第２６卷第６期 嘉应学院学报（自然科学） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＹＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖ０１．２６ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０ｏ８ ２００８年ｌ２月 一种用于物体面内位移测量的数字激光散斑系统 。陈书汉 （嘉应学院物理与光信息科技学院，广东梅州５１４０１５） ［摘要］利用激光数字散斑原理搭建光学系统对物体面内位移进行测量，本系统利用ＣＣＤ接收毛玻 璃移动前后的散斑图像，利用计算机数字图像处理技术得到干涉条纹，并计算毛玻璃的面内位移。最后 对本系统测量的灵敏度，范围和精度进行了分析和讨论。 ［关键词］激光数字散斑干涉测量；面内位移；精确度 ［中图分类号］ＴＨ１４４．３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００６—６４２Ｘ（２００８）０６—００４５—０３ ０ 引言 激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场 中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｋｌｅｓ）或斑纹。散斑现象普遍存在 于光学成像的过程中，由于激光的高度相干性，激光散斑的现象就更加明显。最初人们主要研究如 何减弱散斑的影响，在研究的过程中发现散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产 生了许多的应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体运动 的速度，利用散斑进行光学信息处理、甚至利用散斑验光等等。激光数字散斑技术是一项集激光，数 字图像处理，电子等多学科为一体的综合性技术，具有非接触，全场同时测量，精度高，灵敏度高，测 量迅速简便等优点。激光数字散斑（ＤＳＰＩ）又称电视全息，电子散斑（ＥＳＰＩ），是全息测量技术的发 展．全息测量虽然具有全场非接触同时测量的优点，但是全息测量需要进行费时费力的化学湿处理 过程，并且对测量环境要求高，因而了其在工程中的应用。… １ 实验原理 所谓面内位移就是物体位移方向和光波传播方向垂直，搭建如图１所示的光学系统，把一束激 光照射在光学粗糙表面上，由于表面漫散射的光干涉，将产生许多随机分布的亮暗斑点，用透镜成像 在ＣＣＤ摄像机上并拍摄毛玻璃移动前的散斑图像。在像平面上的光强分布可以看作 （ｒ）＝／／，。（ｒ）ｅｘｐｑ５。（ｒ）， 其中 。（ｒ）是光波的振幅， （ｒ）是经物体漫射后的物体光波的相位。 ．２ （１） 在垂直光路的方向上移动毛玻璃，物光和考光之间光程发生变化，从而使干涉场强度随之产生 变化，此时记录下微位移前后散斑干涉图样，经相减处理就可以得到反映位移变化的相关条纹。被 激光照明的物体可以看作表面粗糙的漫反射体，表面上每一点都可以看作互相的散射基元，产 生散射光（子波），散射光经过成像透镜在像面上产生了一个衍射斑（相干脉冲响应），所有的衍射斑 ［收稿１３期］２００８一ｏ９—２０ ［基金项目］梅州市自然科学研究项目（０７ＫＪ３６）。 ［作者简介］陈书汉（１９８０一），男，广东五华人，讲师，硕士，主要研究方向：光电检测技术。 ．．．．——４５．．．—— 相干迭加形成亮暗相间的光场一一散射场（即物面的散射图）。 、＼１ 准直透镜 毛玻璃 准直透镜 图１光学系统 在物体位移前拍摄一张物体的散斑照片，在物体位移后物体上各点将产生位移。这时再拍摄下 物体位移后的一张散斑图像。物体的每一个物点都有一对散斑与之对应，测量相应物点的位移。因 为物体是移动微小位移，所以可以认为每个散斑对都是杨氏干涉中的衍射双孔．当用激光束照射散 斑对时，会产生杨氏干涉条纹，通过测量干涉条纹的间隔距离，就可以算出物体的位移大小。 当用物体位移前后的２张散斑图相减得到的散斑图，在每一位置处的散斑对会产生一个杨氏干 涉条纹，其光场分布如下： （Ｕ， ）＝ｓ ， ）一ｓ１ （／ｔ， ）［１＋ｅｘｐ（ｉ２ｒｒｕＭｘ０）］， 式中 是激光波长，其中第二项就是杨氏干涉项，其光强分布为： （ｕ， ）＝Ｉ咖 （Ｕ， ）［ＣＯＳ（２，ｒｒｕＭｘ０）］Ｉ ， ， 是杨氏干涉条纹的位置。 干涉条纹最亮的位置满足下式： ２，ｕｕＭｘｏ＝２盯Ⅳ， ， 从上两式可得： Ａ ， 将上式微分可得： ． △ ｏ 上式表明该点位移与条纹的法线方向一致，在测量波长 ，物像放大倍数 和ＣＣＤ镜头距离 时，只 要测出相邻两干涉条纹的间隔ＡＸ，就可以算出物面上任意一点的位移Ａｘ。 ２实验与讨论 本系统首先用ＣＣＤ接收物体位移前的一张散斑图并记录，再记录下位移后的一张散斑图。对 移动前后的散斑图像进行图像处理 ］。