撰稿 | Eva（中國科學技術大學、博士生）

當激光照射到物體表面時，在空間上形成的顆粒狀圖樣被稱為散斑，散斑通常被認為是全息技術的“禍根”，但是在 20 世紀 60 年代后期，人們發現散斑圖案攜帶被測物體的信息，因此可以用于測量物體位移和形變的散斑計量學領域由此誕生。

為了測量物體的位移和形變信息，研究人員發展了散斑照相和散斑干涉技術。與全息干涉術不同，散斑干涉術可以測量變形矢量的分量。

早期，采用普通照相機搭配高分辨的感光乳劑作為記錄介質進行，稱為散斑干涉術（speckle pattern interferometry），隨著工業發展的需求，使用攝像管進行電子記錄的方式不斷發展，并將該技術更名為電子散斑干涉術（ electronic speckle pattern interferometry：ESPI），隨著電耦合器件（CCD）和互補金屬氧化物半導體（CMOS）的發展，采用 CCD 或 CMOS 記錄散斑圖案并通過數字處理技術分析，該技術又稱為數字散斑干涉術（digital speckle pattern interferometry：DSPI）。使用 ESPI / DSPI 和相移技術，幾乎可以實時獲得物體在外力作用下的變形圖。該技術的優勢在于全場、非接觸式、實時的全息測量技術，該技術克服了全息技術中參考光束帶來的諸多限制，是用于現場測量的一個有效工具。

同時，材料科學家、應力分析師、質量保障人員、產品開發人員和許多其他從業人員不僅對變形感興趣，而且對應變值感興趣。應變測量是預測物體在受到某些外部影響時能夠正常工作多長時間的基礎。

目前有幾種應變測量技術，包括逐點測量和全場測量。而 Shearography 是一種全場光學測量技術，已發展用于定性和定量應變測量。該技術被稱為散斑圖剪切干涉測量（speckle pattern shear interferometry ：SPSI）或剪切散斑干涉測量（speckle shear interferometry：SSI）或簡稱為剪切散斑（shearography）。

圖 1：剪切散斑技術與數據顯示單元結合用于檢查缺陷。數據圖右下角的波紋圖案表示可能存在的缺陷。（圖源：維基百科，Desmoquattro）

近日，美國阿拉巴馬農工大學的研究人員 Rajpal Sirohi 以“Shearography and its applications – a chronological review”為題在 Light: Advanced Manufacturing 上發表綜述文章。

作者按時間順序介紹了剪切照相領域的發展，并強調了這種全息測量技術的巨大潛力。文章從基本原理、結構特點（包括剪切裝置、相移裝置和多路剪切散斑裝置）、技術應用等方面展開了詳細的介紹。

1. 經典裝置結構和原理

剪切散斑的典型實驗裝置如圖 2 所示，它由光源（通常為激光器）、成像系統、放置在物體和透鏡之間或透鏡和記錄介質之間的剪切裝置以及記錄介質（如感光乳劑或 CCD/CMOS 成像儀）組成。

圖 2：剪切散斑的典型實驗裝置原理（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

當物體被激光束照亮，通過剪切裝置在探測器上采集該圖像。由于剪切裝置使得待測表面的一點在照相機的像面上產生一對具有很小錯位的兩個像，同時待測表面上相鄰的兩點經過剪切裝置和成像系統后，在像面上來自其中一點的光波將作為第二個點的參考波重合并發生干涉，從而形成一副包含隨機干涉圖樣的剪切散斑圖。

通常，在剪切照相中要進行兩次曝光：

第一次曝光是物體處于未變形狀態時；

第二次曝光是物體處于變形狀態時。

在進行兩次曝光后，待測物體表面的變形信息，將包含在散斑干涉圖樣中。

1.1 照相記錄

最早出現的是照相記錄的方式，通過記錄具有一定時間間隔的散斑場圖像，物體變形的信息將以條紋圖的形式表現，可以通過傅里葉濾波提取。如果在顯影后準確地重新定位與感光乳劑上記錄的未變形狀態相對應的剪切圖，則可以獲得由于變形矢量的梯度而產生的條紋圖案，且條紋可以通過多次曝光或利用記錄的非線性過程來銳化。

