（固体力学专业论文）基于液晶体的数字错位散斑相移技术研究.pdf

中文摘要 数字错位散斑干涉( d s s p i ) 是一种很有发展前途的非接触测量和检测方法。 为了进一步实现该方法的自动化检测，提高测试精度，在本论文中，成功的把液 晶体做相移器应用于传统的数字错位散斑干涉计量，设计了基于液晶相移器和渥 拉斯顿棱镜的数字错位散斑干涉系统。利用计算机程序控制，实现了高精度、全 场、实时的自动化测量。 本文对液晶的特性进行了深入研究，充分利用其电光效应，把它和渥拉斯顿 棱镜结合成一体化系统，提出了一套基于液晶体和渥拉斯顿棱镜的相移错位理 论。对液晶相移法进行研究，讨论了几种常用的相移法并通过实验验证了四步相 移法最适合本系统的测试。同时为了保证液晶相移法测量的成功实现，对相位条 纹图的滤波法和解包裹算法进行了研究。提出了能有效的滤除相位条纹图噪声并 很好的保持相位跳跃的窗口可调的正余弦滤波法。 充分考虑系统的结构紧凑性和可操作性完成了液晶相移数字错位散斑干涉 系统的整体结构设计和应用软件的编写。最后应用此系统完成了大量的实验工 作。通过对四周固支中心加载的有机玻璃板的测试证明用相位相减法能得到比条 纹相关法好的多的结果。还定量的测出了此玻璃板加载后某截面的离面位移导数 最大值为1 2 1 0 一，离面位移最大约为2 1 0 m 。本文还通过具体实验说明 了系统能成功的完成对物体近表面缺陷的无损检测。 关键词：液晶；相移：数字错位散斑干涉；滤波：无损检测；近表面缺陷 a b s t r a c t d i g i t a ls h e a r i n gs p e c k l ep a t t e r ni n e r f e r o m e t r y ( d s s p i ) i sav e r yp r o m i s i n g n o n c o n t a c tm e a s u r i n ga n dt e s t i n gm e t h o d t or e a l i z ea u t o m a t i cm e a s u r i n go ft h i s m e t h o da n di m p r o v ei t sp r e c i s i o n ，i nt h i st h e s i st h el i q u i dc r y s t a l 皿c ) c e l li su s e da s ap h a s e s h i f t e rf o rt h et r a d i t i o n a ld s s p is u c c e s s f u l l y t h ep h a s e - s h i f t i n gd s s p i s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h el i q u i dc r y s t a lp h a s e s h i f t e ra n dw o l l a s t o np r i s m t h e a u t o m a t i c ，h i g h - p r e c i s i o n ，f u l l f i e l da n dr e a l t i m em e a s u r i n gi sr e a l i z e d d u et ot h e a p p l y i n go fc o m p u t e rp r o g r a m i nt h i st h e s i s ，t h ev a r i o u sp r o p e r t yo f l ci ss t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yo f u s i n gt h el c c e l la sp h a s e - s h i f t e ri nt h ed s s p ii sa n a l y z e db yt h e o r y t h en e wp h a s e s h i f t i n ga n d s h e a r i n gt h e o r yb a s e d o nl ca n dw o l l a s t o np r i s mi sd e v e l o p e d t h ef o u r - s t e p p h a s e - s h i f t i n gm e a s u r i n gm e t h o di sp r o v e dt ob e m o s td e c e n tf o rt h i ss y s t e mb y c o m p a r i n gt h em e t h o d si nc o m m o nu s e t h ef i l t e ra n du n w r a p p i n gt e c h n o l o g yi sa l s o s t u d i e dt og u a r a n t e et h es u c c e s so ft h el cp h a s e - s h i f t i n gm e a s u r i n gm e t h o d ，a n dt