电子散斑与结构照明

1、兰州交通大学毕业设计（翻译）电子散斑与结构照明摘要：电子散斑在实际的工业应用中，接受测量的物体表面往往具有低反射率。通过理论 分析，这里采用相位改变技术将导致某一级的更小的可接受的可以忽略的部分相位误 差。使用高功率激光器可以解决这个问题； 但这是一个昂贵的解决方案。在这项工作中， 使用结构照明的衍射光学元件提出了一个低成本的解决方案。该方法对变形相位来自于物体上选择的特定地区时特别有用。一个简单的实验验证了这一做法的可操作性。该文 由Elsevier科技有限公司于2002年发表。关键字：散斑，电子散斑，结构照明，衍射光学元件，衍射光学，无损试验， 1.引言：自其出现在上世纪70年代1,2,电

2、子散斑（相关）干涉已经发展成为一个受欢迎 的进行实时检查物体负荷的工具。下面有几个这种技术的光路图。在经典的电子散斑光 路（图1 （a）项）中，物体被一束光源照明，而探测器由另一束光源照明。这种干涉对 平面位移敏感。在第二个光路（图 1 （b）中，物体被两束光照明；每束光以不同的角 度倾斜入射。这种干涉对平面位移的测量不如前者敏感。在一个类似的光路（图 1 （c） 中，物体同时被两个光源照明，它们是在物体两侧以相同的倾斜角度入射从而形成的干 涉。这种干涉仪可以用于平面位移的测量。第四个光路（图 1 （d）也称为散斑剪切术， 物体被一束光照亮，但使用两个倾斜棱镜成像。这种干涉对平面位移梯度敏感。

3、在类似 的光路（图1 （e）中，物体被一束光源照亮，但采用棱镜代替两个倾倾斜镜成像。通 过一系列棱镜的倾斜，旋转和反转，让这些各种各样的干涉仪测出平面梯度在横向，径 向，旋转，和反转的变化。在最后一个光路（图 1 （f）中两束来自相同光源的光分别 将物体照明，从而成像。这种干涉仪可以测量两个物体的相对平面位移的。从操作的角 度看，所有的干涉描述涉及两个振幅连贯波前。 在第一个光路中，其中一个是平面波前， 而另一种是散斑斑点。因此这通常称为平面参考电子散斑。而其他光路中，都是将两个 散斑波前相结合。因此他们称为散斑参考电子散斑。电子散斑在工业应用中已得到广泛的认可，由于没有测微光学相移技术3,4

4、,提供准确、迅速的手段获得变形阶段的一系列干涉。为了适用于有效的相移技术，它对优 化记录参数，并设计适当的测量程序是有用的。通常情况下，重要的是通过量化的估算 分数点的数字图像，通常称为像素，这可被视为接受一定的最低测量精度时是必需的， 理论研究已证明如平面面参考电子散斑 5。在实验室环境中，测试的物体通常是漆成兰州交通大学毕业设计(翻译)白色的使其具有良好的反射率。然而，在实际现场应用中，它往往是不可能的这样做的有时，一个表面反射率非常低可以使电子探测器只收集到微弱照明物体反射散斑光场(通常由一个扩大的激光束)。在这种情况下，低照明的影响在平面参考电子散斑中进 行了讨论。dj而2 2二+网我

5、lug I. D&aipinn nt rarinir I P： cnTiJiriintiiTnt.被测量平面的部分平面参考电子散斑考虑这种情况下形成的散斑的干涉图样和平面区域。强度模式由下式给出：I (x, y,t )= Aj2 + A0(x, y+2 Ar| A0(x,y )cos*(x, y )+ M(x, y,t ) + A4(t X (1)式中：Ar和A0(x,y你别是镜面反射和散斑场的光波的复振幅，虫x, y )为初始相位，Wx,y,t )为由形变引起的相位改变量，曲t)为相移技术提供的受控相移。受控相移Wt)产 生一系列由形变Wx,y,t)决定的强度I(x,y,t)变化。假设在电子

6、探测器响应的线性动态范围内，下列通常设定要求如下：(1)总强度应兰州交通大学毕业设计（翻译）始终低于探测器的一级饱和度Is, （2）调制深度适用于相移大于最低强度Imin,它取决于接受5中给出的测量部分。F（r,RD 尸exp，总y Lxp 卜常lDR卜尔 ）J式中：r=Aj2/（I。），R=4A/ls, D = Is/2Imin,10是闻2的平均统计量。归一参数r, R和D可分别看作为参照对象的强度比，归一饱和强度比，和有效的动态范 围。在5中已表明它的最佳值为R=1.在这个R值的基础上，等高线F与r和D的关系 如（图2）所示：由图可知，很显然由于增加 r和D将导致接受测量部分的增加。na.

