现代信息光学结课报告

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1、测控1002班，张达飞，2010010677光学信息处理课程报告班级：测控1002姓名：张达飞学号：2010010677测控1002班，张达飞，2010010677激光散斑技术及应用1.引言近年来激光散斑计量技术发展迅速，已在许多领域得到了广泛应用。激光散斑计量技术是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法，它具有全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时快速等优点，现已广泛应用于振动、位移、形变、断裂及粗糙度的测量等，成为无损计量领域的有效工具，是当前国际上的热门研究课题之一。2.激光散斑计量方法基本原理激

2、光散斑计量技术主要有：直接照相法、双曝光法、电子散斑干涉法、错位散斑干涉法和散斑相关测量技术等。2．1电子散斑干涉法电子散斑干涉法(ESPI)包括用电子方法处理的电子散斑干涉法(ESPI)和用数字方法处理的数字散斑干涉法(DSPI)。Butters和Leendeaz于1971年首先提出了电子散斑干涉法，经过几十年的发展，ESP[已广泛应用于无损测量领域。受全息术的启发，为使拍得的图像包含振幅和位相信息，ESPI技术引入了参考光，下图是ESPI的测量原理图。ESPI的测量装置采用迈克尔逊干涉系统，激光器发

3、出的光经准直后照射到分束板上，分为两束后照在被测物体和参考物体上；反射回来的光经分束板后，进入CCD相机，形成干涉图样。设在两次成像之间，被测物件变形，则两束光的相对位相差仅归因于离面位移ω，并表示为：由式(I)结合干涉条纹图，可求得被测物件的形变量ω。ESP[技术一般需要参考光，能够测量位移、形变、振动和粗糙度等。它的缺点是系统对空气湍流和寄生运动所引起的干扰相当敏感，需要较好的防震措施。2．2错位散斑干涉法错位散斑干涉法(ESSI)或称剪切散斑干涉法，测的不是位移而是位移梯度，可用来测量物体的形变、

4、振动和恒值线等。它的优点是没有参考光路，受环境扰动和机械噪音的影响很小；但它受剪切范围、剪切方向和引入的荷载等多个有效因子的影响。测控1002班，张达飞，2010010677图2是ESSI的实验装置图。准直激光束与水平方向成θ角倾斜入射待测物体；CCD前的成像透镜的上半部分盖有一片薄玻璃楔。由于光线透过玻璃楔片时会产生偏折，所以两个像(透镜的每一半会聚一个像)彼此横向剪切。若在方向上剪切，玻璃楔产生的剪切量为：式(2)中n为楔的折射率；A为玻璃楔楔角。当物体发生形变时,P(x,y)和P(x+δx,y)两

5、点之间出现相对位移，引起的相位差为：μ,ω分别为沿x和z方向的位移分量。若δx足够小，则式(3)变为：物体变形前后两次曝光，就得到式(4)中△的散斑条纹图，分析可得沿x方向的位移梯度。2．3散斑相关测量法散斑相关测量法是20世纪8O年代由日本YamaguchiI和美国南卡罗来纳大学的PeterWH和PansonWF等人独立提出的。它是一种非接触式位移测量方法，具有光路简单、对测量环境要求低等优点，近年来获得了长足的进展。激光散斑相关测量法的基本原理是：先把物体变形前后拍得的散斑图转换成2个数字灰度场。对

6、变形前的散斑图取P点为待测点，以P为中心取mxm个像素为子集A，当被测物体形变后，子集A移至子集B的位置。由统计学知，A与B这两个样本空间的相关系数最大，因此可以根据相关系数的最大值来确定子集B的位置，从而得到该点的位移。由概率与统计理论可知，子集A和子集B的相关系数为：测控1002班，张达飞，2010010677其中，f(x,y)为子集A中(x,y)点处的灰度值；g(x+μ,y+υ)为子集B中(x+μ,y+υ)点处的灰度值；分别为子集A和B的平均灰度。通过搜索相关系数C的峰值来确定待测点X方向的位移μ

7、和Y方向的位移υ。当测量的点比较多时，相关测量法的计算量非常庞大，因此提高测量精度和搜索速度是该方法的研究重点。3.图像处理方法基本原理用激光散斑计量方法拍得的图像是一幅充满噪声的散斑图，有用的信息被淹没在大量的散斑噪声中。要从一幅散斑条纹图中得到被测物体的表面信息，首先需要对图像进行处理。图像处理的主要任务是去除散斑噪声、提高条纹对比度。其主要方法有：相移法、条纹灰度法、条纹中心线法、傅氏变换法和亚像素搜索法等。3．1相移法相移法是国际公认的最有效、精度最高的方法。相移法的原理是：在物体变形过程中通过

8、改变参考光路的位相多次拍摄散斑条纹图，通过减模式运算获得条纹位相分布，这类方法要求至少有3幅或3幅以上的带有相移的条纹图。下面公式给出了相移法计算中的位相公式【1】。其中，ψ(x,y)为相位分布；m为采样幅数。若采用三步相移法，即m=3，有实现相移的方法主要有：压电陶瓷相移、偏振相移和光栅相移等。其中，应用最广泛的是利用PZT压电陶瓷获得相移，但这种方法装置比较复杂且成本较高。中国科技大学的伍小平教授等设计了一种精度高、成本低且易于操作的空