h e a d a p t i v ew i n d o ws i n - c o s i n ef i l t e rm e t h o di sp u tf o r w a r d t h i sm e t h o di sp r o v e dt h a ti t c a nf i l t e rt h ef i e r c en o i s ei nt h es p e c k l ep h a s em a pa tt h es a m et i m et h ej u m po ft h e p h a s ec a nb ew e l lk e p t t h em e c h a n i c a ld e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a mo ft h el cs h i f t i n gd s s p is y s t e mi s f i n i s h e db yf u l l yc o n s i d e ri t s c o n f i g u r a t i o no p t i m i z i n ga n de a s yo p e r a t i n gm a n y e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e du s i n gt h i ss y s t e m t h es y s t e mi sp r o v e dt ob ev e r y e f f i c i e n tb ym e a s u r et h eo r g a n i cg l a s st h a ti sf i x e da l la r o u n da n dl o a d e di nc e n t e r t h em a x i m u mg r a d i e n to ft h e o u t - o f - p l a c ed i s p l a c e m e n to fo n es e c t i o n i nt h i s s p e c i m e ni s a l s om e a s u r e dt ob el2 1 0 一t h em a x i m u mo fo u t - o f - p l a c e d i s p l a c e m e n t i s2 10 s o m ee x p e r i m e n t sa r ea l s op e r f o r m e dt om e a s u r et h e d e b o n d i n gd e f e c to f ac e r t a i nc o m p o s i t em a t e r i a l t h el o c a t i o na n ds h a p eo f t h ed e f e c t c a nb es e e nc l e a r l yi nt h ew r a p p e do ru n w r a p p e dp h a s em a p ，w h i c hi l l u s t r a t e st h a tt h i s s y s t e mp r o v i d e sav e r ye f f e c t i v en o n d e s t m c t i v et e s t i n gm e t h o dt om e a s u r et h e s u b s u r f a c ed e f e c to f o b j e c t k e yw o r d ：l i q u i dc r y s t a l ；p h a s e - s h i f t i n g id s s p i ；f i l t e r ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ； s u b s u r f a c ed e f e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂洼盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鲫鸡蠕签字日期：w 形年，月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢醐，氍新繇个，含、 褂醐：辨旧州曰辩明3 夕t 舭 至兰奎兰璺主笙兰 篁二兰! 堕 第一章绪论 数字错位散斑干涉法是一种非常重要的现代干涉计量方法，它有许多 很好的特性如无损、非接触检测、快速实时等特点，近年来已广泛应用于 机械、土木、水利、电气、航空航天、兵器工业及生物医学等领域的检测 中。该技术已经从计数条纹级数发展为计算条纹相位，从而使测量精度大 大提高，可达到波长量级的灵敏度。相移法是最重要的一种相位测量方法。 但目前为止，由于相移器等部分元器件自身的局限性，使得该技术很难实 现具体的原位在线测量。因而研制高性能的相移器，实现系统自动化测量 就成了人们关注的问题。随着国内外学者对液晶的研究，发现了液晶的相 位调制特性，而且发现它有比其它相移器更多的优点。