散斑干涉实验

散斑干涉实验
光信息科学与技术08级3班 组别：B17
一、实验目的
1、了解散斑的性质及特点。

2、掌握散斑和离面散斑的测试方法。

二、实验原理
1、散斑的形成
当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表
面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。

要
形成散斑且散斑质量较好必须具备以下条件：
（1）有能发生散射光的粗糙表面；
（2）粗糙表面深度须大于入射光波长；
（3）入射光线的相干度要足够高，如使用激光。

图1、散斑图像
散斑携带了散射面的丰富信息，可以通过散斑的性质来推测物体表面的性质。

由于这种办法的无损、快速等诸多优点，它被广泛应用于工业控制的缺陷检测、医学的光活检等领域，且受到越来越多的关注
2、散斑的大小
散斑颗粒的大小，可用它的平均直径来表示，颗粒尺寸的严格定义是两相邻亮斑间距离的统计平均值。

此值由产生散斑的激光波长及粗糙表面圆型照明区域对该散斑的孔径角'
u 决定：
散斑平均半径=<v σ>='0.6/sin u λ (1)
上式说明散斑的大小粗略对应于散射光的干涉条纹间距。

散斑的形状与照明区域的形状有关，若照明区域增大则散斑变小。

上面所讲的散斑是由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，称为直接散斑(如图2所示)。

若经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，亦称主观散斑（如图3所示）。

图2、客观散斑的形成 图3、主观散斑原理图
成像平面上P 点的散斑直径v σ，决定于透镜出射光瞳对P 点的孔径角'
u ，即
<v σ>='0.6/sin u λ=0.6/NA λ=1.2（1+M ）F λ （2）
其中NA 为透镜的数值孔径，M 是透镜的放大率。

主观散斑是物面上的散斑图像成像所得，这个物方散斑图的平均直径用<S>表示：
<S>='0.6/M*sin u 0.6/M*NA λλ= （3）
3、散斑的光强分布
正常散斑图是杂乱无章的随机散斑图，其强度分布为负指数概率密度函数。

概率最大的 强度趋于零，即黑散斑比其他强度的散斑都多。

若把来自同一光源的均匀亮度的参考光束加到散斑场上参考光方向必须沿形成散斑的光束方向，该参考光会影响散斑的大小与强度分布。

当引入较强的参考光时由于产生主干涉现象，干涉条纹间隔加倍，散斑直径也加倍。

4、离面位移（形变）的散斑测量
设A 1、A 2分别是被测场M1与参考面M2产生的散斑场在P 点上的振幅。

P 点合成振幅为A 1+ A 2，强度取决于A 1、A 2的位相。

当物体M1位移（或变形）后，若位相差的改变为2π，4π，……相应的程差改变为λ，2λ，……，变形前后的散斑场强度一致，称为相关。

若程差改变为λ/2，3λ/2，……，亮散斑变为黑散斑，称为不相关。

将变形前后的图像拍下来，对两幅散斑图像进行相减，可得相关位移信息。

5、RMS 值和pv 值
面型是光学制造中的重要精度指标之一，简单来说是表面不平整度。

面型的两个参数PV 和RMS 值，PV 是表示表面的最高处与最低处的差值，RMS 值是表面高低的平均值。

max min PV x x =- （4）
RMS = （5）
Em 是测量的最大值与均方根值之差，即
max Em x RMS =- （6）
三、实验用具与装置
实验用具：激光器、金属片、平面反射镜、分光棱镜、CCD 光电接收器、透镜、衰减器，可调光阑，扩束
镜。

实验装置：
图4、测量光路图
四、实验步骤
1、打开激光多功能光电测试实验仪的电源（CSY-10L 型），激光器开至Ⅲ档迅速起辉，等待约10s ，激光光强稳定，回拨至Ⅰ档。

检查CCD 光电接收器上的电信号灯是否亮。

2、按照图4，把所需仪器装在对应的位置，注意图中2、
3、
4、
5、6的位置已经调好。

3、把可调光阑的位置调到成像透镜的后焦面上，孔径调到最小。

用纸挡住散斑样品（分别为钢片、铝片、铜片）的光束，然后调节参考平面镜工作台的俯仰角度，微调旋钮，使其反射的光束入射到光阑的孔
径之内，再反过来用同样的方法调节散斑样品的反射光入射到光阑内，并使两束光会聚的焦点重合。

4、打开软件csylaser，选择实验类型A，按“活动图像”键。

调节CCD的位置使条纹清晰后锁定它，使
光强适中。

微调工作台10、11的微调旋钮使干涉条纹清晰，然后调节11上的测微螺杆或在csylaser上按“PZT自动扫描”的“开始”键，使反射镜产生轴向位移，并观察条纹平移。

