LAM | 无损检测：剪切散斑干涉技术

撰稿 | Eva（中国科学技术大学、博士生）

当激光照射到物体表面时，在空间上形成的颗粒状图样被称为散斑，散斑通常被认为是全息技术的“祸根”，但是在 20 世纪 60 年代后期，人们发现散斑图案携带被测物体的信息，因此可以用于测量物体位移和形变的散斑计量学领域由此诞生。

为了测量物体的位移和形变信息，研究人员发展了散斑照相和散斑干涉技术。与全息干涉术不同，散斑干涉术可以测量变形矢量的分量。

早期，采用普通照相机搭配高分辨的感光乳剂作为记录介质进行，称为散斑干涉术（speckle pattern interferometry），随着工业发展的需求，使用摄像管进行电子记录的方式不断发展，并将该技术更名为电子散斑干涉术（ electronic speckle pattern interferometry：ESPI），随着电耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）的发展，采用 CCD 或 CMOS 记录散斑图案并通过数字处理技术分析，该技术又称为数字散斑干涉术（digital speckle pattern interferometry：DSPI）。使用 ESPI / DSPI 和相移技术，几乎可以实时获得物体在外力作用下的变形图。该技术的优势在于全场、非接触式、实时的全息测量技术，该技术克服了全息技术中参考光束带来的诸多限制，是用于现场测量的一个有效工具。

同时，材料科学家、应力分析师、质量保障人员、产品开发人员和许多其他从业人员不仅对变形感兴趣，而且对应变值感兴趣。应变测量是预测物体在受到某些外部影响时能够正常工作多长时间的基础。

目前有几种应变测量技术，包括逐点测量和全场测量。而 Shearography 是一种全场光学测量技术，已发展用于定性和定量应变测量。该技术被称为散斑图剪切干涉测量（speckle pattern shear interferometry ：SPSI）或剪切散斑干涉测量（speckle shear interferometry：SSI）或简称为剪切散斑（shearography）。

图 1：剪切散斑技术与数据显示单元结合用于检查缺陷。数据图右下角的波纹图案表示可能存在的缺陷。（图源：维基百科，Desmoquattro）

近日，美国阿拉巴马农工大学的研究人员 Rajpal Sirohi 以“Shearography and its applications – a chronological review”为题在 Light: Advanced Manufacturing 上发表综述文章。

作者按时间顺序介绍了剪切照相领域的发展，并强调了这种全息测量技术的巨大潜力。文章从基本原理、结构特点（包括剪切装置、相移装置和多路剪切散斑装置）、技术应用等方面展开了详细的介绍。

1. 经典装置结构和原理

剪切散斑的典型实验装置如图 2 所示，它由光源（通常为激光器）、成像系统、放置在物体和透镜之间或透镜和记录介质之间的剪切装置以及记录介质（如感光乳剂或 CCD/CMOS 成像仪）组成。

图 2：剪切散斑的典型实验装置原理（图源：Light: Advanced Manufacturing）

当物体被激光束照亮，通过剪切装置在探测器上采集该图像。由于剪切装置使得待测表面的一点在照相机的像面上产生一对具有很小错位的两个像，同时待测表面上相邻的两点经过剪切装置和成像系统后，在像面上来自其中一点的光波将作为第二个点的参考波重合并发生干涉，从而形成一副包含随机干涉图样的剪切散斑图。

通常，在剪切照相中要进行两次曝光：

第一次曝光是物体处于未变形状态时；

第二次曝光是物体处于变形状态时。

在进行两次曝光后，待测物体表面的变形信息，将包含在散斑干涉图样中。

1.1 照相记录

最早出现的是照相记录的方式，通过记录具有一定时间间隔的散斑场图像，物体变形的信息将以条纹图的形式表现，可以通过傅里叶滤波提取。如果在显影后准确地重新定位与感光乳剂上记录的未变形状态相对应的剪切图，则可以获得由于变形矢量的梯度而产生的条纹图案，且条纹可以通过多次曝光或利用记录的非线性过程来锐化。