本文将充分利用液 晶的特性并将现代的电子控制、计算机与软件的数据处理结合起来，实现 测量过程完全自动化，由计算机直接给出最后如所测物体各点位移、应变 值、缺陷大小等测量结果。本技术的研究将大大提高散斑干涉计量技术的 使用性能和效率。 1 1 数字错位散斑干涉测量法的发展概况 散斑干涉技术的基本原理是在1 9 7 0 年有l e e d e r z 建立的。1 9 7 1 年， 英国的b u t t e r s 、l e e n d e r t z t 2 1 和美国的m a c o v s k i 那又以光电子器件( 摄像机) 代替了全息干板记录散斑场的光强信息，并存储在磁带上，然后通过电子 处理方法将变形后的散斑图与记录在磁带上的变形前的散斑图进行处理， 从而在图像监视器上得到散斑干涉条纹，由此发展为电子散斑干涉法 ( e s p i ) 。1 9 7 4 年，p e t e r s o n 等人把硅靶摄像管作为光电探测头应用在e s p i 中，提高了该系统对光的敏感度。1 9 7 6 年，l o k b e r g 等人把全息干涉术中 的参考光位相调制技术引入电子散斑，使之能测量振动的位相分布。1 9 7 7 年，w y k e s 讨论了电子散斑干涉法中的相关效应，并提出了相应的改进措 施。1 9 7 8 年，j o n e s 等人采用双波长电子散斑干涉测量了物体的轮廓。1 9 8 1 年，j o n e s 由系统的对电子散斑干涉中各种参数的选取和优化作了详细的报 道。这样几乎用了十几年的时间，人们完成了对电子散斑技术的基本原理 和性质的研究【4 j ，提出了改善e s p i 条纹质量的系统参数选取方法，为以后 的研究和应用打下了基础，并研制了商品化的e s p l 干涉仪。 天津大学硕士论文 第章绪论 1 1 。t 数字散斑干涉 进入八十年代出现了集成化的电子存储模块。利用这种技术，电视 图像可以以点阵的形式量化为数字量存储在帧存体中，并可以读出和写入。 把这种技术应用在电子散斑干涉术中，就出现了数字电子散斑干涉术 ( d s p d 。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，存储在帧存体 中，由计算机用数字的方法对它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹 图。数字敞斑干涉减小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。 1 9 8 0 年，n a k a d a t e 茸次实现并得到5 1 2 x5 1 2 列阵的数字散斑干涉条纹， 但盲到1 9 8 4 年才甫c r e a t h 正式提出来并作为一种新技术加以推一，数字图 像列阵也逐步发展到今天的5 1 2 5 1 2 或1 0 2 4 1 0 2 4 ，灰度等级发展到2 5 6 ， 而且以微机和图像板取代了原始的大型数字图像处理系统。目前。该技术 逐步代替了以往的用电子处理方法的电子散斑干涉法。，1 9 8 7 年，w y k e s 等使用小功率激光器和半导体激光器实现了数字电子散斑干涉术，从而使 系统更加紧凑、实用。 1 9 9 3 年西安交通大学研制了光纤数字电子散斑干 涉系统。 数字散斑测量拄术在微变形测量、无损检测、应力应变分析以及振动 测量等领域己得到了广泛的应用”i 。首先数字散斑干涉培被广泛的用于振 动测量和模态分析其次它被用于物体轮廓的测量。数字散斑技术还可用 于高温物体的位移测量和热变形测量。1 9 9 0 年，g u l k ”把d s p i 用于建筑 物现场测试，而g a n e s a n 早在1 9 8 9 年就把d s p i 用于泊松比的铡量。d s p i 用于动态问题的研究也已有报导。1 9 9 9 年，桧州师范大学的刘诚、高淑梅， 通过对数字散斑技术在智能机器人中应用的研究，提出一种新的数字散斑 照相计量方法，将c c d 和计算机结台，在自然光照明下对被测量物体照相， 通过一种快捷的图像处理技术，就可以壹接提取出物体变形信息，突破了 传统光测的激光照明及傅立叶变换模式，实现了光测技术的真正自动化。 同年，燕山大学的朱艳英、丁喜峰、张景超，利用激光散斑法检测了金属 材料的焊接缺陷，先对金属材料焊接件进行照相，得到在某一温度区间的 双曝光位移散斑图，然后用逐点分析法分析焊接部位附近的热位移场，进 而求出热应变、热应力的分布，检测出焊缝中某部位的缺陷。2 0 0 0 年，西 安交通大学的贾书海等人开发了一种双光路数字散斑振动测量系统，该系 统结合了普通的d s p i 离面震动测量光路和退敏感光路，既能对较大振幅范 围的振动进行定性观测，又能实现全场自动定量分析，同时避免了相位去 包裹处理而且此系统具有较高的抗干扰能力，司以应用于实际工程中复杂 非连续结构的振动测量。2 0 0 2 年，哈工太的于光等人提出了一种新的应用 非连续结构的振动测量。2 0 0 2 年，哈工太的于光等人提出了一种新的应用 墨兰查兰翌圭堡兰一羔二兰! 丝 领域一数字散斑干涉技术在语音识别中的应用。同年，浙江大学的郭勇 等人，首次将数字散斑相关测量技术引入包装材料的力学与热学特性研究 领域，较好地解决了粘弹性材料在非常温环境下的特殊测量技术，并测定 了某些包装材料地线膨胀系数、弹性模量及其蠕变规律。 