光学精密检测技术第九讲教材

光学精密检测技术与检测仪器

中国科学院大学2015年10月19日张文喜光学精密检测技术与检测仪器系列九全息计量基本理论

衍射角谱衍射公式：菲涅尔衍射公式：全息计量基本理论傍轴光学系统衍射全息计量基本理论傍轴光学系统衍射——柯林斯（Collins）公式全息计量基本理论傍轴光学系统衍射——柯林斯（Collins）公式全息计量基本理论傍轴光学系统衍射——柯林斯（Collins）公式菲涅尔衍射公式：全息计量基本理论讨论衍射光通过透镜的衍射菲涅尔衍射公式：全息计量基本理论

衍射菲涅尔衍射公式：

普通照相记录光波的强度(即振幅)，将空间物体成像在一个平面上，丢失光波的相位。记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，则可看到包含物体全部信息的三维像。

全息计量

普通照相与全息区别英籍匈牙利科学家丹尼斯·盖伯(DennisGabor)发明盖伯设想：记录一张不经任何透镜的，用物体衍射的电子波制作曝光照片(即全息图)，使它能保持物体的振幅和相位的全部信息，然后用可见光照明全息图来得到放大的物体像。由于光波波长比电子波长高5个数量级，这样，再现时物体的放大率就可获得105倍而不会出现任何像差，所以这种无透镜两步成像的过程可望获得更高的分辨率。1948：盖伯提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法，从而开辟了光学中的一个崭新领域，他也因此而获得1971年的诺贝尔物理学奖。全息发展史全息计量1948到50年代末期，全息照相进展缓慢：

采用汞灯作为光源，光源的相干性太差同轴全息图，它的级衍射波是分不开的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得好的全息像。1960：激光被发明，提供了一种高相干性光源

1962年美国科学家利思(Leith)和乌帕特尼克斯(Upatnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术。全息术快速发展：并在信息处理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到广泛应用。全息发展史全息计量基本思想：用干涉方法得到像平面上光波的全部信息(振幅和相位)，记录在记录介质上——波前记录。

在一定条件下，将记录携带物体全部信息的波前再现——波前再现。说明：全息术中通常使用的波是光波，一般把它称为光全息术，另外还有微波全息术、声波全息术等。波前记录与波前再现是全息术的核心基本原理全息计量ACBDORHyx基本原理全息计量被记录的总光强为：基本原理假定参考光的强度在整个记录表而是均匀的，则:表示均匀偏置透过率

全息计量

用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅分布为透过全息图的光场为———全息方程基本原理全息计量当，有若物为实物体，发光为发散光，U3为虚像，且无像差。

ACBD在现光波U3~O照明光波CHyx基本原理全息计量当C=R,有若物为实物体，发光为发散光，U4为实像，但有像差。A’C’B’D’在现光波U4~O*照明光波C=RHyx实像基本原理全息计量当，

有若物为实物体，发光为发散光，U4为实像，无像差。

A’C’B’D’在现光波U4~O*Hyx实像照明光波R*基本原理全息计量同轴全息全息计量重建光程离轴全息重建光程全息计量单纯的全息照相技术,不能提供测量信息,但全息底片记录了物光的某一状态的波前信息,可以与新的物光信息形成干涉,可以利用干涉测量的技术进行测量分析工作1965年R.Powell和K.Stetsen提出,把干涉测量和全息技术相结合,进行一些测量工作。常用的测量方法主要有:实时法（单次曝光法）二次曝光法时间平均法全息计量常用测量方法一次全息图制作→复原安装→再现对准应用:实时观察不同条件下的变形情况,如温度\压力\内部情况特点:只需一次制作全息底片方便,节省时间,特别适合透明介质的一些现象复位精度要求高使用时间短,条件要求高,乳胶易收缩变形,产生附加条纹全息计量实时法原位曝光/遮光→物体发生变化→再次曝光→显影/定影→显示观察应用:瞬态现象研究,如冲击波、流体、燃烧等全息计量二次曝光法特点：不需要高复位精度不需要监视变化整个过程原位完成所有过程，引入误差小形成干涉条纹主要有变形和激光频率变化引起，应尽量激光频率变化注意:

曝光时间远大于振动的周期常用于振动模式分析全息计量时间平均法2006年3月6日星期一常用方法：时间平均法常测量：特殊要求的机械部件的振动模态全息计量振动测量常用方法：实时法、二次曝光法用途：测量透明介质的一些物理场信息如：温度、力场、流速、均匀性等信息全息计量粒子场分布测量项目干涉技术全息干涉测量优点简单、光滑表面任意形状、对表面几乎无要求单点或多点测量三维表面需要全程检测过程可仅比较起始和终了两个时刻的状态缺点范围大，小于激光的相干长度范围小，仅几十um全息测量的特点及与传统干涉测量的比较全息计量时间平均法数字全息处理——移相法数字全息计量同轴移相全息数字全息计量同轴移相全息数字全息计量全视场外差相移全视场外差全息原理数字全息计量微透镜阵列显微全息图Zygo白光干涉仪测量结果全视场外差全息微透镜阵列全息重构图技术参数：帧频：30fps拍频：3Hz数字全息计量三维重建结果物波面相位全视场外差全息——成纤维细胞全息图物波面振幅全息数据数字全息计量三维重建结果物波面相位全视场外差全息——成纤维细胞物波面振幅全息数据数字全息计量三维重建结果物波面相位全视场外差全息——表皮细胞物波面振幅全息数据数字全息计量三维重建结果物波面相位全视场外差全息——复眼（全息图信噪比较差）物波面振幅全息数据数字全息计量三维重建结果物波面相位全视场外差全息——表皮细胞（全息图信噪比较差）物波面振幅全息数据数字全息计量1970年Leendez开创了光学粗糙表面的干涉测量方法，称这种方法为散斑干涉测量一、基本的概念散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面上时，其反射的光束中亮斑与暗斑的分布杂乱，顾称为散斑（Speckle）其实质：经粗糙表面漫反射后的光，空间干涉的结果，所以是非物体表面的像

