激光散斑照相法-一種測量微小位移的方法課件

激光散斑照相法—————一種測量微小位移的方法朱世偉 周穩(wěn)穩(wěn)指導(dǎo)老師：張朝暉2004－12－25激光散斑照相法—————一種測量微小位移的方法朱世偉 周穩(wěn)穩(wěn)1主要內(nèi)容IntroductionExperimentResultDiscussion

主要內(nèi)容Introduction2Introduction什么是散斑？ 帶有相位差并且是相干的二次球面子波相遇產(chǎn)生了強(qiáng)度分布為顆粒狀的條紋稱為散斑散斑的產(chǎn)生: 當(dāng)相干極好的激光照射光學(xué)粗糙表面（粗糙度不得小于激光波長量級(jí)）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)激光散斑Introduction什么是散斑？3Introduction 當(dāng)激光照射在粗糙物體的表面上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散斑，可用照相干板記錄這些散斑信息。若在同一張干板上記錄下物體經(jīng)微小變形前后的兩次成像，然后再用激光照射在干板上，由大量散斑的統(tǒng)計(jì)平均，可得楊氏條紋。通過精確測量條紋的間距，我們可以計(jì)算出該微小變形的大小。本實(shí)驗(yàn)我們應(yīng)用該法來測量壓電陶瓷的電致變形特性（壓電陶瓷形變通常極其微小，甚至于像聲波振動(dòng)那樣微小的壓力都會(huì)使之產(chǎn)生壓縮或伸長等形狀變化）Introduction 當(dāng)激光照射在粗糙物體的表面上時(shí)，就4Experiment

一、內(nèi)容和步驟測量模擬極限變形實(shí)際應(yīng)用——壓電陶瓷的變形測量單板記錄多樣復(fù)雜信息的花樣Experiment

一、內(nèi)容和步驟測量模擬極限變形5Experiment

極值測量測量方法： 在壓電陶瓷表面貼上一層毛玻璃，放在帶有螺旋測微器的光具座上，調(diào)節(jié)光路使成像清晰，拍攝記錄一次，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋鈕，使沿垂直于成像光路方向產(chǎn)生一定量的位移（微小），再拍攝記錄一次，通過顯影、定影后，再現(xiàn)觀察所得膠片，即可定出運(yùn)用該方法測量微小位移的極限長度（包括極大值與極小值）Experiment

極值測量測量方法：6實(shí)驗(yàn)光路：極值測量：u=33.20,v=41.22陶瓷測量：u=6.35,v=109.00單位：cm實(shí)驗(yàn)光路：極值測量：陶瓷測量：單位：cm7再現(xiàn)光路：再現(xiàn)光路：8二、原理幾何光學(xué)解釋：物面位移d,經(jīng)透鏡后在向面上被記錄為d’，且有關(guān)系：經(jīng)激光再現(xiàn)時(shí)，為楊氏雙孔干涉，在接收屏上出現(xiàn)等寬干涉條紋（含在衍射暈圈之中）,條紋寬度△x滿足：式中λ為入射激光波長，D為干板與屏的垂直距離最終得出二、原理幾何光學(xué)解釋：9二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：物面O任意一點(diǎn)（次波源）