数字散斑技术在各种应用中都显示了其所具有的优势： ( 1 ) 采用c c d 或t v 摄像机和电子存储器，用数字技术实现了信息处理， 显示干涉条纹快速方便。 ( 2 ) 采用相减模式处理干涉散斑场时，可消除一般杂散光的影响，所以 它可以在明室中进行操作，这给工作人员带来了很大的方便。 ( 3 )由于电子散斑条纹图可以用数字形式存储，所以便于图像处理。使 得结合计算机技术的图像自动分析成为可能，为实现条纹的自动化 测量创造了良好的条件。 ( 4 ) 该方法对实验环境条件的要求比较低。它使用的图像采集卡以每秒 2 5 帧的速率采集散斑场信息，从而对工作环境的防震要求大大降低。 由e s p l 发展而来的数字电子散斑干涉法则完全不需要防震，可以走 出实验室，直接进行现场测试。 ( 5 ) 在试验过程中，可以做到工作人员不与试件本身发生直接接触。这 样可以在不同环境里测试物体的变形情况。 ( 6 ) 可以显示物体变形的全场信息。这样可以根据所需结果的不同而选 取相应的部件或进行全场测试。 ( 7 ) 灵敏度容易调节。通过使用计算机等方法，可以测量细观甚至微观 的变形，并可达到很高的精度。 ( 8 ) 测试的精度比较高。及其细小的变形都可以由c c d 采集到图像并且 进行分析和处理，从而根据相应的公式计算得到所要测量的物理量。 ( 9 ) 试件刚体位移对测试图像的影响不大，因此可避免静、动态问题中 因刚体位移而对试验结果产生较大的误差。 ( t o ) 数字散斑干涉术对图像采集的质量要求虽然较高，但近年来数字图 像采集处理技术和计算机性能的高速发展，为该方法的实现创造了 良好的条件。 ( 1 1 ) 该方法具有广泛的应用前景，可用于各方面的测试中。 基于数字散斑( d s p i ) 方法的这些优点，它可应用于多种领域，多种 学科。不但可以作为模型设计、分析、样机试验地先进工具，而且可以作 为产品检测和生产过程控制的一种有力工具。该技术也可用来检测复合材 料、集成电路、压力容器和焊接物体的表面或内部缺陷，成为x 射线、红 墨兰奎兰堡主堡兰兰三! ! 塑竺 外和超声等传统无损检测方法的一种有效地补充手段a 1 1 ，2 数字错位散斑干涉 错位教斑干涉法是继电子散斑干涉术后八十年代末形成的一种激光散 斑干涉计量方法“3 ，为了进一步提高e s p i 的抗震性能，1 9 8 5 年h u n g ”1 提出了 将错位技术引入电子散斑的设想，提出了电子错位术的概念( e l e c t r o n i c s h e a r o g r a p h y ，简称e s ) ，它与电子散斑干涉术主要的不同是在光路结构上， 后面的图像系统是相同的。为了直接测量位移的导数或应变场该技术发展 为数字错位散斑干涉法( d s s p i ) 。该方法取消了参考光，结构简单，不用 防震、不用照相处理、可明室操作，大大提高了抗干扰能力，与一般错位 散斑干涉计量相比数字错位散斑干涉计量具有以下几个特点： ( 1 )光路简单，对振动隔绝的要求低，测量位移导数时能自动去除刚体 位移并且对于缺陷受载后的应变集中十分敏感。 ( 2 ) 通过图像卡采集散斑场信息，将光强分布转化为数字信号，并按照 像素离散为2 维阵列，强度表示为0 - 2 5 5 级灰度存储在计算机内存， 直接从强度测量位相变化( 一般的剪切干涉是通过条纹的变化数进 行计量) ，因此傅立叶变换和相移技术可广泛用于数字剪切干涉计 量。 ( 3 ) 采用相减模式处理干涉散斑场，消除了一般杂散光的影响，所以它 可以在明室下操作，为工程现场测量奠定了基础。 ( 4 ) 由于干涉条纹图以数字形式存储，便于条纹的后处理和自动分析， 为实现自动化测量创造了良好的条件。 数字错位散斑技术虽然在八十年代末期才兴起，至今不过几十年的时 间，但也取得了许多可喜的研究成果和应用。近几年来国内外许多科研工 作者致力于该技术的研究和应用，使得该技术的应用领域不断扩大，适用 范围更加宽广。在国内，1 9 8 9 年天津大学首次研制成功了电子错位散斑( 或 称电子剪切散斑) 干涉系统( e s s ) ，随后又开发了o s s p i 系统。1 9 9 2 年，中 国科学技术大学将半导体激光器成功运用于电子散斑干涉中，并由可切换 的双频光栅实现了错位。 数字错位散斑干涉术可以在不避光、不避震、不照相的条件下快速实 时地获得清晰的电子干涉条纹图”1 ，其条纹与位移导数的对应关系可以在很 大程度上变化，从而可以走出实验室、进入生产现场进行测试，所以它在 应力应变分析和强度无损检测中具有特殊的作用。它在薄板的弯曲变形分 析中有许多实际应用。1 ，因为扳的弯曲应变可由挠度的二阶导数一曲率来表 墨堡奎竺堡主丝兰 竺二兰：垡 示，而数字错位散斑则可以直接得到挠度的微分，所以更接近于曲率。数 字错位散斑干涉术与数字散斑干涉术一样，是目前重要的光学无损检测工 具，并且它与数字散斑干涉术相比更有发展前途。 散斑测量法以干涉条纹的变化来反映被测对象的信息。干涉条纹是干 涉场上光程差相同的点的轨迹，光程差d 是干涉仪两条光路的几何路程1 与相应的介质折射率n 的乘积之差，即j = r 1 1 一2 2 z ，干涉条纹的形状、 间隔、以及位置的变化均与光程差的变化有关“，因此根据干涉条纹的上 述因素的变化，不但可以直接测量长度以及折射率，而且还可以测量与1 、 r l 有确定关系的其它几何量及物理量。