投射疊紋法實驗教材

1. 投射疊紋法實驗教材 中原大學機械工程學系

2. 壹、目的 • 介紹疊紋量測的原理與各種量測方式及其對應的量測項目，並實際以投射疊紋法觀測物體外形輪廓，認識此種量測技術在精密量測上之應用。

3. 貳、疊紋量測法原理 • 投射疊紋法是一種可以用來量測物體表面輪廓、形變和振動振幅的疊紋技術，而所謂疊紋，簡單的定義就是由兩組或兩組以上的規則幾何圖案重疊後所產生較粗的條紋，稱為疊紋（Moire）。其基本性質為當兩組直線光柵重疊時，會因為間距與指向之不同而產生疊紋，實驗時疊紋之產生可利用干涉系統或光柵片，然後將條紋投射於試體上，進而分析條紋之週期（間距）與相位（指向）訊息，即可觀測得物體外形輪廓與正向形變，故可使用於工程量程應用技術上。

4. 疊紋量測法之分類: • （a）面內疊紋法（量測面內變形與應變） • （b）陰影疊紋法（量測面外變形與輪廓） • （c）投射疊紋法（量測面外變形與輪廓） • （d）反射疊紋法（量測斜率） • （e）疊紋干涉術（高解析度面內疊紋）

5. 量測方法與原理 • 針對外形輪廓量測的目的，本實驗乃採用投射疊紋法執行量測。當使用白光或雷射光穿越刻印著許多平行等距直線的振幅光柵元件，或應用干涉儀形成的直線干涉條紋，將此直線條紋投射於物體上，由於物體表面曲度或深度的變化使條紋變形，利用適當的方式（如CCD相機）擷取此變形條紋，就可得到投射條紋之影像資料。疊紋通常有許多種不同之形式，基本上各種疊紋皆有其特性，利用各種疊紋之特性可用來做各種不同之量測或產生各種不同之圖形。

6. 投射疊紋做輪廓量測之方法 • 一、正弦強度分佈條紋配合相位調變技術 • 二、運用相位分析方法與影像處理技術 • 三、利用二直化條紋影像和三角法原理

7. 一、正弦分佈條紋與相位調變技術 • 利用光學干涉原理加上PZT變形量產生波程差改變，直接在物體表面輪廓上產生干涉條紋，配合影像介面卡與PZT變形量產生不同相位之干涉條紋，循序擷取數張影像，再利用此數張影像反算出物體表面輪廓，此種方法因其直接利用雷射光干涉產生條紋，故精密度相當高，但卻容易受環境震動而影像其結果，必須於光學桌上進行量測實驗，使其適用範圍受到很大的限制。

8. 二、相位分析法與影像處理技術 • 將正弦光柵直接投影於物體表面，應用相位分析方法與影像處理技術擷取條紋中心的高度變化值，以省卻需使用光學桌的麻煩。

9. 三、二值化影像和三角法原理 採用二值化條紋影像投影於物體表面，配合灰階圖案執行空間間隔編碼，應用細線化技巧，再經由三角法原理，即可計算出物體表面高度變化。目前二、三類的技術已經被工業界採用，但由於條紋的解析度受限於CCD相機的像素點，條紋中心的取樣數較少，當物體表面輪廓變化較為複雜時，取樣點數的限制會遺漏部分較細緻的高度變化訊息。

10. 參、儀器設備 • 1.氦氖雷射：光源用。 • 2.光學桌：消除外來振動維持穩定的干涉條紋型式。 • 3.空間濾波器：由一組凸透鏡及針孔組成，以濾清及放大雷射光束。 • 4.分光鏡：將光分成兩束以產生干涉條紋。 • 5.反射鏡：導引光線。 • 6.PZT：產生相位調變功能。 • 7.試體：選取標準試體與測試體數個。 • 8.486PC電腦：控制PZT推動，量測數據分析與計算。 • 9.監視器：觀測投射條紋現況。 • CCD相機：擷取試體影像。

11. 肆、實驗步驟 • 1.干涉儀架設，調整干涉條紋間距。 • 2.將干涉條紋投射於試體上，調整試體平面與CCD相機面平行。 • 3.進入相位調變量測實驗軟體，選擇影像卡與電壓值。 • 4.擷取五張影像，並分析其相位分佈使其達π/2。 • 5.若未達到π/2則重覆步驟3與4，使其達到相位分佈為π/2。 • 6.分析所有圖形並將資料重建得到物體外形輪廓。 • 7.對各試體分別重覆數次量測。

12. 試體 P－V值（mm） P－V相位值 P0tanθ0（mm） 標準試體一 標準試體二 伍、結果記錄 （1）P0tanθ0的校準

13. 試體 試體一 試體二 試體三 實驗次數 P－V相位值 P－V值 P－V相位值 P－V值 P－V相位值 P－V值 1 2 3 4 平均值 伍、結果記錄 （2）待測體記錄

14. 陸、問題討論 • 1.何謂疊紋法？其分類與其基本量測性質為何？ • 2.是推導公式（1），其假設條件為何？ • 3.P0tanθ0校準的目的為何？ • 4.光柵間距大小與量測有何關係？ • 5.試設計一種方式，不使用干涉儀而可執行相位調變投射疊紋量測。

15. 柒、實驗結果 • 相位調變投射疊紋技術曾以酒瓶模型作為試體執行量測，其結果如圖一所示。 圖一、酒瓶模型經過π的相位調變之變形條紋影像