若条纹有明显平移现象，则表明调节成功，否则得重调光路。

5、打开软件wave，点击“实时采样”按钮打开采样窗口，选择扫描周期为1，扫描步数为8，再点击“采样”，扫描完毕后按“返回”键，返回主界面，并保存扫描图片。

6、旋进工作台10的旋进按钮，使散斑样品产生微弱位移，然后再重复步骤4~6。

点击工具栏上的“工具”
菜单，选择“波面相减”键，打开刚才保存的文件1，得到所要的形变量的图，保存它的综合数据图。

操作注意事项:
1、注意衰减器消光的作用以及使用
2、调节准直透镜与扩束镜的对焦要有耐心
3、要用纸片垫在反射前面边上，防止压坏镜面
4、当放入钢片和铝片时，由于其反射率强，所以反射镜前不用放衰减器；而放入铜片时，由于铜片的反
射率低，所以要用衰减器滤去反射镜过强的反射光。

5、成像透镜焦距为18cm
五、实验过程记录与数据处理分析
1、调节光路共轴，两光斑与光阑处重合。

2、于csvlaser软件观察，现象为：反射镜移动条纹移动数正向增加时，条纹往里收缩；条纹移动减小时，
条纹往外扩张。

3、用不同样品进行实验，对比散斑图，观察到，钢片样品散斑比较亮，铝样品其次，铜样品散斑最暗，
这与各样品的反光性质及表面粗糙程度有关。

4、用Wave软件实时采样，得出三维立体透视图及测试结果。

由于实验图像不能从电脑上拷贝出来，只能用到拍摄到的数据。

回想实验过程，可以知道钢片和铝片的散斑干涉图样都比较亮，条纹也较清晰；其中数钢片的散斑亮度最大、条纹更均匀，这是由于钢的反射率最大的缘故。

三者中铜的反射率最低，因此散斑要较模糊，亮度很低，并且其中的干扰光已占不小部分。

分析结果数据的参数：测试波长 =632.80nm，被检测口径D=24.84mm
由上分析可得分析数据如表1：
表1 各样品的散斑数据
由表1可以看出，样品表面的光滑程度由大到小分别是：钢片、铝片、铜片。

此实验数据结果还是挺好的，说明实验比较符合理论分析。

六、思考题
1、什么叫散斑和成像散斑？散斑干涉技术有何用途？
答：当一束激光射到物体的粗糙表面上时，由该物体上各点散射的光强位相是随机分布的，他们相加以后的振幅与位相都是随机的，故在粗糙表面前面的空间将布满明暗相同的亮斑与暗斑，这些亮斑与暗斑的分布是杂乱的，所以称为散斑，散斑布满整个空间。

散斑经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，即为成像散斑。

本实验采用成像散斑，有利于利用透镜从空间散斑中确定所需的散斑采样面，同时也方便利用CCD进行数据采集。

被激光照明的粗糙物面在透镜的像面上形成散资图，此法称为散斑照相。

若这时另外加一个相干的参考光，该相干的参考光可以是平面波、球面波．甚至是另一粗糙面的散斑场，这种组合散斑场的技术，就称为散斑干涉术。

激光散斑干涉在许多领域得到应用。

包括：测量纵向位移的散斑干涉技术，测量横向位移的散斑干涉技术，激光散射法测量圆柱内孔表面质量，测量粗糙表面光洁度等等。

2、什么叫做成像散斑？散斑技术有何用途？
答：在直接散斑的粗糙面与观察屏之间加入一个光学系统，使散射光在光学成像系统的像平面上形成散斑，称为成像散斑。

由于散斑携带着物体粗糙表面的某些信息，借助于散斑不仅可以研究物体粗糙表面本身的信息，而且还可研究其形状与位置的变化。

当物体表面(或内部)的某一点发生相应的微小位移时，要引起所对应的散斑点发生相应的移动。

利用散斑分析技术如二次曝光的照相方法将物体表面(或内部)产生的微小位移前后的散斑记录在同一张记录材料上时，通过分析比较就可测量出物体表面(或内部)的微小位移和形变。

该方法用于无损检测中就可检测出被测物表面或内部的缺陷。

利用散斑作为信息载体测量漫反射表面位移和变形检测就是有散斑照相术和散斑干涉。

散斑照相术在实验力学检测获得一系列的应用，如面内位移、位移梯度、表面斜率和形貌等的测量；散斑干涉主要用于离面位移和形貌的测量。

3、怎样从数据图读出被测面位移量?
答：使散斑样品产生微弱的离面位移，将位移后得到的散斑图像与位移前的图像进行“图像相减”，得到所要的散斑形变量。

4、散斑干涉测量中，什么情况称相关？什么情况称不相关？
答：当样品发生位移（形变）时，前后两散斑场的位相差发生变化，合成的散斑场强度随之发生变化。

若位相差的改变为
,
4,
2π
π
……，即程差的改变为
,2,
λλ
……，则变形前后的散斑场强度一致，此种情况
称为相关。

若位相差的改变为
,
3,π
π
……，即程差的改变为
/2,3/2,
λλ
……，则变形前后的散斑场明暗相反，此种情
况称为不相关。

5、散斑的基本性质？
答：当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。

散斑颗粒的大小定义是两相邻亮斑间距离的统计平均值，此值是由产生散斑的激光波长及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔径角所决定。

散斑的强度分布为负指数概率密度函数，这种完全杂乱无章的随机散斑图称为正常散斑图。