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电子科技大学 物理电子 学院 标 准 实 验 报 告 （实验）课程名称 光信息处理综合实验 学生姓名： 学 号： 组 别： 指导教师： 电子科技大学教务处制表 电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称： 二、实验项目名称：基于数字散斑照相的微米级二维位移测试实验 三、实验学时：5学时 四、实验原理： (1) 散斑效果观察 当用激光光束投射到能散射光的粗斑表面（即平均起伏大于光波波长数量级的表面）上时，即呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其中的每个斑点称为散斑，整个图样称为散斑图样。这种散斑现象是使用高相干光时所固有的。 散斑的物理起因可简单说明如下：当激光照射到物体表面时，物体表面上的每一个点（或面元）都可视为子波源，它们都要散射光，由于激光的高相干性，则由一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光干涉。又因为物体表面元是随机分布的（这种随机特性由表面粗糙度引起），则由它们散射的各子波相干叠加的结果，形成的反射光场具有随机的空间光强分布。当把探测器或眼睛置于光场中时，将记录或观察到一种杂乱无章的干涉图样，呈现颗粒状结构，此即“散斑”。 图22-1是拍摄成像散斑图的光路布置之一，其中S是具有光学粗糙表面的平面物体，用扩束后的激光光束照射，L是成像透镜，H是全息干板，置于像平面上，成像透镜L将S面成像于H上，形成成像散斑，如果对测试物体在运动前后应用二次曝光法拍摄散斑图样，并假定位移的量值大于散斑特征尺寸，那么，在同一底片上就记录了两个同样的但位置稍微错开的散斑图。这样，其中的各散斑点都是成对出现的，这相当于在底片上布满了无数的“杨氏双孔”，各“双孔”的孔距和连线反映了“双孔”所在处像点的位移的量值和方位，当用相干光束照射此散斑底片时，将发生杨氏双孔干涉现象。 图22-1 记录成像散斑的光路 图22-2 逐点分析法光路 (2) 散斑图底片的处理方法 对于散斑图底片的处理，通常采用两种方法，一种是全场分析法，采用平行光束垂直照明二次曝光散斑图底片，应用傅里叶变换透镜，在其后焦面上观察散斑图底片的频谱分布；另一种是逐点分析法，使用细激光束垂直照明二次曝光散斑图底片，在其后面距离z0处平行放置观察屏，每次考察底片上一个小区域的频谱。图22-2表示用逐点分析法的光路布置，这时在观察屏上将会看到由散斑底片被照明小区域的“散斑对”所产生的杨氏双孔干涉条纹，它们是一系列的平行直线，相邻亮条纹的间隔和相邻暗条纹的间隔Δt均满足下列关系： (22.1) 式中l为“双孔”间距（即位移量值），λ为激光波长，且条纹取向与“双孔”连线（即位移的方位）垂直。由此便可求出待测物体表面各点的位移的大小和方位。注意，上述位移量是经过透镜放大了的值，若成像散斑的放大率为M，则待测物体表面各点发生的实际位移量值应为： (22.2) u、v各代表图22-1中的物距和像距，M则表示放大率。上式就是测定面内位移的公式。当位移的方向和大小不同时，条纹的取向和疏密也不同。 (3) 对CCD记录的成像散斑图进行数字分析 从图22-2可以看到，使用光学系统对二次曝光的成像散斑图进行逐点分析能够获得各点处对应的位移方向和大小。但是其干板处理和逐点分析的过程较为冗长，不利于进行实时测量。 若在系统中利用CCD对成像散斑图进行记录，然后利用数字方式对记录获得的图像进行分析，则可以大大节省处理时间，提高处理效率。 实际上，杨氏双孔的光路实现相当于其夫琅和费衍射图景，这对应于图像处理中的傅立叶变换。因此可以使用傅立叶变换特别是快速傅立叶变换来完成对CCD采集图像的逐点分析。 采用傅立叶变换方式的杨氏双孔光路，对应如图22-3，此时杨氏条纹光程差计算不变，均为lsinq，但式(22.1)和(22.2)中的距离z0换为傅立叶透镜的焦距f，即： (22.3) (22.4) 图22-3 采用傅立叶变换方式的杨氏双孔光路示意图 以一片银杏叶为物体，在一维竖直方向进行位移测试，位移前后使用CCD采集图像并叠合，如图22-4(a)，再进行傅立叶变换，其显示的杨氏条纹如图22-4(b)，正中的亮斑是衍射零级点；为了定量获得其杨氏条纹图样间距，可将图样视为等距的光栅，再次进行一次傅立叶变换，从而获得条纹的衍射亮斑，如图22-4(c)