電子斑點干涉術

電子斑點干涉術 (Electronic speckle pattern interferometry，簡稱 ESPI)由全相術(Holography)演變而來，以兩道同調光源射向待測物並由光程差 的變化得到待測物的變形資料，減少全相術照片沖洗與重建的繁瑣步驟與時間，

即時的在電腦螢幕上獲得待測物的變形量，ESPI 有非接觸和全域量測的優點。

該技術利用電荷耦合感光元件(Charge-Coupled Device，CCD)及電子處理技術記 錄低空間頻率(Low Spatial Frequency)全場成像圖形，用來量測物體表面變形。

ESPI 應用於振動量測常用的方法為均時法(Time-Averaging Method)，特點是 在 CCD 曝光的時間內截取振動中的物體在不同時間內的影像，以零階貝索函數 (zero-order Bessel Function)調制干涉條紋，圖形中干涉條紋最亮的部分為節 線區(nodal line)位移為零，而亮暗相間的條紋為等位移線的分佈，故可由全場 干涉圖形直接獲得振動位移的分佈情形。

量測物體共振頻率和模態振動形式由函數產生器輸出穩態正弦信號，就壓電 材料而言，可直接輸入電壓做為壓電試片激振信號，物體共振時會有最大的位移 量，相對於 ESPI 量測系統就可得到明暗相間最為密集的干涉條紋，若輸出訊號 接近共振頻率，干涉線條就會變得更加密集，若線條過於密集或線條不明顯，可 調整輸出電壓，以期使用最小的驅動能量達到最明顯的位移量。

6.2.1 斑點效應（Speckle Effect）

倘若光源是高同調性光源，且被照射表面粗糙度與此同調光之波長相當或 更大，那麼就會產生斑點現象，也就是當表面之變化大於光波長之變化時，光 就會散射形成光學粗糙波面而在空間互相干涉形成複雜的光強分布，形成顆粒 狀之外觀，此即為斑點效應（Speckle Effect）。斑點的大小和觀測平面的距離 以及產生斑點的波長呈正比關係。如圖(6.2.3)

圖(6.2.3) 斑點效應

6.2.2 電子斑點干涉術(ESPI)基本原理

電子斑點干涉術(ESPI)需要兩道光在空間中作疊加產生干涉，而光波是屬 於一種電磁波，所以在空間中二同調光之電場 E 分佈可以下式表示:

(6-1)

其中，分別代表兩道光之電場強度，為此二道光之振幅，則為此二道光之初始 相 位在干涉面上之光方程式如下：

(6-2)

干涉光強度訊號為：

其中 BF 代表物體變形前，分別代表二道光之光強度，為背景值（直流項），為 二 道光之初始相位差，為雷射光的光強，B 或 A 都是成高斯分佈，因 ESPI 的實 驗 圖常夾帶著嚴重的雜訊，因此有許多提高條紋對比度的方法都是以消除 B 或 A 為 主要目的。當物體變形後，表面各點產生相對之變化，位置也會改變，所 以光源 到各點之光程也會跟著改變，於是變形就會表現於光之相位上，變形後 原干涉之 兩道光方程式則變為:

(6-4)

、 分別表示這兩道光因照射面發生變形而產生之相位在干涉面上之 光方程式 變為:

(6-5)

(6-3)

干涉光強度訊號為：

(6-6)

其中 af 代表變形後， 為物體變形產生之相位差。

6.2.3 ESPI 面外架設實驗

如圖(6.2.4)是 ESPI 面外架設俯視圖，一開始先藉由雷射頭打出氦-氖雷 射， 經由兩面平面鏡調整高度之後，再藉由平面鏡打到我們需要方向上，通 過空間 濾波器後，此時的雷射光已獲得擴束，在架設一片分光鏡，此分光鏡 主要的目 的是要將雷射光反射到我們的壓電試片上，而分光鏡後架設一參考 平面，在參 考平面上漫射造成光斑式的參考光，此道光束接著會反射在與 CCD 相機同軸的 分光元件，這種慢射在平面再投射於分光元件的目的為可避 免鏡面光產生光暈 現象以增強干射影像的品質，而分光鏡到參考平面、分光 鏡到壓電試片兩者的 距離需相等，才能有較好的成像效果。

架設完成後，將 CCD 對準試片，參考平面反射回的光會與壓電試片的物光反射 回 CCD，藉由其中的電子耦合元件，即可以得到干涉訊號，並可以清楚地在電 腦上看到明暗條紋。

圖(6.2.4) ESPI 光路架設示意圖