散斑干涉以及散斑照相术
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解
孙小勇周克印王开福
（南京航空航天大学无损检测中心南京中国２１００１６）
摘要：本文介绍了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术成像的原理，对剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术应用于无损检测领域中散斑图像的获取方法进行了说明，列举了两种方法所得的散斑图，并比较了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术在无损检测领域的应用，可为激光散斑检测技术应用到无损检测工作提供有益的参考。
被测物
图ｌ电子散斑剪切干涉的光路系统
因此，电子剪切散斑干涉是同一个物体的两个剪切像的干涉。物面上的一点，经过剪切装置后，在像面上形成相邻两个点。假定是在ｘ方向剪切，由剪切镜产生的物面上的剪切量为６。．对于整个物体来说，在像平面上形成了两个相互剪切的像，它们的波前分别为：１３９
Ｆ＠，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｑ）ｘ，ｙ）】（１）
ｔｅｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
ＴｅｓｔＳｈｅａｒｏｐｈｙＰｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｉｎｇＥＳＰＩ１４３
在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。
１、剪切散斑干涉技术：
１．１剪切散斑干涉的原理
电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在计算机显示屏上即可实时显示物体变形信息的散斑条纹图。
激光投影散斑的原理消除方法
激光投影散斑的原理消除方法
散斑的原理主要涉及两个方面：干涉和散射。
干涉是指光线在不同空间位置相遇并发生干涉现象。
当激光光束照射
到表面时，光线会与表面的不均匀性相互干涉，产生明暗相间的干涉条纹。
这些干涉条纹表现为亮暗相间的斑点，即散斑。
散射是指入射光线在表面上发生多次反射、折射和散射后形成的新纯
散射光线。
当光线照射到粗糙的表面时，表面的微小不均匀性会使光线发
生散射，产生各向异性的光斑分布。
这些散射光线与光束的主要传播方向
垂直，导致光斑扩散。
消除激光投影散斑的方法主要包括以下几种：
1.采用均匀光源：利用面积光源或光纤光源作为激光投影的光源，可
以有效减小激光光束的空间相干性，降低散斑产生的程度。
2.使用光学元件：在激光投影光路中添加一些光学元件（如衍射光栅、透镜、滤波器等），可以调制光线的传播方向和相位，减小散射和干涉对
散斑的影响。
3.表面处理：改变被照射物体的表面形状和光学特性，例如镀膜、研磨、抛光等，可以减少散射和干涉效应，降低散斑的产生。
4.图像处理：通过图像处理的方法，如滤波、聚焦等，可以减小散斑
对投影图像的影响，提高图像的清晰度和质量。
5.高斯光束：将光源转换成高斯光束，可以减小激光光束的相干性，
使散斑的能量分布更加均匀，降低干涉和散射的影响。
总之，对于激光投影散斑问题，需要综合应用光学技术、图像处理技术和表面处理技术等手段，综合考虑物体表面特性、光源特性和光学系统特性，从不同方面进行改进和优化，以达到最佳的散斑抑制效果。
电子散斑干涉的最新发展和应用
电子散斑干涉的最新发展和应用摘要电子散斑干涉是测量位移的全域非接触光学测量技术，基于表面生成激光散斑的光学物理。
自七十年代成立以来，电子散散干涉已经逐渐演变成不同的光学设计，并且已经被应用到一系列工程和非工程应用中。
电子散斑干涉的发展随着九十年代新的激光和光学技术引进到干涉仪中，继续进行，从而进一步优化和扩展该技术的开发潜力。
这次审查认为干涉仪的设计和应用是最值得注意的发展，它在九十年代已经出现并被广泛出版，还检查到科技研究的现在和近未来的发展方向。
关键词：散斑，干涉，电子散斑干涉，静态，动态，瞬态，全域1背景电子散斑干涉（又称全息电视，电子全息和电光全息）是一种非接触的全域雷达基础测量表面位移的光学计量技术，它采用了粗糙光学表面上激光散斑的形成。
几个不同的光学配置用于在条纹或干涉方面获取离散正常到表面（外平面）和平行于平面（内部平面）的位移分量。
作为一项实验技术电子散斑干涉的发展在全息干涉（1）有根源，来自物体表面的激光散斑在这里被视为测量系统的噪声源。
格罗（2）一般被认为是最早意识到激光散斑作为一个合理的基础在自己的权利计量技术方面的潜力，指引出散斑计量的广义领域。
这种广泛的措辞包括几种应用激光散斑并考虑到散斑物理学优势的不同思想，这种想法通常是分类或划分散斑照相和散斑相关技术。
