剪切干涉技术新进展.doc

剪切干涉技术新进展史红民倪受庸付雷王昊陆耀东提要：在共光路干涉中，剪切干涉法已在很多领域有着广泛的应用。该方法有其独特的优越性，也存在局限性。这导致剪切干涉法只能在特定的条件下测量某些特定量。本文主要讨论干涉法的这些优缺点，并总结一些新进展，如剪切干涉中的相移技术，二维剪切干涉技术和剪切干涉中的载波技术。所有这些进展都是为了扩展剪切干涉法的应用领域，提高该方法的精度，并实现自动测量。关键词：剪切干涉，相移，载波The new progress in shearographyShi HongminNi ShouyongFu LeiWang HaoLu Yaodong(Beijing Institute of optoelectronic Technology,Beijing100010)Abstract:As commonpath interferometers,shearography(shear interferometer) has been widely used in many fields.It has some special advantages as well as some disadvantages.This leads to the result that shearography can only be used in some special conditions for some special use.In this paper,both the advantages and the disadvantages are discussed.Some new progress,such as,the phaseshift in shearography,twodimensional shearography and the photocarrier in shearography,are proposed.All of the new progress is developed in the aim of extending the application field,improving the processing accuracy and realizing automatic measurement.Key words:shearography,phase-shift,photo-carrier1前言通常的干涉仪，如泰曼格林干涉仪或马赫泽德干涉仪，参考光和物光沿不同的光路传播，因此受机械振动和温度扰动的影响。这导致该方法只能在防振台上，并有控温和稳定气流设施的环境下，才能得到稳定、清晰、高对比度的干涉条纹。这种局限性使剪切干涉法只能应用于有较好条件的实验室。上述大多数局限性可由所谓共光路干涉法来克服，也就是让参考光和物光基本上沿同一光路进行传播。本文主要讨论上述问题，并提出解决方案。2剪切干涉法剪切干涉法是干涉法中的一种很重要的方法，已在很多领域有着广泛的应用，如光学系统和光学器件的检测、液体和气体流动的研究、实验力学中的应力、应变和振动分析。目前已有很多种剪切干涉仪器，人们通常按剪切方向或剪切方法对它们进行分类。从剪切方向上可分为横向剪切、径向剪切、旋转剪切、反转剪切；从剪切方法上可分为平板剪切干涉仪、萨瓦偏光镜干涉仪、渥拉斯特棱镜干涉仪和光栅剪切干涉仪。在这些干涉仪中，用到了光学的很多基本现象，如平板剪切干涉中的反射和折射现象、光栅剪切干涉中的衍射现象、萨瓦偏光镜干涉仪和渥拉斯特棱镜干涉仪中的光偏振和双折射现象。剪切干涉的优点是对机械振动、温度扰动、以及空气流动都不敏感。因此在实验室外(如现场检测)有着广泛的应用。但是剪切干涉仍有其局限性，如难以形成相移、不易进行定量分析、要得到完整信息还需进行二维剪切、以及不易进行自动处理等。我们的研究小组已对这些问题进行了一系列的研究，并在一些方面取得明显进展，如剪切干涉中的相移法、二维剪切干涉系统、剪切干涉中的载波技术、以及序列图象处理技术。这些将在下文中进行讨论。3剪切干涉中的相移技术53.1相移技术的主要问题光学干涉法因为具有全场、非接触测量和高灵敏度等优点，所以被认为是精确测量中的主要方法。但是有两个原因使得该方法只能应用于实验室中。首先，光学干涉对测试环境的要求很高，通常需要全封闭、防振、防尘。解决该问题的唯一方法是使用剪切干涉，因为在共光路干涉中，物光和参考光基本上沿同一光路传播，所以环境干扰对两束光的作用相同，干涉条纹没有变化。这种方法是干涉法中唯一能离开防振台，离开实验室，走向现场测试的方法。第二，干涉条纹非常复杂，很难识别和分析，只能利用计算机来处理。在使用计算机进行处理时，必须使用特定的方法使条纹的识别和处理自动化，相移法是条纹自动识别和处理的最好方法。最佳选择是剪切和相移相结合，因为这样既能实现现场检测，又能实现自动处理。相移就是在两束光之间人为加入一系列已知量的位相差，但这一般需要两束光在空间上是分离的，而剪切干涉是共光路的，两束光是沿同一光路传播的，因此没有足够的空间在剪切干涉中实现相移。这是我们在该领域中遇到的主要问题。这种问题主要是由空间受限造成的，因此必须寻找一种节省空间的方法，偏振是节省空间的最优选择，因此我们重点研究偏振方法实现相移。3.2基于偏振的剪切法基于偏振的剪切法有三种：分别是萨瓦偏光镜1，渥拉斯特棱镜1和使用双折射镜头的双焦距系统。虽然这几种剪切法有不同的结构，但它们有着共同的特点，也就是由这些方法产生的两束光的偏振方向是相互垂直的。