激光散斑干涉实验

激光散斑干涉实验

摘要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法，这种方法具有很强的实用价值。散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量，也可以进行面内微位移测量。主要是对面内微位移进行了测量研究，利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来，分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理，并得出了相应的结论。

关键词:激光散斑;位移测量;数字图像处理

一、引言

激光自散射体的粗糙表面漫反射或通过透明散射体（毛玻璃等）时，在散射表面或附近的光场中会形成无规则分布的亮暗斑点，称为激光散斑。

激光散斑在全息图上是一种有害的背景噪声，但由于散斑携带了光束和光束所通过物体的光学信息，于是产生了广泛的应用。例如，用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度；利用散斑的动态情况测量物体运动的速度；用散斑进行光学信息处理，甚至利用散斑验光等等。但应用领域最广的是散斑干涉测量技术。散斑干涉技术在机械工程方面可以用于测量物体表面的形变和裂纹、损伤和应力分布，在天文学方面可以测量大气的扰动和温度场分布，在医学、力学和光处理等领域也有广泛的影响。

二、实验

2.1实验测试系统

散斑干涉测量离面位移光路图如下图所示

2.2实验原理

（1）激光散斑

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。由于激光的高度相干性，表面散射光在空间中随机相干叠加后会形成一些亮暗分明的区域，且呈现无规则分布，按照在散射面有无透镜，可以将散斑场划分为主观散斑和客观散斑，由于透镜的使用，主观散斑又被称为成像散斑。

（2）利用散斑干涉术测量面内位移

散斑干涉计量就是将物体表面空间的散斑记录下来，当物体运动或由于受力而产生变形时，这些随机分布的散斑也随之在空间按一定规律运动。因此能利用记录的散斑图分析物体运动或变形的有关信息。当测量物体在面内发生位移时，通常在被测物体位移前，将散斑记录下来，然后使物体垂直于光轴发生一微小面内位移d，再次记录。两次记录的图样是同一个物体发生相对位移Md前后的两个散斑图（M为散斑图的放大倍数），其上的各斑点都是成对出现的，相当于在底片上布满了无数的“双孔”。与杨氏双孔衍射相似，在像面上看到的是在一个衍射晕内的等间距平行线，称为杨氏条纹图。

（3）离面位移（形变）的散斑测量

设A1、A2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点合振幅为A1+A2，强度取决于A1、A2的位相。当物体M1位移（或变形）后，若位相差的改变为2π、4π，.....相应的光程差改变为λ，2λ，......变形前后的散斑场强度一致，称为相关。若光程差改变为λ/2，3λ/2，......,亮散斑变成暗散斑，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。

2.3实验过程

（1）搭建并调整实验系统

按照实验光路图在光学平台上搭建主观散斑记录光路，并调整系统共轴，要求激光束与台面平行，并用针孔滤波器对光束进行滤波后，照明待测物体。

说明：接收器采用CCD器件，由CCD器件采集的光强信息经过采集卡进行AD变换，将模拟信号变成数字信号，再显示在计算机屏幕上，此数字信号同时存入计算机硬盘上便于数据处理。

（2）拍摄散斑图

A、采用前面已调整好的主观散斑记录光路，将毛玻璃作为待测物体，物光束经成像透镜投射到CCD表面，由CCD拍摄的散斑图显示在计算机屏幕上。前后移动CCD，仔细观察散斑场的分布情况，重点注意散斑的对比度、形状和大小与照明条件的关系等，继而得到对激光散斑的定性认识；

B、将毛玻璃换作名片、请柬重复以上实验。

（3）散斑干涉测量

A、测量微小面内位移

利用前面已经调整好的主观散斑的拍摄光路，将毛玻璃更换为待测物，物光束经

成像镜头投射到CCD表面。调整物距，找到成像最清晰的位置并且固定待测物。利用待测物调整架上的千分头使待测物体在自身平面内做微小位移，用计算机上的图像采集程序控制CCD摄像机，对物体发生位移前后的散斑图进行记录并相减，通过散斑条纹计算散斑位移量，并与待测物体的手动位移量作比较。

B、测量微小离面位移

a按照实验原理图搭建好光路，要求激光束与台面平行，各器件同轴等高，分光棱镜分出的物光均匀照射离面位移待测物，参考光经同光程反射后与物光波汇合同时进入CCD；

b把圆形压力盒作为被测物，压力盒表面有微小的突起和回复，通过软件实时剪切，观察条纹的产生以及变化情况，据此定性分析圆形压力盒的表面实时突起变化的情况；

c将圆形压力盒（变形物）换成刚性推板俯仰物，通过推动千分丝杆使推板前倾产生离面位移，观测条纹，通过软件定量计算俯仰板上各点较原位置的位移量，并通过丝杆读书计算验证。

（4）设计性实验

压电陶瓷的热变形测量：

通过对压电陶瓷施加不同的电压，实验中为3.0V、6.0V、9.0V、12.0V、15.0V，用软件实时剪切，观察条纹的产生以及变化情况，据此分析压电陶瓷的热变形情况。

3、结果与讨论

（1）等倾干涉

图1 图2 图3图4

讨论：面内位移越大，等倾干涉条纹越密

（2）等厚干涉

实验数据：

图一图二图三图四图五

环数10 8 6 4 3

表格：环数与离面位移的关系

数据分析：离面位移越大，环数越多。

(3)压电陶瓷

图1 3V 图2 6V 图3 9V 图4 12V 图5 15V

y 第几环 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5

x 位置(cm) -9.2 -8.5 -7.5 -6.5 -4.5 3.5 4.5 6.75 8 9 牛顿环1 x 位置(cm) -13.5 -12 -10.5 -8 -4 4 7.5 10 牛顿环2