电子散斑干涉散斑相干技术的发展可以归结为七十年代的Leendertz (3)，Macovski et al. (4)，巴斯特和Leendertz (5)同时证明了电视摄像机作为录音设备（生产“实时”结果(25Hz)）的使用。
七十年代这项工作在英国拉夫堡大学继续进行，集中与光学配置的优化，确保技术的发展对工程应用是合适的。
进一步的研究工作在七十年代被挪威科技研究所（特龙海姆）的一个小组完成，该小组由Løkberg带领，他也开发了电子散斑干涉的振动面分析。
条纹类型分析的介绍和增长的高能、便宜、快速的计算机在八十年代中期给作为有潜力的新型工程工具的电子散斑干涉加入了新的说明。
散斑干涉
peckle也称斑纹。
自1960年激光器问世后不久，人们就观察到了一种现象：被激光照明的物体，其表面呈现颗粒状结构。
这种颗粒状态被取名为“激光散斑”。
这种强度随机分布的散斑图样，可以由激光在粗糙表面反射或激光通过不均匀媒质时产生。
因为大多数物体表面对光波的波长（以氦氖激光器为例，λ≈0.6μm）来讲是粗糙的，由于激光的高度相干性，当光波从物体表面反射时（图1），物体上各点到适当距离的观察点的振动是相干的。
因此观察点的光场是由粗糙表面上各点发出的相干子波的叠加。
因为粗糙度大于光波波长，所以物体各点发出子波到达观察点的位相是随机分布的。
相干叠加结果就产生了散斑的随机强度图样──颗粒状。
显然，这种随机强度分布图样可用统计方法来描述。
从牛顿时代起一些科学家就观察到散斑现象。
I.牛顿在当时就解释过为什么能观察到恒星的闪烁现象而观察不到行星的类似现象。
现在人们知道这两类星体的空间相干性是不同的。
1877年K.埃克斯纳研究散射光干涉现象时，在夫琅和费衍射亮环内观察到辐射颗粒状散斑图样，这种辐射状是光源单色性不够引起的。
1914年M.von劳厄发表的夫琅和费照片更清楚地显示了辐射颗粒状结构，并讨论了它的统计特性。
但是对散斑现象作大量深入的研究，以及开辟日益广泛的应用，还是在激光器出现之后。
激光器是散斑研究和应用的理想相干光源。
人们对散斑的统计性质进行了深入的研究，包括相干和部分相干、偏振和部分偏振等情况。
因为散斑图样对相干成像系统来讲，是一种很讨厌的相干“噪声”，它限制了成像系统的分辨率。
为此人们曾致力于把散斑效应减至最小的研究，但是进展不大。
相反，近年来在利用散斑的特点应用于各个领域却取得了不少进展。
散斑干涉量度术它为非镜面反射物体提供了一种高灵敏度测量方法。
利用散斑图样可以测量物体的位移、振动和形变，成为无损检验的重要手段之一。
它的优点是可以调节散斑大小以适应检测器（胶片、电视等）的分辨率而并不降低精度。
利用散斑的统计性质可以测量物体表面粗糙度，假若表面均方根粗糙度小于照明光波的波长，则粗糙度可由散斑的反衬度来测定。
激光散斑及其应用
x
di
D
其中，为光的波长，di为像距， D为透镜孔径。 像面散斑的尺寸与漫射体被照 明的面积无关，而仅与透镜孔径 对观察点的张角有关。
2、散斑照相术 什么是散斑照相术？ 用一束激光照射漫射体，在同一底片上记录物体位 移（或形变）前后的两个或多个散斑图，再用光学 方法从中提取出漫射表面位移或形变的信息，这种 方法称为散斑照相。 利用散斑照相术可以测量漫射物体的位移、形变、 振动等，还可以进行图像处理；下面将介绍散斑照 相术的一些典型应用：
① 底片或物体横向移动时记录的散斑图
② 底片或物体纵向移动时记录的散斑图 ③ 散斑照相术用于测定漫射物体的面内位移或形变
④ 散斑照相术用于图像的光学处理
2、散斑照相术
2.1 底片或物体横向移动时记录的散斑图 1） 两次曝光记录的散斑图
利用上图所示的装置两次记录漫射体M所产生的散斑强度图，照相底片H 上记录的强度分布是两次曝光记录的两个散斑图强度之和：
于是通过测量干涉条纹的间距，就可以测量底片或慢射物体横散斑图 若曝光期间底片以恒定速度沿y方向连续位移距离y0，记录的强度为
y I x, y g x, y * rect y0 经过显影处理后放置在相同的衍射装置中，在后焦面上得到的光强为（如 下图）： y y xf yf 2 2 2 2 f 0 I , y G sin c 0 f f f
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《傅里叶光学•第2版》电子教案
第九章 激光散斑及其应用
本章主要内容
1、散斑现象及其分类
2、散斑照相术 3、散斑干涉测量
1、散斑现象及其分类
当激光照射物体的漫射表面（如纸张、未抛光的金属表面、混凝土表 面等），或者通过一个透明的漫射体时，会在其表面以及附近空间产生 无规则分布的亮暗斑纹，即激光散斑。 散斑是一种干涉现象。激光照射粗糙表面时，表面上每一点都可看作 子波源，产生散射光（子波），这些子波是彼此相干的。在空间某一点 相遇时，各子波的振幅和位相都不同，产生相长干涉或相消干涉，在空 间产生无规则分布的亮暗斑纹，如下图所示。
关于火焰温度测量方法的介绍
摘要: 本文综述了火焰的分类及其温度测量方法,介绍了热电偶法、成象法、激光光谱法、辐射法和声波法的测量原理,并分析比较了它们的适用性和各自特点。