經(jīng)過透鏡后物面小位移在像面上反映為二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：10二、原理再現(xiàn)光路改進(jìn)：L=11.25F=15.00u’=17.00v’=127.50單位:cm二、原理再現(xiàn)光路改進(jìn)：L=11.25單位:cm11二、原理波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為：物面的一個(gè)點(diǎn)源（次波源）經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在整個(gè)像面產(chǎn)生波前像面上的一點(diǎn)對應(yīng)于物面上各點(diǎn)（次波源）的波前在該處的疊加物面像面（幾何光學(xué)：物點(diǎn)像點(diǎn)）二、原理波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為：12波動(dòng)光學(xué)解釋：夫瑯和費(fèi)衍射的位移相移定理： 物面（位移）像面（相移）他們之間滿足線性關(guān)系（空間不變性）： 其中 ,λ為再現(xiàn)激光波長令 ，則相繼出現(xiàn)暗紋式中F為夫瑯禾費(fèi)衍射透鏡焦距，d為衍射條紋間距最終得到：二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：二、原理13改進(jìn)后的成像公式： 物面（干板）波前,經(jīng)過透鏡后在頻譜面上波前函數(shù)變?yōu)?，二者滿足傅利葉變換：z→∞ 式中k為傳播系數(shù)（常數(shù)），V為橫向放大率 即物面（干板）上的位移d’在頻譜面上變?yōu)閐’→ 然后再經(jīng)過凸鏡放大后最終得到條紋間距寬度為△x=M′△l=二、原理改進(jìn)后的成像公式：二、原理14二、原理公式： 經(jīng)過以上推導(dǎo)計(jì)算，得出以下結(jié)論： 物體垂直于光軸的平面內(nèi)位移d與最終再現(xiàn)條紋間距x之間滿足一下關(guān)系式： 式中M為成像光路的放大率λ為再現(xiàn)激光的波長F’為再現(xiàn)光路中的夫瑯和費(fèi)衍射透鏡的焦距M’為再現(xiàn)光路中最后部分光路的放大率（這是在本實(shí)驗(yàn)所采用的光路條件下的結(jié)果）二、原理公式：15Result

一、極值測量

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：量序號(hào)物體位移/um曝光時(shí)間/S條紋間距/cm理論位移/um（由條紋間距計(jì)算出）備注1130、40××無條紋2330、40××1條紋（一個(gè)橢圓斑）31030、4015.80/3=5.2710.93條紋42030、4016.80/5=3.3617.1亮紋5條，暗紋2條58030、4012.00/16=0.7576.5條紋極多細(xì)密69030、408.90/14=0.6489.6條紋更多更細(xì)密Result

一、極值測量 1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：16一、極值測量 2.再現(xiàn)圖像：一、極值測量 2.再現(xiàn)圖像：17Result

一、極值測量 3.圖表：Result

一、極值測量18二、測量應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用：———嘗試測量壓電陶瓷的電致變形特性 將手動(dòng)改為自動(dòng)：在壓電陶瓷的兩端鍍上金屬電極，連接在直流電源的兩端，在給陶瓷加上電壓前后分別拍攝記錄一次，通過再現(xiàn)得出散斑干涉條紋，并測量條紋寬度，然后由理論公式倒推計(jì)算出陶瓷因所加直流電壓U而引起的相應(yīng)形變量d。改變U的大小，分別測量記錄相應(yīng)形變量d，繪出d隨U的變化關(guān)系圖。二、測量應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用：19電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1296200、2007.70/7=1.103.747條紋2250200、2006.15/5=1.233.345條紋3201200、2005.75/3=1.922.145條紋4150100、1002.90/1=2.901.423條紋5103100、1003.55/1=3.551.163條紋653100、100××3條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注20二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”123456二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12345621二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：22二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅰ：“X方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1>300100、1003.30/1=3.301.253條紋2296100、1003.65/1=3.651.133條紋3250100、100