1.2 數字記錄

在數字記錄技術中，對兩次曝光獲得的圖像分別進行處理，包括兩種常用的處理方法：

第一種方法：將變形后的圖案與變形前的圖像進行逐像素相減運算，從而獲得表示變形矢量梯度的條紋圖案；

第二種方法：使用兩個相位差為π/2的偏振光照明，同時獲得物體變形和未變形狀態。

2. 系統結構

2.1 剪切裝置

傳統的剪切干涉裝置有邁克爾遜型、馬赫曾德型、反射性光楔型、菲涅爾棱鏡型、渥拉斯頓型等，待測物體通過兩條路徑成像，通過傾斜其中一個鏡子實現剪切，從而產生兩個圖像，剪切量由傾斜角度控制。

圖 3：使用渥拉斯頓棱鏡的對稱雙敏感剪切攝影。(a)光學剪切攝影裝置示意圖。(b)利用剪切系統得到的剪切圖。(c)共程剪切裝置產生的空間載頻。（圖源：Optics Express）

2.2 相移技術

當需要有關應變場或缺陷的定量數據時，可采用時間或空間相移，常用的相移方法有：

（１）轉動物體；

（２）轉動物光；

（３）平移圖像錯位裝置；

（４）基于偏振光的波前處理；

（５）使用可變的光波延遲器。

從原理上來講，要獲得每個像素的相位值，至少需要三幅相移散斑圖，每幅散斑圖的相位值取0~2π不同的值，時間相移法時通過改變兩束波之間的相位差，并依次捕獲這些散斑圖。

由于時間相移法易受到外部干擾的影響，如振動、溫度波動或測試對象本身的快速運動。而空間相移（SPS）技術則是一種消除外部干擾的簡單方法。在空間相移中，通過引入載波頻率，并根據選擇三步相移或者四步相移算法或者傅里葉變換方法獲得對象未變形和變形狀態之間的相位差。為了研究與時間相關的變形，最好在單幀中捕獲物體變形信息，因此優先采用傅里葉變換方法處理數據。

2.3 多路剪切散斑裝置

物體表面變形的面內和面外梯度分量的分離通常需要從三個不同方向對物體進行照明或從三個不同方向進行觀察。

空分復用技術（SDM），物體從一個方向發光，并通過三個剪切干涉儀從三個不同方向同時觀察，獲得坡度、曲率和變形信息；

波分復用技術（WDM），以三種不同的波長同時照射物體，并用三臺CCD攝像機記錄每個波長下兩個正交剪切的物體圖像，即六個導數分量都可以測量；

偏振復用技術（polarization multiplexing）也可同時測量兩個正交斜率的剪切散斑。

綜上所述，空分復用技術、波分復用技術和偏振復用技術允許同時捕獲梯度信息和變形的信息。

由于剪切散斑配置幾乎是公共路徑，因此對時間相干性的要求放寬，可以使用低相干性源進行剪切散斑。此外，為了檢查大面積的物體，并克服由于激光束的高斯特性而產生的不均勻照明，建議使用兩個或多個相互不相干的激光束。如圖4所示顯示了使用非相干源的和兩個相干源照明拍攝的照片中可以明顯看出，兩個非相干光源可以減少兩光源干涉帶來的誤差。

圖 4：剪切散斑（a）非相干光源剪切結果，（b）相干光源剪切結果（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

3. 技術應用

鑒于剪切散斑無損、全場、非接觸檢測的技術特點，該技術被廣泛用于定性結構狀態監測、定位和識別損傷以及缺陷位置。同時它也被用來獲得應變場以及缺陷位置和大小的定量數據。廣泛用于應變場、斜率、曲率和扭轉的可視化、定性測量和定量測量。

圖 5：（a）一幅在帆布上的畫（b）照明畫連同它的雙曝光剪切圖（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

另外，剪切散斑技術被認為是一種強大的無損檢測技術，因為它具有以下幾個獨特的特點：全場觀測、抗環境干擾和振動、低相干要求、簡單的光學設置、成熟的應用技術以及檢查大型結構的能力，并且已經得到工業界的廣泛承認。特別是對于復合結構，如檢測壓力管道的內部裂紋、輪胎和蜂窩結構等。同時剪切散斑系統在藝術品的堅固性、缺陷、亞表面結構檢測和保護也得到了廣泛的發展。

論文信息

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

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

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