實驗講義-電子散斑

實驗十三電子散斑干涉和激光散斑干涉照相綜合實驗激光照射到粗糙物體表面會形成不同的折射，這些折射形成亮斑或暗斑，就叫做散斑斑是無規(guī)則波前的干涉圖樣，可作為信息載體。散斑干涉照相技術(shù)測量微小位移時具有實時、靈敏、全場測量等特點，在機械性變、位移、醫(yī)學(xué)、天文和圖像處理等許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本實驗的目的是了解激光散斑的統(tǒng)計特性，學(xué)會兩種處理激光散斑的重要方法：自相關(guān)函數(shù)法和互相關(guān)函數(shù)法。實驗?zāi)康?、了解激光散斑的統(tǒng)計特性；2、學(xué)會兩種處理激光散斑的重要方法。實驗原理激光散斑的基本概念：激光自散射體的表面漫反射或通過一個透明散射體（例如毛玻璃）時，在散射表面或附近的光場中可以觀察到一種無規(guī)分布的亮暗斑點，稱為激光散斑（LaserSpeckles）或斑紋。如果散射體足夠粗糙，這種分布所形成的圖樣是非常特殊和美麗的（對比度為1）。激光散斑是由無規(guī)散射體被相干光照射產(chǎn)生的，因此是一種隨機過程。要研究它必須使用概率統(tǒng)計的方法。通過統(tǒng)計方法的研究，可以得到對散斑的強度分布、對比度和散斑運動規(guī)律等特點的認識。圖1光散斑的產(chǎn)生（圖中為透射式，也可以是反射式的情形）圖1說明激光散斑具體的產(chǎn)生過程。當激光照射在粗糙表面上時，表面上的每一點都要散射光。因此在空間各點都要接受到來自物體上各個點散射的光，這些光雖然是相干的，但它們的振幅和位相都不相同，而且是無規(guī)分布的。來自粗糙表面上各個小面積元射來的基元光波的復(fù)振幅互相迭加，形成一定的統(tǒng)計分布。由于毛玻璃足夠粗糙，所以激光散斑的亮暗對比強烈，而散斑的大小要根據(jù)光路情況來決定。散斑場按光路分為兩種，一種散斑場是在自由空間中傳播而形成的(也稱客觀散斑)，另一種是由透鏡成像形成的(也稱主觀散斑)。在本實驗中我們只研究前一種情況。當單色激光穿過具有粗糙表面的玻璃板，在某一距離處的觀察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在幾乎全暗的背景上，當沿光路方向移動觀察面時這些亮斑會發(fā)生大小的變化，如果設(shè)法改變激光照在玻璃面上的面積，散斑的大小也會發(fā)生變化。由于這些散斑的大小是不一致的，因此這里所謂的大小是指其統(tǒng)計平均值。它的變化規(guī)律可以用相關(guān)函數(shù)來描述。激光散斑光強分布的相關(guān)函數(shù)的概念：(1)自相關(guān)函數(shù)假設(shè)觀察面任意兩點上的散斑光強分布為I(xl,yl),I(x2,y2),我們定義光強分布的自相關(guān)函數(shù)為：G(X1，yi；X2,y2)=<1(X1，yi)1(X2,y2)> (1)其中I(x1，y1)表示觀察面上任一點Q］的光強，1(x2,y2)表示觀察面上另一點Q2上的光強，〈〉表示求統(tǒng)計平均值。根據(jù)光學(xué)知識我們知道：I(x,y)二U(x,y)U*(x,y) (2)式中U(x,y)表示光場的復(fù)振幅。當玻璃板表面足夠粗糙(毛玻璃)時,根據(jù)散斑統(tǒng)計學(xué)的理論我們可以得到如下的公式：112211221122G(x,y;x,y)=<I(x,y)I(x,y)>+<U(x,y)U*(x,y)>2=<I>2[1+r(x,y;x,y)]112211221122(3)式中^(x1,y1；x2,y2)=|〈U(x「y1)U*(x2,y2)〉|鄉(xiāng)〈I〉2稱做復(fù)相干系數(shù)。