3.90/1=3.901.051條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距理論位23二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅰ：“X方向”123二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12324二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅰ：“X方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：25二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1296100、1003.80/3=1.273.245條紋2250100、1004.75/3=1.582.603條紋3201100、1002.40/1=2.401.713條紋4150100、1002.70/1=2.701.523條紋5103100、1003.70/1=3.701.111條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm26二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”12345二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：1234527二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：28二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅲ：“z3方向”電壓/v曝光時(shí)間/s條紋間距/cm理論位移/um備注1>300（約315）100、1002.80/1=2.801.473條紋2296100、1003.15/1=3.151.313條紋3250100、100××1條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓/v曝光時(shí)間/s條紋間距/cm理論29二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅲ：“z3方向”123二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12330三、散斑花樣原理依據(jù)： 通過對透鏡的濾光處理，實(shí)現(xiàn)多次曝光，并在像面（干板）上記錄下多次位移變化信息，從而實(shí)現(xiàn)較高密度存儲(chǔ)位移信息，同時(shí)得到一系列各不相同的、妙趣橫生的散斑干涉花樣圖案。解釋： 可以運(yùn)用相關(guān)函數(shù)，通過相關(guān)運(yùn)算得出不同拍攝方案（光孔形狀、位置、角度等）所得出的不同的干涉花樣。三、散斑花樣原理依據(jù)：31三、散斑花樣散斑花樣舉例：三、散斑花樣散斑花樣舉例：32三、散斑花樣散斑花樣舉例：三、散斑花樣散斑花樣舉例：33三、散斑花樣散斑花樣舉例：三、散斑花樣散斑花樣舉例：34Discussion誤差分析：成像系統(tǒng)并非嚴(yán)格傍軸、物像距嚴(yán)格理想透鏡有像差（使用專為成像而設(shè)計(jì)的透鏡）忽略了透鏡窗函數(shù)影響物體（陶瓷）形變并非嚴(yán)格在平面內(nèi)再現(xiàn)“平行光”并非嚴(yán)格平行測量條紋寬度時(shí)讀數(shù)高壓直流電源的輸出及讀數(shù)Discussion誤差分析：35Discussion優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的隔振器件減小了對相干長度的要求，允許多模激光工作可以獨(dú)立的測量平面內(nèi)的位移，還可以直接測量位移的微商具有比較寬的可控制的靈敏區(qū)域散斑計(jì)量技術(shù)主要包括直接激光散斑照相術(shù)和散斑（剪切）干涉測量術(shù)發(fā)展展望： 全息散斑照相術(shù)、電子散斑圖樣干涉測量術(shù)（ESPI）、拓?fù)鋵W(xué)散斑、脈沖激光與散斑結(jié)合（大型結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)）……Discussion優(yōu)點(diǎn)：36Discussion該法始于約三十年前（1973），現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于許多工程測量之中（混凝土中的裂紋檢測、高壓容器的檢驗(yàn)、晶體生長測量、瞬逝現(xiàn)象分析、運(yùn)動(dòng)路徑的實(shí)時(shí)測量）許多工程計(jì)量任務(wù)是可用多種光學(xué)方法解決的，散斑與全息只是其中的兩種，甚至在這兩種之間也要根據(jù)問題的參數(shù)要求來選擇本實(shí)驗(yàn)僅僅演示了使用散斑干涉照相法測量平面內(nèi)的位移，實(shí)際上還可用于測量平面外的位移、應(yīng)變、振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、變形以及表面粗糙度……Discussion該法始于約三十年前（1973），現(xiàn)今已廣37Discussion對于光學(xué)成像有更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了解學(xué)習(xí)了一種全新的，原理簡單、奇妙的測量微小位移的光學(xué)方法（一度曾令全息工作者頭疼的散斑卻變成了一種極好的嶄新的計(jì)量方法?。?shí)驗(yàn)過程中，張朝暉老師給予了悉心指導(dǎo)幫助，二位實(shí)驗(yàn)者互助合作密切，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程經(jīng)歷了探索、發(fā)現(xiàn)、頓悟和成功，其間灑滿了苦思冥想、專注之致、愉快合作的點(diǎn)點(diǎn)滴滴Discussion對于光學(xué)成像有更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)38激光散斑照相法—————一種測量微小位移的方法朱世偉 周穩(wěn)穩(wěn)指導(dǎo)老師：張朝暉2004－12－25激光散斑照相法—————一種測量微小位移的方法朱世偉 周穩(wěn)穩(wěn)39主要內(nèi)容IntroductionExperimentResultDiscussion

