光学干涉计量技术具有非接触、高精度、能进行全场测量等特点,在科学研究和工程实践中得到了广泛应用。随着光电子技术的发展,光学图像可通过CCD等二维光电转换器件转换成电信号,通过图像采集卡送入计算机,并可进行一系列灵活的图像处理和计算,还易于实现条纹自动处理,从而成为一种广泛使用的图像记录方式,如电子散斑干涉(ESPI)等。

　　光学干涉计量的一个重要应用是显微干涉测量[1],即精确测量小区域内的变形、折射率变化等物理量,并进行显微显示,如测量微电子器件管脚、焊珠的变形等。目前能同时实现显微和电子记录的有以下几种方法:

　　(1)用全息干版记录显微图像,再用CCD照相机摄入计算机,此方法仍须全息干版做记录介质;

　　(2)用显微目镜成像,并用CCD记录,此方法最为常用,但光路不能变动;

　　(3)用短焦距单透镜成像,并用CCD记录,这时由于镜头非常靠近被测物体,光路很难布置。

　　本文使用视频显微镜进行显微干涉计量,同量达到显微和电子记录的目的,光路灵活、简洁、调整方便。实验中用美国的KH 2200手持式视频显微镜,进行了显微云纹干涉实验和显微散斑干涉实验,给出了实验结果。

　　KH 2200手持式视频显微镜

　　KH 2200视频显微镜集光学显微系统与CCD摄像技术于一体,主要由光学显微系统、摄像系统、光源和摄像控制系统(主机)组成,可后接监视器或计算机图像采集系统。以下特点使它成为显微干涉计量的有力工具。

　　(1)集成了光学显微系统和CCD摄像系统,同时满足显微和电子记录的目的;

　　(2)可配置各种不同的定焦或变焦镜头,以实现不同的放大倍率,(本文为x8);

　　(3)显微镜头工作距离较大,并可配接工作距离接圈进一步加大工作距离,从而使光路布置极其容易。本文实验未配接工作距离接圈,工作距离为65毫米;

　　(4)景深较大,这对于显微测量物体变形非常必要;

　　(5)配有同轴照明卤素灯光源,可用于成像调节;

　　(6)镜筒可在360度范围内自由转动,并可在高度方向自由升降,使光路调整简单。

　　显微云纹干涉实验—面内位移测量

        图1为显微云纹干涉系统从激光器出射的相干光经分光镜分成两束,以特定角度对称入射至制有高密度栅的试件表面,产生两束垂直试件表面的一级衍射光。显微镜将试件成像到CCD靶面上。图中未画出激光的扩束。

　　设试件变形前两个一级衍射平面波为

　　试件受力变形后栅发生畸变,其一级衍射光波为

　　通过分析光波位相变化和变形之间的关系可知,干涉条纹为试件面内位移沿光栅主方向(垂直栅线方向)的等值线[3]。

　　实验中所用试件为表面制栅的铝板,因切割释放残余应力而变形。测量结果如图2所示。

　　被测部分大小为1mm×0.75mm。左图是利用视频显微镜配备的同轴热光源拍摄到的试件表面情况,利用该光源可以很容易地判断聚焦和成像情况。右图是由激光相干形成的云纹干涉条纹。比较两图可以看出,试件表面的缺陷在干涉条纹中保留了下来。由于被测部分实际变形较小,右图显示的是失配引起的载波条纹。

　　显微散斑干涉实验——离面位移测量从激光器出射的激光扩束后(图中未画)经半透半反镜分成两束,分别入射到喷有白漆的被测物体表面和静止参考物体表面,并产生散斑场。两散斑场均经半透半反镜进入视频显微镜,并在CCD靶面上形成主观散斑场。CCD靶面为变形物体和静止物体的共轭成像面。

　　设在CCD靶面上接收的被测物体变形前后的物光波分别为

　　其中φ(x,y)为由变形引起的位相变化。静止物体产生的参考光波为

　　物体变形前后物光波与参考光波干涉形成的散斑场的光强分布分别为:

                                                                                                                                                                         （10）

　　对变形前后散斑场光强进行相减并取绝对值,有

                                                                                                                                                                             （11）

　　sin(Ψ2-Ψ1-φ/2),表现为高频散斑噪声,sin(φ/2)是与变形有关的低频起伏,整个图象表现为被散斑调制的相关条纹,其中相关条纹为被测物体离面位移的等值线[2]。

　　实验中物体受力产生离面位移,测量结果如图4所示。左图为变形后的散斑场,变形前的散斑场与之类似。右图为变形前后两幅散斑图相减取绝对值后的结果。被测部分大小为1mm×0.75mm。

　　显微散斑干涉实验——形状测量

　　图5为用于形状测量的显微云纹干涉系统,从激光器出射的相干光经分光镜分成两束,分别扩束后对称入射到试件表面。显微镜将试件成像到CCD靶面上。移动其中一个扩束镜,在移动前后各拍摄一幅散斑图,相减并取绝对值,可得到包含物体形状信息的散斑相干条纹。这种方法称为移动光源法。

　　CCD接收到的物光散斑场在光源移动前后分别如式(6)(7)所示,而参考散斑光场在光源移动前后一直不变,如式(8)所示。散斑相关条纹图则如式(11)所示。但此时φ(x,y)是由于光源移动引起的位相变化,包含了物体的形状信息[3]。

　　实验中被测物体为表面喷有白漆的有机玻璃平板,略有倾斜。测量得到的散斑相关条纹图如图6。

　　结　　论

　　本文采用视频显微镜作为显微成像和电子记录的工具进行显微干涉计量,能够测量小区域内的变形,使测量系统光、机、电和计算机一体化,并有利于图像的后续处理。文中用显微云纹干涉系统和显微散斑干涉系统分别测量了物体的面内位移、离面位移和物体形状,充分说明了视频显微镜同时作为显微和记录手段的可行性,并可广泛应用于各种干涉计量场合。

　　参考文献

　　[1]　杜庆华主编,《工程力学手册》,高等教育出版社,1994,10

　　[2]　伍小平等,《光测力学》,中国科大出版社

　　[3]　何世平,《工程应用光测技术》,中国科大出版社

　　作者：钱克矛　伍小平(中国科学技术大学力学与机械工程系　合肥230027)

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