散斑干涉法

實驗應力分析方法的一種。漫反射表面被雷射照明時，在空間出現隨機分布的亮斑和暗斑，稱為散斑。散斑隨物體的變形或運動而變化，就可以高度精確地檢測出物體表面各點的位移。這就是散斑干涉法。

基本介紹

• 中文名：散斑干涉法
• 外文名：speckle  interferometry

歷史

雷射器用於全息照相後，就發現雷射形成的散斑。但它最初被認為是一種帶著無用信息的特殊噪聲。1969～1970年，散斑所攜帶的信息得到了套用，發展成為一些測試方法。例如J.A.倫德爾茨的雙光束散斑干涉法，E.阿奇博爾德、J.M.伯奇和A.E.恩諾斯的單光束散斑干涉法，K.A.斯特森等人的散斑測振法。前兩種屬於測量變形的散斑干涉法。

原理

散斑產生條件

為使散射光均勻，粗糙表面深度必須大于波長；

圖1 散斑產生原理圖

入射光線相干度足夠高。

散斑基本性質

散斑與均勻場相干所得散斑圖與自身散斑圖分布差別不大，全暗光斑較少一些。

散斑與均勻場的不相干疊加，沒有全暗散斑。

兩個散斑場的相干相加，散斑大小無明顯變化。

兩個散斑場的非相干相加，沒有全暗光斑。

分類

A. 雙光束散斑干涉法

在相干光照明下，把待測表面漫反射所形成的散斑場，和固定且不變形的另一表面的漫反射所形的散斑場疊加，構成一個新的散斑場。在待測表面發生變形的過程中，這個疊加而成的散斑場將發生如下變化：變形體表面沿法線方向每移動1/2波長的距離，斑的明暗變化就形成一個循環。當物體表面有不均勻的離面位移時，凡是位移為1/2波長及其整數倍的地方，散斑仍是原來的狀態。變形前後斑的亮度分布的細節完全相同的區域，稱為相關部分；反之，則稱為不相關部分。故可以採用適當的方法，把相關部分的干涉條紋顯示出來，從而了解物體表面的全場變形狀況。

套用

雙光束散斑干涉法用於測量板的變形和振動，用於輪胎的無損檢驗以及用於測量人的耳膜在各種聲響下的振動等。

B. 單光束散斑干涉法

在被雷射照明的物體表面以外的空間，形成隨機分布的散斑場。分布在空間的散斑，稱為客觀散斑；通過透鏡成象而記錄在平面上的散斑，稱為主觀散斑。物體發生微小變形，散斑也隨之發生變化，它們之間有著確定的關係。把物體表面變形前後所形成的兩個散斑圖，記錄在同一張底片。底片上的每個小區域，和物體表面的小區域一一對應；當此區域足夠小時，在底片上對應的小區域內的兩個散斑圖幾乎完全相同，只是錯動了一個與物體表面位移有關的小的距離。這時各個斑點都成對出現。其錯動的距離和方位，代表所對應的物體表面小區域的移動。用光學信息處理的方法，對所記錄的底片進行分析，就可以得到物體表面的位移或位移的微分的分布。

記錄的方法，既可以直接記錄客觀散斑，也可以通過透鏡記錄主觀散斑。通常採用的信息處理的方法，有逐點分析法和全場分析法兩種。

套用

單光束散斑照相已廣泛用來測量物體表面的平動、傾斜和應變，如孔周的應變集中，蜂窩夾層板的變形，平面問題的應變和斷裂力學實驗中的位移場等。利用側向散射光所形成的散斑，可以測量透明試件內部任一截面的位移和變形。

圖3 散斑干涉實驗結果圖

圖2 散斑形貌圖

C. 非相干光散斑法

在雷射散斑干涉法的發展過程中，形成了一種非相干光散斑法，或稱白光散斑法。

同雷射散斑干涉法相比，非相干光散斑法有很多優點。雷射散斑干涉法只能測量物體的平面部分，而非相干光散斑法卻可以通過控制照相的景深，對三維物體表面進行有層次的照相，可以逐次測量三維物體各截面的位移和變形；雷射散斑干涉法不能測量熱變形，而且受雷射器的能量限制，不便測量大面積的物體，而非相干光散斑法則沒有這些限制；單光束散斑干涉法的測量靈敏度和散斑的大小有關，非相干光散斑法可以人為地控制所製作斑點的大小，使得測量靈敏度可以在較大的範圍內變化。

套用

非相干光散斑法已用於測量雷達天線的熱變形、大的混凝土構件的變形和裂紋尖端位移場等。

與全息干涉法的關係

和全息干涉法比較，散斑干涉法對防振要求低。雙光束散斑干涉法的測量靈敏度和全息干涉法相當，單光束散斑干涉法的測量靈敏度則較低一些。用散斑干涉法比較容易獲得分離的位移分量及其微分。此法的缺點是只能測量物體表面的平面部分。

將全息干涉和散斑干涉兩種方法聯合起來，互相補充，可以通過一張雙曝光照片獲得分離的三維位移分量的全場分布。