比如在萨瓦偏光镜(如图1)，一束光是OE(这束光在棱镜的前半部是O光，而在后半部是E光)，另一束光是EO(这束光在棱镜的前半部是E光，而在后半部是O光)。这两束光的剪切错位量是d，它是由寻常光和非寻常光的折射率(分别为No和Ne)，以及棱镜的整个厚度2t决定的。而这两束光的偏振方向是相互垂直的。3.3基于偏振的相移法基于偏振的相移法的原理是：首先在剪切镜的后面放一块四分之一波片Q，该波片的主轴(快轴或慢轴)与剪切镜输出光OE和EO的偏振方向的夹角相等，也就是与它们的夹角都是45度。经过四分之一波片Q后，这两束线偏振光都变成圆偏振光，在四分之一波片Q后放置一个偏振片P作为检偏镜，在检偏镜P后就得到剪切干涉条纹。如果把检偏镜P旋转一个角度，这两束圆偏振光都受到影响，一个产生角度的相移，另一个产生-角度的相移，因此干涉条纹的相移是25。由此可知，相移剪切干涉法基本组成为：基于双折射的剪切镜SP，四分之一波片Q，以及检偏镜P(如图1a所示)，光束矢量如图1b所示。图1相移剪切干涉法基本组成和光束矢量图4二维剪切干涉法传统的剪切干涉只在一维方向(X或Y)进行，因此只能得到一个方向的信息。通常只能用于定性分析(如NDT)，或者被测物体具有对称性(如均匀受压的圆盘)。在静态测试中，可以通过改变剪切镜的方向来分别得到被测物体两个方向的信息，这不仅浪费时间，而且只能用于静态测试中。我们在薄膜应力测试仪中就使用上述方法。通常情况下，被测物体是不稳定的，如果需要物体的全场信息，必须同时得到两个方向的信息。通常的解决方法是使用二维剪切干涉系统，一个沿X方向，一个沿Y方向。该系统需要两个数字图象处理系统，包括两个CCD、两个镜头、两个图象采集卡和两台计算机，为了能方便地对两台计算机所得数据进行处理，还须两块网卡以形成局域网。为了能同时采集两个方向的图象，还须同步装置使两个图象系统同步工作。我们已经使用该系统对激光腔镜变形情况进行检测。为了节省设备，简化系统构成，我们还提出一种共光路的二维剪切干涉系统，它只需要一个数字图象处理系统(如图2)。图2共光路二维剪切干涉系统该系统使用两个剪切装置产生两个剪切干涉条纹图，然后使这两幅条纹图成象在同一屏幕上，因此只须一个图象处理系统来记录和处理条纹图。问题在于如何在计算机中将条纹图中的信息进行分离，这里，我们用不同的载波(将在下节讨论)对两个方向的条纹图分别进行调制，因此可在条纹图的频率域中将两个方向的信息分离开来。这两个载波的方向是相互正交的(如图3)，一个沿X方向(载波条纹是一系列平行于X轴方向的平行条纹)，另一个沿Y方向(载波条纹是一系列平行于Y轴方向的平行条纹)。在信号处理中，我们使用了快速付立叶变换的频域分析技术对所得条纹进行处理，得到它的频域分布，如图5，两个方向条纹的频谱是分开的。因此在频域上分离它们是很容易的，分别对两个一级谱进行逆付立叶变换，得到位相，进一步处理就可得到全场信息，具体在下节讨论。图3载波的条纹图和它的位相图5剪切干涉中的载波技术载波2是一种光学方法，它不仅能解决模糊条纹的识别问题，还能提高任何干涉仪器的灵敏度和测试精度。不同的干涉仪使用不同的方法实现光载波，但它们的解调方法基本一致。在剪切干涉中，可给平行光一个小的离焦量或使平行光以一个小角度入射剪切镜。包含我们所需信息的激光波前与载波调制如下：ix(x,y)=a1(x,y)+b1(x,y)coswcxx+x(x,y)(1)iy(x,y)=a2(x,y)+b2(x,y)coswcy+y(x,y)(2)式中：a1(x,y),a2(x,y),b1(x,y)和b2(x,y)是低频分量，x(x,y)和y(x,y)是待检测的位相信息，Wcx和Wcy分别是X方向和Y方向载波的频率。在分光路的二维剪切干涉系统中，对ix(x,y)和iy(x,y)分别进行分析。在共光路二维剪切干涉系统中，两个方向的信息是同时处理的。i(x,y)=ix(x,y)+iy(x,y)a(x,y)+b1(x,y)coswcxx+x(x,y)+b2(x,y)coswcyy+y(x,y)(3)本文使用的处理方法是付立叶变换法3。在得到两个方向的位相信息之后，采用有关的数学处理方法，很容易得到波前位相信息。这些处理都是高精度，高灵敏度和全自动的。6结论在本文中，我们总结了剪切干涉中的新进展，由此可知，剪切干涉法是一种非常方便的光学测试方法，能广泛应用于很多领域，特别是现场测试。本文提出了一些提高它的灵敏度，精度和自动化处理程度的方法。作者简介：史红民，34岁，教授级高级工程师，机械部有突出贡献的青年专家，国务院政府津贴获得者，1989年毕业于清华大学，获博士学位。现任北京光电技术研究所副所长兼北京市激光探测与测量基础性研究实验室主任。长期从事激光检测与激光参量测试方面的技术研究与产品开发。入选北京市科技新星计划与国家“百千万人才工程.作者单位:北京光电技术研究所，北京100010参 考 文 献1J.H.Bruning et al.Optical Shop Testing (Wiley,Newyork 1978)2Shi Hongmin et al.The Demodulation of Photo-Carrier Using the Scanning Moire Method.ICAEM，19883Donald J.Bone et al.Fringe Pattern Analysis Using 2-D Fourier Tranasform.Appl.Opt.,1997,24(22)4A.V.Oppenheim R.W.S