7、a-i口。6。: C.2-D4 amFig. 2. ( ontm ir pkn(if lh弋 frjction N icccpl ibk ineaMirmcrl in ENPt Inr iring xmhtq of r ：f).噪声的考虑如果电子散斑的每个强度测量的是由一个探测器噪声的有效值比（I/n ）产生，有效相位误差由6给出,1 fcT ）= 7 M1 2 I ）如果存在一个最大相位误差驾ax可接受的最低强度，这将是有益的相关设定min- 22max(4)在电子散斑中，提供的信息通常是，将光干涉效应使用电子成像器（通常是CCM机）和数字化的硬件接口与一台计算机连接并记录。在这一过程中，产

8、生了各种信号与 噪声污染。噪音的主要来源包括：兰州交通大学毕业设计(翻译)(1)读出噪声：当所产生的光信号照射到 CCDt被收集、放大、并转换为数据时, 噪声同时也在这个过程的每一步被引入。 所增加的噪声信号是在读取每个像素时引入的 因此被称为在读出噪声。(2)暗计数：即使在没有光线的时候，CCDk仍然积累了一定量的电子，这个信号 无法与光产生的信号相区别。暗计数的比例随 CCD勺温度的升高而升高，这个过程的随 机性增加了图像中的噪声。(3)背景噪声：环境光线对CCM收集信号的影响。由于这样的背景下增加了光子， 而且因为所有光子测量具有内在的不确定性，当我们从图像中减去一个不确定的值，删 去这

9、些不必要的光子所产生的信号时， 那么我们从原来的不确定性的值中减去一个不确 定的值时将引入噪声。(4)加工噪声：在基本图像处理中产生。如减去黑暗的边框和平面区域内涉及逐 像素结合的不确定数据和其他不确定数据。对于一个CCD 3与平均强度(I)之间的关系可用【7】近似表示(5)式中，K是一个与CCDt荷转移相关的常数。代入式(4),可得如下关系Imin峻5m max(6)利用D代替I mi。重写得I I 。smaxJ2K在平面参考电子散斑光路中，它的光照弓S度始终在可调整范围内，从而使 r和R取 得最佳值。因此，参数 D在决定被测量区域时发挥了关键作用。从等式(7)可以清楚 的看出使用小的错差将

10、导致小的 D值；反之，将产生小的被测量区域。再由式(7)知， 利用水平较低的照明将导致较低的强度 I)的值。再次，这结果导致较小 D值；以及使 一个较小的被测量区域产生某一特定级别的可接受的相位误差。.衍射光学元件的结构照明衍射光学元件(DOE是一种新型的衍射原理上的操作光学。传统的光学元件利用 其形状使光线弯曲。衍射光学元件使入射光波产生大量的子波，使光场从新分布从而形 成新的光场。DOEM以作为光栅、镜片、非球面镜或任何其他类型的光学元件。大光学兰州交通大学毕业设计（翻译）孔径、重量轻、成本低是DOE勺主要特征。他们提供传统的光学元件不可能提供的独特 光学特性。他们可以由各种各样的材料制造

11、，如铝、硅、二氧化硅和塑料。在DOE有一个加强的微结构作为专门光栅。通过不同的高度和宽度的的控制来控制它们的周期 性，可以创建不同的光束输出特性。图（3）给出了一些可产生光束的模式的例子。Fig, Ek町pk paiEcTTK 联ncrxtcd gmg dittraciiwcfemcrrii.在上一节已说明，低照明水平将导致一个较小的被测量区域的平面参考电子散斑。在许多情况下，只需要来自物体的具体区域的必要变形阶段的信息。具体例子包括研究 物体边沿裂缝、缺口、焊缝、孔洞、以及螺栓和怫钉接头等。因此，结构照明，特别是 在口0皿，可以改善部分被测量区域，从而无需使用一个功率更强大，而且往往更昂贵

12、的激光器。.实验电子散斑结构照明对对称物体的分析是最方便的。在此实验中，一个圆板的两侧完 全钳制并且在其中心处找一点来承载它，将其作为测量对象。光路示意图如图（4）所兰州交通大学毕业设计（翻译）示。利用一个10mW勺激光器照明。在实验的第一部分中，利用扩束镜将激光扩开后照 明物体。图（5 （a）给出了在充分照明下的物体表面的相减条纹。然后将一个中性密 度滤镜放置在扩束镜的前端，模拟低光照条件。可获得如图（5 （b）所示的条纹。很显然，这样的条纹能见度已经非常低了。在实验的第二部分中，扩束镜换为一个DO嗫性发生器，并使照明光通过圆板的中心。中性密度滤光镜保持位置不变。通过照明线的 相减条纹如图（6）所示。图中条纹清晰可见，这表明恢复了样本区的照明。IAIF调，导朔丁尔需:口 tr； w。陋上yd undrr （af 3啊mtc ，海:hr：h,Q jot-mi面aim Gt可13PI兰州交通大学毕业设计（翻译）bo20 151101 151 201 251 301 351 401Pixel PositionFig. 6. Subtraction inknsily Jhtribution obljtncd I rem ;t st ruclurcd line uur