一系列静态或动 态连续的实时干涉条纹图进行分析和计算。1 9 7 0 年，l e e n d e r z 开创了一类新的以干涉 t 方法实现光学粗糙表面检测的方法，称为散斑干涉计量。“。它的记录和再现在本质上 + 与全息干涉计量相同，在形式上更加灵活，即不仅可以用光学方法实现，还可以用电 予学和数字方法实现。在光学方法中，原始散斑场用光学胶片记录，用光学信息处理 技术提取信息，而在电子学和数字方法实现中，原始散斑用光电器件( 通常是c c d 光电 ： “ 探测器) 记录，用电子学和数字信息处理技术实现信息的提取。习惯上称光学实现方法 为散斑干涉测量，而将电子学和数字实现方法称为电子散斑干涉测量，或数字散斑干 涉测量。在散斑干涉测量中，信息的记录方法众多，本文根据需摹只介绍参考束型散 斑干涉测量方法、双光束型散斑干涉测量方法和剪切散斑干涉测量方法。 2 5 1 参考束型散斑干涉测量方法 由l e e n d e r z 提出的参考束型散斑干涉记录方法分为散斑参考束和平滑参考束两 种，其光路区别在于参考束是直接照射记录平面，还是由散射面反射后再照明记录 面上的感光胶片。平滑参考束散斑干涉实质上是一种同轴像面全息干涉方法。散斑 参考束型散斑干涉的记录光路是一种迈克尔逊干涉仪的变型( 图2 1 ) 。相干照明光 被分束镜嬲分为两束，分别照明被测表面r o 与参考散射面r ，由两表面散射出的光 场在其共轭像面上叠加形成散斑干涉场。若变形前物光束在像面上某点形成的光振 1 0 山东师范大学硕士学位论文 动复振幅为4 l = q le x p j 口i l l 参考光复振幅为a 2 l = a 2 le x p j # 2 l ，则在该点合成光强 为： 物面 图2 1散斑参考柬型记录光路 i l = 口矗+ 4 三+ 2 a l l 4 2 te o s ( t l 一九1 ) ( 2 1 ) 变形后，参考光复振幅a 。ta ：。没有显著变化。物光束在物表面发生变形时。离面位 移会造成物光复振幅总的位相改变妒，因而有a i ：= q e x p j ( # l 。+ 矗彩。变形后，该 点合成光强为： 厶= 口矗+ 口三+ 2 a l l a 2 ic o s ( c , l 一2 l + 矿) ( 2 2 ) 比较式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可以发现，由于引入参考光，光强被余弦函数调制。当 为2 石整数倍时，变形前后散斑干涉图不发生变化。当为( 2 玎+ l 沙时，变形前后合 成光强变化最大。a 毋为表面离面位移的函数，散斑干涉图的变化情况就反映了物面变 化情况。用二次曝光方法将变形前后两幅散斑干涉图迭加在一起，在叫= 2 n n 的位置， 光强达到最大值。在= ( 2 n + l 沙的位置，光强最小。物表面将会分布着与尹有关 的条纹。这种条纹与干涉条纹有着本质的不同，反映出两次散斑干涉光强之间的相关 性，可称之为“相关条纹”。因为它的分布取决于的分布，通过对相关条纹的识别 可以测量出和与妒有关的表面变形信息。作为粗糙表面散射出的光场，迭加在一 参考面 山东师范大学硕士学位论文 起的两幅干涉图仍然被散斑场所调制。图像相加还会使背景和噪声迭加，所以图像相 加得到的相关条纹质量很差。尽管可以用光学滤波加以改善，这种方法也难以满足测 量要求，很少得到实际应用。为了提高相关条纹质量，一般改用图像相减技术。两散 斑图像相减时，在= 2 n n 的位置，两散斑图样完全相同，相减后光强为零，散斑也 看不到了。在矿= ( 2 n + l 弦的位置，相减以后仍有散斑，并呈现出最大的对比度和最 大的平均强度。物表面也会产生相关条纹，只是与相加得到的条纹相比是反相的，但 条纹对比度好得多。用光学方法实现图像相减比较麻烦，电子学和数字方法实现图像 相减却很容易，进一步的图像处理也较方便，现已制成实用的电子( 数字) 散斑干涉 仪。 2 5 2 双散斑场的干涉 双散斑场的干涉时，光路如图2 2 ，两束相干的平行光照明物体，用透镜l 将物体 成像在共轭面上，用可变光阑d 控制散斑大小。当两个散斑场的平均照度相同时，是 相干叠加，结果的散斑与原始的散斑场的统计性质相同。 p - 一 7 l) 鳓。 | 广 r p ， z 图2 2 双散斑场干涉示意图 这样，两束光照明时，像面上散斑的平均大小、亮度分布以及衬孽与同一束光照明时 相同。在像面上任意一点由于物体受两束光照明形成的照度为： = a ? + 口；+ 2 a i 口2c o s a ( 2 3 ) 其中a - 和a 2 是由每一束光照明时，在该点产生的振幅大小，妒是他们的相位差，如 果在物体上一点p 有一小的位移e ，则在对应点p ，产生一相位差却，则光束1 照明所