简要描述了用于固体火箭发动机羽焰温度测量的多点多波长高温计。
最后,展望了火焰温度测量的发展趋势。
关键词：测量,温度,火焰,原理Abstract：Reviewed in this paper the classification of the flame and the temperature measuring method, introduces the thermocouple method, imaging method and laser spectrum method, radiation method and principle of measurement of the acoustic method, and analysis and comparison of their applicability and their respective characteristics. Briefly describe the used in solid rocket motor plume flame temperature measuring multi-point multiwavelength pyrometer. In the end, prospects the development trend of flame temperature measurement. Keywords: measurement, temperature, flame, and principle目录一.引言 (1)二.火焰的分类及特性 (1)三.火焰温度的测量方法 (2)(一)接触法测温 (2)1.热电偶法 (2)2.光纤法 (3)（二）非接触法测温 (3)1.成象法 (3)2.激光光谱法 (5)3.声波法 (7)4.辐射法 (9)D成像法 (11)四.结语 (16)致谢 (17)[参考文献] (17)一.引言火焰温度是燃烧过程的重要热力参数之一。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解
在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。
１、剪切散斑干涉技术：
１．１剪切散斑干涉的原理
电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在计算机显示屏上即可实时显示物体变形信息的散斑条纹图。
激光散斑血流成像原理
激光散斑血流成像原理激光散斑血流成像（Laser Speckle Imaging，LSI）是一种用于无创、实时监测和成像生物组织血流动力学的技术。
下面将详细介绍激光散斑血流成像的原理。
1.激光散斑现象：当一束激光照射到光滑表面上时，由于表面微小不均匀性引起的散斑现象会产生。
这是由于光波在不同的相位干涉导致的光强分布不均匀，形成了明暗相间的斑纹。
2.血流对散斑的影响：当散斑照射到组织或器官上时，组织中的血液流动会引起散斑的变化。
血液的运动会导致光程差的变化，进而改变了干涉的情况，使得散斑图案发生了变化。
3.散斑血流成像原理：激光散斑血流成像利用了血液流动对散斑图案的影响。
当组织内的血液流动较慢时，干涉效应较强，散斑图案中的高频成分较多，使得散斑图案呈现出较大的空间变化。
而当血液流动较快时，干涉效应减弱，散斑图案中的高频成分减少，使得散斑图案呈现出较小的空间变化。
4.图像获取和分析：在激光散斑血流成像中，使用CCD相机或CMOS相机捕捉散斑图案，并将其转换为数字图像。
然后，通过对图像进行处理和分析，可以得到血流速度和血流量等相关参数。
5.应用领域：激光散斑血流成像已广泛应用于生物医学研究、临床诊断和药物开发等领域。
它可以提供非侵入性、实时和定量的血流信息，有助于了解血流动力学在生理和病理过程中的作用。
总结起来，激光散斑血流成像利用散斑现象和血液流动对散斑的影响，通过图像采集和分析，实现对生物组织血流动力学的实时监测和成像。
这一技术在医学和生命科学领域具有广泛的应用前景，为研究血流动力学提供了重要工具和手段。
希望以上内容对你理解激光散斑血流成像的原理有所帮助！。
脑科学研究中激光散斑成像技术的运用-医学技术论文-基础医学论文-医学论文
脑科学研究中激光散斑成像技术的运用-医学技术论文-基础医学论文-医学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：激光散斑衬比成像（Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI）是一种非扫描式实时血流动力学成像技术，具有高分辨率、快速实时成像、非接触、仪器结构较简单等优势。
尽管由于深度分辨率的限制，LSCI主要用于浅表组织测量，但其在神经疾病、皮肤病等领域的基础研究及临床应用中展现出良好的应用潜力。
本文简要地介绍了激光散斑衬比成像技术的基本原理与技术进展，综述了其在脑卒中、吸毒成瘾、阿尔兹海默症等脑疾病以及其他脑科学应用中的研究进展，并展望了其发展前景。