由于激光器出射的光斑為高斯分布的，根據(jù)衍射理論可推出其復(fù)相干系數(shù)(推導(dǎo)方法用菲涅爾衍射公式，為：(4)卩(x,y;x,y)二exp[-(Ax2+Ay2)/S2](4)1122式中Ax=(x2-x1)，Ay=(y2-y1)，(3)式化為：G(Ax,Ay)=<I>2{1+exp[-(Ax2+Ay2)/S2]} ⑸進行歸一化處理，可以得到歸一化的自相關(guān)函數(shù)為：g(Ax,Ay)二G(Ax)/<I>2二1+exp[-(Ax2+Ay2)/S2] ⑹其中S的意義即代表散斑的平均半徑。S與激光高斯光斑半徑W(在毛玻璃上的光斑)的關(guān)系式為:(7)S二九Z/兀W(7)因此測量出S的大小就可以求出W。(2)兩個散斑場光強分布的互相關(guān)函數(shù)假設(shè)觀察面任意一點Q1上的散斑光強分布為I(x1，y1),當散射體發(fā)生一個變化后(如散射體發(fā)生一個微小的平移d0='-：di假設(shè)觀察面任意一點Q1上的散斑光強分布為I(x1，y1),當散射體發(fā)生一個變化后(如散射體發(fā)生一個微小的平移d0='-：di+d2)觀察面任意一點Q2上的散斑光強分布為I'(x2)我們定義光強分布的互相關(guān)函數(shù)為：G(X1,yi；X2,y2)*1(X1,yi"'(X2,y2)>(8)同上面一樣有：I(x,y)二U(x,y)U*(x,y)(9)I'(x,y)二U'(x,y)U'*(x,y)10)式中U(x,y)和U?(x,y)分別表示兩個散斑光場的復(fù)振幅。還是根據(jù)散斑統(tǒng)計學(xué)的理論我們可以得到如下的公式：G(%yi；x2,y2)=<廠8yi"(x2,y2)〉+<Ua，yM3y2)>2=<1>2[1+卩八y?；x'y2)]C112211)式中^C(x1,y1；x2,y2)=|〈U?(x「yJU*(x2,y2)|鄉(xiāng)〈I〉2稱作復(fù)互相干系數(shù)。根據(jù)衍射理論可推出其復(fù)相干系數(shù)(推導(dǎo)方法用菲涅爾衍射公式，為：Ax+d[1+P/p(p)1 Ay+d[1+P/p(p)]卩(x,y;x,y)二exp{- 2 1}exp{- 耳2 1}(12)C1122 S2 S2式中Ax=(x2-x1)，Ay=(y2-y1)所以，兩個散斑場的互相關(guān)函數(shù)為G(Ax,Ay)=<I>2{1+exp{-CAx+d[1+P/p(p)]U2 1-S2}exp{—Ay+叮1+屮(匕)]}}S213)進行歸一化處理，可以得到歸一化的互相關(guān)函數(shù)為：gC(gC(Ax,Ay)=1+exp{—Ax+dU[1+P2/P(P1)]}exp{?+叮1「/P(叨}(14)S2實驗裝置圖2圖2激光散斑照相實驗圖3圖3電子散斑照相實驗實驗內(nèi)容一、激光散斑照相實驗實驗裝置圖，如圖2所示。注意：在安裝CMOS相機時，請根據(jù)螺紋螺距區(qū)分英制與公制螺紋孔，如需要使用英制1/4”-20螺紋孔連接CMOS時，請使用英制-公制螺紋轉(zhuǎn)接頭，如下圖：*英制*英制-公制螺紋轉(zhuǎn)接 將所有器件調(diào)整至同心等高。C.打開并調(diào)整激光器，使發(fā)射的激光水平，在光路中放入空間濾波器，在調(diào)整空間濾波器之前，先去掉針孔，當物鏡出射的光斑中心沿水平方向時，調(diào)節(jié)完畢。放入針孔，推動物鏡旋鈕靠近小孔，推動過程中，不斷調(diào)整小孔位置使得透射光斑最亮，光通過濾波器后檢查射出的光點是最亮的，無衍射條紋，光斑變得均勻時，說明已經(jīng)調(diào)好。使用雙膠合透鏡將激光光束準直，觀察光斑遠近大小尺寸，調(diào)節(jié)平凸透鏡與空間濾波器的距離。當光斑在遠近處直徑一致時，認為光束準直完成。