散斑干涉测量形变物体的离面位移
https://img.doczj.com/imgd3/06c8p73uo8sobnvwjc7v-31.webp散斑干涉测量形变物体的离面位移
摘要：首先对散斑的形成和散斑干涉的原理进行了介绍，然后通过对迈克尔逊干涉仪的分析得出散斑干涉，最后通过一个实验在计算机上得到物体形变的三维图形
关键词：散斑；干涉；离面位移；迈克尔逊干涉仪
Speckle interference measuring objects from surface displacement
Abstract: Firstly the speckle formation and the principle of speckle interference were introduced. Then through the analysis of Michelson interferometers we can get the speckle interference. Finally, through an experiment get the object deformation 3D graphics on the computer.
Key words: speckle; interference; Michelson interferometers
散斑干涉测量形变物体的离面位移
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一、测量的原理
一散斑的形成
1散斑现象
激光照射在粗糙表面(如金属表面)毛玻璃或折射率无规涨落的介质上则会明暗相间亮斑和暗斑即散斑/斑纹(Speckle)。就整个整个空间而言，屏近的地方散斑小，屏远的地方散斑大。
散斑的形成
2 散斑的形成条件
形成散斑必须满足以下两个条件：
被照射表面为粗糙表面，以产生散射光。为使散射光均匀，粗糙表面的深度大于波长。
照射光有足够的相干性，常用激光产生激光散斑。
认识到散斑不可避免，且是种一种不可多得的随机编码手段，用其对平滑表面进行随机编码与检测。散斑本身携带了粗糙表面的相关信息。
二散斑的大小 1客观散斑的大小
相干光照明时, 粗糙表面上各面元散射光波之间干涉, 直接在空间域内形成颗粒状结构，这种散斑为客观散斑(直接散斑)。
散斑颗粒的大小用其平均直径：两相邻亮斑间距离的统计平均值表示，由产生散斑的激光波长λ和粗糙表面圆形照明区对该散斑的孔径角u 决定：
u v sin 6.0λσ=
式中：λ为激光波长，u 是粗糙表面被照明区域对该散斑的孔径角。照明区为(椭)圆形，则散斑亦为(椭)圆形，且长短轴正交；照明区域大，则散斑小。 2主观散斑的大小
如果被照明的粗糙表面经过一个光学系统，在其像平面上形成的散斑，称为成像散斑，它相当于人眼对焦于粗糙表面时所看到的散斑，所以也叫做主观散斑。主观散斑直径决定于系统出瞳对P '点的张角u '，即：
NA I λσ6.0=
3散斑的纵向大小
()2
2
2'
sin 2NA u L λ
λσ=
=
二、测量的理论模型
迈克尔逊干涉仪，两平面镜均用散射体替代，散射体M1、M2各在对应像面上形成散斑图。令A1和A2的分别为两散射体M1和M2的所产生的散斑图在像面上P 点的振幅。由于两散斑图的相干性, P 点的合成振幅为A1+A2，合成光强取决于A1和A2的位相差。
迈克尔逊干涉仪
若散射体M1变形或移动, 则两散斑场的位相差随之改变, 因此，合成的散斑场强度也就改变。
若位相差的改变为2k π，即光程差改变k λ，则变形后的散斑场强度与变形前的一样, 称变形前后的散斑为相关。
若位相差的改变为(2k+1)π，即光程差改变(k+1/2)λ，则变形前的亮(暗)散斑变为暗(亮)散斑，即发生对比度反转，称变形前后的散斑不相关。
这样，任一变形后的粗糙表面相对于变形前的物面可以分成相关区域和不相关区域：相关区域是由物面上光程差改变k λ的点的轨迹，不相关区域则是由物面上光程差改变为(k+1/2)λ的点的轨迹。
P 是M1和M2的公共像面，M1向着透镜移动则其像面也向后移。若M2不动，则两个散斑场纵向分离则降低两散斑场的相关性。
若M1变形后所引起的散斑纵向位移量(即离焦量)等于散斑的纵向长度：
'sin 22
u L λσ=
则两散斑场的相关度为零。
因此，要保证两散斑场的相关性，必须使离焦量小于散斑纵向长度 反之，要增长散斑的纵向位移量，就必须增长散斑纵向长度这可以通过减小透镜的孔径角来实现同时增大了散斑的横向尺寸散斑纵向长度。
三、实验描述
在光学平台上搭建如下图所示光路的光学系统
散斑干涉光路图
1－激光器2－小口径衰减器3－定向孔5－定向孔6－反射镜7－反射镜8－扩束镜9－滤波孔10－反射镜11－扩束镜21－导轨23－光电接收器24－20×目镜25－可调光阑26－傅氏透镜/波差测试试件27－大口径衰减器28－准直透镜30－分光棱镜32－多功能试件夹及组合工作台33－组合工作台
由激光发射出相干光，经过衰减器，定向孔再经反射镜，通过扩束镜滤波孔，经过分光棱镜一束反射到M1，另一束透射到M2。并在其上形成两幅相干散斑图，返回经分光棱镜合光，通过会聚滤波，聚焦在成像至CMOS上。在计算机上可以使用csylaser做出物体表面形变的三维图像并打印下来。
经过试验发现最难得是调整光路。所以在条光路时要有足够的耐心。在寻找干涉图时，可以拿开聚焦透镜，使用白屏在聚焦透镜位置附近仔细寻找干涉圆环，找到后，需调解镜面和光路使得干涉环经透镜聚焦后能够正好入射到CMOS 上。
误差分析
试验中会发现散斑干涉环在不停的抖动，这是因为平台在轻微的震动的原因。若透镜表面不洁净就会导致干涉图像像质变差。本人在做实验时，为使金属片形变是用手指轻压，这就使得形变不稳定，进而干扰实验结果。
参考文献
杨国光《近代光学测试技术》浙江大学出版社
何平安《激光测量学讲义PPT》武汉大学
浙江大学光电系《激光多功能光电测试实验仪（CSY-10型）实验指导书》安徽大学光信息科学与技术《近代光学实验》
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