1、剪切干涉技術(shù)新進(jìn)展史紅民倪受庸付雷王昊陸耀東提要：在共光路干涉中，剪切干涉法已在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該方法有其獨(dú)特的優(yōu)越性，也存在局限性。這導(dǎo)致剪切干涉法只能在特定的條件下測量某些特定量。本文主要討論干涉法的這些優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)一些新進(jìn)展，如剪切干涉中的相移技術(shù)，二維剪切干涉技術(shù)和剪切干涉中的載波技術(shù)。所有這些進(jìn)展都是為了擴(kuò)展剪切干涉法的應(yīng)用領(lǐng)域，提高該方法的精度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。關(guān)鍵詞：剪切干涉，相移，載波The new progress in shearographyShi HongminNi ShouyongFu LeiWang HaoLu Yaodong(Beijing Instit

2、ute of optoelectronic Technology,Beijing100010)Abstract:As commonpath interferometers,shearography(shear interferometer) has been widely used in many fields.It has some special advantages as well as some disadvantages.This leads to the result that shearography can only be used in some special condit

3、ions for some special use.In this paper,both the advantages and the disadvantages are discussed.Some new progress,such as,the phaseshift in shearography,twodimensional shearography and the photocarrier in shearography,are proposed.All of the new progress is developed in the aim of extending the appl

4、ication field,improving the processing accuracy and realizing automatic measurement.Key words:shearography,phase-shift,photo-carrier1前言通常的干涉儀，如泰曼格林干涉儀或馬赫澤德干涉儀，參考光和物光沿不同的光路傳播，因此受機(jī)械振動(dòng)和溫度擾動(dòng)的影響。這導(dǎo)致該方法只能在防振臺(tái)上，并有控溫和穩(wěn)定氣流設(shè)施的環(huán)境下，才能得到穩(wěn)定、清晰、高對比度的干涉條紋。這種局限性使剪切干涉法只能應(yīng)用于有較好條件的實(shí)驗(yàn)室。上述大多數(shù)局限性可由所謂共光路干涉法來克服，也就是讓參考光和物光基本

5、上沿同一光路進(jìn)行傳播。本文主要討論上述問題，并提出解決方案。2剪切干涉法剪切干涉法是干涉法中的一種很重要的方法，已在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)器件的檢測、液體和氣體流動(dòng)的研究、實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的應(yīng)力、應(yīng)變和振動(dòng)分析。目前已有很多種剪切干涉儀器，人們通常按剪切方向或剪切方法對它們進(jìn)行分類。從剪切方向上可分為橫向剪切、徑向剪切、旋轉(zhuǎn)剪切、反轉(zhuǎn)剪切；從剪切方法上可分為平板剪切干涉儀、薩瓦偏光鏡干涉儀、渥拉斯特棱鏡干涉儀和光柵剪切干涉儀。在這些干涉儀中，用到了光學(xué)的很多基本現(xiàn)象，如平板剪切干涉中的反射和折射現(xiàn)象、光柵剪切干涉中的衍射現(xiàn)象、薩瓦偏光鏡干涉儀和渥拉斯特棱鏡干涉儀中的光偏振和雙折射現(xiàn)

6、象。剪切干涉的優(yōu)點(diǎn)是對機(jī)械振動(dòng)、溫度擾動(dòng)、以及空氣流動(dòng)都不敏感。因此在實(shí)驗(yàn)室外(如現(xiàn)場檢測)有著廣泛的應(yīng)用。但是剪切干涉仍有其局限性，如難以形成相移、不易進(jìn)行定量分析、要得到完整信息還需進(jìn)行二維剪切、以及不易進(jìn)行自動(dòng)處理等。我們的研究小組已對這些問題進(jìn)行了一系列的研究，并在一些方面取得明顯進(jìn)展，如剪切干涉中的相移法、二維剪切干涉系統(tǒng)、剪切干涉中的載波技術(shù)、以及序列圖象處理技術(shù)。這些將在下文中進(jìn)行討論。3剪切干涉中的相移技術(shù)53.1相移技術(shù)的主要問題光學(xué)干涉法因?yàn)榫哂腥珗?、非接觸測量和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，所以被認(rèn)為是精確測量中的主要方法。但是有兩個(gè)原因使得該方法只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中。首先，光學(xué)干涉對測