关键词：激光散斑衬比成像; 血流动力学; 脑科学研究;Abstract：Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a powerful and simple non-scanning real-time hemodynamic imaging method, with the advantages of high spatial and temporal resolution, wide imaging field, high-speed imaging, low damage, relatively simple instrumentstructure. After decades of development, it already has had the ability to quantify flow changes with higher resolution. Although LSCI is limited to superficial tissue imaging due to the limitation of depth resolution, it has been playing an important role in the studies and clinical applications of biomedical fields such as dermatology and neurological disease research. This paper briefly introduces the basic principle, typical device and technical progress of LSCI, and reviews the recent progress in brain diseases such as stroke, drug addiction, Alzheimers disease and other applications of brain science. Finally, we discuss the prospects for development of LSCI in the study of brain science.Keyword：laser speckle contrast imaging; hemodynamic imaging; study of brain science;引言大脑的正常生理功能依赖于神经活动与血流动力学之间的紧密配合，这种机制称为神经血管耦合（neurovascular coupling, NVC）。
散斑成像原理
散斑成像原理今天来聊聊散斑成像原理吧。
不知道你有没有这样的生活经历呢？在阳光下透过毛玻璃看东西，你会发现看到的像不再是那种清晰、平滑的像，而是有些杂乱无章分布着明暗相间的斑点，这其实就和散斑成像沾点边啦。
散斑成像，简单地说，是当一束相干光（我得先解释下相干光，就像一群很有纪律的士兵，它们的频率、相位等性质有特定关系）照射到表面粗糙（这里的粗糙是相对光的波长来说的哦）的物体上的时候就会产生散斑现象。
打个比方吧，好比把一把绿豆（可以想象成光子）均匀地撒在一块坑坑洼洼的地面（粗糙表面）上，每个豆子最后落的位置都不一样，零散地分布着，豆子比较集中的地方就相当于散斑中的亮斑，稀疏的地方就相当于暗斑。
这其中的原理其实是光的干涉和散射。
当相干光照射到粗糙表面时，粗糙表面上不同的微面元会将光向不同方向散射。
这些散射光在空间相遇后就会产生干涉现象。
就好像湖面上同时有好多小水波在传播，在某些地方，这些水波叠加起来变得很高（波峰叠加波峰），这就像散斑的亮区；而在一些地方，水波互相抵消了（波峰叠加波谷），就类似于散斑的暗区。
那这个原理有啥用呢？其实用处还不少呢！在医学上就有它的身影。
比如说检测血管里血液的流动情况。
血流中的细胞等会让透过的相干光产生散斑，然后通过观察散斑变化就能间接知道血液流动的情况了。
就像你想知道管道里水的流动情况，可以在管道里放一些能产生某种动态标记的东西，然后看标记变化情况就知道水在怎么流了。
有意思的是，我一开始也不明白为什么散斑可以用来成像。
我那时候就想啊，这些杂乱的斑点怎么能成像呢？其实这就要说到散斑里包含的物体表面信息了。
散斑的样子虽然杂乱，但它是和物体表面的微观结构以及光的照射情况息息相关的。
就像每个人的指纹一样，特有而又反映着手指上的纹路特点。
不过呢，这里面也有我困惑的地方。
在一些复杂介质中散斑成像的效果有时候会大打折扣，我不知道怎么更好地去克服介质带来的干扰。
可能需要更深入地学习介质对光传播影响之类的知识吧。
激光散斑照相实验
激光散斑照相实验1.激光散斑照相简介及用途当相干光照射粗糙表面时，漫散射光在物体表面前方相遇而产生干涉。
