数字全息干涉术用于电路板弯曲形变的研究

尤东妹

摘 要: 电路板的弯曲与变形测量，一直是机械工程领域中的重点问题。传统的物体形状测量方法准确度往往不高，且方法繁琐，但是通过运用数字或全息干涉的方式检测具有敏感度较高，装置简便，无损伤待测物等优势，已在电子工程上被普遍使用，特别是在检测电路板的弯曲变化等方面具有优越性。随着电子图像器件与计算机的不断发展提高，全息摄影干涉技术又步入了一个全新的历史阶断。本文中利用采用菲涅耳数字全息干涉术，进行了对集成电路板表面的连续扭曲变形检测。

关键词:数字全息干涉术；菲涅耳全息术；电路板；弯曲形变

引言

随着电路系统复杂化程度的不断提高，同一块电路板上通常会焊装各种不同的电子元器件和集成电路芯片，在电路板的安装、运输或者其它一些高负荷应用条件下，电路板可能会发生较大弯曲形变，其上的器件也可能因电路板的弯曲形变而失效乃至损坏导致电路系统无法正常工作，甚至带来灾难性的后果。揭示集成电路板在外加载荷影响下的变化过程和变形特性，可用来研究集成电路板的热力学与应变特征，对于优化集成电路板的材料选型与结构设计至关重要。而数字全息干涉技术则可以很好地解决这一问题，它通过利用CCD等光电图像元件可以在时间物场的不断变化过程中同时记录下多个数字全息照片，进而运用数字算法可以得出各个时间物场的重复振幅分布情况，将之加以比较后，可以求得相应的干涉相位差。利用其与待测物理量间的关联，可以便捷地完成对物场变化的即时检测。这种方式具备检测精确、反应敏捷和实时全场检测等优势，因此在许多研究领域得到广泛应用。

一、数字全息干涉的基本原理

1.1数字全息干涉的特征

(1)从一幅全息图，计算每个物体光的位相波前速度分布：同时可以取得每个物体光的位相和时间振幅波前分布；同时取得不同物体光在不同物体传播时间位置时的波前速度分布。

(2)一次时间速度测量：由于测量速度快，完成一次时间测量大约至少需25毫秒。

1.2测量原理

(1)用到的电荷电子耦合将该器件的CCD用来取代了我们传统的条纹记录器，该介质可用来对所需要获得的全息图或者称为全息射线干涉图的条纹图数据进行分析记录；

(2)再现时，将电寻址液晶的EALCD与电脑接口相连接，并使之正确地恢复到用CCD记录全息照相时的地址，将第一步所得到的全息图及全息干涉图像全部输入EALCD；

(3)将数码图象的处理与分析技术，应用到全息数字图或者全息条纹干涉图像的测量中，以提升全息图像和数码全息条纹干涉图像与条纹辐射图之间的图像对比度；

(4)运用四个干涉图法原理，成功获得物体三维变形图。

在这次实验中，分别依次进行了三维菲涅耳全息图和像素平面全息图的图像记录与扫描再现，它还分别采用了数字图像处理扫描技术对三维图像条纹进行了扫描处理，结果我们得到了清晰的三维再现性图像和三维干涉扫描条纹。同时，利用了基于位相和移动算法的四个三维干涉扫描图法，在一个宏观上我们获得了一个物体的三维图像变形处理图像。而且在试验中的结果也充分显示，将CCD技术与EALCD技术相结合，并充分结合了用于数码影像图象处理的各种数码图像全息图和干涉术，用于测定物体变形比该方法更加简便快速有效。

物体光的再现公式：

Ψ=RI_H=R|R| +R|O|²+|R|²O+R²O*

菲涅耳变换公式：

Ψ=（m，n）=Aexp［iп/λd（m²Δξ²+n²Δη²）］*FFT｛R_D(k，l)*I_H(k，l)*exp［iп/λd（k²Δx²+l²Δy²）］｝_m，n

1.3实验测量系统

实验试样测量控制系统主要由离轴菲涅耳全息图试样记录测量光路、试样测量加载控制夹具、CCD、图像测量数据采集与图像处理五个系统部分组成。

反射光路中，verdi是由激光器反射发出的细颗粒激光束(λ=532nm)经半透半反镜反射BS₁后又被分成两束：一束经过小型针孔透镜扩束器反射BE₁后由针孔透镜反射L₁准直，经针孔反射镜透镜M₁反射后后再透过针孔分束镜BS₂，投射激光到位于CCD的靶面上作为反射参考的激光波；另一束由半透反射镜M₂反射后，经过针孔扩束器BE₂后由透镜L₂准直，垂直照射到待测电路板表面，经其反射后透过BS₂投射在CCD靶面上作为物光波。物理中光波与反射参考基物光波段的干涉所产生形成的反射条纹由应用CCD对靶面进行记录，得到一个数字全息图。利用该光路系统分别记录电路板表面变形前后的两幅数字全息图，然后由菲涅耳变换法对其进行数值重建，得到样品表面变化前后的物光波场复振幅分布，从中提取出相应的相位变化分布，并计算出样品表面的离面位移分布。

为测量电路板连续弯曲形变的加载夹具结构示意图。它主要由2个前三角柱锥和1个后三角柱锥组成。在加载的过程中，后三角柱锥不动，2个前三角柱锥通过旋转螺旋千分杆给电路板两端对称施加相等的位移载荷。

(a)为电路板的布局示意图，(b)为照明测量区域的放大图，电路板上焊有24个多层陶瓷电容器，虚线1和虚线2为对称加载位置，相距100 mm，电路板中间的虚线为零位移线。在固定电路板时，后三角柱锥顶在电路板中间虚线位置处，因为在加载的过程中，后三角柱锥不动，所以电路板中间虚线位置处的位移为0。

二、计算机模拟

计算机模拟：全息干涉图

计算机模拟：解析结果

解析后的结果和上次输入的凹凸表面镜面和形状曲线分布一致;整个解析持续时间大约为15毫秒。

结语

利用光子数字化和全息定位干涉术可以测量光子电路板物体表面的连续弯曲角度形变，具有良好的测量重复性和高度稳定性。实验研究结果表明，该测量方法简单易行，尤其特别适合对测量样品物体进行实时的和全场定位测量，测量准确结果可靠，是一种有效的同时测量样品物体大小和位移连续弯曲角度形变的测量方法。

参考文献

[1].希尔伯特变换实时全息干涉条纹相位提取[J]. 光电工程 2009(04)

[2].四步数字相移全息干涉术三维变形测量[J]. 仪器仪表学报 2011(12)

[3].利用数字全息干涉术测量电路板的连续弯曲形变[J]. 光学精密工程 2012(08)