例如角度、粗糙度、平面度、光学元 件的面形、光学系统的像差、光学材料的内部缺陷等。但是在条纹数据处 理方面，传统的散斑测量不外乎采取一般图像处理的过程，即滤波增强、 二值化、修改二值图、提取条纹中心线及数据、绘制条纹骨架等求出相应 力学量，在此过程中，有很多内容需要人机对话的形式完成，从而影响了 测试的自动化程度。为了克服这一缺点，近年来干涉条纹图自动分析的一 个关键技术一相位测量技术“”得到了发展和完善。 1 2 相位测量技术的发展 相位技术从光强分布中提取出相位信息，把测量目标由条纹本身转到条 纹的相位即1 3 6 0 条纹，通过计算机处理得到各点的精确的相位数据，从 而大大提高了测量精度。数字阵列探测器的出现和计算机技术的发展为位 相测量技术的发展创造了条件并推动了它的发展，位相测量技术在一定意 义上成为条纹的计算机自动分析技术1 1 2 l 。经过2 0 多年的发展，相位测量已 成为光学干涉计量中一种成熟和常规的方法，在科学研究和工业生产中发 挥着重要的作用。位相测量方法可获得被测量区域全场的位相数据，从而 得到全场被测参数的分布，真正实现了光学全场测量。最常用的位相测量 方法有外差法( h e t e r o d y n em e t h o d ，a m ) t 1 3 l ，一种以改变光调制频率和用电 子相位计来求出干涉条纹光波位相的方法，外差法精度最高可达1 1 0 0 0 波 长，但系统较复杂，应用相对较少。光载波法【1 4 j ，就是把非单调的条纹位相 分布加上一个有足够斜率的线性载波条纹位相分布，使调制后的位相变化 单调化。根据调制后的载波条纹偏离载波的程度或使用载波解调技术求得 全场的位相分布。载波条纹的频域处理方法( f o u r i e r 变换法，f o u r i e r t r a n s f o i mm e t h o d ，f t m ) ，因为干涉条纹的强度在频域内可表示为： r ( m ，n ) = a ( m ，n ) + c ( m ，n ) e ”“。”+ c 。( 埘，n 扣一7 2 “。“。c ( m ，n ) = b ( m ，n ) ej p ( ”，2 ， 其中j 为虚数单位，+ 表示共轭，对特定的n ，对上式做一维离散f o u r i e r 变 天津大学硕士论z 第一章绪论 换，滤出集中在u 。附件的频谱并将之移回频谱原点，再经一维离散f o u r i e r 反变换，可得c ( m ，n ) ，从而可求出相位分布为 其中r e 和i m 表示取复数的实部和虚部。此方法己很快的推广到二维 情况。可见f o u r i e r 变换方法也只需一幅条纹图，就可以计算出相位信息， 精度很高，但该技术计算量大，占内存较大，处理速度慢。 相移法是最常用的种位相测量方法。该方法是在条纹位相上附加一 个己知相移量来增加方程数，使方程数大于或等于未知量数来解出位相值。 近年来，相移技术在d s p i 领域有了深入研究，通过相移器改变相干光束的 相位，则就可以通过比较干涉场中同一点在不同相移量下的光强值来求解 该点的相位。由于相位测量只与被测点的光强变化有关，不受周围其它点 的影响，故测量结果不受背景光强起伏、干涉条纹图边缘等的影响，在条 纹对比度很低的情况下仍能获得良好的结果。因为用该技术可以对每一点 的相位进行计算，所以可对条纹图作进一步处理，是一种有效的定量分析 手段，而且相移法具有很高( 如时间相移法和f o u r i e r 变换法) 或较高( 如空 间相移法和空闯载波相移法) 的精度。目前还出现了一些有效的进行动态位 相测量的方法( 如空间相移法、空间载波相移法和f o u r i e r 变换法) 当视 场内少于个条纹时，条纹中心法将无能为力，但相移法仍可有数的进行 位相测量。在位相计算过程中，除了f o u r i e r 变换法可能需要人工干预外， 其余方法均计算量小，自动化程度高，非常适合现代工业测量的需要。所 以相移法使用方便，检测时受环境的影响小，可以实现现场在线原位实时 无损检测，并能够得到非常真实的检测结果，可以实现更为精确的定量计 算。 相移法成功与否的一个关键因素就是相移器的设计，它的精度，重复 性以及稳定性都直接影响着相移技术的测量精度。为了提高该方法的测试 灵敏度。国内外许多学者“”对相移器的设计进行了深入的研究。迄 今引入的相移法有压电陶瓷法、偏振相移法、倾斜玻璃法( 通过倾斜玻璃 改变通过它的光的光程) 、光栅相移法( 包括利用光栅不同衍射级之间存在 特定位相差和在移动前后光栅任衍射级存在位相差两种方法) 、拉伸光纤 法( 将光纤缠绕在管状压电晶体上，通过加压使压电晶体径向膨胀或轴向 伸缩，改变光纤的长度从而改变通过光纤的光的光程) 、改变半导体激光器 波长( 半导体激光器的波长会随着注入电流或周围温度的变化而变化，从 而改变干涉系统中参考光和物光的光程差) 和空气相移法( 密封容器中的 至兰查竺里主笙苎! 二! 二：! 兰 空气因压强的改变而使其密度变化，从而改变其折射率，进而改变穿过容 器的光束的位相) 等。