摘 要:提出了散斑照相术数字化的技术,即利用电寻址液晶(EALCD)和CCD取代传统散斑照相术中记录干板,省去传统方法中干板显影、定影的烦琐的化学湿处理过程,实现其数字化。介绍了EALCD在散斑照相术测量高精度测量物体位移的优点,而且能通过现有的数字器件使其实现数字化,更加利于工程应用。采用全场分析法和逐点分析法2种方法对散斑照相术进行光学实验研究,都成功获得了含有物体位移信息的干涉条纹。实验研究表明,该研究方法简单、高效,能快速获得具有高对比度的散斑干涉条纹,为数字散斑照相术测量物体的微小形变奠定了坚实的基础。
1 引 言
散斑照相术(digital speckle photography )是用一束激光照射漫射物体,在同一底片上记录物体位移或形变前后的2个或多个散斑图,再用光学方法从中抽取出表面位移或形变的信息,实现对工业精密仪器以及各种军用装置中重要部件形变的检测[1]。
目前,结合计算机与数字图像处理等技术,散斑法不仅可以测量静态问题,还可以测量动态问题;既可以测量面内位移,也可以用散斑剪切干涉法[3-4]测量离面位移、位移场导数及应变场,另外还可有效地应用于振动、断裂力学参量等的测量中。散斑测量的自动化程度也不断得到提高,并逐步实现了仪器化。
本文利用电寻址液晶(EALCD)和CCD取代传统散斑照相术中记录干板,省去传统方法中干板显影、定影的烦琐的化学湿处理过程,实现其数字化。电寻址液晶又称空间光调制器,是本数字散斑照相系统的核心元件。
通过它可将二维图片直接输入到散斑干涉条纹图的拍摄光路中,完成相关记录。在信号源信号的控制下,它能对光波的某个参量进行调制。例如通过吸收调制振幅,通过折射率调制相位,通过偏振面的旋转调制偏振态等,从而将信源信号所荷载的信息写进光波之中。
2 电寻址液晶空间光调制器的基本原理
液晶是某些有机分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊的物质状态,其结构介于液体、固体之间,称为中间态或中间相。因此,液晶具有双重性质,在一定程度上,既具有液体的流动性,又具有晶体所特有的各向异性。此外,由于液晶分子之间的相互作用力远低于固体分子之间的相互作用力,所以液晶的各向异性在外场下会发生显著的变化,这种变化远比各向异性晶体强烈。
当光入射到晶体上时,晶体中的电场发生变化,从而使液晶产生双折射。因此可以引起偏振响应和位相响应。电寻址的空间光调制器主要由单个分离的元素或像素结构组成,它的优势在于具有电子系统与光学系统之间的实时接口能力,但由于分立的像素结构,一方面将导致多重衍射图样;另一方面在电极间存在死区,最终影响携带信息的光波能量的有效利用。
基于液晶显示技术的液晶空间光调制器,既可以实现对光波的振幅调制,也可实现对光波的相位调制,而且可获得多极或连续分布的振幅或相位调制;同时,电寻址液晶还具有空间分辨率高、响应速度快、功耗低、体积小、易于光电接口等特点[2],因此电寻址液晶已经广泛应用于光信息处理领域。我们用电寻址液晶(EALCD)主要也是作为图像写入、读出器件。在这里,电寻址液晶作为空间光调制器,既用在输入面,也用在谱面。
3 数字散斑照相术的位移测量原理
若物体位移量大于散斑的横向尺寸,则根据散斑的位移量可以测出物体的位移量[3]。如图1所示,用激光照明光学粗糙表面,物体由O位移到O1,对应的散斑图由O′位移到O′1。设物镜的放大倍率为β,则散斑位移Δx′与物体位移Δx的关系是:
Δx′=βΔx (1)
如果在一个高分辨率的记录介质上先后记录下物体位移前和位移后的散斑图,那么可以获得一对对相同位移的散斑。比较和判读散斑对的衍射图,可以把2个用相干光照明的点或缝的衍射图区分开。
图2为观测散斑图的方法。被记录的散斑图放在物镜前,用平行光照明,在物镜的后焦平面上观察衍射图。
干涉条纹的间隔反比于物体的位移量,即:
4 实验方法
散斑图底片的处理[4-7],通常采用2种方法:一种是全场分析法,即应用傅里叶变换透镜,在后焦面上观察散斑图底片的频谱分布;另一种是逐点分析法,即使用细激光束垂直透过二次曝光散斑图底片,在距离散斑图底片L处平行放置观察屏,每次考察底片上一个小区域的频谱。所不同的是逐点分析法可以把被检测目标表面上感兴趣的任意点的位移大小与方向测量出来。采用EAL-CD代替传统的底片,将计算机处理后的散斑叠加图直接载入EALCD,可获得高对比度的散斑干涉条纹图。
4.1 全场分析法
全场分析法如图3所示。双曝光记录的散斑图用准直激光全场照明,然后应用傅里叶变换透镜获得二散斑图的频谱分布,并在频谱平面用CCD接受。由于CCD是平方律探测器,EALCD不必放在傅里叶变换透镜的前焦平面。这样在频谱平面上可获得二散斑图全场条纹,这一干涉场表征了所在方向散斑位移等高线[8]。从原理上来说,全场分析法可以快速地观察到物体表面的全场变形,并能及时发现局部高应变区域。
