電子散斑干涉法測(cè)量金屬表面受熱變形的相關(guān)物理特性探究

彭小蘭，王紅成，張紹強(qiáng)

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞523808）

電子散斑干涉法測(cè)量金屬表面受熱變形的相關(guān)物理特性探究

彭小蘭，王紅成，張紹強(qiáng)

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞523808）

首先簡(jiǎn)要介紹了激光電子散斑干涉測(cè)量的原理和激光散斑的物理特性,基于這一基本原理搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬受熱形變的測(cè)量,在現(xiàn)有條件下提出了對(duì)測(cè)量光路的改進(jìn)，并依據(jù)該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了檢測(cè)零件面對(duì)面的平行度方法.

激光電子散斑；物理特性；標(biāo)準(zhǔn)偏差

1 引言

隨著航空航天技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、激光微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，要求機(jī)械加工的精度也越來(lái)越高，由此形成了一門新的制造系統(tǒng)工程——精密工程.在這一制造系統(tǒng)工程中，測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密加工的前提和基礎(chǔ).在此背景下，如何準(zhǔn)確測(cè)量由于金屬表面受到各種外來(lái)因素影響造成的形變具有重大實(shí)用價(jià)值.隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，激光電子散斑術(shù)也就應(yīng)用而生，它較傳統(tǒng)測(cè)量方法而言的優(yōu)勢(shì)是，它把散斑技術(shù)、激光干涉技術(shù)、圖像處理技術(shù)結(jié)合起來(lái),利用高精度的計(jì)算機(jī)圖像采集和處理系統(tǒng)來(lái)測(cè)量和采集干涉圖樣.電子散斑干涉技術(shù)是在激光、視頻、電子及數(shù)字圖像處理等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代光測(cè)技術(shù)，在非接觸條件下能夠測(cè)量物體表面微小形變，具有高精度、全視場(chǎng)、實(shí)時(shí)測(cè)量等特點(diǎn).

本文通過對(duì)一些激光散斑實(shí)驗(yàn)的觀察，綜合其特有的物理特性結(jié)合相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)證推導(dǎo)，為下一步進(jìn)行平行度的檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論依據(jù)，也可以以此繪制出CCD接收散斑干涉圖利用圖像采集卡對(duì)圖像進(jìn)行采集，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列圖像處理，最終得出了物體表面形變的三維圖形.

激光散斑的實(shí)驗(yàn)原理及散斑的物理特性

電子散斑干涉技術(shù)就是利用被測(cè)物體光學(xué)粗糙表面所形成的散射光與參考光之間的干涉進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)激光照射在被測(cè)物體表面時(shí)，其散射光在探測(cè)器CCD表面的光場(chǎng)分布為：

電子散斑干涉技術(shù)與全息干涉技術(shù)類似，需要一束參考光.設(shè)參考光在探測(cè)器表面的光場(chǎng)分布為：

這兩束光發(fā)生干涉，設(shè)干涉圖樣在CCD表面上形成光強(qiáng)：

在外界因素的影響下，被測(cè)物體發(fā)生形變，其表面各點(diǎn)的散斑場(chǎng)振幅基本保持不變，而相位將改變?yōu)椋瓷⑸涔鈭?chǎng)分布變?yōu)椋?/p>

保持被測(cè)物體變形前后參考光波不變.則變形后的CCD面上的合成光強(qiáng)為：

現(xiàn)在最常用的電子散斑條紋圖生成方式是相減模式，它有許多采用相加模式不具備的優(yōu)點(diǎn)，本文采用相減模式處理散斑圖，即相減后的光強(qiáng)度為：

經(jīng)過相減處理后得到的光強(qiáng)是含有高頻載波項(xiàng)的低頻條紋.該條紋中含有被測(cè)物體的形變信息.

光波的相位變化與被測(cè)物體的形變關(guān)系為：

其中是激光波長(zhǎng)，θ是激光與物體表面法線所成的夾角，是被測(cè)物體形變時(shí)產(chǎn)生的離面位移，是物體形變時(shí)產(chǎn)生的面內(nèi)位移.

一般情況下，照明角度較小，即，所以這種單光束照明所產(chǎn)生的電子散斑干涉對(duì)被測(cè)物體的離面位移比較敏感，而對(duì)其面內(nèi)位移不敏感.