其中最常用的是p z t 相移法，该方法在许多文献都 n # - n ，使用简单，但需要有参考光路，同时他本身的线性特性和工作稳 定性较差，而偏振相移法尽管相位控制简单易行，但机构较复杂，相移过 程中由于是通过转动偏振片实现相位调制，引起光强变动较大。这些方法 大多数仅仅局限于实验室里的原理性研究，很难把他们推广到具体的在线 测量。所以研究高性能的相移器对位相测量方法来说就显得至关重要。 1 3 液晶 液晶是近些年迅速兴起的、有卓越性能及特殊功用的功能材料。液晶 最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔( f r e i n i t z e r ) 于1 8 8 8 年发现的“。对 液晶进行的研究在二十世纪三十年代曾经盛极一时，后因没有得到应用而 失去了人们的注意力。直到1 9 6 8 年，美国无线电公司( r c a ) 海麦尔 ( g h h e i i m e i e r ) 发现相列型液晶的透明薄层通电时会出现浑浊现象( 即电 光效应) 以后，人们对液晶结构、特性和应用的认识才得到飞跃发展。 近几十年来，随着室温液晶研究的飞速发展，液晶已被广泛应用到许 多新技术领域，成为物理学家、化学家、生物学家、电子学家们新的用武 之地。液晶已经在各种需要显示文字和图像的仪器及设备上得到了广泛的 应用。其中包括要求严格、图像色彩复杂的彩色电视机，而且现在已经开 始在各种计量仪器、家用电器、电子计算器和文字信息处理机等办公设各， 以及摩托车和汽车上配备液晶显示器件。这些都给人们的工作和生活带来 了极大的方便和美的享受。在实际应用中，液晶的流动性、介电与光学性 能的各向异性性能以及液晶的弹性性能，都是极为重要的。 迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，液晶的电光效应是指液 晶在外电场下的分子的排列状态发生了变化，从而引起液晶盒的光学性质 也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各 向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制，同时由 于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光学性质。早 在1 9 6 3 年，威廉斯就发现了对向列相液晶施加电场时所形成的电光学纹影 图案。以此为开端，在1 9 6 8 年，首先由威索斯基发表了相变效应：同一年， 海麦尔又发现了动态散射效应和宾主敬应。在继1 9 6 8 年以后的几年里，人 们以上述的d s 效应及其在显示元件上面的应用为中心傲了大量的研究工作 ”“发现了一些新的电光效应。其中最引人注目的是1 9 7 1 年谢德特等发表的 扭曲向列型效应和希凯尔与阿朗几乎在同时发表的电控双折射效应。 墨堡查兰耍圭笙兰 一一! 二_ 三二! 兰 液晶显示器只不过是液晶的各种电光效应中的一个应用。液品与其它晶 体材料不同，从材料设计来说有很大的灵活性，通过合成和混合，在很大 程度上可对材料的特性进行控制。这些特点都使它很有利于应用于光测技 术相移方法的测量m 儿2 2 1 中。因此产生了液晶相移法，即利用液晶的位相调 制特性将其用作相移器，通过改变电压来改变透过它的光波位相。本文将 对把液晶体做相移器应用于数字错位散斑干涉系统的技术进行研究。 1 4 课题研究主要内容 相移数字错位散斑干涉法有许多很好的特性，在应变测量和无损检测 等方面有很高的实用价值。本文对其原理和方法进行了全面系统的学习和 研究，提出将液晶体作为相移器应用于数字错位散斑干涉计量，主要做了 以下工作： ( 1 )系统研究散斑干涉测量法的国内外发展动态和应用情况。 ( 2 )认真研究液晶的分子组成、各种特性，及其技术的发展和应用 状况，分析把液晶体作为相移器的可行性。 ( 3 ) 对基于液晶体的数字错位散斑相移理论进行研究和分析。 ( 4 ) 对液晶相移法的各种相关技术进行研究，提出适合本系统测量 的窗1 ：3 可调正余弦滤波法，确定适合本系统的相移测量方法。 ( 5 ) 设计并研制液晶相移数字错位散斑干涉测量系统，根据各组成 部分特性及实际测量需要编写相关软件。 ( 6 ) 设计实验，包括：试件选用、设计、制造，测量光路设计、布 置，实验过程设计。 ( 7 ) 通过具体的实验和测试，验证系统性能，分析系统的应用领域 和有效性，并对引起误差的因素进行分析。 天津大学硕士论文 第二章基于液晶体的数字错位散斑相移理论分析 第二章基于液晶体的数字错位散斑相移理论分析 2 1 引言 光学干涉方法己成为测量变形、形状和折射率变化等物理量的重要和 常用手段，由于用此法记录的是干涉光场的强度，而与被测物理量直接相 关的往往是隐含其中的光学位相，因此从光强分布中提取出位相信息的方 法，已被大量研究和应用。相移法是最常用的一种位相测量方法。 相移法的出现使数字错位散斑干涉术( d s s p i ) 的应用更加精确和方便。 相移干涉测量法是传统的干涉测量与计算机数据处理相结合而实现的，它 的基本思路是人为的引入已知的相位调制量，改变任意个产生干涉条纹 光束的相位，通过比较干涉场中某一点在不同相位下的光强变化来求得被 测物体的相位分布“，这样一次测量就能直接得到整个被测量表面的相位 信息分布，极大的提高了测量效率。