1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）電子散斑與結(jié)構(gòu)照明摘要：電子散斑在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，接受測(cè)量的物體表面往往具有低反射率。通過(guò)理論 分析，這里采用相位改變技術(shù)將導(dǎo)致某一級(jí)的更小的可接受的可以忽略的部分相位誤 差。使用高功率激光器可以解決這個(gè)問(wèn)題； 但這是一個(gè)昂貴的解決方案。在這項(xiàng)工作中， 使用結(jié)構(gòu)照明的衍射光學(xué)元件提出了一個(gè)低成本的解決方案。該方法對(duì)變形相位來(lái)自于物體上選擇的特定地區(qū)時(shí)特別有用。一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一做法的可操作性。該文 由Elsevier科技有限公司于2002年發(fā)表。關(guān)鍵字：散斑，電子散斑，結(jié)構(gòu)照明，衍射光學(xué)元件，衍射光學(xué)，無(wú)損試驗(yàn)， 1.引言：自其出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代1,2,電

2、子散斑（相關(guān)）干涉已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)受歡迎 的進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查物體負(fù)荷的工具。下面有幾個(gè)這種技術(shù)的光路圖。在經(jīng)典的電子散斑光 路（圖1 （a）項(xiàng)）中，物體被一束光源照明，而探測(cè)器由另一束光源照明。這種干涉對(duì) 平面位移敏感。在第二個(gè)光路（圖 1 （b）中，物體被兩束光照明；每束光以不同的角 度傾斜入射。這種干涉對(duì)平面位移的測(cè)量不如前者敏感。在一個(gè)類似的光路（圖 1 （c） 中，物體同時(shí)被兩個(gè)光源照明，它們是在物體兩側(cè)以相同的傾斜角度入射從而形成的干 涉。這種干涉儀可以用于平面位移的測(cè)量。第四個(gè)光路（圖 1 （d）也稱為散斑剪切術(shù)， 物體被一束光照亮，但使用兩個(gè)傾斜棱鏡成像。這種干涉對(duì)平面位移梯度敏感。

3、在類似 的光路（圖1 （e）中，物體被一束光源照亮，但采用棱鏡代替兩個(gè)傾傾斜鏡成像。通 過(guò)一系列棱鏡的傾斜，旋轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，讓這些各種各樣的干涉儀測(cè)出平面梯度在橫向，徑 向，旋轉(zhuǎn)，和反轉(zhuǎn)的變化。在最后一個(gè)光路（圖 1 （f）中兩束來(lái)自相同光源的光分別 將物體照明，從而成像。這種干涉儀可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體的相對(duì)平面位移的。從操作的角 度看，所有的干涉描述涉及兩個(gè)振幅連貫波前。 在第一個(gè)光路中，其中一個(gè)是平面波前， 而另一種是散斑斑點(diǎn)。因此這通常稱為平面參考電子散斑。而其他光路中，都是將兩個(gè) 散斑波前相結(jié)合。因此他們稱為散斑參考電子散斑。電子散斑在工業(yè)應(yīng)用中已得到廣泛的認(rèn)可，由于沒(méi)有測(cè)微光學(xué)相移技術(shù)3,4

4、,提供準(zhǔn)確、迅速的手段獲得變形階段的一系列干涉。為了適用于有效的相移技術(shù)，它對(duì)優(yōu) 化記錄參數(shù)，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量程序是有用的。通常情況下，重要的是通過(guò)量化的估算 分?jǐn)?shù)點(diǎn)的數(shù)字圖像，通常稱為像素，這可被視為接受一定的最低測(cè)量精度時(shí)是必需的， 理論研究已證明如平面面參考電子散斑 5。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，測(cè)試的物體通常是漆成蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(翻譯)白色的使其具有良好的反射率。然而，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，它往往是不可能的這樣做的有時(shí)，一個(gè)表面反射率非常低可以使電子探測(cè)器只收集到微弱照明物體反射散斑光場(chǎng)(通常由一個(gè)擴(kuò)大的激光束)。在這種情況下，低照明的影響在平面參考電子散斑中進(jìn) 行了討論。dj而2 2二+網(wǎng)我

