电子散斑图样干涉仪

电子散斑图样干涉仪（Electronic speckle pattern interferometry，简称 ESPI）Jones R., Wykes C., Holographic and Speckle Interferometry, 1989, Cambridge University Press.，是一种利用激光结合视频检测、记录和处理技术，将具有光学粗糙表面的组件的静态和动态位移可视化的技术。这种可视化以图像上的条纹形式呈现，其中每一条纹通常代表所用光波半个波长的位移（即约四分之一微米左右）。

ESPI可用于應力和应变测量、振动模式分析以及无损检测。ESPI在许多方面与相似，但两种技术之间也存在显著差异Schnars U., Falldorf C., Watson J., Jueptner W., Digital Holography and Wavefront Sensing , Chapter 8, second edition, 2014, Springer.。

 工作原理 
被测组件必须具有光学粗糙表面，以便当其被扩束激光照射时，形成的图像为。到达散斑图像中某一点的光是从物体的一个有限区域散射而来的，其相位、振幅和强度（这些都是随机的）与物体该区域的微观结构直接相关。

第二束光场（称为参考光束）源自同一激光束，并叠加在视频摄像机图像上（不同的配置可以进行不同的测量）。这两个光场发生干涉，产生的合成光场具有随机的振幅、相位和强度，因此也是一种散斑图样。如果物体发生位移或变形，物体与图像之间的距离将发生变化，从而导致图像散斑图样的相位发生变化。参考光束与物光束的相对相位发生改变，进而导致合成光场的强度发生变化。然而，如果物光场的相位变化是2π的倍数，则两个光场的相对相位将保持不变，整体图像的强度也将保持不变。

为了使这种效应可视化，图像光束和参考光束在视频摄像机上结合并记录。当物体发生位移/变形后，将新图像与第一幅图像逐点相减。得到的图像是带有黑色“条纹”的散斑图样，这些条纹代表了2nπ恒定值的等值线。

 配置 

 离面位移测量 
参考光束是由激光束派生的扩束光，并添加到在视频摄像机上形成的物体图像中。

图像中任何一点的光振幅是来自物体（物光束）的光与第二束光（参考光束）的光之和。如果物体沿观测方向移动，物光束经过的距离会改变，其相位随之改变，因此合成光束的振幅也会改变。当从第一幅散斑图样中减去第二幅时，就会得到代表沿观测方向位移等值线（离面位移）的条纹。这些并不是干涉条纹，有时被称为“相关”条纹，因为它们勾勒出散斑图样中相关性或强或弱的区域。严格来说，只有当表面被法向照射时（需要使用分束器来照射物体），条纹才纯粹代表离面位移，但除非物体照明方向偏离法向非常大，否则对面内运动的依赖性相对较小。

上方图像中的条纹是离面条纹。平板绕垂直轴旋转，条纹代表位移等值线。由于系统中使用了氦氖激光器，条纹间隔约为0.3 μm。与许多干涉测量技术一样，如果没有系统的额外信息，无法识别零级条纹。这意味着朝向摄像机的半波长（0.3 μm）的刚体运动不会改变条纹图样。

提供的信息与面外ESPI条纹相同。

 离面振动测量 
光学装置与上述离面位移测量相同。物体以特定频率振动。物体不移动的部分将继续呈现散斑状。可以证明，以nλ/4振幅振动的物体部分的散斑对比度高于以(n+½)λ/4振幅振动的部分。

该系统比位移测量系统更容易操作，因为无需记录即可获得条纹。在摄像机的图像中，振动模式可以观察为散斑对比度的变化，而不是强度的变化，但这很难辨别。当图像经过高通滤波后，对比度的变化被转换为强度的变化，从而观察到如流程图所示、清晰可见的条纹图样。

也可以用同样的方法来绘制振动模式图。

 面内测量 
物体由两束源自同一激光束的光照射，这两束光从相对的两侧入射到物体上。当物体在垂直于观测方向的方向（即在其自身平面内）发生位移或变形时，其中一束光的相位增加，而另一束光的相位减少，从而导致两束光的相对相位发生变化。当这种变化是2π的倍数时，散斑图样与自身重合（保持不变），而其他地方则发生变化。 当使用上述减法技术时，可以得到代表面内位移等值线的条纹。Gasvik K J, Optical Metrology, chapter 6.3, 1987, John Wiley & Sons

 面内位移梯度测量 
物体由两束源自同一激光的光照射，这两束光从同一侧但以不同的角度入射到物体上。当物体在其自身平面内发生位移或变形时，两束光的相对相位变化与面内位移的梯度成正比。Gasvik K J, Optical Metrology, chapter 6.3, 1987, John Wiley & Sons同样，通过两幅图像的相减来显示条纹。

没有与面内测量ESPI等效的方法。Kreis T, Handbook of Holographic Interferometry, 2004, Wiley-VCH声学干涉测量术结合电磁声换能器，能够测量面内振动的两个偏振方向。In-plane vibrations of a rectangular plate: Plane wave expansion modelling and experiment, A.Arreola-Lucas, J.A.Franco-Villafañe, G.Báez, and R.A.Méndez-Sánchez, Journal of Sound and Vibration Volume 342, (2015), 168–176

 参见 


 干涉測量術


 参考 

Category:干涉测量学