但是要想成功的用相移法进行测量， 就需要高性能的相移器。 随着对液晶的认识和研究，各国的许多科技工作者，对于液晶的制造、 液晶的性能、液晶的技术等做了大量的研究工作。液晶具有光学和光电特 性及光强和相位的调制作用。目前，光强调制技术发展较快并在液晶显示 器上用的比较普及，近些年来液晶的相位调制作用也引起了人们的注意， 而相位调制过程中又具有光强不改变特性所以与p z t 相移器相比有很大优 势：液晶盒是透明的，容易适应各种光路；液晶盒可以做的很薄：液晶盒 使用低电压便于控制；液晶盒尺寸大小有很大自由度，可以制成各种空间 相位调制器；无滞后性质。人们开始尝试把液晶体做相移器应用于数字错 位散斑干涉计量1 2 4 1 。1 9 9 0 年，h k a d o n oa n dst o y o o k a 等用扭曲式液晶做 相移器与传统的错位散斑干涉结合实现了对粗糙表面物 奉变形的测量，值 是为了得到较好的效果需仔细调制液晶、偏振片的角度，调整工作十分繁 琐。9 6 年国内有人口6 i 提出用平行排列液晶实现相移的方法，在错位干涉系 统中利用液晶相移器在通过剪切镜的光楔和平板两束光间引入相移，运用 相关条纹法对物体应变进行了测量，得到了较好的效果，但各种引起误差 的因素没得到很好的控制。总之前人的研究从理论和实际上都足以说明液 晶相移器可以成功的用于散斑干涉计量，且有比其他相移器更多的优点。 本章将从光学干涉和液晶的基本特性出发，把液晶相移器与涯拉斯顿棱镜 结合成一体化相移错位系统，并对其相移错位原理进行研究和分析。 墨兰奎兰壁主笙兰 兰三耋兰三堕兰竺竺苎! 兰竺垦堡翌! 兰兰! 堕 2 2 液晶的特性 液晶态是一种介于液体与晶体之间的中间态，它既有液体的流动性，又 有类似晶体结构的有序性。这类物质在力学性质上象是液体，在光学性质 上又象是晶体，故称为液态晶体，简称液晶。液晶是由杆形分子、盘形分 子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。它不同于分子排列完全 混乱的各向同性液体，也有别于分子排列完全有序的晶体。这种介于晶体 与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质，导致了液晶呈现 出液体与晶体的特性，甚至有远比它们更复杂的特性。一方面，液晶具有 流体的流动特性：另一方面，液晶又呈现出晶体固有的空间各向异性，包 括介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。液晶分子的部分有序 排列还使得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。也就 是说，液晶具有切变弹性模量。 一般来说液晶和液体一样可以流动，但是在不同方向上它的光学性质不 同，显示出类似于晶体的性质。液晶材料的分子结构特点是具有细长形状。 如介晶相的温度范围为2 0o c 至j l4 0 c 的m b b a 的分子结构形式为 c h ， 、 、。一一c h = ”一一f 唾，f 峰 、( 强 、日， 这样的分子，因来自外界的微弱电场、磁场和极微弱的热刺激而改变 其排列方向，或者使分子的运动发生紊乱。利用液晶的这种性质可以很容 易的改变它的光学性质。液晶的分子排列分为三种类型，向列型( n e r o a t i c ) ， 从整体来看分子轴向着同一方向。胆甾型( c h o l e s t e r i c ) 分子轴成扭曲状 态。近晶型( s m e c t i c ) 排列成层，在一个方向上保持分子的“位置有序”。 根据它的分子排列和排列上的缺陷，液晶常显示出不同的分子排列结构和 织构。液晶分子的化学结构对液晶稳定性，包括化学稳定性、电化学稳定 性、光化学稳定性和热稳定性都有影响，研究液晶性质和液晶分子结构之 间的关系，对新型液晶材料的合成和应用都具有指导意义。 向列型液晶在光电子学方面用途很大。如果用两块经过取向处理的玻 璃板把相列型液晶夹在中间，就可以使液晶分子和玻璃面平行排列，成为 沿面排列，如图2 1a 示。 液晶获得广泛应用的基础是因为液晶具有电光效应即对液晶施加电场 会引起分子轴重新排列，因而产生各种形式的电光效应。如液晶的电控双 1 0 至堡查兰堡圭兰兰 兰三兰兰三婆苎竺竺塑兰堂生堂翌塑墅兰翌! ! ! 苎旦 折射效应：对液晶施加电场使液晶的排列方向发生变化，由于排列方向的 改变，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射。如图2 一l 示 为液晶可变延迟器分子排列结构图，通常情况下向列型液晶分子沿长轴方 向平行排列，并且与基板平行此时产生最大的相位延迟。当在液晶盒的两 扳之间施加超过阈值的电场时，分子轴力图转向与电场垂直的方向，随着 电压的增加分子的倾斜度加大由此引起双折射率的降低即相位延迟减小。 但是由于表面铆定作用基板表面的分子不能自由旋转。如图2 1b 示。 所以通过改变液晶体电极上的电压可以实时连续改变液晶体双折射 率，这样寻常光( 0 光) 和非寻常光( e 光) 在经过液晶体后产生相位的相 应延迟( 相位差) ，即 。 ：2 z d ( n e - n o ) s i n 2 毋 f 9 1 、 五 7 公式( 2 1 ) 中d 为液晶体的厚度，入为照射光波波长，0 为光的入 射角，、心分别为寻常光和非寻常光的折射率。