撰稿 | Eva（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、博士生）

當(dāng)激光照射到物體表面時(shí)，在空間上形成的顆粒狀圖樣被稱為散斑，散斑通常被認(rèn)為是全息技術(shù)的“禍根”，但是在 20 世紀(jì) 60 年代后期，人們發(fā)現(xiàn)散斑圖案攜帶被測(cè)物體的信息，因此可以用于測(cè)量物體位移和形變的散斑計(jì)量學(xué)領(lǐng)域由此誕生。

為了測(cè)量物體的位移和形變信息，研究人員發(fā)展了散斑照相和散斑干涉技術(shù)。與全息干涉術(shù)不同，散斑干涉術(shù)可以測(cè)量變形矢量的分量。

早期，采用普通照相機(jī)搭配高分辨的感光乳劑作為記錄介質(zhì)進(jìn)行，稱為散斑干涉術(shù)（speckle pattern interferometry），隨著工業(yè)發(fā)展的需求，使用攝像管進(jìn)行電子記錄的方式不斷發(fā)展，并將該技術(shù)更名為電子散斑干涉術(shù)（ electronic speckle pattern interferometry：ESPI），隨著電耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的發(fā)展，采用 CCD 或 CMOS 記錄散斑圖案并通過數(shù)字處理技術(shù)分析，該技術(shù)又稱為數(shù)字散斑干涉術(shù)（digital speckle pattern interferometry：DSPI）。使用 ESPI / DSPI 和相移技術(shù)，幾乎可以實(shí)時(shí)獲得物體在外力作用下的變形圖。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于全場(chǎng)、非接觸式、實(shí)時(shí)的全息測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)克服了全息技術(shù)中參考光束帶來的諸多限制，是用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的一個(gè)有效工具。

同時(shí)，材料科學(xué)家、應(yīng)力分析師、質(zhì)量保障人員、產(chǎn)品開發(fā)人員和許多其他從業(yè)人員不僅對(duì)變形感興趣，而且對(duì)應(yīng)變值感興趣。應(yīng)變測(cè)量是預(yù)測(cè)物體在受到某些外部影響時(shí)能夠正常工作多長時(shí)間的基礎(chǔ)。

目前有幾種應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，包括逐點(diǎn)測(cè)量和全場(chǎng)測(cè)量。而 Shearography 是一種全場(chǎng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)，已發(fā)展用于定性和定量應(yīng)變測(cè)量。該技術(shù)被稱為散斑圖剪切干涉測(cè)量（speckle pattern shear interferometry ：SPSI）或剪切散斑干涉測(cè)量（speckle shear interferometry：SSI）或簡(jiǎn)稱為剪切散斑（shearography）。

圖 1：剪切散斑技術(shù)與數(shù)據(jù)顯示單元結(jié)合用于檢查缺陷。數(shù)據(jù)圖右下角的波紋圖案表示可能存在的缺陷。（圖源：維基百科，Desmoquattro）

近日，美國阿拉巴馬農(nóng)工大學(xué)的研究人員 Rajpal Sirohi 以“Shearography and its applications – a chronological review”為題在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表綜述文章。

作者按時(shí)間順序介紹了剪切照相領(lǐng)域的發(fā)展，并強(qiáng)調(diào)了這種全息測(cè)量技術(shù)的巨大潛力。文章從基本原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（包括剪切裝置、相移裝置和多路剪切散斑裝置）、技術(shù)應(yīng)用等方面展開了詳細(xì)的介紹。

1. 經(jīng)典裝置結(jié)構(gòu)和原理

剪切散斑的典型實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2 所示，它由光源（通常為激光器）、成像系統(tǒng)、放置在物體和透鏡之間或透鏡和記錄介質(zhì)之間的剪切裝置以及記錄介質(zhì)（如感光乳劑或 CCD/CMOS 成像儀）組成。

圖 2：剪切散斑的典型實(shí)驗(yàn)裝置原理（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

當(dāng)物體被激光束照亮，通過剪切裝置在探測(cè)器上采集該圖像。由于剪切裝置使得待測(cè)表面的一點(diǎn)在照相機(jī)的像面上產(chǎn)生一對(duì)具有很小錯(cuò)位的兩個(gè)像，同時(shí)待測(cè)表面上相鄰的兩點(diǎn)經(jīng)過剪切裝置和成像系統(tǒng)后，在像面上來自其中一點(diǎn)的光波將作為第二個(gè)點(diǎn)的參考波重合并發(fā)生干涉，從而形成一副包含隨機(jī)干涉圖樣的剪切散斑圖。

通常，在剪切照相中要進(jìn)行兩次曝光：

第一次曝光是物體處于未變形狀態(tài)時(shí)；

第二次曝光是物體處于變形狀態(tài)時(shí)。

在進(jìn)行兩次曝光后，待測(cè)物體表面的變形信息，將包含在散斑干涉圖樣中。

1.1 照相記錄

最早出現(xiàn)的是照相記錄的方式，通過記錄具有一定時(shí)間間隔的散斑場(chǎng)圖像，物體變形的信息將以條紋圖的形式表現(xiàn)，可以通過傅里葉濾波提取。如果在顯影后準(zhǔn)確地重新定位與感光乳劑上記錄的未變形狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的剪切圖，則可以獲得由于變形矢量的梯度而產(chǎn)生的條紋圖案，且條紋可以通過多次曝光或利用記錄的非線性過程來銳化。

