激光散斑检测与三维激光检测

激光散斑检测与三维激光检测专业：测控技术与仪器学号：12081403姓名：黄春萍引言激光的发现进一步扩大了光学技术的应用范围，提高了光学技术在国民经济中的地位。

激光的引入不仅使经典干涉技术开拓了测试范围，也提高了测量精度，而且激光技术大大带动了全息、散斑技术在工程应用方面的进展。

传统的干涉仪只能检测透明介质的性能和检测光学表面的缺陷，而全息、散斑干涉的功能扩展到检测任何粗糙表面的形变、位移等力学特性。

从而为无损检测技术开拓了一条宽阔的发展之路，并大大提高了检测精度、检出率和可信度。

当激光甚至白光自物体表面漫反射，或通过透明散射体时，在散射体附近或表面广场中，可以观察到或照相记录下一种无规则分布的明暗颗粒状斑纹，成为散斑。

近年来发展起来的散斑摄影术和散斑干涉度量术，正是应用了激光的散斑形成一种崭新的光学测量方法，有广泛的应用前景。

一、激光散斑1.激光散斑特性（1）经透镜成像形成的散斑为主观散斑，在自由空间传播形成的散斑是客观散斑（2）散斑的大小，位移及运动是有规律的，它可以反映激光照明区域内物体及传播介质的物理性质和动态变化。

（3）随机过程，统计方法研究散斑的强度分布，对比度和大小分布等。

2.散斑的概念及研究方法激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（laser Speckles）或斑纹。

激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。

要研究它必须使用概率统计的方法。

通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。

3. 散斑的成因及散斑的类型在光场通过自由空间传播的条件下，从可见光波长这个尺度看，物体的表面一般都很粗糙，这样的表面可以看作是由无规分布的大量面元构成。

当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅”。

对比较粗糙的表面来说，不同衍射单元给入射光引入的附加位相之差可达2π的若干倍。

经由表面上不同面元透射或反射的光振动在空间相遇时将发生干涉。

由于诸面元无规分布而且数量很大，随着观察点的改变，干涉效果将急剧而无规地变化，从而形成具有无规分布的颗粒状结构的衍射图样（见图1） 。

如果物体表面通过光学系统成像，只要成像系统的点扩散函数具有足够的“宽度”，折算到物平面后能在物体表面覆盖足够多的面元（见图2），则来自这些面元的光线将在同一像点处相干叠加，从而形成散斑。

由散斑的成因可知，物体表面的性质与照明光场的相干性对散斑观象有着决定性的影响。

物体表面的性质不同，或照明光场的相干性不同，都会使散斑具有不同的特点。

因此，根据两个因素可以区分散斑的不同类型。

此外，人们还常常按照光场的传播方式，把散斑分成远场散斑（与夫琅和费衍射对应）、近场散斑（与菲涅耳衍射对应）和象面散斑三种类型，也可按照观察条件而将散斑分成主观散斑与客观做斑两种类型，前者实质上是象面散斑，后者则是通过自由空间传播形成的近场和远场散斑。

4.散斑图像的统计特性按照光场衍射的标量理论，一个单色光场的传播过程（包括成象过程）可由一个简单的叠加积分表征。

具体说，如果已知单色光场00,y x 在 平面上的复振幅分布为 ),(00y x A ，还知道光场由 00,y x 平面到与之平行的 y x , 平面这一传播过程的权函数为 ),;,(00y x y x h ，则 y x ,平面上粗糙面 入射光 观察点 图1 散斑成因点扩散函数 入射光粗糙面光学系统图像板 图2 散斑成因光场的复振幅分布可表示为：⎰⎰∑=0000000),;,(),(),(y dx y x y x h y x A y x A式中积分域∑在光场通过自由空间传播的条件下，由00,y x 平面上光场分布范围决定；在成象条件下由成象系统点扩散函数的宽度决定。

显然，这一叠加积分同样可用来描述散斑现象。

这时，),(00y x A 可以是相干光照明的粗糙表面在其极邻近平面00,y x 上形成的光场，也可以是任一平面00,y x 上的给定散斑光场；而),(y x A 则表示由),(00y x A 通过以),;,(00y x y x h 表征的传播过程，在观察面y x ,上形成的散斑光场。

当),;,(00y x y x h 表示球面波或平面波时，),(y x A 相应地表示近场或远场散斑的复振幅分布；当),;,(00y x y x h 表示成象系统的振幅点扩散，),(y x A 表示象面散斑的复振幅分布。

从波动光学的角度看，由上式描述散斑场是很直观的，然而，对实际散斑现象来说，这种描写只能是形式上的，我们不能期望由上式给出满意的描述。

这是因为物体表面轮廓凹凸起伏完全无规，我们无法描述其表面结构。

所以，为了应用统计方法研究散斑现象，我们首先要建立一个系综，这个系综由表面结构大体相似而细节迥异的物体构成，在理论上，上述散射屏系综应该包含无穷多个散射屏，在实验研究中，则应该取足够数量的“样本”，以保证必要的精度要求。