設(shè)物體的離面形變?yōu)椋鄳?yīng)的相位改變?yōu)槿绻麜r(shí)，變化前后的散斑圖像完全相同.于是對(duì)于第n級(jí)暗條紋，這樣就可以測(cè)得物體形變的離面位移，相鄰兩暗條紋之間所對(duì)應(yīng)的物體離面位移即相關(guān)條紋的靈敏度為W=λ/2.

電子散斑干涉法的實(shí)驗(yàn)原理見下圖1：

圖1 ESPI測(cè)量光路圖

用高相干光照射物體的光學(xué)粗糙面，空間中會(huì)產(chǎn)生激光散斑.而在像平面和衍射面內(nèi)的激光散斑，隨機(jī)場(chǎng)的分布在時(shí)間上是穩(wěn)定的，所以它只是空間坐標(biāo)的函數(shù).

散斑圖的襯比度C定義為光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均強(qiáng)度的比值，即：

而散斑光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差等于其自身的均值，所以：

也就是說(shuō)，散斑圖的襯比度恒等于1，即觀察散斑圖樣時(shí)，明暗條紋對(duì)比是十分明顯的.以上分析是在不考慮各種干擾的情況下得到的結(jié)果.根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律，散斑的反差取決于被測(cè)物體表面的粗糙度和照明光束的相干性，數(shù)值是可能達(dá)到單位1.

是否采用散斑測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量取決于被測(cè)物體的最小粗糙度，光學(xué)平面的反射不會(huì)產(chǎn)生任何散斑，而量規(guī)卻能形成可見的并且具有一定對(duì)比度的激光散斑.其散射面的均方粗糙度為:

式中為散射面中各采樣點(diǎn)的高度，為散射面的平均高度.在觀察平面上的平均散斑對(duì)比度為散斑為:

上式中，表示各采樣點(diǎn)的散斑強(qiáng)度，表示平均散斑強(qiáng)度.當(dāng)時(shí)，散斑對(duì)比度接近于極大值(p=l)，并保持為常數(shù).

平均直徑σ可以表示散斑顆粒的大小，而散斑顆粒尺寸必須嚴(yán)格定義，即相鄰兩個(gè)散斑顆粒之間距離的統(tǒng)計(jì)平均值，客觀散斑的大小由激光波長(zhǎng)λ和被測(cè)物體粗糙表面上圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇铅趟鶝Q定，其表達(dá)式為：

我們研究的重點(diǎn)是主觀散斑，根據(jù)成像關(guān)系，物平面的主觀散斑σ的大小由成像透鏡焦距與孔徑之比F（即光圈數(shù)）和成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)M所決定，其表達(dá)式：

由公式可知散斑的大小與物體表面的粗糙程度無(wú)關(guān)，而與系統(tǒng)參數(shù)和所使用的光的波長(zhǎng)有關(guān).

用完全相干的激光光束照射物體的粗糙表面時(shí)，其散射波相位的分布是無(wú)規(guī)則的，并且在同一平面產(chǎn)生偏振.可以推導(dǎo)這些電子散斑強(qiáng)度分布的概率密度函數(shù)：

式中表示散斑強(qiáng)度在與之間的概率密度，為散斑強(qiáng)度的概率平均值.

這種雜亂的隨機(jī)散斑圖稱為正態(tài)分布散斑圖，其強(qiáng)度分布遵循負(fù)指數(shù)概率密度函數(shù)，這說(shuō)明最可能出現(xiàn)的強(qiáng)度近似等于零，因此正態(tài)散斑圖像中黑散斑比其它強(qiáng)度的散斑要多.在1974年Mckechine通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論.

通過分析可知，本實(shí)驗(yàn)改變了實(shí)驗(yàn)光路中的參數(shù)，定性觀察了由此造成的散斑圖的對(duì)比度，與理論預(yù)期基本相符.

〔1〕郭霏.基于電子散斑干涉術(shù)的位移測(cè)量.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

〔2〕秦玉文，戴嘉彬，陳金龍.電子散斑法的進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1996，11(4)：410—416.

〔3〕數(shù)字剪切散斑干涉術(shù)中的剛體位移補(bǔ)償?shù)男路椒?光學(xué)學(xué)報(bào)，1995，15(5)：571—575.

TG115.2

A

1673-260X（2013）08-0004-02

東莞理工學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目資助（201203，20120512）