1.2 數(shù)字記錄

在數(shù)字記錄技術(shù)中，對(duì)兩次曝光獲得的圖像分別進(jìn)行處理，包括兩種常用的處理方法：

第一種方法：將變形后的圖案與變形前的圖像進(jìn)行逐像素相減運(yùn)算，從而獲得表示變形矢量梯度的條紋圖案；

第二種方法：使用兩個(gè)相位差為π/2的偏振光照明，同時(shí)獲得物體變形和未變形狀態(tài)。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 剪切裝置

傳統(tǒng)的剪切干涉裝置有邁克爾遜型、馬赫曾德型、反射性光楔型、菲涅爾棱鏡型、渥拉斯頓型等，待測(cè)物體通過兩條路徑成像，通過傾斜其中一個(gè)鏡子實(shí)現(xiàn)剪切，從而產(chǎn)生兩個(gè)圖像，剪切量由傾斜角度控制。

圖 3：使用渥拉斯頓棱鏡的對(duì)稱雙敏感剪切攝影。(a)光學(xué)剪切攝影裝置示意圖。(b)利用剪切系統(tǒng)得到的剪切圖。(c)共程剪切裝置產(chǎn)生的空間載頻。（圖源：Optics Express）

2.2 相移技術(shù)

當(dāng)需要有關(guān)應(yīng)變場(chǎng)或缺陷的定量數(shù)據(jù)時(shí)，可采用時(shí)間或空間相移，常用的相移方法有：

（１）轉(zhuǎn)動(dòng)物體；

（２）轉(zhuǎn)動(dòng)物光；

（３）平移圖像錯(cuò)位裝置；

（４）基于偏振光的波前處理；

（５）使用可變的光波延遲器。

從原理上來講，要獲得每個(gè)像素的相位值，至少需要三幅相移散斑圖，每幅散斑圖的相位值取0~2π不同的值，時(shí)間相移法時(shí)通過改變兩束波之間的相位差，并依次捕獲這些散斑圖。

由于時(shí)間相移法易受到外部干擾的影響，如振動(dòng)、溫度波動(dòng)或測(cè)試對(duì)象本身的快速運(yùn)動(dòng)。而空間相移（SPS）技術(shù)則是一種消除外部干擾的簡(jiǎn)單方法。在空間相移中，通過引入載波頻率，并根據(jù)選擇三步相移或者四步相移算法或者傅里葉變換方法獲得對(duì)象未變形和變形狀態(tài)之間的相位差。為了研究與時(shí)間相關(guān)的變形，最好在單幀中捕獲物體變形信息，因此優(yōu)先采用傅里葉變換方法處理數(shù)據(jù)。

2.3 多路剪切散斑裝置

物體表面變形的面內(nèi)和面外梯度分量的分離通常需要從三個(gè)不同方向?qū)ξ矬w進(jìn)行照明或從三個(gè)不同方向進(jìn)行觀察。

空分復(fù)用技術(shù)（SDM），物體從一個(gè)方向發(fā)光，并通過三個(gè)剪切干涉儀從三個(gè)不同方向同時(shí)觀察，獲得坡度、曲率和變形信息；

波分復(fù)用技術(shù)（WDM），以三種不同的波長同時(shí)照射物體，并用三臺(tái)CCD攝像機(jī)記錄每個(gè)波長下兩個(gè)正交剪切的物體圖像，即六個(gè)導(dǎo)數(shù)分量都可以測(cè)量；

偏振復(fù)用技術(shù)（polarization multiplexing）也可同時(shí)測(cè)量兩個(gè)正交斜率的剪切散斑。

綜上所述，空分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù)允許同時(shí)捕獲梯度信息和變形的信息。

由于剪切散斑配置幾乎是公共路徑，因此對(duì)時(shí)間相干性的要求放寬，可以使用低相干性源進(jìn)行剪切散斑。此外，為了檢查大面積的物體，并克服由于激光束的高斯特性而產(chǎn)生的不均勻照明，建議使用兩個(gè)或多個(gè)相互不相干的激光束。如圖4所示顯示了使用非相干源的和兩個(gè)相干源照明拍攝的照片中可以明顯看出，兩個(gè)非相干光源可以減少兩光源干涉帶來的誤差。

圖 4：剪切散斑（a）非相干光源剪切結(jié)果，（b）相干光源剪切結(jié)果（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

3. 技術(shù)應(yīng)用

鑒于剪切散斑無損、全場(chǎng)、非接觸檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，該技術(shù)被廣泛用于定性結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定位和識(shí)別損傷以及缺陷位置。同時(shí)它也被用來獲得應(yīng)變場(chǎng)以及缺陷位置和大小的定量數(shù)據(jù)。廣泛用于應(yīng)變場(chǎng)、斜率、曲率和扭轉(zhuǎn)的可視化、定性測(cè)量和定量測(cè)量。

圖 5：（a）一幅在帆布上的畫（b）照明畫連同它的雙曝光剪切圖（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

另外，剪切散斑技術(shù)被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的無損檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)樗哂幸韵聨讉€(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：全場(chǎng)觀測(cè)、抗環(huán)境干擾和振動(dòng)、低相干要求、簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)置、成熟的應(yīng)用技術(shù)以及檢查大型結(jié)構(gòu)的能力，并且已經(jīng)得到工業(yè)界的廣泛承認(rèn)。特別是對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)，如檢測(cè)壓力管道的內(nèi)部裂紋、輪胎和蜂窩結(jié)構(gòu)等。同時(shí)剪切散斑系統(tǒng)在藝術(shù)品的堅(jiān)固性、缺陷、亞表面結(jié)構(gòu)檢測(cè)和保護(hù)也得到了廣泛的發(fā)展。

論文信息

Sirohi. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:1

https://doi.org/10.37188/lam.2022.001

閱讀原文