光由产生、传播到接收的过程是一个多重随机过程，在本文内，激光光场为为单色的空间随机光场，随机场的分布在时域上是稳定的。

不失一般性，可假设物表面为一平面，反 射 率 为)],(exp[),(),(000000y x j y x r y x R φ=，而照明光场为 ),(00y x A L ，因而物表面散射光场可表示为：)],(exp[),(),(),(),(),(0000000000000y x j y x A y x r y x A y x R y x A L L φ==式中，),(00y x r 与 ),(00y x φ是与特定散射基元有关的量，在物表面系综意义上，它们都是随机变量。

由于照明光场一般都是空间缓变的量，散射光场特性主要由反射特性决定。

大量实验表明，光学粗糙表面上的散射光场具有以下统计待性：（1）被测表面上各散射基元散射出的光场复振幅值 a （x0，y0）与相位 Ф （x0，y0）彼此统计独立，不同散射基元散射出的光场复振幅彼此统计独立。

（2）被测表面从光学上讲是粗糙的，即其表面起伏高度的标准差远大于照明光波的波长，以至于可以认为 ),(00y x φ在区间],[ππ上均匀分布，其概率密度函数为：⎪⎩⎪⎨⎧<<-=其它0)(21)(πφππφφp（3）被测表面散射基元非常细微，与照明区域及测量系统在物面上所形成的点扩散函数的有效覆盖区域相比足够小，但与光波波长相比又足够大。

由被测表面散射出的光场在物面上的自相关函数可以表示为：)()()()()(01020002*001001020r r r I r A r A r r J A ->>=<=<-δ 式中，运算符><*表示系综平均运算，函数(*)δ为二维 Dirac 函数，><)(00r I 为照明光场及物面宏观反射特性决定的空间缓变强度函数，矢量 r 即为坐标),(y x 的简写。

该式表明，散射后物面光场不再是激光器发出的空间相干场，而是变成了严格空间非相干的。

如果物表面的变化还是时间函数，严格相干的照明激光还会成时间部分相干场。

3 激光散斑干涉测量3.1 激光散斑干涉测量的原理及主要方法1970 年，Leenderz 开创了一类新的以干涉方法实现光学粗糙表面检测的方法，称为散斑干涉计量。

它的记录和再现在本质上与全息干涉计量相同，在形式上更加灵活，即不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学和数字方法实现。

在光学方法中，原始散斑场用光学胶片记录，用光学信息处理技术提取信息，而在电子学和数字方法实现中，原始散斑用光电器件（通常是 CCD 光电探测器）记录，用电子学和数字信息处理技术实现信息的提取。

习惯上称光学实现方法为散斑干涉测量，而将电子学和数字实现方法称为电子散斑干涉测量，或数字散斑干涉测量。

在散斑干涉测量中，信息的记录方法众多，按记录光路的特点，可分为参考束型、双光束型、双光阑型和剪切型四种基本方式，其他记录方法都是在这四种方法的基础上演变出来的。

这几种散斑干涉测量方法中，除双光阑型及 Hung 型减切中平板实现方法外，其他均可用数字散斑干涉测量中的信息记录方法。

3.2激光散斑的应用（1）力学、建筑工程和机械设计方面的应用：利用散斑位移和散斑干涉图测量物体表面的形变和裂纹，损伤和应力分布。

（2）在工业生产中的应用：利用对激光散斑的动态测量法测量生产线上工件及产品的移动速度。

（3）在燃烧学和热物理学中的应用：利用激光散斑照相技术测量火焰的结构和温度场的温度分布。

（4）在医学研究中的作用：非侵入的测量皮肤下的微循环速度，测量心脏的心动图，利用主观散斑的运动规律对人眼进行主观验光。

（5）天文学测量中的应用：利用星体斑纹干涉术可以克服大气扰动的影响获得高分率的图像。

（6）利用散斑进行光学图像处理：例如图像相减等。

4．激光散斑无损检测技术激光散斑检测技术于八十年代初期开始应用于无损检测领域，其基本原理是通过被测物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。

由于是利用物体表面反射的光通过棱镜后产生的微小剪切量形成散斑干涉图，因此激光散斑检测技术的基本原理外界干扰的影响小，检测时不需要防震工作台，便于在现场使用。

随着激光散斑测量技术的应用，采用CCD摄像机输出干涉图像信号，省去了显影定影等繁杂的湿处理手续，大大提高了检测效率。

二、三维激光测量技术三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。

激光测量技术出现于上世纪80年代，由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，将其引入测量装置中，在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势，它的出现引发了现代测量技术的一场革命，引起相关行业学者的广泛关注，许多高技术公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究中。

随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动，激光测量技术也逐步由点对点的激光测距装置发展到采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。

随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格方面的逐步下降，20世纪90年代，其在测绘领域成为研究的热点，扫描对象不断扩大，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一，许多公司都推出了不同类型的三维激光扫描测量系统。

上世纪90年代中后期，三维激光扫描仪已形成了颇具规模的产业。

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。