本测量系统将毛玻璃移动１ ｍ，２ ｍ，３ ｍ，４ ｍ，５ ｍ，６ ／ｘｍ，７ ｍ后分别进行测量，把物体位移前后的二幅散斑图相减并将变成灰度图，并采用频域滤波、 二值化等图像处理方法 ，可得毛玻璃移动前后的散斑图像所产生的干涉条纹。实验表明，该系统 在物体的面内位移在５ ｔｘｍ到６ ｔｘｍ时有较高的精确度。当设置位移５ Ｉｘｍ时，实验数据的平均值互 ＝５．０４８，方差ｓ＝９．５５×１０一，方差与算术平均值之比为１．８９１ ８ ｘ １０一，即精确度为１．８９１ ８×１０。。。 设置位移为６ｐ￣，ｎ时，实验数据的平均值互＝６．０４０ ０，方差 ＝０．００５ ０，方差与算术平均值之比为８．２７８ １ Ｘ１０一，即精确度为８．２７８ １ Ｘ １０－４ ０ 在此测量中，实验的平台的稳定性会影响到此次测量的精度，所以我们选择在一张稳定的光学 ．．．— ４６．．．—— 平台上进行，避免平台稳定性不好对测量的影响．粗糙物体的粗糙程度和移动方向也都会影响到测 量的精度。此次测量所用的毛玻璃是市场上直接购买的毛玻璃，粗糙程度不是太理想，我们用砂纸 再进行打磨，使其变得足够粗糙。由于不能够保证毛玻璃移动的方向与光轴完全垂直，这也影响了 此次测量的精确度。照射激光的扩束效果也是影响测量精确度的因素之一。当扩束不够均匀的激 光经准直镜打在毛玻璃里，会在ＣＣＤ镜头形成不均匀的散斑，即得到的衍射晕不均匀，这对后面的 信息解析形成很大的干扰。另外毛玻璃在测量中受温度声音等因素影响的微小形变也都对测量有 影响。 ３ 结束语 激光数字散斑干涉技术是激光技术、全息干涉技术以及计算机图象处理技术相结合的一种新技 术，以其独特的全场、非接触、高精度和高灵敏度、不避光、不需要特殊防震、快速实时等优点，已发展 成为全息散斑计量学中最具有实际应用价值的技术之一。实验表明，本激光散斑测量系统在５到 ６ｔｘｍ有较高的精确度，与全息干板二次曝光法相比，大大的节省测量时间。用ＣＣＤ摄像机取代干板 做试验，省去了显影定影等繁杂的湿处理手续，大大提高了检测效率。本测量系统装置简单、实用， 测量系统误差小、精度高、灵敏性好。 ［参考文献］ ［１］干光，于俊华．数字散斑干涉技术及应用［Ｊ］．激光技术，２００２，２６（３）：２３７—２４０． ［２］王任瑶．信息光学理论与应用［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社，２００３：２９０． ［３］徐飞，施晓红．ＭＡＴＬＡＢ应用图像处理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００２ ［４］周金萍．ＭＡＴＬＡＢ ６．５图形图像处理与应用实例［Ｍ］．北京：北京科学出版社，２００３． Ａ ＤＳＰＩ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＣＨＥＮ Ｓｈｕ～ｈａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐａｃ￣ｔ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌａｙｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｅｉｚｏｕ ｈ５１４０１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＤＳＰＩ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｔ ｕｐ ａ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｐｌａｔｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｙｔｅｍ ｈｅ ＣＣＤ ｉｔｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｋｌｅ ｉｍａｇｅ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｉｎｇｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ｗｈｉｃｈ ａｌｅ ｇｏｔ ｆｒｏｍ ｃｏｒｎ— ｐｕｔｅｒ ｄｉｇｉｔａ１ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｇｌａｓｓ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｉ— ｔｉｖｉｔｙ，ｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｈｉｔｓ ｓｙｓｔｅｍ ｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰＩ；ｐｌａｎｅ；ｄｉｓｌａｔｐｍｅｎｔ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ・－－－——４７・－－－——