5、lug I. D&aipinn nt rarinir I P： cnTiJiriintiiTnt.被測(cè)量平面的部分平面參考電子散斑考慮這種情況下形成的散斑的干涉圖樣和平面區(qū)域。強(qiáng)度模式由下式給出：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你別是鏡面反射和散斑場(chǎng)的光波的復(fù)振幅，蟲x, y )為初始相位，Wx,y,t )為由形變引起的相位改變量，曲t)為相移技術(shù)提供的受控相移。受控相移Wt)產(chǎn) 生一系列由形變Wx,y,t)決定的強(qiáng)度I(x,y,t)變化。假設(shè)在電子

6、探測(cè)器響應(yīng)的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，下列通常設(shè)定要求如下：(1)總強(qiáng)度應(yīng)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）始終低于探測(cè)器的一級(jí)飽和度Is, （2）調(diào)制深度適用于相移大于最低強(qiáng)度Imin,它取決于接受5中給出的測(cè)量部分。F（r,RD 尸exp，總y Lxp 卜常lDR卜爾 ）J式中：r=Aj2/（I。），R=4A/ls, D = Is/2Imin,10是聞2的平均統(tǒng)計(jì)量。歸一參數(shù)r, R和D可分別看作為參照對(duì)象的強(qiáng)度比，歸一飽和強(qiáng)度比，和有效的動(dòng)態(tài)范 圍。在5中已表明它的最佳值為R=1.在這個(gè)R值的基礎(chǔ)上，等高線F與r和D的關(guān)系 如（圖2）所示：由圖可知，很顯然由于增加 r和D將導(dǎo)致接受測(cè)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).噪聲的考慮如果電子散斑的每個(gè)強(qiáng)度測(cè)量的是由一個(gè)探測(cè)器噪聲的有效值比（I/n ）產(chǎn)生，有效相位誤差由6給出,1 fcT ）= 7 M1 2 I ）如果存在一個(gè)最大相位誤差駕ax可接受的最低強(qiáng)度，這將是有益的相關(guān)設(shè)定min- 22max(4)在電子散斑中，提供的信息通常是，將光干涉效應(yīng)使用電子成像器（通常是CCM機(jī)）和數(shù)字化的硬件接口與一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接并記錄。在這一過(guò)程中，產(chǎn)

8、生了各種信號(hào)與 噪聲污染。噪音的主要來(lái)源包括：蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(翻譯)(1)讀出噪聲：當(dāng)所產(chǎn)生的光信號(hào)照射到 CCDt被收集、放大、并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)時(shí), 噪聲同時(shí)也在這個(gè)過(guò)程的每一步被引入。 所增加的噪聲信號(hào)是在讀取每個(gè)像素時(shí)引入的 因此被稱為在讀出噪聲。(2)暗計(jì)數(shù)：即使在沒(méi)有光線的時(shí)候，CCDk仍然積累了一定量的電子，這個(gè)信號(hào) 無(wú)法與光產(chǎn)生的信號(hào)相區(qū)別。暗計(jì)數(shù)的比例隨 CCD勺溫度的升高而升高，這個(gè)過(guò)程的隨 機(jī)性增加了圖像中的噪聲。(3)背景噪聲：環(huán)境光線對(duì)CCM收集信號(hào)的影響。由于這樣的背景下增加了光子， 而且因?yàn)樗泄庾訙y(cè)量具有內(nèi)在的不確定性，當(dāng)我們從圖像中減去一個(gè)不確定的值，刪 去這

9、些不必要的光子所產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)， 那么我們從原來(lái)的不確定性的值中減去一個(gè)不確 定的值時(shí)將引入噪聲。(4)加工噪聲：在基本圖像處理中產(chǎn)生。如減去黑暗的邊框和平面區(qū)域內(nèi)涉及逐 像素結(jié)合的不確定數(shù)據(jù)和其他不確定數(shù)據(jù)。對(duì)于一個(gè)CCD 3與平均強(qiáng)度(I)之間的關(guān)系可用【7】近似表示(5)式中，K是一個(gè)與CCDt荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的常數(shù)。代入式(4),可得如下關(guān)系Imin峻5m max(6)利用D代替I mi。重寫得I I 。smaxJ2K在平面參考電子散斑光路中，它的光照弓S度始終在可調(diào)整范圍內(nèi)，從而使 r和R取 得最佳值。因此，參數(shù) D在決定被測(cè)量區(qū)域時(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。從等式(7)可以清楚 的看出使用小的錯(cuò)差將

