电子剪切散斑干涉ESSPI实验教案

1、a92689285c2d6772ba33f8dc1134819b.pdf剪切电子散斑干涉术实验教案一、实验目的1. 认识散斑现象和散斑的电子记录；2. 了解剪切电子散斑干涉的原理和用途；3. 了解剪切电子散斑图象处理的过程二、实验设备剪切电子散斑干涉大多使用剪切棱镜。常见的剪切棱镜是Wollaston棱镜。该棱镜是由两个直角棱镜组成，当一束光垂直入射到棱镜表面上时，在后表面形成两束互相分开的，振动方向互相垂直的平面偏振光。这两束光互为参考光和物光而干涉, 但其振动方向互相垂直，所以需要在棱镜后加一块偏振片，使其振动方向相同。光路布置如图1所示。它的优点在于光路布置简单，两束相干光波强度基本相等

2、，因而可达到等光强的要求。MM W P PPL图象卡 激光器CCD L：扩束镜 M：反射镜 W：Wollaston棱镜 P：偏振镜图3 剪切电子散斑干涉光路图三、剪切电子散斑干涉术基本原理剪切电子散斑干涉术(ESSPI)是继电子散斑干涉术后发展的一种测量位移导数的新技术。它与电子散斑干涉术不同的是在光学结构上，后续的图象处理系统是相同的。它除了电子散斑干涉术的许多优点外，还有光路简单，对振动隔绝的要求低等特点。另外，它测量的是位移导数，在自动消除刚体位移的同时对于缺陷受载的应变集中十分灵敏，因此被广泛地应用于无损检测（NDT）领域 。除此之外，它与电子散斑干涉不同，其条纹与位移导数的对应关系可

3、以在很大程度上调节变化。31 剪切电子散斑干涉术的原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔块，光线通过此玻璃光楔块将产生偏折，在焦平面上产生与楔块的楔角相同方向的两个剪切的象。这两个象是由激光形成的，它们将在焦平面上互相干涉而形成散斑干涉图象。当两个变形前后的散斑干涉图象同时记录在一块干板上，经过处理后，将干板放在傅立叶滤波光路中，将出现一个表示物体位移偏导数的条纹图案。图1是剪切散斑的光路图。楔块的楔角为a，m是折射率，在象平面上被测量物体的剪切量。同样地，如折合到物体表面的剪切量为 (1)其中D0和D1分别为透镜到物体表面和到成象平面的距离。这里假设楔块的楔角是沿x方向。同样的，

4、如楔块的楔角是沿y方向的则剪切也是沿y方向。zP(x,y)P(x+dx,y)zdx D0D1 图1 剪切散斑记录光路对于整个物体来说，在象平面上形成了两个互相剪切的象，它们的波前分别为 (2) (3) 这里a表示光的振幅分布，和分别表示为两个剪切象的相位分布。这样，在象平面上两个象叠加结果为 (4) 其光强则为 (5)当物体变形后，光波将形成一个相位的相应变化，变形后的光强将变为 (6)在剪切电子散斑干涉法中，采用光电子元件（通常CCD摄象机）进行记录并直接输入计算机。它采用与电子散斑干涉法相同的信息表征模式，即用变形前后两幅散斑图象相减，其合成的记录光强为式（4）和（5）相减： (7)这种相

5、减方式把本底光强或者背景光强去除，而突出了由于变形引起的相位变化的结果。可以相象，当=2npp/2时，n=0，±1，±2，。时，IT 为极大值,即为亮条纹。从（7）可以看出，通过计算机可以很快地、直接地获得表示物体位移导数的条纹图。但是由于其存在高频散斑的调制，图象质量较差，所以，必须采用滤波以及相位处理的方法进一步处理。由（7）可知，条纹图反映了光波相位变化，这个相位变化是由物体变形引起的。图2表示了物体变形与光波相位变化的关系。P(x,y,z)P1P(x+u,y+v,z+w)S(xS,yS,zS)O(x0,y0,z0)变形前变形后P1图2 物体变形与光波相位变化关系从图

6、2上可以得到，在物体表面上任一点变形后位移到，u,v,w是三个方向上的位移增量。光强的变化即从光源S经过物体点P到观察点O为 (8)其中 (9)把（9）代入式（8）并忽略小量得到 (10) 其中， 。对于剪切散斑，在象平面有两组散斑图，即相对应的有变形后位移到,其光程变化为 (11)对于剪切散斑，剪切棱镜把x方向相距为dx的两点P和P1交于一起并产生干涉，因此，由变形产生总的光程或相位变化为 (12)其中 式（12）可以改写为 (13)如果考虑dx很小，等式(12)可以改写为 (14)如果剪切楔块的方向沿y方向，则有 (15)如果剪切楔块的方向沿h方向（与x或y方向成45°），则有

7、(16)dh是在45°方向上的剪切量，它与dx和dy的关系为 dh2 = dx2 + dy2 (17)在实际光路布置中，使光源S和摄象机观察点O在同一个平面内，同时O在Z轴上，这样x0 = y0 = z0 =0, R0 = Z0。在通常情况下，物体尺寸比z0、RS小，所以A，B，C系数可以简化为 (18)其中Y为照明方向与观察方向的夹角，有 (19)以上就是电子剪切散斑干涉法测量物体位移导数的原理和条纹与位移导数之间的对应关系。四、 实验方法1 按图1布置好光路；2 采用基于MeteorII图像采集卡的图像处理软件，利用其ESPI实时相减功能，采集过程描述如下：首先，需要点击 ESPI Reference 菜单命令 或相应的按钮 ，使图像采集过程进入ESPI实时相减采图方式；同时采集ESPI参考散斑场图像。然后，点击 ESPI Camera 菜单命令 或相应的按钮，使图像采集过程进入ESPI实时相减采图过程，此时，在试件未加载情况下，所显示的图像应为全黑；对试件加载，可以在计算机上看到实时相减的相关条纹。再次，点击