調(diào)節(jié)毛玻璃的位置與高低，使光斑照射在完全毛玻璃上。打開相機的采集程序，使用連續(xù)采集模式。調(diào)節(jié)相機的位置與高低，使光照射在相機的適當位置上。此時如果顯示圖像亮度過高適當減小相機的增益值和快門速度。（注：盡量縮進相機與毛玻璃的距離）采集并保存此時相機上的圖像。轉(zhuǎn)動精密平移臺上的千分尺，使毛玻璃向左右移動一定位置，（例如0.5mm、1mm,-0.5mm、-1mm）,采集并保存此時相機上的圖像。更換不同的位移量，重復(fù)上步驟3次，點擊打開軟件“LESPI”。

g.點擊“原始散斑圖”，按照路徑選擇原始圖片，點擊“平移散斑圖”，按照路徑選擇位移后圖片。k.點擊“互相關(guān)計算”進行計算，測出其偏移量。1?然后點擊“散斑半徑計算”，計算得出散斑半徑。m.轉(zhuǎn)動側(cè)升降臺上的千分尺，重復(fù)步驟h-1,比較毛玻璃豎直移動位移和軟件輸出結(jié)果之間的差距。二、電子散斑照相實驗實驗裝置圖，如圖3所示。所有器件調(diào)整至同心等高。整激光管夾持器水平，固定可變光闌的高度和孔徑，使出射光在近處和遠處都能通過可變光闌（我們調(diào)節(jié)光線的上下高度就可以）。注：固定可變光闌高度，此可變光闌將在以下實驗步驟中作為光路調(diào)整高度標尺。調(diào)節(jié)白屏、雙膠合透鏡、相機，使得相機清晰的采集到白屏上圖像，調(diào)節(jié)相機的曝光時間和增益，使圖像亮度合適，固定相機、雙膠合透鏡和白屏的位置。（注：為簡化實驗操作，可在白屏上懸掛一張較大字跡的白紙，相機能采集到清晰的文字時即可）。取下2個空間濾波器和衰減器，打開氦氖激光器，通過分光棱鏡發(fā)出兩束光，一束打到白屏的合適位置上（在相機成像的位置上），另一束通過第一個反射鏡反射到第二個反射鏡反射到第二個分光棱鏡上，最后通過分光棱鏡合束打到相機上。在擺放光路時，用卷尺測量參考光光程（分光棱鏡■反射鏡-分射精-分光棱鏡）與物光光程（分光棱鏡-白屏-雙膠合透鏡-分光棱鏡），如果這兩個光程不等，適當調(diào)節(jié)第一個反射鏡的角度和第二個反射鏡的位置，使這兩個光程大致相等。插入空間濾波器，使用可變光闌作為高度標尺，調(diào)整空間濾波器的高度（不加針孔），使得激光通過顯微物鏡后的擴束光斑中心與可變光闌中心重合，此時鎖定空間濾波器高度，及平移臺水平移動旋鈕；加入針孔，旋轉(zhuǎn)螺紋付推動物鏡靠近針孔，在此過程中不斷調(diào)整針孔位置旋鈕，保證透過光的光強最大，當透過光無衍射環(huán)且光強最強時，空間濾波器調(diào)整完畢。比較參考光與物光光強，通常情況下，參考光光強較強，適當調(diào)節(jié)圓形可調(diào)衰減器，使參考光與物光光強大致相等。采集并保存此時相機上的圖像。微調(diào)裝白屏的可調(diào)棱鏡支架，采集并保存變化后相機上的圖像。重復(fù)步驟i,采集5次，點擊打開軟件“ESPIRL”。

1?點擊“原始圖樣”（沒有調(diào)節(jié)可調(diào)棱鏡支架采集的圖像），按照路徑選擇原始圖片，再點擊“位移圖樣”（微調(diào)可調(diào)棱鏡支架后采集的圖像），按照路徑選擇位移后圖片。m.點擊“散斑計算”，進行計算。所得的偏轉(zhuǎn)角為白屏微調(diào)后的偏轉(zhuǎn)角度的絕對值。

電子散斑干涉測量實驗電子散斑干涉測量實驗n.重復(fù)步驟l-m,分別計算5張圖的偏轉(zhuǎn)角度。注意事項環(huán)境無影響測試準確度的機械振動和電磁干擾。器件所有光電參數(shù)需要在熱平衡下進行，實驗前應(yīng)該預(yù)熱3分鐘測試系統(tǒng)應(yīng)接地良好。4.標準條件A316mmO.OOlsr2。；標準條件B100mmO.Olsr6.5。。