所得条纹方向垂直于记录时物体平移的方向,条纹的间隔取决于物体的位移量Δx,即:
位移量越小,条纹间隔就越宽,在两次曝光记录的散斑图的频谱中出现斑纹调制的杨氏条纹,由条纹的方向和间隔就可确定漫射体位移的方向和大小。
4.2 逐点分析法
逐点分析法(如图4所示)又称杨氏分析法[9-10]。物体位移或变形前后2组散斑图的叠加,将形成一对对的双孔,用很细的激光束照射这些双孔,则形成了双孔衍射。与标准双孔一样,衍射图是一组等间距的平行线,其方向与双孔方向垂直。此时,在距离散斑图底片L的屏幕上,将出现杨氏干涉条纹。目标上相应点的表面位移Δx的方向与杨氏条纹方向垂直,表面位移为:
5 散斑照相装置及实验图片
实验装置如图5所示。光源是波长为632. 8 nm的He-Ne激光器;由显微物镜、针孔、准直透镜组成准直扩束系统。由于激光光束截面是高斯分布,能量分布不均匀,通过针孔进行空间滤波,同时也提高了空间相干度,减少相干噪音。将激光器发出的光束通过扩束系统扩大到直径为20mm平行光束,与CCD面积匹配,且使能量分布均匀。记录散斑图所用的CCD分辨率为2 048(H)×2 950(V),像素尺寸为3. 5μm×3. 5μm;采用的电寻址液晶(EALCD)分辨率为1 024(H)×768(V),像素尺寸为13μm(H)×10μm(V);像素间距: 18μm(H)×18μm(V) (注:H表示行方向;V表示列方向);并且使激光、傅里叶镜头、电讯址液晶、CCD满足空间带宽积要求。
对于一个成像系统,其空间带宽积[11](sPACe-bandwidth product)等于有效视场和由系统截止频率所确定的通带面积的乘积, SBP决定了可分辨像元的数目,即空间物体自由度:
实验物体为一角硬币,如图6所示,将其固定于二维位移平台上,物体的位移由平台上的螺旋测微杆实现;硬币表面散射的散斑图由CCD记录,被测物体到CCD靶面的距离是60.0 cm。
实验开始先由计算机采集一幅物体位移前的散斑图I,如图7所示;然后旋转螺旋测微杆,使物体发生面内位移,记录位移后的散斑图II,如图8所示。应用MATLAB程序将位移前后的2幅散斑图叠加,如图9所示,再通过计算机载入EALCD,用激光束照明,分别利用图3和图4两种方法得到干涉条纹,如图10、11所示。
6 图像处理及实验结果
由于记录的条纹图都是光能在记录面上有规律的概率统计[12],这些像素在空间上是离散的、有序的点;在幅值上是量化的、分层次的(0~255级),由于离散的特点,使得条纹图像不连续,并且散斑图的灰度值一般较小,使得图像反差较小、图像较暗,不适合人眼观察,故首先采用频率采样法设计二维FIR过滤器对高频噪声滤波进行处理,滤波后的散斑噪声明显减少[13]。然后对所得到的干涉条纹图处理进行二值化,通过形态学开闭操作,处理条纹中高频噪声所形成的小的亮点;自定义开闭操作,消去中心缺陷[14];利用直方图锥形拉伸增强算法[15]增加对 比度,图像直方图灰度轴的横向做非均匀拉伸,从而得到图像整体的对比度提高,最后调整灰度使图像适合人眼观察。对于全场条纹图,则还需要消弱中心十字线,消除高亮部分和低亮部分,有利于更好的观察条纹图。
处理后条纹图(如图12、13所示)明显对比度清晰,适合人眼观察,散斑噪声有了较大的抑制作用,可以作为计算机自动识别条纹的初始图片。
条纹方向垂直于记录时物体平移的方向,条纹的间隔取决于物体的位移量。由上面位移计算式(4)、(5)分别可得物体位移如表1所示。(其中f′1为120. 0 mm,L为174.0 mm)
7 结 论
应用EALCD与CCD相结合的数字散斑照相方法对物体的面内位移进行实验,成功获得高清晰度的散斑干涉图。在实验中发现所得条纹图的对比度可由通过控制EALCD的计算机来调节,在图像不失真的范围内,适当调节载入EALCD的散斑叠加图片大小,图片越大,条纹对比度会越好,条纹越清晰。实验研究结果表明,散斑照相术不需要全息干涉术中的参考光即可实现物体表面变形检测,比全息干涉术更便捷;另一方面没有严格的检测环境要求,从而使散斑照相术在应用中更有优势。该散斑照相术利用数字器件(如CCD、EALCD等)的特性,不仅实现了面内位移测试的数字化、实时化,而且获得了高精度的测试结果。
参考文献
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作者简介
张鹏飞, 2007年于长春理工大学获得学士学位,现在长春理工大学攻读硕士学位,主要研究方向为数字散斑测量术。E-mai:l diwen19841219@ 126. com
郭俊, 2007年于长春理工大学获得学士学位,现在长春理工大学攻读博士学位,主要研究方向为数字全息干涉术。E-mai:l great-peak-love@ 163. com