有些地方光强加强，有些地方光强减弱，从而形成大小、形状、光强都随机分布的立体斑点，称之为散斑。
这种随机分布的散斑结构称散斑场。
散斑法具有光学测量方法的共同优点：非接触式测量，可以遥感，得出结果可直观显示，并可给出全场情况。
它的测量灵敏度一般是以微米级为量度单位的，且在一定范围内可以调节。
此外，它的实验设备简单，试验的防震要求较低，环境气流影响不大，数据处理简便。
目前散班法已成为固体力学实验应力分析的重要手段之一，应用于断裂力学，塑性变形，瞬态变形，各向异性材料，生物力学，无损检验等领域，并开始应用于解决工程实际问题。
2.实验目的1.了解激光散斑的产生, 散斑干涉计量的特点, 用途;2.了解散斑图的记录及位移信息的提取方法----逐点分析法和全场分析法;3. 基本原理1.散斑的形成当相干光照射粗糙表面时，漫散射光在物体表面前方相遇而产生干涉。
有些地方光强加强，有些地方光强减弱，从而形成大小、形状、光强都随机分布的立体斑点，称之为散斑。
这种随机分布的散斑结构称散斑场。
散斑在某些场合，被看作是“噪声”，人们要想法来消除它。
但是，另一方面它也得到广泛的应用，如表面粗糙度的测量，像处理中的应用，干涉计量中的应用等。
散斑充满漫射光经过的空间，散斑场里的散斑分布是随机的，但是散斑场与形成散斑场的漫射面是一一对应的，称为自相关。
散斑干涉计量就是基于这种自相关性, 比较物体变形前后散斑的变化，从而测得物体各部分的位移或应变。
一般金属试件只要擦亮表面，对于无法磨亮或不够亮的试件，涂上增加漫射的物质，如白漆、银粉漆、玻璃微珠，对于透明试件将其表面略打毛，这些经处理后的表面在激光照射下，就能形成非定域的散斑场。
散斑法具有光学测量方法的共同优点：非接触式测量，可以遥感，得出 结果可直观显示，并可给出全场情况。
它的测量灵敏度一般是以微米级为量度单位的，且在一定范围内可以调节。
散斑照相法
四、 实验光路图
1、 空间散斑测微小位移
2、 像面散斑测微小位移
3、 观察光路图
五、 实验内容
1、 进行第一部分实验：空间散斑。将实验器材中提到的实验仪器挑出，粗 调高度使光学仪器近似等高共轴，并用拭镜纸朝一个方向擦拭镜面，使 光路不受污点影响； 2、 按照光路图调节光路，除去空间滤波器，每增加一个仪器，通过平面镜 将光线折回，调节仪器使入射光线和反射光线完全重合，使仪器精细的 等高共轴； 3、 加入空间滤波器， 将针孔去掉， 调节光线使其通过小孔并位于小孔中间。 然后安装针孔，调节空间滤波器上凸透镜的位置进行粗调，待屏上的光 线非常明亮并且分布大致均匀停止旋转。最后调节针孔左右的位置旋钮 进行微调。调节成功的现象是光斑光强强度大且明亮分布均匀；
散斑照相法
——测量微小位移
李首卿 201311141049 单师轩 201311141092
一、 实验目的
1、 了解激光散斑形成的原因，了解空间散斑和像面散斑； 2、 学习光学实验的基本技能：空间滤波与平行光； 3、 掌握利用散斑照相法测量物体微小位移的原理与方法。
二、 实验器材
氦氖激光器、针孔滤波器、扩束镜、准直镜、凸透镜和干板。
9、 重复 5、6、7 三个实验步骤。
六、数据处理：
有两种通过干涉条纹宽度得到微小位移的方法，下面将分别叙述。 方法一：将干板直接放在激光器和屏之间，可在屏之间看到干涉条纹。
干板到屏的距离 L 条纹间距 d
L=32.6cm d=1.0cm
由此组数据得到的位移量大小为：
λL 632.8 ∗ 10−9 ∗ 32.6 Δx = = = 2.063 ∗ 10−5 m d 1.0
不确定度： u = Δx × 故
《信息光学》第九章 激光散斑及其应用
t x, y t0 I x, y
2、散斑照相术
把H放入如上图所示的4系统中，用相干平面波照明，得到t( )的频谱为
cos f y y0 e j f y y0 T f x , f y t0 f x , f y 2 A f , f * G f , f x y x y
具体过程：一个反射镜用被测的漫射物 体A代替，它受激光照射产生散斑场。 另一反射镜保留，它的反射光作为参考 波，在与散斑场重叠的区域相干涉，产 生新的散斑场。可变光阑D可用来调整 散斑的大小。在像平面用底片H记录结 果，或直接目视观察。
3、散斑干涉计量
当漫射物体沿法线方向有微小位移d时，两个光场之间位相差改变为
1、散斑现象及其分类
根据观察方式不同，可把散斑分为两种类型：自由空间散斑和像面散斑。 1.1 自由空间散斑 激光照明漫射体（反射或透射体）时，在其附近的自由空间产生的散斑称为自 由空间散斑（或菲涅耳散斑、“客观”散斑）。观察屏上任一点的光场，来自 于整个漫射表面上所有散射点源产生的子波的相干叠加。 距离漫射体为z处的散斑的横向和纵向 平均尺寸分别为 z x L
m （1） d 2
2
2d
m 0, 1, 2,
散斑结构与没有位移（d=0)时相同
（2） d
2m 1 4
m 0, 1, 2, 干涉场中散斑的对比反转，即原来的
亮斑纹变暗，暗斑纹变亮。 因此， 只要物体运动足够缓慢，可看到 每个斑纹亮度发生周期性变化，因而由 斑纹的闪烁变化，可探测物体的运动， 如振动的模式。
