電子光斑干涉術之相關研究

光斑(speckle)在早期被認為是光學量測中令人討厭的雜訊，在同 為量測物體表面位移變化的全像術中，更是盡力消除的雜點。Butters 與 Leendertz [20]於 1971 年提出光斑干涉術，利用雷射光照射在待測 物體與參考鏡面上，將兩道光反射進入電視攝影機(television camera) 後，於待測物變形前後各擷取一光斑圖形，將兩圖照度相減而獲得干 涉條紋，藉由分析干涉條紋獲得物體表面靜態或動態的位移[21]。此 法克服全像術許多先天的缺點，直接刺激了當時對光學量測研究的投 入與發展[22]。近幾年亦有研究將電子光斑干涉術與光學量測物體全 域變形的雲紋(moiré)法進行比較[23-24]。

光斑干涉術在發展初期是利用光電倍增管(photomultiplier tube, PMT)作為接收器，被拍下的干涉資料沒有任何適合的裝置可儲存，

在時間平均(time-average)及即時(real-time)的量測發展受到限制。

Spooren [25]於 1994 年提出以電荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)攝影機取代光導管作為光斑干涉的接收器，從此電子光斑干涉 術量測待測物的面外、面內位移變得較簡便，逐漸取代了記錄相對不 方便的全像術。之後，隨著 CCD 解析度的提升，電子光斑干涉法可 使量測的尺寸範圍越來越大，例如 Gülker 等人[26]於 1990 年將此法 應用於建築物牆壁的健康監控，Aswendt 等人[27]於 2003 年則針對晶

圓上的微機電(micro-electro-mechanical system, MEMS)結構作檢測。

電子光斑干涉術的量測應用可分為(1)待測物的動態振幅及相位 量測、(2)待測物表面的靜態位移及殘留應力量測。Butters 與 Leendertz 於 1971 年提出光斑干涉術，即用於量測物體由振動所造成的面外 (out-of-plane)位移。Løberg 與 Høgmoen [28-29]於 1976 年提出相位調 制(phase-modulation)結合時間平均的電子光斑干涉術，將相位變化圖 形以等高曲線(contour)呈現。在 1977 年，兩人再提出以干涉系統中 的參考光束(reference beam)加上相位調制方法，可紀錄振幅 200Å 的 微小振動相位變化[30]。Nakadate [31]於 1986 年提出相位平移光斑圖 形干涉術(phase-shifted speckle-pattern interferometry)，消除相位圖形 中雜訊所造成的模糊情形，只呈現出與待測物振動相關的相位圖，增 加干涉條紋之間的對比度，使亮暗相間的干涉條紋區隔得更清楚。電 子光斑干涉術應用於振動量測上，所使用的時間平均演算技巧及量測 動態位移的實驗架設，幾乎皆參考或延續 Jones 與 Wykes [22] 於 1989 年所提出的時間平均演算技術。Wang 等人[32]於 1996 提出振幅 變動(amplitude-fluctuation)電子光斑干涉術(AF-ESPI)，使參考物於頻 率一致、振幅不等的振動狀態下分別拍攝，結合時間平均及相位平移 的優點，使振動模態能更清楚的被拍攝，此技術亦為近年來電子光斑 干涉術於振動量測上一大突破。Ma 等人[33]於 2001 年則運用 AF-ESPI 於壓電材料及含裂紋板的振動問題。

電子光斑干涉術可量測物體表面的準靜態位移，擷取物體遭受外 力(例如機械力、壓力、熱應力等)作用後所產生的變形，透過干涉條 紋的分佈及數量可推算出待測物表面的應變量[34]。Leendertz 與 Butters[35]、Hung[36]分別於 1973 及 1974 以麥克森干涉儀的光學架 構，將待測平面轉一角度，使成像於像平面(image plane)的位置偏移

(shift) ， 稱 為 剪 切 光 斑 干 涉 干 涉 術 (image-shearing speckle pattern interferometer) ， 藉 由 此 技 術 量 測 待 測 物 表 面 的 翹 曲 度 (surface curvature)。Winther[37]於 1988 年以三組光纖在不同角度下照射待測 物體表面，利用三組入射光角度變化對應所產生的光斑干涉條紋，推 算平面位移及翹曲程度，再以內差方式模擬面外方向的位移，將物體 表面每一點三方向位移數據組合，重建三維的應變。

在 80 年代後期，ESPI 的光路架構及相關演算法都已發展成熟，

後續研究多以應用量測或監控待測物受熱、壓等外力作用後產生的變 形，並藉由光斑干涉條紋推算相對應的位移大小及分佈。物體在穩定 狀態中，不容易察覺發生於內部的裂縫或瑕疵，許多電子元件及產品 在工作時，伴隨溫度或壓力的升高而產生應變，裂縫由密合的狀態分 離、擴張甚至延展，當產生的變形超過結構的負荷時，會影響功能甚 至產生結構性破壞。ESPI 量測系統對於周邊環境所造成的誤差相對 於雲紋及全像術等光學量測系統小，可作全域性的變形量測，所以常 被應用於即時監測物體因溫度、壓力差異所產生變形擾動，快速診斷 元件的品質。

Nassim[38]等人於 1998 年以面內(僅 x 方向)及面外兩種 ESPI 光路 架構，即時監測面積 2×3 mm²矽氧化金屬功率元件(mos power device) 在功率 1 瓦特(watt)下所產生的熱變形。Hack 及 Brönnimann[39]於 1999 年以面外 ESPI 架構，量測以碳纖複合材料(CFRP)與鋁兩種材料 做成的蜂巢板(honeycomb panel, 0.8×0.8 m²)，擷取溫度從室溫上升 20℃後的變形量，並與有限元素法的分析結果作比較。

Kim 等人[40]於 2003 年運用面外及剪切 ESPI 兩種方式檢測壓力 管件內部裂縫。管件於運作壓力提高時，裂縫附近應變增加，造成內 部裂縫被凸顯，控制壓力以剪切檢測方式估算裂縫數量，並以面外檢

測方式測量裂縫周圍的位移變化。Wang 與 Kido[41-42]於 2003 及 2004 年，在高溫及拉力等疲勞(fatigue)測試下，利用面內 ESPI 量測表面熱 噴塗陶瓷材料的 304 不鏽鋼的變形。試片在反復的拉力及溫度 (20-600℃ 負載後，產生表面裂縫及脫層，由面內 ESPI 量測法所拍下) 的干涉條紋獲得試片表面的變形分佈，並由條紋數估算表面應變大 小，與應變規(stain gauge)量測獲得的數據比較。Zarate 等人[43]於 2005 年，將 6061 鋁材料加熱至 225℃，使裂縫周圍與其他區域的變形量 不一致，再根據面外 ESPI 影像中的光斑干涉條紋分佈找出裂縫。