傅里叶光学第9章-散斑测量术课件.pptx

1、本章主要内容本章主要内容1、散斑现象及其分类2、散斑照相术3、散斑干涉术1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类1.1 散斑现象的成因 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)。它们彼此间是相干的。在空间某一点相遇时，各子波具有随机相位，产生相长干涉或相消干涉，在空间产生无规则分布的亮暗散斑纹。所谓散斑场，正是各个散射点源产生的散射光的干涉场。图9-1相干光照明粗糙表面产生的散斑a)光从粗糙表面散射b)散斑图1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类图9-2散斑图强度的概率密度函数1 1、散斑现象及其分类

2、、散斑现象及其分类图9-3.2 2、散斑照相术、散斑照相术2.12.1散斑照相术散斑照相术原理原理 用激光照射漫射体，在同一记录材料上两次或多次记录物体不同状态下(位移或形变)的散斑图，从中提取漫射表面位移或形变的信息.图9-4两次曝光的散斑图的记录和处理 a)散斑图的记录b)对散斑图做光学傅里叶变换2 2、散斑照相术、散斑照相术 两次曝光的散斑图，每次选择一个小窗口区域进行傅里叶分析，逐点观察。这种方法称为逐点分析法逐点分析法。2 2、散斑照相术、散斑照相术图9-5散斑图分析的全场滤波法u 全场滤波法全场滤波法 参见图 9-5，采用4f光学信息处理系统，两次曝光散斑图H置于输入面。当谱面上滤

3、波孔置于某一暗纹处，H上对应子区域在输出像面上是暗的；当滤波孔置于某一亮纹处，H上对应子区域在输出像面上是亮的。通过对条纹的识别，可以得到变形场在滤波方向上的分量信息。u 二者比较二者比较：全场分析法场分析法能方便快速观察物体表面全场变形，及时发现局部高应变区域；逐逐点点法法能方便地进行条纹自动化处理。2 2、散斑照相术、散斑照相术2.22.2数字数字散斑散斑照相照相术术 原理原理：采用CCD或 CMOS光电成像探测器代替照相干板，记录物体位移或形变前后的两幅散斑图，灰度相加后即得到数字位移散斑图。对此做数字傅里叶变换，得到功率谱。然后对杨氏干涉条纹进行检测和分析。可采用逐点滤波和全场滤波方法

4、。优点：优点：（1）摒弃了传统照相干板所需繁琐的物理化学处理和暗室操作，可实现现 场测量。（2）采用数字图像处理技术使得散斑图的分析处理更加方便有效。2 2、散斑照相术、散斑照相术2.32.3数字散斑相关数字散斑相关术术 通过CCD等光电成像器件记录物体变形前后表面产生的散斑场的强度，通过数字图像相关运算，提取物体表面位移场的信息。若f(x,y)和g(x,y)是物体变形前后表面散斑场的强度分布，则：C(x,y)=f(x+m,y+n)g(m,n)(m,n)w 式中，c为相关函数；w为相关子区。图9-6两个散斑图的互相关2 2、散斑照相术、散斑照相术 图像相关运算通过计算相关函数判断两幅图像相似程

5、度。可由相关函数最大值位置确定目标位置。假定w为以P点为中心的子区，利用子区的散斑信息f,在形变后的图像g中通过相关运算找到对应位置，从而获得子区上物体对应点P的形状变化信息。2.3 2.3 白光白光散斑散斑照相术照相术 白光照明特殊涂料处理过的表面，当表面发生形变时，物体表面变化的信息就包含在散斑场的变化中。从白光照明产生的散斑场的变化提取和测量物体表面变形的方法即白光散斑照相术白光散斑照相术。可采用CCD相机采集散斑场强度图，并采用逐点滤波和全场滤波方法来提取信息。3 3、散斑干涉术、散斑干涉术u 定义：定义：在激光照射漫射体产生的散斑场中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑场与之干涉，

6、就会产生新的散斑场。当漫射表面产生位移、形变、振动时，干涉散斑图样随之变化。u 应用：应用：可测定物体变化的情况。3.13.1双照明散斑干涉成像双照明散斑干涉成像系统系统 图 9-7 所示，可用于测量横向位移。图9-7测量横向位移的双照明散斑干涉仪不同的0对应不同的相关程度。由散斑相关条纹获得沿 方向位移分量。3 3、散斑干涉术、散斑干涉术 3.2 3.2电子散斑干涉术电子散斑干涉术 数字数字散斑干涉散斑干涉术术 1 1、数字散斑干涉术(Digital Speckle Pattern Interferometry,DSPI)采用CCD或CMOS光电成像探测器代替照相干板，采集的数据进行数字化，

7、在计算机中进行信息处理。早期模拟视频技术为电子散斑干涉术电子散斑干涉术(Electronic Speckle Pattern Interferometry,ESPI)。3 3、散斑干涉术、散斑干涉术3.33.3、剪切剪切散斑干涉散斑干涉术术图9-9基于迈克尔逊干涉仪的剪切散斑干涉系统 原理：原理：如图9-9 所示，生成物体的像。由于右侧反射镜有倾斜，这束光传到探测器时，在空间上产生很小的偏移x(x方向剪切量)，实现两个像面散斑场的剪切干涉。物体未变形前,第一次曝光记录光强为：当物体受外力变形，在像面产生相位变化为?(x,y)，第二次曝光光强为：两幅强度图像经图像相减并求均值为：若成像倍率假定为

8、1，忽略像的倒置，?的变化与物体表面位移梯度的关系是：式中,为物体照明光的角度。3 3、散斑干涉术、散斑干涉术)cos(1),(2),(1xxyxIyxIuu)cos(1),(2),(),(),(),(cos1),(22xxxxyxIyxxyxxyxyxyxIIuuuuuxxyxyxIyxIyxIu),(21sin(),(2),(),(21)cos1(sin200 xzxxxxx3 3、散斑干涉术、散斑干涉术3 3、散斑干涉术、散斑干涉术3 3、散斑干涉术、散斑干涉术3 3、散斑干涉术、散斑干涉术),()cos(cos2(),(cos),(2),(),(0000yxaJyxyxIIyxIITyxErr本章小结本章小结1）介绍了激光散斑现象成因及其特点；2）介绍了散斑照相术原理，着重介绍了数字散斑照相术、数字散斑相关术以及白光散斑照相术的方法；3）介绍了散斑干涉术。散斑干涉术是一种新型的光学测试技术，其测量精度可达微米级，可用于测试物体表面的微小变形。重点介绍了双照明散斑干涉成像系统、电子散斑干涉术 数字散斑干涉术、剪切散斑干涉术、相移散斑干涉术及散斑测量振动等。