3、散斑干涉计量
2） 测量横向位移 两束与表面法线成角的相干光束照明表面，通过透镜各自产生自己 的像面散斑图F1和F2，在像平面相干叠加得到新的散斑图F3，用底片记 录下来。 如果表面沿x方向有一微小位移dx，两光束对应的光程变化量为 =2dxsin 不同的dx使位移前后的两个散斑图的F3相关程度不同。
散斑干涉技术在测量中的应用
散斑干涉技术在测量中的应用散斑干涉技术是一种基于光学干涉原理的测量技术，利用光波的干涉现象来实现对物体表面形貌、位移、振动等参数的测量。
该技术具有测量精度高、非接触性强、适用范围广等优点，在工业、科研等领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍散斑干涉技术在测量中的应用，包括表面形貌测量、位移测量和振动分析等方面。
一、表面形貌测量散斑干涉技术在表面形貌测量中具有独特的优势，可以实现对物体表面微小形貌的高精度测量。
通过散斑干涉技术，可以获取物体表面的三维形貌信息，包括表面的高程、曲率等参数。
这对于工件的质量控制、表面质量评估具有重要意义。
在实际应用中，散斑干涉技术常常与数字图像处理技术相结合，利用计算机对采集到的干涉图像进行处理和分析，从而得到物体表面的形貌信息。
通过对比不同时刻的干涉图像，可以实现对物体表面的形貌变化进行实时监测和分析，为工艺控制和质量检测提供重要依据。
二、位移测量散斑干涉技术在位移测量领域也有着重要的应用。
通过测量物体表面的位移信息，可以实现对物体运动、变形等参数的监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对微小位移的高灵敏度检测，广泛应用于微位移传感、振动分析等领域。
在位移测量中，散斑干涉技术可以实现对物体表面微小位移的实时监测，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
通过对散斑图像的处理和分析，可以获取物体表面的位移信息，并实现对物体运动状态的精确控制。
这对于机械系统的振动分析、结构健康监测等方面具有重要意义。
三、振动分析散斑干涉技术在振动分析领域也有着广泛的应用。
通过对物体表面的散斑图像进行采集和处理，可以实现对物体振动状态的实时监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对物体振动的高精度测量，为振动分析和结构动力学研究提供了重要手段。
在振动分析中，散斑干涉技术可以实现对物体振动模式、频率等参数的准确测量，为结构的动态特性分析提供重要数据支持。
通过对散斑图像的时域和频域分析，可以获取物体振动的频谱信息，进而实现对振动源的诊断和分析。
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。
激光散斑照相法
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二、原理
再现光路改进：
单位:cm
L=11.25 F=15.00 u’=17.00 v’=127.50
二、原理
✓波动光学认为：
➢物面的一个点源（次波源）经过光学系统后在 整个像面产生波前
➢像面上的一点对应于物面上各点（次波源）的 波前在该处的叠加
➢物面像面（几何光学：物点像点）
✓ 波动光学解释： 二、原理
89.6
条纹更多更细密
一、极值测量
2.再现图像：
Result
3.图表：
一、极值测量
二、测量应用
✓实际应用：
———尝试测量压电陶瓷的电致变形特性
将手动改为自动：在压电陶瓷的两端镀上金 属电极，连接在直流电源的两端，在给陶瓷 加上电压前后分别拍摄记录一次，通过再现 得出散斑干涉条纹，并测量条纹宽度，然后 由理论公式倒推计算出陶瓷因所加直流电压 U而引起的相应形变量d。改变U的大小，分 别测量记录相应形变量d，绘出d随U的变化 关系图。
Discussion
✓对于光学成像有更进一步认识
✓了解学习了一种全新的，原理简单、奇妙 的测量微小位移的光学方法（一度曾令全 息工作者头疼的散斑却变成了一种极好的 崭新的计量方法！）
✓实验过程中，张朝晖老师给予了悉心指导 帮助，二位实验者互助合作密切，整个实 验过程经历了探索、发现、顿悟和成功， 其间洒满了苦思冥想、专注之致、愉快合 作的点点滴滴
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摘要
电子散斑干涉( ESPI)技术是一种非接触式全场实时测量技术 ,因其通用性 强、 测量精度高、 频率范围宽及测量简便等优点 ,近年来获得了快速发展。电 子散斑干涉无损检测技术可以完成位移、 应变、 表面缺陷和裂纹等多种测试。 本文就目前国内外散斑干涉术进行简单阐述， 总结目前国内的主要散斑干涉技术 以及应用。例如，用散斑照相术和散斑干涉术测变形、位移、倾斜、震动，以及 根据散斑位移与物体位移间的关系测量物体位移的速度， 根据散斑的对比度测量 表面的粗糙度等。
