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