电子散斑干涉法测量金属表面受热变形的相关物理特性探究
2013-07-13彭小兰王红成张绍强
彭小兰，王红成，张绍强
（东莞理工学院，广东东莞523808）
电子散斑干涉法测量金属表面受热变形的相关物理特性探究
彭小兰，王红成，张绍强
（东莞理工学院，广东东莞523808）
首先简要介绍了激光电子散斑干涉测量的原理和激光散斑的物理特性,基于这一基本原理搭建了实验平台，实现了对金属受热形变的测量,在现有条件下提出了对测量光路的改进，并依据该实验改进了检测零件面对面的平行度方法.
激光电子散斑；物理特性；标准偏差
1 引言
随着航空航天技术、雷达技术、激光微电子技术、计算机技术等新技术的快速发展，要求机械加工的精度也越来越高，由此形成了一门新的制造系统工程——精密工程.在这一制造系统工程中，测量技术是实现精密加工的前提和基础.在此背景下，如何准确测量由于金属表面受到各种外来因素影响造成的形变具有重大实用价值.随着计算机的普及和应用，激光电子散斑术也就应用而生，它较传统测量方法而言的优势是，它把散斑技术、激光干涉技术、图像处理技术结合起来,利用高精度的计算机图像采集和处理系统来测量和采集干涉图样.电子散斑干涉技术是在激光、视频、电子及数字图像处理等基础上发展起来的现代光测技术，在非接触条件下能够测量物体表面微小形变，具有高精度、全视场、实时测量等特点.
本文通过对一些激光散斑实验的观察，综合其特有的物理特性结合相关公式进行验证推导，为下一步进行平行度的检测提供实验依据和理论依据，也可以以此绘制出CCD接收散斑干涉图利用图像采集卡对图像进行采集，送入计算机进行一系列图像处理，最终得出了物体表面形变的三维图形.
激光散斑的实验原理及散斑的物理特性
电子散斑干涉技术就是利用被测物体光学粗糙表面所形成的散射光与参考光之间的干涉进行测量，当激光照射在被测物体表面时，其散射光在探测器CCD表面的光场分布为：
电子散斑干涉技术与全息干涉技术类似，需要一束参考光.设参考光在探测器表面的光场分布为：
这两束光发生干涉，设干涉图样在CCD表面上形成光强：
在外界因素的影响下，被测物体发生形变，其表面各点的散斑场振幅基本保持不变，而相位将改变为，即散射光场分布变为：
保持被测物体变形前后参考光波不变.则变形后的CCD面上的合成光强为：
现在最常用的电子散斑条纹图生成方式是相减模式，它有许多采用相加模式不具备的优点，本文采用相减模式处理散斑图，即相减后的光强度为：
经过相减处理后得到的光强是含有高频载波项的低频条纹.该条纹中含有被测物体的形变信息.
光波的相位变化与被测物体的形变关系为：
其中是激光波长，θ是激光与物体表面法线所成的夹角，是被测物体形变时产生的离面位移，是物体形变时产生的面内位移.
一般情况下，照明角度较小，即，所以这种单光束照明所产生的电子散斑干涉对被测物体的离面位移比较敏感，而对其面内位移不敏感.
设物体的离面形变为，相应的相位改变为如果时，变化前后的散斑图像完全相同.于是对于第n级暗条纹，这样就可以测得物体形变的离面位移，相邻两暗条纹之间所对应的物体离面位移即相关条纹的灵敏度为W=λ/2.
电子散斑干涉法的实验原理见下图1：
图1 ESPI测量光路图
用高相干光照射物体的光学粗糙面，空间中会产生激光散斑.而在像平面和衍射面内的激光散斑，随机场的分布在时间上是稳定的，所以它只是空间坐标的函数.
散斑图的衬比度C定义为光强的标准偏差和平均强度的比值，即：
而散斑光强的标准偏差等于其自身的均值，所以：
也就是说，散斑图的衬比度恒等于1，即观察散斑图样时，明暗条纹对比是十分明显的.以上分析是在不考虑各种干扰的情况下得到的结果.根据统计学的规律，散斑的反差取决于被测物体表面的粗糙度和照明光束的相干性，数值是可能达到单位1.
是否采用散斑测试方法进行测量取决于被测物体的最小粗糙度，光学平面的反射不会产生任何散斑，而量规却能形成可见的并且具有一定对比度的激光散斑.其散射面的均方粗糙度为:
式中为散射面中各采样点的高度，
上式中，表示各采样点的散斑强度，表示平均散斑强度.当时，散斑对比度接近于极大值(p=l)，并保持为常数.
平均直径σ可以表示散斑颗粒的大小，而散斑颗粒尺寸必须严格定义，即相邻两个散斑颗粒之间距离的统计平均值，客观散斑的大小由激光波长λ和被测物体粗糙表面上圆形照明区域对该散斑的孔径角μ所决定，其表达式为：
我们研究的重点是主观散斑，根据成像关系，物平面的主观散斑σ的大小由成像透镜焦距与孔径之比F（即光圈数）和成像系统的放大倍数M所决定，其表达式：
由公式可知散斑的大小与物体表面的粗糙程度无关，而与系统参数和所使用的光的波长有关.
用完全相干的激光光束照射物体的粗糙表面时，其散射波相位的分布是无规则的，并且在同一平面产生偏振.可以推导这些电子散斑强度分布的概率密度函数：
式中表示散斑强度在与之间的概率密度，为散斑强度的概率平均值.
这种杂乱的随机散斑图称为正态分布散斑图，其强度分布遵循负指数概率密度函数，这说明最可能出现的强度近似等于零，因此正态散斑图像中黑散斑比其它强度的散斑要多.在1974年Mckechine通过实验验证了这一结论.
通过分析可知，本实验改变了实验光路中的参数，定性观察了由此造成的散斑图的对比度，与理论预期基本相符.
〔1〕郭霏.基于电子散斑干涉术的位移测量.长春理工大学学报，2008.
〔2〕秦玉文，戴嘉彬，陈金龙.电子散斑法的进展.实验力学，1996，11(4)：410—416.
〔3〕数字剪切散斑干涉术中的刚体位移补偿的新方法.光学学报，1995，15(5)：571—575.
TG115.2
A
1673-260X（2013）08-0004-02
东莞理工学院教育教学改革与研究项目资助（201203，20120512）
