電子スペックルパターン干渉法

電子スペックルパターン干渉法（ESPI）^[1]は、テレビホログラフィーとしても知られ、レーザー光とビデオ検出、記録、処理を組み合わせて、光学的に粗い表面を持つ部品の静的および動的変位を視覚化する技術です。視覚化は画像上の縞模様の形で行われ、各縞模様は通常、使用される光の波長の半分（つまり、1マイクロメートルの4分の1程度）の変位を表します。

ESPIは、応力およびひずみ測定、振動モード解析、非破壊検査に使用できます。^{[2] ESPIは多くの点で}ホログラフィック干渉法 と似ていますが、2つの技術の間には大きな違いもあります^[3]。

調査対象の部品は光学的に粗い表面を持っている必要があり、拡張されたレーザー光線で照らされたときに形成される画像は主観的なスペックルパターンです。スペックル画像内の点に到達する光は、物体の有限領域から散乱され、その位相、振幅、強度はすべてランダムであり、物体のその領域の微細構造に直接関係しています。

参照ビームと呼ばれる 2 番目の光場は、同じレーザー ビームから生成され、ビデオ カメラの画像に重ね合わされます (異なる構成により、異なる測定が可能になります)。2 つの光場が干渉し、結果として生じる光場はランダムな振幅、位相、強度を持ち、したがってスペックル パターンでもあります。オブジェクトが移動または変形すると、オブジェクトと画像間の距離が変わり、したがって画像スペックル パターンの位相が変わります。参照ビームとオブジェクト ビームの相対位相が変わるため、結合された光場の強度が変わります。ただし、オブジェクト光場の位相変化が 2π の倍数である場合、2 つの光場の相対位相は変化せず、画像全体の強度も変化しません。

この効果を視覚化するために、画像と参照ビームをビデオカメラで組み合わせて記録します。物体が移動/変形すると、新しい画像が最初の画像からポイントごとに減算されます。結果として得られる画像は、定数 2nπ の輪郭を表す黒い「縞」のあるスペックル パターンになります。

参照ビームはレーザービームから派生した拡張ビームであり、ビデオカメラ上に形成される物体の画像に追加されます。

画像内の任意の点における光の振幅は、物体からの光 (物体ビーム) と 2 番目のビーム (参照ビーム) の合計です。物体が視線方向に移動すると、物体ビームの移動距離が変わり、その位相が変わるため、結合されたビームの振幅が変わります。2 番目のスペックル パターンを最初のスペックル パターンから減算すると、視線方向に沿った変位の輪郭 (面外変位) を表す縞模様が得られます。これらは干渉縞ではなく、多かれ少なかれ相関しているスペックル パターンの領域をマッピングするため、「相関」縞と呼ばれることもあります。厳密に言えば、縞模様は、表面が通常に照らされている場合にのみ、純粋に面外変位を表します (この場合は、物体を照らすためにビーム スプリッターを使用する必要があります)。ただし、物体の照明が法線方向から大きく離れていない限り、面内移動への依存性は比較的小さくなります。

上の画像の縞は、面外縞です。プレートは垂直軸を中心に回転しており、縞は一定の変位の輪郭を表しています。システムではHe-Ne レーザーが使用されているため、輪郭間隔は約 0.3μm です。多くの干渉技術と同様に、システムからの追加情報なしではゼロ次縞を識別することはできません。つまり、カメラに向かって半波長 (0.3μm) の剛体運動をしても、縞のパターンは変化しません。

ホログラフィック干渉法は、面外 ESPI 干渉縞と同じ情報を提供します。

光学的な配置は、上記の面外変位の場合と同じです。物体は特定の周波数で振動します。物体の移動しない部分は、引き続き斑点状になります。振幅 nλ/4 で振動する物体の部分は、(n+½)λ/4 で振動する部分よりも、スペックル コントラストが高くなることが分かります。

このシステムは、記録を必要とせずに縞模様が得られるため、どちらの変位測定システムよりも操作が簡単です。振動モードは、カメラからの画像では強度の変化ではなくスペックルコントラストの変化として観察できますが、識別するのは非常に困難です。画像にハイパスフィルターを適用すると、コントラストの変化が強度の変化に変換され、縞模様がはっきりと見える図に示すような縞模様のパターンが観察されます。

ホログラフィック干渉法も同様に振動モードをマッピングするために使用できます。

物体は、同じレーザー光線から派生した2本の光線によって照射され、その光線は物体の反対側から入射する。物体が視線方向に対して垂直な方向（つまり物体自身の平面内）に変位または変形すると、一方の光線の位相が増加し、もう一方の光線の位相は減少するため、2本の光線の相対位相が変化する。この変化が2πの倍数である場合、スペックルパターンはそれ自体と一致し（同じまま）、それ以外の場合は変化する。^[4]上記の減算技術を使用すると、面内変位輪郭を表す縞模様が得られる。^[5]

物体は、同じレーザーから生成された2つのビームによって照らされます。これらのビームは、物体の同じ側から異なる角度で入射します。物体が自身の平面内で変位または変形すると、2つのビームの相対位相は、平面変位の 勾配^{[6]に比例して変化します。ここでも、2つの画像の減算によって縞模様が表示されます。}

ホログラフィック干渉法には面内測定に相当するものはありません^[7] ESPI。電磁音響変換器の中でも音響干渉法は、面内振動の2つの偏光を測定することができます。^[8]

• ホログラフィック干渉法
• 干渉法
• 斑点模様

• 材料試験用 3D-ESPI システム 2012-11-02 にWayback Machineでアーカイブ
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