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数字散斑干涉术测物面形变
引言：
数字散斑干涉术（DSPI）是一种非接触、无损、高精度测量物体形状、位移等表面参数的实验方法。其原理是利用激光干涉原理，将激光从光源经过分束器分成两道光路，入射到物体表面后被反射回来，然后再次汇聚到一起，形成干涉条纹。当物体发生形变或位移时，所形成的干涉条纹也会随之变化，根据条纹的变化规律，可以得到物体表面所受到的形变或位移的信息。数字散斑干涉术不仅具有高精度和高可靠性的特点，而且还可以应用于光学、机械、电子、建筑、冶金等领域中的物体形变或位移的测量。
本文主要介绍数字散斑干涉术在物表面形变测量中的应用，主要包括原理、装置、算法和实验应用等方面的内容。
一、数字散斑干涉术原理
数字散斑干涉术的原理是利用相干光的干涉现象来测量物体的表面形变和位移。相干光在入射到物体表面后被反射，然后经过分束器分成两道光路。其中一道光路为参考光路，另一道光路为物光路。参考光路的光线不受物体表面的形变和位移影响，其相位为常数。物光路入射到物体表面后反射回来的光被称作物波，其相位受物体表面的形变和位移影响而发生变化。当物波和参考光路的光线汇聚到一起时，形成的干涉条纹就是物体表面的等相位线。
数字散斑干涉术在实际应用中，通常采用调制相位的干涉技术，即通过扫描或移动一块平面的相移板来实现条纹的调制，从而方便地获取物体表面形变和位移的信息。调制相位干涉技术利用了相移板的位移，改变了干涉条纹的相位，使得在同一空间范围内得到了多组干涉条纹图像，通过数学计算可以恢复出物体表面的形变和位移信息。
二、数字散斑干涉术装置
数字散斑干涉术实验装置一般由激光器、分束器、透镜和相机等组成。图1是数字散斑干涉术实验的简单装置示意图。
图1数字散斑干涉术实验装置示意图
首先，由激光器发射的相干光入射到分束器，经过分束器成为物光路和参考光路。物光路通过透镜聚焦后入射到被测物体上，反射回来的光线被再次透过同一透镜，聚焦到相机的CCD上进行成像。参考光路不经过物体，直接透过透镜聚焦到相机的CCD上进行成像。由于物体表面的形变或位移对物光路的传播产生影响，因此物光路和参考光路到达相机上的干涉条纹图像就会发生变化，通过对干涉条纹图像的分析，可以得到物体表面形变或位移的信息。
三、数字散斑干涉术算法
在数字散斑干涉术的实验中，需要通过数字处理的方法来恢复出物体表面的形变和位移信息。常用的数字处理方法包括相位解包、相位滤波、相位拼接、相位提取等。
1.相位解包
相位解包是一种将非连续的相位数据组合成连续的值的处理方法。在干涉条纹图像中，相位值为2π的整数倍是没有区别的，相位解包就是把这些相位值通过一些方法转换为连续的非整数值。常用的方法包括双曲函数方法、路径跟踪方法、空域方法等。
2.相位滤波
相位滤波是为了去除干涉条纹图像中的噪声和不必要的信息，使干涉条纹图像的轮廓更加清晰。在相位滤波中，常用的滤波方法有高斯滤波、中值滤波、小波滤波等。
3.相位拼接
相位拼接是将多组干涉条纹图像根据它们各自的相位数据进行拼接，从而得到整体的物体表面数据。常用的拼接方法包括全息拼接法、多步相位拼接法等。
4.相位提取
相位提取是从干涉条纹图像中提取出物体表面的位移或形变信息的一种方法。通常采用的方法包括频率域方法、空域方法、调制方法和像间差分法等。
四、实验应用
数字散斑干涉术主要应用于表面形变和位移的测量。其应用范围广泛，包括光学、机械、电子、建筑、冶金等领域。
在光学领域，数字散斑干涉术广泛应用于光学元件的形状和表面质量的检测，如玻璃透镜、球镜和平面镜等。同时，数字散斑干涉术也可用于光学元件的调制和加工过程中形状的实时检测。
在工程领域，数字散斑干涉术可以用于测量机械零件或架构的变形和位移。比如测量车身变形、船体形变、桥梁变形等。
在材料科学领域，数字散斑干涉术可以用于测量各种材料的微小变形和位移，如弹性模量、热膨胀系数和渗透率等。
在地质探测领域，数字散斑干涉术可以用于地震或火山活动时地表的形变和位移的测量。通过对地面保护等级与地表位移关系的研究，可以为地震预测和火山爆发预测提供有效的信息。
总之，数字散斑干涉术具有非接触、无损、高精度和高可靠性等优点。与其他传统的表面形变和位移测量方法相比，数字散斑干涉术在实验的操作上更加简便，且可以测量微小的变形和位移，因此在工程、科研和教学等领域具有广阔的应用前景。