7、試環(huán)境的要求很高，通常需要全封閉、防振、防塵。解決該問題的唯一方法是使用剪切干涉，因?yàn)樵诠补饴犯缮嬷?，物光和參考光基本上沿同一光路傳播，所以環(huán)境干擾對兩束光的作用相同，干涉條紋沒有變化。這種方法是干涉法中唯一能離開防振臺(tái)，離開實(shí)驗(yàn)室，走向現(xiàn)場測試的方法。第二，干涉條紋非常復(fù)雜，很難識(shí)別和分析，只能利用計(jì)算機(jī)來處理。在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理時(shí)，必須使用特定的方法使條紋的識(shí)別和處理自動(dòng)化，相移法是條紋自動(dòng)識(shí)別和處理的最好方法。最佳選擇是剪切和相移相結(jié)合，因?yàn)檫@樣既能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。相移就是在兩束光之間人為加入一系列已知量的位相差，但這一般需要兩束光在空間上是分離的，而剪切干涉是共光路的

8、，兩束光是沿同一光路傳播的，因此沒有足夠的空間在剪切干涉中實(shí)現(xiàn)相移。這是我們在該領(lǐng)域中遇到的主要問題。這種問題主要是由空間受限造成的，因此必須尋找一種節(jié)省空間的方法，偏振是節(jié)省空間的最優(yōu)選擇，因此我們重點(diǎn)研究偏振方法實(shí)現(xiàn)相移。3.2基于偏振的剪切法基于偏振的剪切法有三種：分別是薩瓦偏光鏡1，渥拉斯特棱鏡1和使用雙折射鏡頭的雙焦距系統(tǒng)。雖然這幾種剪切法有不同的結(jié)構(gòu)，但它們有著共同的特點(diǎn)，也就是由這些方法產(chǎn)生的兩束光的偏振方向是相互垂直的。比如在薩瓦偏光鏡(如圖1)，一束光是OE(這束光在棱鏡的前半部是O光，而在后半部是E光)，另一束光是EO(這束光在棱鏡的前半部是E光，而在后半部是O光)。這兩束

9、光的剪切錯(cuò)位量是d，它是由尋常光和非尋常光的折射率(分別為No和Ne)，以及棱鏡的整個(gè)厚度2t決定的。而這兩束光的偏振方向是相互垂直的。3.3基于偏振的相移法基于偏振的相移法的原理是：首先在剪切鏡的后面放一塊四分之一波片Q，該波片的主軸(快軸或慢軸)與剪切鏡輸出光OE和EO的偏振方向的夾角相等，也就是與它們的夾角都是45度。經(jīng)過四分之一波片Q后，這兩束線偏振光都變成圓偏振光，在四分之一波片Q后放置一個(gè)偏振片P作為檢偏鏡，在檢偏鏡P后就得到剪切干涉條紋。如果把檢偏鏡P旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這兩束圓偏振光都受到影響，一個(gè)產(chǎn)生角度的相移，另一個(gè)產(chǎn)生-角度的相移，因此干涉條紋的相移是25。由此可知，相移剪切干

10、涉法基本組成為：基于雙折射的剪切鏡SP，四分之一波片Q，以及檢偏鏡P(如圖1a所示)，光束矢量如圖1b所示。圖1相移剪切干涉法基本組成和光束矢量圖4二維剪切干涉法傳統(tǒng)的剪切干涉只在一維方向(X或Y)進(jìn)行，因此只能得到一個(gè)方向的信息。通常只能用于定性分析(如NDT)，或者被測物體具有對稱性(如均勻受壓的圓盤)。在靜態(tài)測試中，可以通過改變剪切鏡的方向來分別得到被測物體兩個(gè)方向的信息，這不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且只能用于靜態(tài)測試中。我們在薄膜應(yīng)力測試儀中就使用上述方法。通常情況下，被測物體是不穩(wěn)定的，如果需要物體的全場信息，必須同時(shí)得到兩個(gè)方向的信息。通常的解決方法是使用二維剪切干涉系統(tǒng)，一個(gè)沿X方向，一個(gè)