主要內(nèi)容Introduction40Introduction什么是散斑？ 帶有相位差并且是相干的二次球面子波相遇產(chǎn)生了強(qiáng)度分布為顆粒狀的條紋稱為散斑散斑的產(chǎn)生: 當(dāng)相干極好的激光照射光學(xué)粗糙表面（粗糙度不得小于激光波長量級(jí)）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)激光散斑Introduction什么是散斑？41Introduction 當(dāng)激光照射在粗糙物體的表面上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散斑，可用照相干板記錄這些散斑信息。若在同一張干板上記錄下物體經(jīng)微小變形前后的兩次成像，然后再用激光照射在干板上，由大量散斑的統(tǒng)計(jì)平均，可得楊氏條紋。通過精確測量條紋的間距，我們可以計(jì)算出該微小變形的大小。本實(shí)驗(yàn)我們應(yīng)用該法來測量壓電陶瓷的電致變形特性（壓電陶瓷形變通常極其微小，甚至于像聲波振動(dòng)那樣微小的壓力都會(huì)使之產(chǎn)生壓縮或伸長等形狀變化）Introduction 當(dāng)激光照射在粗糙物體的表面上時(shí)，就42Experiment

一、內(nèi)容和步驟測量模擬極限變形實(shí)際應(yīng)用——壓電陶瓷的變形測量單板記錄多樣復(fù)雜信息的花樣Experiment

一、內(nèi)容和步驟測量模擬極限變形43Experiment

極值測量測量方法： 在壓電陶瓷表面貼上一層毛玻璃，放在帶有螺旋測微器的光具座上，調(diào)節(jié)光路使成像清晰，拍攝記錄一次，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋鈕，使沿垂直于成像光路方向產(chǎn)生一定量的位移（微?。?，再拍攝記錄一次，通過顯影、定影后，再現(xiàn)觀察所得膠片，即可定出運(yùn)用該方法測量微小位移的極限長度（包括極大值與極小值）Experiment

極值測量測量方法：44實(shí)驗(yàn)光路：極值測量：u=33.20,v=41.22陶瓷測量：u=6.35,v=109.00單位：cm實(shí)驗(yàn)光路：極值測量：陶瓷測量：單位：cm45再現(xiàn)光路：再現(xiàn)光路：46二、原理幾何光學(xué)解釋：物面位移d,經(jīng)透鏡后在向面上被記錄為d’，且有關(guān)系：經(jīng)激光再現(xiàn)時(shí)，為楊氏雙孔干涉，在接收屏上出現(xiàn)等寬干涉條紋（含在衍射暈圈之中）,條紋寬度△x滿足：式中λ為入射激光波長，D為干板與屏的垂直距離最終得出二、原理幾何光學(xué)解釋：47二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：物面O任意一點(diǎn)（次波源）

經(jīng)過透鏡后物面小位移在像面上反映為二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：48二、原理再現(xiàn)光路改進(jìn)：L=11.25F=15.00u’=17.00v’=127.50單位:cm二、原理再現(xiàn)光路改進(jìn)：L=11.25單位:cm49二、原理波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為：物面的一個(gè)點(diǎn)源（次波源）經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在整個(gè)像面產(chǎn)生波前像面上的一點(diǎn)對應(yīng)于物面上各點(diǎn)（次波源）的波前在該處的疊加物面像面（幾何光學(xué)：物點(diǎn)像點(diǎn)）二、原理波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為：50波動(dòng)光學(xué)解釋：夫瑯和費(fèi)衍射的位移相移定理： 物面（位移）像面（相移）他們之間滿足線性關(guān)系（空間不變性）： 其中 ,λ為再現(xiàn)激光波長令 ，則相繼出現(xiàn)暗紋式中F為夫瑯禾費(fèi)衍射透鏡焦距，d為衍射條紋間距最終得到：二、原理波動(dòng)光學(xué)解釋：二、原理51改進(jìn)后的成像公式： 物面（干板）波前,經(jīng)過透鏡后在頻譜面上波前函數(shù)變?yōu)?，二者滿足傅利葉變換：z→∞ 式中k為傳播系數(shù)（常數(shù)），V為橫向放大率 即物面（干板）上的位移d’在頻譜面上變?yōu)閐’→ 然后再經(jīng)過凸鏡放大后最終得到條紋間距寬度為△x=M′△l=二、原理改進(jìn)后的成像公式：二、原理52二、原理公式： 經(jīng)過以上推導(dǎo)計(jì)算，得出以下結(jié)論： 物體垂直于光軸的平面內(nèi)位移d與最終再現(xiàn)條紋間距x之間滿足一下關(guān)系式： 式中M為成像光路的放大率λ為再現(xiàn)激光的波長F’為再現(xiàn)光路中的夫瑯和費(fèi)衍射透鏡的焦距M’為再現(xiàn)光路中最后部分光路的放大率（這是在本實(shí)驗(yàn)所采用的光路條件下的結(jié)果）二、原理公式：53Result

