撰稿 | Eva（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、博士生）

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

為了測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)可以測量變形矢量的分量。

早期，采用普通照相機搭配高分辨的感光乳劑作為記錄介質(zhì)進行，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)，幾乎可以實時獲得物體在外力作用下的變形圖。該技術(shù)的優(yōu)勢在于全場、非接觸式、實時的全息測量技術(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)場測量的一個有效工具。

同時，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)人員不僅對變形感興趣，而且對應(yīng)變值感興趣。應(yīng)變測量是預(yù)測物體在受到某些外部影響時能夠正常工作多長時間的基礎(chǔ)。

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

作者按時間順序介紹了剪切照相領(lǐng)域的發(fā)展，并強調(diào)了這種全息測量技術(shù)的巨大潛力。文章從基本原理、結(jié)構(gòu)特點（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的介紹。

1. 經(jīng)典裝置結(jié)構(gòu)和原理

剪切散斑的典型實驗裝置如圖 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：剪切散斑的典型實驗裝置原理（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

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

通常，在剪切照相中要進行兩次曝光：

第一次曝光是物體處于未變形狀態(tài)時；

第二次曝光是物體處于變形狀態(tài)時。

在進行兩次曝光后，待測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間間隔的散斑場圖像，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。如果在顯影后準確地重新定位與感光乳劑上記錄的未變形狀態(tài)相對應(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，對兩次曝光獲得的圖像分別進行處理，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行逐像素相減運算，從而獲得表示變形矢量梯度的條紋圖案；

第二種方法：使用兩個相位差為π/2的偏振光照明，同時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，待測物體通過兩條路徑成像，通過傾斜其中一個鏡子實現(xiàn)剪切，從而產(chǎn)生兩個圖像，剪切量由傾斜角度控制。

圖 3：使用渥拉斯頓棱鏡的對稱雙敏感剪切攝影。(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)

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

（１）轉(zhuǎn)動物體；

（２）轉(zhuǎn)動物光；

（３）平移圖像錯位裝置；

（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，時間相移法時通過改變兩束波之間的相位差，并依次捕獲這些散斑圖。

由于時間相移法易受到外部干擾的影響，如振動、溫度波動或測試對象本身的快速運動。而空間相移（SPS）技術(shù)則是一種消除外部干擾的簡單方法。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象未變形和變形狀態(tài)之間的相位差。為了研究與時間相關(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不同方向?qū)ξ矬w進行照明或從三個不同方向進行觀察。

空分復(fù)用技術(shù)（SDM），物體從一個方向發(fā)光，并通過三個剪切干涉儀從三個不同方向同時觀察，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照射物體，并用三臺CCD攝像機記錄每個波長下兩個正交剪切的物體圖像，即六個導(dǎo)數(shù)分量都可以測量；

偏振復(fù)用技術(shù)（polarization multiplexing）也可同時測量兩個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，因此對時間相干性的要求放寬，可以使用低相干性源進行剪切散斑。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，建議使用兩個或多個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相干源照明拍攝的照片中可以明顯看出，兩個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、非接觸檢測的技術(shù)特點，該技術(shù)被廣泛用于定性結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、定位和識別損傷以及缺陷位置。同時它也被用來獲得應(yīng)變場以及缺陷位置和大小的定量數(shù)據(jù)。廣泛用于應(yīng)變場、斜率、曲率和扭轉(zhuǎn)的可視化、定性測量和定量測量。

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)被認為是一種強大的無損檢測技術(shù)，因為它具有以下幾個獨特的特點：全場觀測、抗環(huán)境干擾和振動、低相干要求、簡單的光學(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。特別是對于復(fù)合結(jié)構(gòu)，如檢測壓力管道的內(nèi)部裂紋、輪胎和蜂窩結(jié)構(gòu)等。同時剪切散斑系統(tǒng)在藝術(shù)品的堅固性、缺陷、亞表面結(jié)構(gòu)檢測和保護也得到了廣泛的發(fā)展。

論文信息

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

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

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