10、導(dǎo)致小的 D值；反之，將產(chǎn)生小的被測(cè)量區(qū)域。再由式(7)知， 利用水平較低的照明將導(dǎo)致較低的強(qiáng)度 I)的值。再次，這結(jié)果導(dǎo)致較小 D值；以及使 一個(gè)較小的被測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生某一特定級(jí)別的可接受的相位誤差。.衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)照明衍射光學(xué)元件(DOE是一種新型的衍射原理上的操作光學(xué)。傳統(tǒng)的光學(xué)元件利用 其形狀使光線彎曲。衍射光學(xué)元件使入射光波產(chǎn)生大量的子波，使光場(chǎng)從新分布從而形 成新的光場(chǎng)。DOEM以作為光柵、鏡片、非球面鏡或任何其他類型的光學(xué)元件。大光學(xué)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）孔徑、重量輕、成本低是DOE勺主要特征。他們提供傳統(tǒng)的光學(xué)元件不可能提供的獨(dú)特 光學(xué)特性。他們可以由各種各樣的材料制造

11、，如鋁、硅、二氧化硅和塑料。在DOE有一個(gè)加強(qiáng)的微結(jié)構(gòu)作為專門光柵。通過(guò)不同的高度和寬度的的控制來(lái)控制它們的周期 性，可以創(chuàng)建不同的光束輸出特性。圖（3）給出了一些可產(chǎn)生光束的模式的例子。Fig, Ek町pk paiEcTTK 聯(lián)ncrxtcd gmg dittraciiwcfemcrrii.在上一節(jié)已說(shuō)明，低照明水平將導(dǎo)致一個(gè)較小的被測(cè)量區(qū)域的平面參考電子散斑。在許多情況下，只需要來(lái)自物體的具體區(qū)域的必要變形階段的信息。具體例子包括研究 物體邊沿裂縫、缺口、焊縫、孔洞、以及螺栓和怫釘接頭等。因此，結(jié)構(gòu)照明，特別是 在口0皿，可以改善部分被測(cè)量區(qū)域，從而無(wú)需使用一個(gè)功率更強(qiáng)大，而且往往更昂貴

12、的激光器。.實(shí)驗(yàn)電子散斑結(jié)構(gòu)照明對(duì)對(duì)稱物體的分析是最方便的。在此實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)圓板的兩側(cè)完 全鉗制并且在其中心處找一點(diǎn)來(lái)承載它，將其作為測(cè)量對(duì)象。光路示意圖如圖（4）所蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）示。利用一個(gè)10mW勺激光器照明。在實(shí)驗(yàn)的第一部分中，利用擴(kuò)束鏡將激光擴(kuò)開后照 明物體。圖（5 （a）給出了在充分照明下的物體表面的相減條紋。然后將一個(gè)中性密 度濾鏡放置在擴(kuò)束鏡的前端，模擬低光照條件?？色@得如圖（5 （b）所示的條紋。很顯然，這樣的條紋能見度已經(jīng)非常低了。在實(shí)驗(yàn)的第二部分中，擴(kuò)束鏡換為一個(gè)DO囁性發(fā)生器，并使照明光通過(guò)圓板的中心。中性密度濾光鏡保持位置不變。通過(guò)照明線的 相減條紋如圖（6）所示。圖中條紋清晰可見，這表明恢復(fù)了樣本區(qū)的照明。IAIF調(diào)，導(dǎo)朔丁爾需:口 tr； w。陋上yd undrr （af 3啊mtc ，海:hr：h,Q jot-mi面aim Gt可13PI蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）bo20 151101 151 201 251 301 351 401Pixel PositionFig. 6. Subtraction inknsily Jhtribution obljtncd I rem ;t st ruclurcd line uur