其分布与照射的表面有关(小)散斑全息计量散斑基本特性散斑产生的条件：

1）粗糙表面，h>λ产生均匀散斑

2）必须有高相干光散斑照相:

被激光照射的粗糙表在透镜的像面上形成的散斑图同全息相比,散斑照相并不能提供测量的一些信息如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息,利用变化后的形成的散斑干涉,可以进行测量工作散斑干涉技术:

在散斑图的基础,外加一相干的参考光,例如平面波,球面波或者稳定的其他散图均可应用:测量位移、应变、振动、粗糙度等散斑基本特性散斑全息计量散斑——垂直光轴方向平均散斑直径：散斑——光轴方向平均散斑直径：——光波波长——被照明的散射表面对观测点的张角——被照明的散射表面的直径L——散射面到观察面的距离

散斑特性——散斑大小dL

散斑全息计量散斑大小——垂直光轴平均散斑直径（焦平面）：散斑大小（不在焦平面位置）：——焦距——透镜口径——像距

散斑特性——成像观测d

散斑全息计量散斑对比度：表面粗糙度：

散斑特性——散斑对比度0.20.40.60.810.20.40.60.8非像面像面散斑全息计量散斑位移与物体位移的关系：

散斑特性——散斑运动规律

——散斑位移量——物体位移量——物体到观察面的距离——物体到光源或激光分束器的距离注：上式仅适用于的情况散斑全息计量1、测量纵向位移当O有位移时，参考光与物光 的相位差为：根据相干的条件当δφ=2kπ时，

即：与初始上干涉状态一致当δφ=(2k+1)π时,即:

图像明暗反转散斑全息计量散斑全息计量通过观察散斑的明暗变化次数,可以测量纵向位移。当H为全息干板,曝光周期大于振动周期时,在节点处,光强和相位不变化,其他位置,光强和相位发生变化,所以在节点处,高对比度,其他位置对比度下降,可以测量振幅及振动模态散斑全息计量散斑全息计量2、测量横向位移参考光与物光以相同夹角入射，方向关于Z对称当物面沿Z向变化时，物光与参考光的相位变化一致，不产生额外相位差，散斑不变化当物面有X，Y方向变化时光程变化为：

相位变化为：当Δ=2dsinθ=mλ时，恢复初始状态散斑全息计量散斑全息计量ESPI：主要相对于传统光学记录方式而言，主要指CCD采集的散斑场信息，这样可以进行电子处理或者计算机处理。ESPI的特点：电子技术提取信息，可以直接显示和保存散斑图，操作简单、实用性强，自动化程度高、可以进行静动态测量，不需要复杂的显影、定影及复定位技术要求。普通散斑技术的特点：与全息类似，需要干板记录，条纹的计数和判向与传统干涉类似，但可以测量较粗糙的表面。

电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量基本原理CCD感受的光强为参考光的余弦调制当Δφ=2kπ，光强不变当Δφ=(2k+1)π，光强变化最剧烈其他,变化程度与Δφ有关电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量ESPI处理:

一般图像间相减,其结果:

相减后,光强分布仍然是Δφ的余弦分布函数,即干涉条纹与Δφ有关,这种条纹反映出的是两次散斑干涉间的光强分布之间的相关性,称为相关条文，由于Δφ与光程有关,反应出的是物面的变形或位移的多少。电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量1、测量表面粗糙度电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量2、测量内孔的表面质量电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量测量面内位移图测量面外位移电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量电子散斑干涉测量技术（ESPI）散斑全息计量相移技术由原来的计量条纹的级数发展为计量条纹的位相使测量精度大大提高电子剪切散斑干涉测量技术散斑全息计量电子剪切散斑干涉测量技术是以激光散斑作为被测化信息的载体，利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测相位变化。利用图像传感器和精确的相移技术，将变化过程中的光学信息实时地记录下来，由计算机软件处理后显示干涉条纹图，通过数值计算将这些条纹解析为熟知的物理量剪切干涉就是采取某种光在像面上产生两个像，这两个像之间有一个错位（称为剪切量），当物面用相干光照明时，这两个像的重叠部分将发生干涉。散斑全息计量电子剪切散斑干涉测量技术——应用1广泛用于物体振动测量、轮廓测量和模态分析2用于测量高温物体的位移和热变形3在无损检测方面也取得了很多成功的应用散斑全息计量比较全息散斑主要用来测量物体的三维变形，可以定量的测出物体的具体的变形量；剪切散斑出现的条纹图是蝴蝶型的，主要用来检测物体是否有缺陷，无法定量的检测物体的具体变形量，只可定性。散斑