一、極值測量

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：量序號(hào)物體位移/um曝光時(shí)間/S條紋間距/cm理論位移/um（由條紋間距計(jì)算出）備注1130、40××無條紋2330、40××1條紋（一個(gè)橢圓斑）31030、4015.80/3=5.2710.93條紋42030、4016.80/5=3.3617.1亮紋5條，暗紋2條58030、4012.00/16=0.7576.5條紋極多細(xì)密69030、408.90/14=0.6489.6條紋更多更細(xì)密Result

一、極值測量 1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：54一、極值測量 2.再現(xiàn)圖像：一、極值測量 2.再現(xiàn)圖像：55Result

一、極值測量 3.圖表：Result

一、極值測量56二、測量應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用：———嘗試測量壓電陶瓷的電致變形特性 將手動(dòng)改為自動(dòng)：在壓電陶瓷的兩端鍍上金屬電極，連接在直流電源的兩端，在給陶瓷加上電壓前后分別拍攝記錄一次，通過再現(xiàn)得出散斑干涉條紋，并測量條紋寬度，然后由理論公式倒推計(jì)算出陶瓷因所加直流電壓U而引起的相應(yīng)形變量d。改變U的大小，分別測量記錄相應(yīng)形變量d，繪出d隨U的變化關(guān)系圖。二、測量應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用：57電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1296200、2007.70/7=1.103.747條紋2250200、2006.15/5=1.233.345條紋3201200、2005.75/3=1.922.145條紋4150100、1002.90/1=2.901.423條紋5103100、1003.55/1=3.551.163條紋653100、100××3條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注58二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”123456二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12345659二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅰ：“z1方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：60二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅰ：“X方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1>300100、1003.30/1=3.301.253條紋2296100、1003.65/1=3.651.133條紋3250100、100

3.90/1=3.901.051條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距理論位61二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅰ：“X方向”123二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12362二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅰ：“X方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：63二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm)理論位移(um)備注1296100、1003.80/3=1.273.245條紋2250100、1004.75/3=1.582.603條紋3201100、1002.40/1=2.401.713條紋4150100、1002.70/1=2.701.523條紋5103100、1003.70/1=3.701.111條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓(v)曝光時(shí)間(s)條紋間距(cm64二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”12345二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：1234565二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表： 陶瓷Ⅱ：“z2方向”二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖表：66二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 陶瓷Ⅲ：“z3方向”電壓/v曝光時(shí)間/s條紋間距/cm理論位移/um備注1>300（約315）100、1002.80/1=2.801.473條紋2296100、1003.15/1=3.151.313條紋3250100、100××1條紋二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電壓/v曝光時(shí)間/s條紋間距/cm理論67二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片： 陶瓷Ⅲ：“z3方向”123二、測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)圖片：12368三、散斑花樣原理依據(jù)： 通過對透鏡的濾光處理，實(shí)現(xiàn)多次曝光，并在像面（干板）上記錄下多次位移變化信息，從而實(shí)現(xiàn)較高密度存儲(chǔ)位移信息，同時(shí)得到一系列各不相同的、妙趣橫