1、激光散斑干涉實驗摘要:激光散斑測量法是在全息方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種測量方法，這種方法 具有很強的實用價值。散斑位移測量不僅可以實現(xiàn)離面微位移的測量，也可以進(jìn) 行面內(nèi)微位移測量。主要是對面內(nèi)微位移進(jìn)行了測量研究，利用設(shè)計的測量系統(tǒng) 將物體發(fā)生位移前后的散斑圖由CCD記錄下來，分別用數(shù)字散斑相關(guān)法和散斑照 相法對散斑圖像進(jìn)行了分析處理，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。關(guān)鍵詞:激光散斑;位移測量;數(shù)字圖像處理一、引言激光自散射體的粗糙表面漫反射或通過透明散射體（毛玻璃等）時，在散射 表面或附近的光場中會形成無規(guī)則分布的亮暗斑點，稱為激光散斑。激光散斑在全息圖上是一種有害的背景噪聲，但由于散斑攜帶了光束和光束

2、所通過物體的光學(xué)信息，于是產(chǎn)生了廣泛的應(yīng)用。例如，用散斑的對比度測量反 射表面的粗糙度；利用散斑的動態(tài)情況測量物體運動的速度；用散斑進(jìn)行光學(xué)信 息處理，甚至利用散斑驗光等等。但應(yīng)用領(lǐng)域最廣的是散斑干涉測量技術(shù)。散斑 干涉技術(shù)在機械工程方面可以用于測量物體表面的形變和裂紋、損傷和應(yīng)力分 布，在天文學(xué)方面可以測量大氣的擾動和溫度場分布，在醫(yī)學(xué)、力學(xué)和光處理等 領(lǐng)域也有廣泛的影響。二、實驗2.1實驗測試系統(tǒng)散斑干涉測量離面位移光路圖如下圖所示待廁物2.2實驗原理（1）激光散斑當(dāng)相干光照射一個粗糙物體的表面（或通過透明的粗糙面）時，在物體表面前的 空間，可得到一種無規(guī)律分布且明暗相間的顆粒狀光斑，稱為

3、散斑。由于激光的 高度相干性，表面散射光在空間中隨機相干疊加后會形成一些亮暗分明的區(qū)域， 且呈現(xiàn)無規(guī)則分布，按照在散射面有無透鏡，可以將散斑場劃分為主觀散斑和客 觀散斑，由于透鏡的使用，主觀散斑又被稱為成像散斑。（2）利用散斑干涉術(shù)測量面內(nèi)位移散斑干涉計量就是將物體表面空間的散斑記錄下來，當(dāng)物體運動或由于受力而產(chǎn) 生變形時，這些隨機分布的散斑也隨之在空間按一定規(guī)律運動。因此能利用記錄 的散斑圖分析物體運動或變形的有關(guān)信息。當(dāng)測量物體在面內(nèi)發(fā)生位移時，通常 在被測物體位移前，將散斑記錄下來，然后使物體垂直于光軸發(fā)生一微小面內(nèi)位 移d，再次記錄。兩次記錄的圖樣是同一個物體發(fā)生相對位移Md前后的兩個

4、散 斑圖（M為散斑圖的放大倍數(shù)），其上的各斑點都是成對出現(xiàn)的，相當(dāng)于在底片 上布滿了無數(shù)的“雙孔”。與楊氏雙孔衍射相似，在像面上看到的是在一個衍射 暈內(nèi)的等間距平行線，稱為楊氏條紋圖。（3）離面位移（形變）的散斑測量設(shè)A1、A2分別是被測場M1與參考面M2產(chǎn)生的散斑場在P點上的振幅。P點合振 幅為A1+A2，強度取決于A1、A2的位相。當(dāng)物體M1位移（或變形）后，若位相 差的改變?yōu)?n、4n, 相應(yīng)的光程差改變?yōu)槿耄?入，變形前后的散斑場強度一致，稱為相關(guān)。若光程差改變?yōu)槿?2, 3入/2,，亮散斑變成暗散斑，稱為不相關(guān)。將變形前后的圖像拍下來，對兩幅散斑圖像進(jìn)行相減，可得 相關(guān)位移信息。2.

5、3實驗過程（1）搭建并調(diào)整實驗系統(tǒng)按照實驗光路圖在光學(xué)平臺上搭建主觀散斑記錄光路，并調(diào)整系統(tǒng)共軸，要 求激光束與臺面平行，并用針孔濾波器對光束進(jìn)行濾波后，照明待測物體。說明：接收器采用CCD器件，由CCD器件采集的光強信息經(jīng)過采集卡進(jìn)行 AD變換，將模擬信號變成數(shù)字信號，再顯示在計算機屏幕上，此數(shù)字信號同時 存入計算機硬盤上便于數(shù)據(jù)處理。（2）拍攝散斑圖A、采用前面已調(diào)整好的主觀散斑記錄光路，將毛玻璃作為待測物體，物光束經(jīng) 成像透鏡投射到CCD表面，由CCD拍攝的散斑圖顯示在計算機屏幕上。前后移動 CCD，仔細(xì)觀察散斑場的分布情況，重點注意散斑的對比度、形狀和大小與照明 條件的關(guān)系等，繼而得到

