1 数字散斑干涉测量原理简介
图1给出了在实验室中测量离面变形时所用的一般光路图。它的基本原理是:扩束以后的激光由半透镜6分成等强度的两束光,分别照到被测物体和参照物体上,由于参考物体和被测量物体同时在CCD摄像机靶面成像,因此靶面上得到的是被测物体的像和参考物体的像的相干叠加。若设被测物体在靶面上一点P形成的光振幅为U1,位相为
1,对应的参考物体在这点形成的光的振幅为U2,位相为2,那么P点的总光强I0为
在物体未发生变形前先摄取第一幅图像,并将总光强I0数字化后存入计算机,然后在被测物体发生变形后记录第二幅图像,同样对光强I1数字化后存入计算机。这样,在物体的变形量不大的情况下,可设被测物体在靶面上P点形成的光的振幅大小仍为U1,位相变为1+Δ[1]。保持参考物体不变,则此时P点的光强可写为
式中,η为装置的反应系数。由式(3)可见,如果从屏幕上得到有关物体离面位移大小的余弦条纹图,由条纹图经过后续的信息提取计算[1]就能够获得物体的离面变形大小。
2 对普通测量光路的分析
公式(3)中sin2(1-2+Δ/2)为随机系数,决定了余弦条纹图的对比度,若2较小则条纹图对比度变差,从而影响测量精度。另外,由于CCD的噪声因素影响,过小则会减少图像的信噪比,使图像质量下降。分别为参考物体和被测物体在P点的光强,它由激光器功率和物体(参考物体和被测物体)的反射率及具体光路安排决定。在一般情况下,由于对物体表面进行斑化处理(如涂上银粉漆等),使物体的散射光有较大的发散角,加上成像透镜孔径有限和光线通过半透角镜时每次有二分之一的损耗,所以在普通的数字散斑干涉系统中虽然激光器的功率较大,但实际上真正起到测量作用的只是很少一部分。
3 改进后的数字散斑干涉光路
从上面对普通数字散斑干涉光路的分析可以看出,造成光的损失因素有两个:第一是角镜的半透作用,第二是物体对光散射的作用。若从这两方面对实验光路进行改进,设法减小散射光的发散角并去掉半透角镜,将可以提高对激光的利用率,降低实验对激光器功率的要求,从而以小功率的激光器实现数字散斑干涉测量,解决数字散斑干涉系统的小型化问题。按照这个思路,本文提出图2的光路设置。
3.1 光路简介
比较图1和图2,可以看出图2用全反镜5代替了图1中的参考物体,6是一块平板玻璃,在其中心2 mm见方的区域进行磨砂处理,并使5的反射光射在磨砂点上。图2中激光器发出的光仍然分成两束,一束扩束后照射物体,并由物体反射后被CCD成像于靶面上,另一束经过5和7反射后入射到6的磨砂点上并经过镜头后在CCD靶面上形成散斑场,起到参考光的作用。在实际系统中,图中虚线框内的元件固定在一块底座上,既便于调节又增加系统的稳定性。测量时5直接固定在被测物体上。
全反射镜5和7的反射率很高,基本可以认为是100%反射,6的引入是为了对参考光束进行斑化处理,使参考光由细光束变成一个散斑场,而且由于6紧靠CCD摄像机镜头,可以认为透射光完全进入CCD摄像机,这样参考光束的能量利用率就近乎达到100%;同时和成像透镜的孔径相比6的磨砂点较小,不会影响CCD镜头的正常成像。由于图2中没有使用半透角镜,很显然这样使图2的系统对光的总利用率提高了一倍。
3.2 两种光路要求的激光功率比较
在图2的光路中,如果设激光器总功率为w,渐变分束器的反射率为c,即参考光功率wr= cw,物光功率wo= (1- c)w,设被测物体光束由于散射的缘故利用率为x,那么CCD靶面上的光功率w′= wr+ wox,考虑到参考光和物光强相等时干涉效果最好,即wr= wox,则
式中,a表示在CCD靶面上光照度相同时,两个光路所要求的激光光源功率之比。图2的光路对激光功率的要求远低于普通光路,且光束的利用率x较低时,这种优点更为突出,极限情况下图2光路的激光功率为普通光路的1/4时仍可达到相同的效果。
4 实验验证
实验用试件为经典周边固定均布载荷圆板,图3为试件正面和侧面图,载荷以气体为中介施加,当充气嘴向试件气室中充气时,试件圆板上各部分将受到均匀压力,而向外突起变形,这种变形上述两光路都能测量出,在相同测量效果时,哪个光路要求的激光功率更小在实验中可以直接得到。
试件表面用3号铜金粉进行斑化处理,试件距离CCD摄像机2 m,CCD镜头孔径为4 cm。根据实验结果,利用5 mW的激光器在第一光路下完全作不出条纹图,但在图2光路下作出的条纹很清楚,其对比度可与图1光路中利用20 mW激光得到的相比拟。图4是两种条件下的变形条纹图照片。
参考文献
1 M. S. Fernando, J. M. Andrew, R. T. Johnet al..Noisereduction in twin-pulsed addition electroNIc speckle patterninterferometry fringe patterns [J].Opt. Eng.,1994,33(5):1712~1716
作者简介:庞向阳(1975.9—),男,中国科学院上海光学精密机械研究所联合实验室助理工程师,主要从事光学仪器设计。E-mail:xiangyangpang@sohu.com