1.2 数字记录

在数字记录技术中，对两次曝光获得的图像分别进行处理，包括两种常用的处理方法：

第一种方法：将变形后的图案与变形前的图像进行逐像素相减运算，从而获得表示变形矢量梯度的条纹图案；

第二种方法：使用两个相位差为π/2的偏振光照明，同时获得物体变形和未变形状态。

2. 系统结构

2.1 剪切装置

传统的剪切干涉装置有迈克尔逊型、马赫曾德型、反射性光楔型、菲涅尔棱镜型、渥拉斯顿型等，待测物体通过两条路径成像，通过倾斜其中一个镜子实现剪切，从而产生两个图像，剪切量由倾斜角度控制。

图 3：使用渥拉斯顿棱镜的对称双敏感剪切摄影。(a)光学剪切摄影装置示意图。(b)利用剪切系统得到的剪切图。(c)共程剪切装置产生的空间载频。（图源：Optics Express）

2.2 相移技术

当需要有关应变场或缺陷的定量数据时，可采用时间或空间相移，常用的相移方法有：

（１）转动物体；

（２）转动物光；

（３）平移图像错位装置；

（４）基于偏振光的波前处理；

（５）使用可变的光波延迟器。

从原理上来讲，要获得每个像素的相位值，至少需要三幅相移散斑图，每幅散斑图的相位值取0~2π不同的值，时间相移法时通过改变两束波之间的相位差，并依次捕获这些散斑图。

由于时间相移法易受到外部干扰的影响，如振动、温度波动或测试对象本身的快速运动。而空间相移（SPS）技术则是一种消除外部干扰的简单方法。在空间相移中，通过引入载波频率，并根据选择三步相移或者四步相移算法或者傅里叶变换方法获得对象未变形和变形状态之间的相位差。为了研究与时间相关的变形，最好在单帧中捕获物体变形信息，因此优先采用傅里叶变换方法处理数据。

2.3 多路剪切散斑装置

物体表面变形的面内和面外梯度分量的分离通常需要从三个不同方向对物体进行照明或从三个不同方向进行观察。

空分复用技术（SDM），物体从一个方向发光，并通过三个剪切干涉仪从三个不同方向同时观察，获得坡度、曲率和变形信息；

波分复用技术（WDM），以三种不同的波长同时照射物体，并用三台CCD摄像机记录每个波长下两个正交剪切的物体图像，即六个导数分量都可以测量；

偏振复用技术（polarization multiplexing）也可同时测量两个正交斜率的剪切散斑。

综上所述，空分复用技术、波分复用技术和偏振复用技术允许同时捕获梯度信息和变形的信息。

由于剪切散斑配置几乎是公共路径，因此对时间相干性的要求放宽，可以使用低相干性源进行剪切散斑。此外，为了检查大面积的物体，并克服由于激光束的高斯特性而产生的不均匀照明，建议使用两个或多个相互不相干的激光束。如图4所示显示了使用非相干源的和两个相干源照明拍摄的照片中可以明显看出，两个非相干光源可以减少两光源干涉带来的误差。

图 4：剪切散斑（a）非相干光源剪切结果，（b）相干光源剪切结果（图源：Light: Advanced Manufacturing）

3. 技术应用

鉴于剪切散斑无损、全场、非接触检测的技术特点，该技术被广泛用于定性结构状态监测、定位和识别损伤以及缺陷位置。同时它也被用来获得应变场以及缺陷位置和大小的定量数据。广泛用于应变场、斜率、曲率和扭转的可视化、定性测量和定量测量。

图 5：（a）一幅在帆布上的画（b）照明画连同它的双曝光剪切图（图源：Light: Advanced Manufacturing）

另外，剪切散斑技术被认为是一种强大的无损检测技术，因为它具有以下几个独特的特点：全场观测、抗环境干扰和振动、低相干要求、简单的光学设置、成熟的应用技术以及检查大型结构的能力，并且已经得到工业界的广泛承认。特别是对于复合结构，如检测压力管道的内部裂纹、轮胎和蜂窝结构等。同时剪切散斑系统在艺术品的坚固性、缺陷、亚表面结构检测和保护也得到了广泛的发展。

论文信息

Sirohi. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:1

https://doi.org/10.37188/lam.2022.001

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