6、對激光散斑的定性認(rèn)識；B、將毛玻璃換作名片、請柬重復(fù)以上實驗。（3）散斑干涉測量A、測量微小面內(nèi)位移 利用前面已經(jīng)調(diào)整好的主觀散斑的拍攝光路，將毛玻璃更換為待測物，物光束經(jīng) 成像鏡頭投射到CCD表面。調(diào)整物距，找到成像最清晰的位置并且固定待測物。 利用待測物調(diào)整架上的千分頭使待測物體在自身平面內(nèi)做微小位移，用計算機上 的圖像采集程序控制CCD攝像機，對物體發(fā)生位移前后的散斑圖進(jìn)行記錄并相 減，通過散斑條紋計算散斑位移量，并與待測物體的手動位移量作比較。B、測量微小離面位移a按照實驗原理圖搭建好光路，要求激光束與臺面平行，各器件同軸等高，分光 棱鏡分出的物光均勻照射離面位移待測物，參考光經(jīng)同光程

7、反射后與物光波匯合 同時進(jìn)入CCD；b把圓形壓力盒作為被測物，壓力盒表面有微小的突起和回復(fù)，通過軟件實時剪 切，觀察條紋的產(chǎn)生以及變化情況，據(jù)此定性分析圓形壓力盒的表面實時突起變 化的情況；c將圓形壓力盒（變形物）換成剛性推板俯仰物，通過推動千分絲桿使推板前傾 產(chǎn)生離面位移，觀測條紋，通過軟件定量計算俯仰板上各點較原位置的位移量， 并通過絲桿讀書計算驗證。（4）設(shè)計性實驗壓電陶瓷的熱變形測量：通過對壓電陶瓷施加不同的電壓，實驗中為3.0V、6.0V、9.0V、12.0V、15.0V， 用軟件實時剪切，觀察條紋的產(chǎn)生以及變化情況，據(jù)此分析壓電陶瓷的熱變形情 況。3、結(jié)果與討論（1）等傾干涉圖1圖

8、2圖3圖4討論：面內(nèi)位移越大，等傾干涉條紋越密(2)等厚干涉實驗數(shù)據(jù):實驗數(shù)據(jù):四四圖一圖二圖三圖四圖五環(huán)數(shù)108643表格：環(huán)數(shù)與離面位移的關(guān)系數(shù)據(jù)分析：離面位移越大，環(huán)數(shù)越多。壓電陶瓷y第幾環(huán)5432112345x位置(cm)-9.2-8.5-7.5-6.5-4.53.54.56.7589牛頓環(huán)1x位置(cm)-13.5-12-10.5-8-447.510牛頓環(huán)2圖2 6V圖3 9V圖 4 12V圖 5 15V圖1 3Vx位置(cm)-13-10.5-7.5-338牛頓環(huán)3x位置(cm)-11-8.5-32.57.510.5牛頓環(huán)4x位置(cm)-14-8-1.52.58牛頓環(huán)5表格：用P

9、PT標(biāo)尺標(biāo)定第幾環(huán)所在的位置折線圖：用PPT標(biāo)尺標(biāo)定第幾環(huán)所在的位置4、 思考題什么叫散斑和成像散斑？散斑干涉技術(shù)有何用途？答：當(dāng)一束激光射到物體的粗糙表面上時，由該物體上各點散射的光強位相是隨 機分布的，他們相加以后的振幅與位相都是隨機的，故在粗糙表面前面的空間將 布滿明暗相同的亮斑與暗斑，這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的，所以稱為散斑， 散斑布滿整個空間。散斑經(jīng)過一個光學(xué)系統(tǒng)，在它的像平面上形成的散斑，即為 成像散斑。本實驗采用成像散斑，有利于利用透鏡從空間散斑中確定所需的散斑 采樣面，同時也方便利用CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。被激光照明的粗糙物面在透鏡的像面上形成散資圖，此法稱為散斑照相。若 這時另

10、外加一個相干的參考光，該相干的參考光可以是平面波、球面波.甚至是 另一粗糙面的散斑場，這種組合散斑場的技術(shù)，就稱為散斑干涉術(shù)。激光散斑干 涉在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。包括：測量縱向位移的散斑干涉技術(shù)，測量橫向位移的 散斑干涉技術(shù)，激光散射法測量圓柱內(nèi)孔表面質(zhì)量，測量粗糙表面光潔度等等。從實驗觀察到的現(xiàn)象，說出散斑的基本性質(zhì)。答：當(dāng)相十光照射一個粗糙物體的表面(或通過透明的粗糙面)時，在物體表面前的空間，可得到一種無規(guī)律分布且明暗相間的顆粒狀光斑，稱為散斑。散 斑顆粒的大小定義是兩相鄰亮斑間距離的統(tǒng)計平均值，此值是由產(chǎn)生散斑的激光 波長及粗糙表面圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇撬鶝Q定。散斑的強度分布為負(fù)指

11、 數(shù)概率密度函數(shù)，這種完全雜亂無章的隨機散斑圖稱為正常散斑圖。怎樣從數(shù)據(jù)圖讀出被測面位移量？答：使散斑樣品產(chǎn)生微弱的離面位移，將位移后得到的散斑圖像與位移前的圖像 進(jìn)行“圖像相減”，得到所要的散斑形變量。參考文獻(xiàn)：Hung Y Y. Shearography: a Novel and Practical Approach for Nondestructive Testing【J】 .Journal of Nondestructive Testing, 1998, 8 (2):55一67L i X, Wang K, D eng B. Matched Correlation Sequence Analysis in Temporal Speckle Pattern 1nterferom a try【J】 .Optics&Laser Technology,2004,36(4):315一 322楊國光.近代光學(xué)測試技