λ
散斑干涉术
散斑干涉术是激光照明时,被测试物体表面形成的散射光与参考光束(其可 以是平面波和球面波的单光束、双光束或是另一个散斑场)进行干涉而产生具有 一定对比度的散斑,是精确检测物体表面各点变形(位移或旋转)的一种光学测试 法。对于透明物体而言,其散斑干涉条纹是物体折射率变化或厚度变化的一种量 度;对于漫反射物体而言 ,其反射光波干涉形成的散斑干涉条纹是表征漫反射物 体变形、 位移或旋转的一种量度,且形成的散斑干涉条纹随物体变形(位移或旋转) 而变化。 因此,散斑干涉术虽然必须加入参考光 ,但是通过散斑干涉术获得的散斑干 涉条纹却可以直接的表征物体的变形(位移或旋转)及其他运动情况。 而且该散斑 干涉条纹的采集、记录和后期处理都是利用计算机实时完成的。
������ L
尺寸大得多。 如果在远场观察， 即在透镜的后焦平面上观察散斑图，那么平均散斑的直径 是 ∆������������ ≈ ������ = ������ ������
������ f′
式中 f ′ ----透镜的焦距； D ----透镜的口径。 当观察面不在透镜的焦面上时， 则必须考虑到透镜的放大倍率，散斑的平均直径 是 ∆������������ ≈ ������ = ������ ������
式中：
像的强度分布是：
上式表明，频谱 FT B(x ′ , y ′ ) 大值位置可由下式求出：
2
)受垂直于位移方向杨氏条纹的调制。条纹的极
若m=1，则可求出条纹的间隔xρ 与散斑位移量的关系：
干涉条纹的间隔反比于物体的位移量，即：
由式(3．8)可以求出物体位移量Δx。 设物体位移的速度为V， 在两次曝光时间t内物体位移为Δx， 物体位移的速度 可由下式求出：
图3．3示出的观测散斑图的方法：被记录的散斑图放在物镜前，用平行光照 明在物镜的后焦平面上观察衍射图。 设在底片某小区域几何像的强度分布为B′(x ′ , y′)其脉冲响应是点扩散函数 δ(x, y)。因平移等价于与δ函数的卷积，故在该小区域底片上的强度分布为：
当用平行光照明散斑图的负片后， 在透镜的后焦平面上的像的复振幅分布是 式(3．2)的傅里叶变换。
散斑干涉的特点
一、散斑大小
散斑的大小与观察平面的位置有关。如果在近场观察，那么在垂直于光轴方向的平均 散斑直径。
∆������������ ≈
������ ������
= ������
������ ������
在光轴方向的平均散斑直径 ∆������������ ≈ ������ = ������(d )2 式中 λ----光波波长； α----被照明的散射表面对观察点的张角； d----被照明的散射表面的直径； L----从散射面到观察面的距离。 由此可知， 散斑的大小随观察距离的增加而增大，散斑的纵向尺寸要比横向
������ z′
式中 z ‘ ----象距。 二、散斑的对比度 在利用散斑干涉术进行测量时,散斑的对比度是散斑的一个重要特性。它是 能否产生利于判读的散斑图的决定因素,而散斑的对比度取决于被测量的物体表 面的最小粗糖度。 下图 2. 6 示出散斑的对比度 P 与散射面的粗糙度 R 之间的一种关系曲线图。
散斑的成因及类型
散斑的成因
散斑(speckle)是由具有空间相干性和时间相干性的光波照射到具有漫反射 的光学粗糖物体表面后(如图 2. 1 所示)形成的杂散无规则的明暗颗粒状的斑点 光强分布,有亮散斑和暗散斑之分。 此外,由于散斑是粗糖物体自身不同面积元之 间的一种干涉现象,携带了粗糖物体的某些信息 ,因此散斑不仅可以用来对粗糖 物体表面本身进行研究,还可以用来对粗糙物体的形变进行研究。
此外,为了使实验物体表面产生高反差的散斑图,有两个条件必须满足: (1)物体的表面要具有一定的光学粗糖度,所谓“光学粗糙度”,是指物体的 一些光学参数的空间分布函数是随机函数,物体的各个光学参数能与波长λ可相 比拟或能在更小的局部区域上作无规则分布,即空间坐标的随机过程。当光照射 到这样的光学粗糖度的物体表面时才会发生散射而形成散斑。此外,物体的表面 粗糖深度要大于光波长,这样散射光才能达到相对均匀; (2)参加干涉的光波在时间上必须是彼此相干的,必须有足够的位相差,以便 在散斑干涉场得到的图样中任意点上都能形成完全相消干涉。
散斑照相术
散斑照相是在一张照相底版上通过两次曝光(根据需要可以多次乃至连续曝 光),来记录表面粗糖物体的变形(或位移)前后过程中的散斑图,继而对所得散斑 图样进行适当的事后处理,以获得有关物体变形(或位移)信息的方法。散斑照相 术在散斑计量中是比较简单的全场无损检测技术,它幵启了现代科学技术的新起 点它与散斑干涉术最大的区别在于 :散斑照相术只需要一束光即物光,光传播过 程中能量流失较小。 它包括散斑记录和检测两个部分,首先记录散斑图(如图 2. 7) 再对散斑图进行分析。此外,对于散斑照相所得的散斑图分析有逐点分析法和全 场分析法。如图 2.8(a)和(b)所示:
散斑的类型