液晶相移器就是利用此 效应制成的。 e 二二二= 二二 ，晶涮e = 二二二二二 匡雾慨鸢紫1 。 fr 曼要主麓尹f 卜5 紫r0 90 囊朗粤 苎釜兰兰釜笺彗舯0 1 “叭“苎鋈釜鲨鋈茎姜釜蟮”“驴 a v = o 图2 1 液晶的分子结构图 b v ) o 2 3 基于液晶体和渥拉斯顿棱镜的相移错位理论 本文采用l e a d o w l a r ko p t i c s 公司生产的液晶可变延迟器( d 3 0 4 0 犁) 作为相移器。液晶可变延迟器用镀有能导电的铟锡氧化物的熔融石英光学 平板做成间隙几微米的盒子，在铟锡氧化物上覆盖薄薄介电层，在盒内注 入具有双折射效应的向列液晶材料。预先用物理或化学方法对基板表面进 行处理，使基板之间的液晶分子长轴和基片平行排列，极板上附着有透明 电极，由此电场可以通过液晶盒方便的施加。 图像剪切的实现可采用不同的装置，y yh u n g 提出了楔形结构1 2 7 1 1 9 9 2 1 l 墨兰奎兰堡主堡苎 釜三兰茎三茎曼竺塑塑兰堂竺墼銎望! 墅旦垒坌旦 年张熹等提出了大剪切散斑干涉法，成功的设计和研制了大剪切光学元件- 本文采用渥拉斯顿棱镜( w o il a s t o np r i s m ) 做错位镜。该棱镜由两个材料为 方解石的直角棱镜胶合而成，且两个光轴方向相互垂直。 由于用液晶做相移器，体积小，调节方便。如图示液晶相移器仅为外 径7 7 m m ，厚2 5 m m 的圆柱形，且重量很轻。我们采用的渥拉斯顿棱镜外经也 仅有6 4 m m ，如图2 2 示，我们可以很方便的把它们做成一体化设备。 癌晶相移 2 3 1 相移错位原理 图2 2 相移错位系统 剪切镜 液晶可变延迟器充分利用了液晶的一个重要性质即：如粟液晶的光轴 与界面平行，而且入射的线偏振光的光矢量与光轴成4 5 。角，则在液晶中 的折射光波分解为。悲和e 光，它 3 钓传播方向都沿着界面法线方向，但 速度不同。如图2 3 示光波经过液晶体和错位镜的传播情况： 当一束光射入液晶体时，则在液晶中的折射光波分解为。光和e 光， 它们的传播方向都沿着界面法线方向，但速度不同。垂直入射到错位棱镜 的前表面时，在后表面将形成两柬互相分开的、振动方向互相垂直的平面 偏振光1 2 ”。图2 3 右侧为渥拉斯顿棱镜的结构图，当光线垂直射入第一块 棱镜( 光轴与晶体表面平行) 后，寻常光( 0 光) 和非寻常光( e 光) 无折 射地沿同一方向进行，但它们的速度不同，传播到a c 界面。第一棱镜的0 光折射到第二棱镜是由光密到光疏媒质，远离法线方向；丽第一棱镜中的e 光在界面a c 上的折射则为由光疏到光密媒质( 方解石晶体中n 。 il ；l j i 7 ： 弋砀 f 。 、 l i q u i d 。c r y s t a lc e l l s h e a r i n gd e v i c e 图2 3 液晶相移错位系统原理图 2 3 2 液晶相移法对物体力学行为进行测试的原理 e s s p i 原理和光路如图2 4 示 0 b j e c ts k d n g 图2 4 错位散斑光路图 按照剪切散斑形成原理，假设错位沿x 方向，对于整个物体来说像平 天津大学硕士论文第二章基于液晶体的数字错位散斑相移理论分析 面上形成了两个相互错位的像。物体变形前做第一次曝光其光强为 i ，= 2 a 2 ( 1 + c o s , a ) ，( 2 - 2 ) = 中( x + 鳓一$ ( x ，y ) 为由于剪切引起的初始位相的变化。物体受力 变形后，同时附加一个位相移动中( 有液晶相移器实现) 进行第二次曝光， 其光强为： ，2 = 2 a 2 1 + c o s ( p + 妒+ m7)】(23) 式中a r , o = 扛+ 渡，y ) 一巾( x ，y ) 为由于剪切所引起的变形相位的变 化；a d o = 7 0 + 疵，y ) 一m ( x ，) 为相移角。两次曝光的总光强( 采用相减 模式) 为 ，= 4 a 2s i n ( 声+ 垒掣竺) s i n ( 垒掣竺) ，( 2 - 4 ) 其中前一项正弦函数为随机项，按后项s m ( 垒旦二! ；型) 的规律变化。 由此式可看出在计算机屏幕上将出现明暗相间的散斑干涉条纹。运用图像 处理手段，在像平面上s i n ( 垒生笋习= 。( 即垒生笋些= n 丌n = 0 , 1 , 2 - - ) 的地方就会得到暗条纹，这些条纹代表着被测物体上满足 s i n ( 垒竺专= 。的点。由式( 2 4 ) 可知，条纹图反映了光波相位变化妒， 这个相位变化是由物体变形引起的。图2 - - 5 表示物体变形与光波相位变化 的关系。 嚣急赣簿 图2 5 物体变形与光波相位变化关系 天滓大学硕士论文第二章基于液晶体的数字错位散斑相移理论分析 从图中可以看到，当物体在外力作用下发生变形，表面上任一点 p ( x ，y ，z ) 变形后位移到尸o + 群，y + v , z + w ) ，u ，v ，w 为三方向的位移增量， 则光程的变化为田( x ，y ) = ( s p + 尸幻) 一( 铲+ p o ) ( 2 5 ) 其中 s p = ( x - - + “) 2 + o y ，+ 2 + ( z