自参考散斑图案干涉测量技术在振动环境中的变形测量应用

《Optics and Lasers in Engineering》：Self-referencing speckle pattern interferometry for deformation measurement in vibrating environments

　　

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  自参照：4f小孔过滤物体光可以创建一个相位均匀的参考信号，无需独立的参考激光器或额外的分光臂。
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  抗振动性：物体光束和参考光束通过偏振分光器分离；严格的小孔/光阑同心度消除了由横向振动引起的参考相位偏移，而轴向振动作为共模振动被抵消，从而避免了振动隔离的问题。
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  强振动验证：像素化偏振相机能够实现单次拍摄的空间载波相位提取；在2800转/分钟的速度下，传统干涉条纹无法分辨，而所提出的系统仍能产生清晰的相位图。

引言

当激光光照射到粗糙物体表面时，散射的小波产生干涉和叠加，形成细小且随机分布的亮斑和暗斑，这种现象被称为激光散斑。在数字全息术中，由于散斑的产生会降低全息图像的信噪比（SNR），因此散斑被视为噪声，并通常通过滤波等方法从全息图中消除。随着数字散斑图案干涉术的发展，由于变形前后散斑场是相关的，可以通过记录变形前后的散斑干涉图像并通过图像处理技术提取相位差来获得物体的变形信息。作为测量物体变形的载体，散斑不再被视为噪声；相反，它被用于测量物体的变形或位移。这种方法具有非接触操作、高灵敏度、全场测量和实时显示等优点，因此已被广泛应用于应力应变分析、振动模式测量和无损检测等领域[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。

传统的散斑图案干涉术对环境振动非常敏感。因为物体光束和参考光束通常沿不同的光路径传播，外部振动会导致它们的光路径差发生随机变化，从而降低干涉条纹的对比度，甚至使条纹完全消失。在数字散斑图案干涉术中，高对比度的散斑图像是从单帧图像中提取相位的前提条件。当振动降低散斑图像的对比度时，无法从单帧散斑图像中获取相位信息。由于数字散斑图案干涉术是一种基于相关性的测量技术，振动引起的散斑场相关性的降低或解相关会阻碍从变形前后的两帧图像中准确获取相位差，因此无法得到精确的变形值。因此，测量通常需要一个振动隔离平台来确保准确性，这在工业环境等复杂场合大大限制了该技术的应用[7]。

实时动态采集对于抗振散斑图案干涉术至关重要。相位移动方法是相位提取的核心，主要包括时间相位移动和空间载波相位移动。时间相位移动从一系列强度图像中提取相位，具有高测量精度和直接的相位计算能力。然而，在采集过程中物体必须保持静止，并且必须在变形前后记录多张强度图像；因此该方法不适用于动态测量[[8], [9], [10], [11]]。空间载波相位移动从单张强度图像中提取相位，因此适用于动态测量。传统的方法通过物体光束和参考光束之间的角度偏移引入载波频率。尽管光学布置简单，但载波频率的调节范围相对有限，受到机械设计的限制[[12], [13], [14]]。相比之下，偏振相位移动使用光路中的波片和集成在相机传感器上的像素化微偏振器阵列。该阵列引入了载波因子，允许在没有机械相位移动组件的情况下进行动态测量，从而使系统更加简单和紧凑[[15], [16], [17], [18], [19], [20]]。

散斑图案干涉术系统可以分为共路和非共路配置。在非共路系统中，物体光束和参考光束遵循不同的传播路径，使其相位差容易受到振动的影响，从而降低干涉对比度。在共路配置中，两束光在空间上几乎完全重叠；因此环境振动、温度梯度和气流会在两束光中引入几乎相同的相位变化。共路系统非常适合在振动环境中进行散斑图案干涉测量。Yan提出了一种共路剪切干涉系统，该系统结合了液晶偏振光栅和偏振相机用于动态测量[21]。然而，剪切干涉只能提供变形的一阶导数，无法直接恢复变形本身。Ma等人提出了一种共路散斑图案干涉系统，该系统利用昆虫翅膀的透明度实现了物体光束和参考光束的共路传播[22]。这种方法对样本的透射和反射特性有特定要求，限制了其更广泛的工业应用。在点衍射数字全息干涉术中，入射场被分成两束光：一束直接成像为物体光束，另一束通过小孔滤波形成参考光束[23]。这种布置实现了自参照。传统的点衍射全息术通常用于测量表面形状或缓慢变化的物体的波前误差，此时物体光束具有相对规则的相位分布；它不太适合测量粗糙物体的位移或变形。此外，点衍射全息术需要对干涉场进行逆重建以恢复物体的复振幅，而散斑图案干涉术直接成像物体，因此更为简单和稳健。与点衍射数字全息术不同，在自参照数字散斑图案干涉术中，由点衍射方法生成的参考光束的相位随散斑场随机变化。通过在实验装置中确保点衍射滤波小孔与系统光阑的严格同心对齐，可以有效地抑制轴向振动。由于在振动环境中，由轴向振动引起的相位扰动造成的图像解相关远大于横向振动的影响，本文提出并实验验证了一种基于点衍射的自参照数字散斑图案干涉系统。该方法针对物体光束携带的随机散斑相位，依赖于激光照射在粗糙表面形成的干涉图案。它不需要额外的参考目标，仅使用常规照明源，且光学配置简单。在这种配置中，通过将小孔与系统光阑对齐，环境振动引起的轴向相位扰动在干涉过程中被抵消。该系统通过4f系统的小孔滤波生成相位均匀的平面波作为参考光束，并结合偏振相机和偏振相位移动技术实现实时动态测量。

章节摘录

方法

自参照数字散斑图案干涉系统如图1所示。成像物镜在傅里叶变换透镜1的前焦平面上形成测试物体的中间图像。两个傅里叶变换透镜之间的光路径等于它们的焦距之和，从而形成一个4f系统。偏振分光器将入射场分为正交偏振的P和S分量。S偏振分量通过光阑。

实验

在实验室中构建了一个自参照数字散斑图案干涉系统和一个传统的散斑图案干涉系统，以验证所提出的方法。测量装置如图2所示。照明使用功率为200 mW、相干长度大于20 m的532 nm激光器。使用的偏振相机分辨率为2448×2048像素，像素大小为3.45 μm×3.45 μm。测试物体是一个圆柱形光学平版。

结论

我们研究了基于点衍射的自参照数字散斑图案干涉系统的抗振动原理和实验性能。理论分析表明，当傅里叶平面上的小孔和光阑精确同心时，由物体横向振动引起的参考光束相位偏移可以被完全消除。环境振动只会以共模扰动的形式影响物体光束和参考光束。

资助

国家自然科学基金（52,375,535）；中国工业和信息化部（应变监测仪器项目）

CRediT作者贡献声明

Mohan Ding：写作——初稿、方法论、形式分析、概念化、写作——审阅与编辑。Zhenghao Li：软件。Yonghong Wang：资源、监督。Xiangwei Liu：软件、形式分析。Peizheng Yan：概念化、写作——审阅与编辑、资金筹集。Jie Li：数据管理、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

Mohan Ding|Zhenghao Li|Yonghong Wang|Xiangwei Liu|Peizheng Yan|Jie Li