由散斑的定义可知,散斑主要是粗糖物体自身不同面积元之间的一种干涉现 象。因此,按物体的粗糖性和照明光场的相干性可以将散斑分为完全相干型散斑 和部分相干型散斑;只看被照明的粗糖物体表面的性质 ,则散斑分为正态型散斑 和非正态型散斑,而正态型散斑是由强散射屏产生的 ,非正态型散斑是由弱散射 屏产生的;按照明光场的光传播方式 ,散斑分为远场散斑(即夫娘;和费散斑如图 2. 2)、近场散斑(即菲涅尔散斑如图 2. 3)和像面散斑三种类型。
关键词：电子散斑干涉术、测量技术、应用、散斑照相术。
引言
一束相干光照射到粗糖物体表面时,散射出来的光叠加干涉就形成了散斑 (如图 1.1 所示),所以散斑其实是一种光干涉现象。
图 1.1 散斑 人们最早发现散斑是 1914 年,当时散斑被人们认为是一种干扰的噪声,对实 验研究的负面影响很大，主要的研究是去克服和消除散斑的负面影响。后来第一 台激光器在 1960 年研制成功,散斑干涉技术也应运而生。 到了 1968 年， Archbold 等人发现散斑干涉技术可以作为一种新型的测量方式,并首次将它应用在了对散 斑的强度进行测量。1971 年 Butters 和 Leendertz 运用电子散斑干涉术(ESPI) 通过光电子器件來记录散斑场的光强信息 ,采用电子的方法来测量物体的变形 , 取代了传统的全息干板,省去了一些繁琐的化学湿处理过程 ,从而在监视器上能 观察到散斑干涉条纹。 1978 年 Jones 等人在实验室运用双波长的方法对物体的轮廓进行了测量,在 1981 年针对实验中各种参数的选取和系统的优化进行了详细的研究 ,最后研究 出了商品化的 ESPI 千涉仪,该干涉仪对 ESPI 条纹的质量进行了系统地改善。而 中国大恒公司在 1990 年与西德 Jurid 公司合作 , 共同研发出了电子散斑仪 Daheng—Jurid。西安交大也研制出了进行电子散斑计量的型号为 TVH—30 的 ESPI 干涉仪。与此同时,美国的 Newpon 公司也于 1990 年推出了型号为 HC — 4000 的 ESFPI 干涉仪。在 1996 年,天津大学的恪景伟、张东升等人在实验室设 计出一个由 386 微机、CA2P530 图像采集卡、CCD 摄像机等组成的散斑干涉系统, 并用该系统对撞击载荷下电子(数字)散斑离面位移的测试进行了实验。1999 年 天津大学首次研制出了 ESS 的电子错位散斑系统。 由上可知,ESPI 的发展大致可以分为两个阶段。第一阶段是六十年代到七十 年代初期,这一时期由于激光光源良好的相干性 ,应用传统的干涉计量理论进行 纯光学的相干计量测试,形成了比较完整的光学的散斑计量技术;第二阶段是 70 年代末期到 90 年代中期,这个时期由于计算机和电子技术的飞速发展,ESPI 的发 展更加迅猛,使其的测试精度更高,分析速度也更快。
二者缺点:全场分析法在条纹自动化处理方面较为困难 ;而逐点分析法是利 用激光卑点照射,散射出的光在空间中形成散斑 ,这样进入到成像系统中的噪声 比较大,因而逐点分析法得到的条纹对比度较差。
散斑照相术测量位移原理
若物体位移量大于散斑的横向尺寸， 则根据散斑的位移量可以测出物体的位 移量。如图3．2所示。
此外,按照照明的类型,散斑还可以分主观散斑和客观散斑。 “主观散斑”(又 名像面散斑如图 2. 4)是用激光照明粗糖物体表面时,物体在光学系统成像面所 成的象与物体自身强度之间有着某种类似的随机分布;而 “客观散斑” (如图 2. 5, 分为近场散斑和远场散斑 )是用激光照明粗糖物体表面时 ,物体表面会对光产生 漫反射和散射,且漫反射和散射的光的强度会随着照明位置的不同而有所变化。
利用散斑照相法， 可以类似地测定物体沿法线方向的位移量，但是散斑照相 法对法向位移不敏感，一般采用。 散斑图的位移分析可以用两种方法获得，即逐点分析法和全场分析法。逐点 分析方法如图3．4，用一束激光照射散斑图，在接收平面上即可获得由激光衍射 晕调制的等间距条纹，即所谓的Young's条纹。这一条纹其方向垂直于物体表面 位移方向，条纹间距反比于位移的大小，即：
由图 2. 8 可知:逐点分析法即图 2. 8(a)简单直接,可用该方法获取物面某 点变形信息,应用高分辨率的 CCD 摄像机、 光折射晶体等光电子器件,通过功能强 大的数字图像处理系统实现 ,来弥补逐点分析法中数据处理量大 ,信息量少的缺 点,使得逐点分析法应用更加方便。 相对而言,在全场分析法即图 2. 8(b)中,利用准直扩束后的平行光光束对被 双曝光之后的散斑图进行全场照明 ,照明光经过傅立叶透镜透射 ,再对散斑图进 行一次傅立叶变换,最终可以得到该散斑图的频谱分布。为了滤除某些噪音成分 的频谱,可以在频谱平面上使用一些空间滤波器 ,将对实验研究没有用的物体信 息从成像系统中滤掉,最后在像面上可以采集到含有物体表面有用信息的全场投 影条纹,且空间滤波器滤波孔的位置决定了所采集到的全场条纹的多少。从原理 上来说,全场分析法除了可以全场表征出物体的形变或位移外 ,还可以快速直接 及时的反映某一局部区域的变形或位移信息。