基于傅里叶变换的激光数字散斑测量平板玻璃的楔角.pdf

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1、第34卷第1期物理实验Vo1．34No．12014年1月PHYSICSEXPERIMENTATIONJan．，2014基于傅里叶变换的激光数字散斑测量平板玻璃的楔角谭佐军，谢静(华中农业大学理学院应用物理系，湖北武汉430070)摘要：采用基于傅里叶变换的激光数字散斑测量了平板玻璃的微小楔角．通过在光路中借助毛玻璃的散射特性，采用高分辨率CCD直接记录激光散斑图像，对散斑图像进行快速傅里叶变换获得散斑结构的高信噪比的杨氏双缝干涉条纹，分析干涉条纹获得光强分布曲线，采用移动平均法消除光强曲线噪声后计算出干涉条纹间距，从而计算出平板玻璃的微小

2、楔角．关键词：激光散斑；CCD成像；傅里叶变换；平板玻璃中图分类号：0438文献标识码：A文章编号：1005—4642(2O14)Ol-OOO5-O4利用激光散斑技术对抛光物体进行位移和旋转等1引言测量．激光照射散射体表面产生漫反射或通过透明2测量原理散射体时，在散射表面或附近光场中观察到的无规则分布的明暗斑点称为激光散斑．散斑现象普基于傅里叶变换的数字激光散斑技术测量平遍存在于光学成像的过程中，通过对散斑场的分板玻璃微小楔角的光路如图1所示．图1中M析可以测量物体的一些物理特征值口]．因此激光为毛玻璃，CCD放置于H处为记录激光散斑，w

3、散斑计量技术成为现代光学重要的测量方法，主为带有微小楔角的平板玻璃．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．它具有全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时快速等优点_2]，现已广泛应用于振动、位移、形变、断裂、粗糙度的测量，农业及生物医学等方面．因此激光12T散斑成像技术成为很多学校在教学实验中推广的一个实验，该实验的引入有利于学生了解激光散l一斑的特性及其在各个领域中的应用[3]．平板玻璃是一种抛光后的相位物体，其表面光滑，不能产生激光散斑，因此无法直接利用激光图1数字散斑技术测量平板玻璃楔角光路示意

4、图散斑技术测量其微小楔角．我们在光路中借助能当平板玻璃w不在光路中时，激光束将直接够产生激光散斑的元件(毛玻璃等)，采用傅里叶照射毛玻璃，毛玻璃作为透明的散射体在其附近变换的数字激光散斑技术测量了平板玻璃的微小的光场中产生激光散斑．当把平板玻璃w放人楔角．该方法直观、快速、精度高，有利于学生了光路中，由于微小楔角的作用，经过平板玻璃w解激光光束的基本特点以及CCD光电成像系统出射后的光线将偏移a角度，假设光线1通过毛的原理，通过实验学生还可以进一步巩固光的衍玻璃上的A点，而没有平板玻璃时光线2通过A射、光的干涉、激光高斯光束特性、信息光学

5、等相点，这就意味着在没有平板玻璃W时，A点产生关知识．该方法也可以引导学生开拓思路，从而收稿日期：2013—10—13I修改日期：2013—1卜25作者简介：谭佐军(1977一)，男，湖北利川人，华中农业大学理学院应用物理系副教授，博士，主要研究方向为光电技术与生物成像、图像处理．第1期谭佐军，等：基于傅里叶变换的激光数字散斑测量平板玻璃的楔角7y1，y，N，N2代入式(7)，可得／y，一忌Nz+6’(8)1Y2==：kN2-+-b．V—V可得是===，6一Y一kN·，b代表实际值与测量值之差，是系统产生的测量误差．4实验结果及分析在实验

6、中分别用自准直法和激光数字散斑法对同l块平板玻璃进行重复测量．环境为室温，当CCD接通电源后约15rain开始测量，以便lOOOOOOOOOOO987654321图3快速傅里叶变换获得的杨氏双缝干涉条纹CCD达到稳定的工作状态．表1为测试结果，z=(2．966+0．003)mm，0散斑：1．4206±O．0015，自准直一1．416±0．017．{{l}表1测试数据测量次数l／mm0／()，散斑法自准直法1．419厂。k／。一＼、、．、222221．4141．418x／pixcl1％4％1卯3％7％753321．409(a)未平滑1．41

7、71111l利用定标2板O中8的812mm和2mm刻线确定Il18977一一卜⋯-_一⋯“HL}⋯⋯H‘k一0．0435mm／pixel，激光数字散斑法系统误差{i6—0．0012mm，激光器波长为632．8nm，平板{一～⋯J⋯⋯．1玻璃折射率一1．516．作为5次重复测量的物理Il量，同时为了保证标准不确定度的置信水平，把平

8、。＼，、；、／＼，l／、一均值的标准偏差乘以t。．(1．96)因子作为测量结00果不确定度的A类分量，为了便于教学，将仪器x／pixcl误差按均匀分布近似处理，把自准直仪器误差除(b)平滑以√3作为自准直法的B类

9、分量，自准直仪测量误图4光强分布曲线差为1”．由表1可见，基于FFT的激光数字散斑3．3干涉条纹间距的计算法测量的结果与自准直法测量结果吻合较好，效用CCD记录散斑图，通过FFT获取干涉条果非