11、沿Y方向。該系統(tǒng)需要兩個(gè)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)，包括兩個(gè)CCD、兩個(gè)鏡頭、兩個(gè)圖象采集卡和兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，為了能方便地對兩臺(tái)計(jì)算機(jī)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還須兩塊網(wǎng)卡以形成局域網(wǎng)。為了能同時(shí)采集兩個(gè)方向的圖象，還須同步裝置使兩個(gè)圖象系統(tǒng)同步工作。我們已經(jīng)使用該系統(tǒng)對激光腔鏡變形情況進(jìn)行檢測。為了節(jié)省設(shè)備，簡化系統(tǒng)構(gòu)成，我們還提出一種共光路的二維剪切干涉系統(tǒng)，它只需要一個(gè)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)(如圖2)。圖2共光路二維剪切干涉系統(tǒng)該系統(tǒng)使用兩個(gè)剪切裝置產(chǎn)生兩個(gè)剪切干涉條紋圖，然后使這兩幅條紋圖成象在同一屏幕上，因此只須一個(gè)圖象處理系統(tǒng)來記錄和處理?xiàng)l紋圖。問題在于如何在計(jì)算機(jī)中將條紋圖中的信息進(jìn)行分離，這里，我們用不同

12、的載波(將在下節(jié)討論)對兩個(gè)方向的條紋圖分別進(jìn)行調(diào)制，因此可在條紋圖的頻率域中將兩個(gè)方向的信息分離開來。這兩個(gè)載波的方向是相互正交的(如圖3)，一個(gè)沿X方向(載波條紋是一系列平行于X軸方向的平行條紋)，另一個(gè)沿Y方向(載波條紋是一系列平行于Y軸方向的平行條紋)。在信號(hào)處理中，我們使用了快速付立葉變換的頻域分析技術(shù)對所得條紋進(jìn)行處理，得到它的頻域分布，如圖5，兩個(gè)方向條紋的頻譜是分開的。因此在頻域上分離它們是很容易的，分別對兩個(gè)一級譜進(jìn)行逆付立葉變換，得到位相，進(jìn)一步處理就可得到全場信息，具體在下節(jié)討論。圖3載波的條紋圖和它的位相圖5剪切干涉中的載波技術(shù)載波2是一種光學(xué)方法，它不僅能解決模糊條紋

13、的識(shí)別問題，還能提高任何干涉儀器的靈敏度和測試精度。不同的干涉儀使用不同的方法實(shí)現(xiàn)光載波，但它們的解調(diào)方法基本一致。在剪切干涉中，可給平行光一個(gè)小的離焦量或使平行光以一個(gè)小角度入射剪切鏡。包含我們所需信息的激光波前與載波調(diào)制如下：ix(x,y)=a1(x,y)+b1(x,y)coswcxx+x(x,y)(1)iy(x,y)=a2(x,y)+b2(x,y)coswcy+y(x,y)(2)式中：a1(x,y),a2(x,y),b1(x,y)和b2(x,y)是低頻分量，x(x,y)和y(x,y)是待檢測的位相信息，Wcx和Wcy分別是X方向和Y方向載波的頻率。在分光路的二維剪切干涉系統(tǒng)中，對ix(x,y)和iy(x,y)分別進(jìn)行分析。在共光路二維剪切干涉系統(tǒng)中，兩個(gè)方向的信息是同時(shí)處理的。i(x,y)=ix(x,y)+iy(x,y)a(x,y)+b1(x,y)coswcxx+x(x,y)+b2(x,y)coswcyy+y(x,y)(3)本文使用的處理方法是付立葉變換法3。在得到兩個(gè)方向的位相信息之后，采用有關(guān)的數(shù)學(xué)處理方法，很容易得到波前位相信息。這些處理都是高精度，高靈敏度和全自動(dòng)的。6結(jié)論在本文中，我們總結(jié)了剪切干涉中的新進(jìn)展，由此可知，剪切干涉法是一種非常方便的光學(xué)測試方法，能廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，特別是現(xiàn)場測試。本