电子散斑干涉测量.docx

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电子散斑干涉测量

实验四电子散斑干涉测量

散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，很早以前牛顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。

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。

激光散斑可以用曝光的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用。

一、实验原理

1.激光散斑的基本概念

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（laserSpeckles）或斑纹。

如果散射体足够粗糙，这种分布所形成的图样是非常特殊和美丽的（对比度为1），如图1。

激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。

要研究它必须使用概率统计的方法。

通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。

图2说明激光散斑具体的产生过程。

当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。

因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。

来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。

由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈，而散斑的大小要根据光路情况来决定。

散斑场按光路分为两种，一种散斑场是在自由空间中传播而形成的（也称客观散斑），另一种是由透镜成象形成的（也称主观散斑）。

在本实验中我们只研究前一种情况。

当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上，当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化，如果设法改变激光照在玻璃面上的面积，散斑的大小也会发生变化。

由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。

它的变化规律可以用相关函数来描述。

散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以反映激光照明区内物体及传播介质的物理性质和动态变化。

2.激光散斑光强分布的相关函数的概念

如图3所示激光高斯光束（参见附录1）投射在毛玻璃上（,），在一定距离处放置的观察屏（x,y）上的形成的散斑的光强分布为Ｉ（x,y）。

（1）自相关函数

假设观察面任意两点上的散斑光强分布为Ｉ（x1,y1），Ｉ（x2,y2），我们定义光强分布的自相关函数为：

G（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ（x1,y1）Ｉ（x2,y2）〉

（1）

其中Ｉ（x1,y1）表示观察面上任一点Q1的光强，Ｉ（x2,y2）表示观察面上另一点Q2上的光强，〈〉表示求统计平均值。

根据光学知识我们知道：

（x,y）=U（x,y）U（x,y）

（2）

式中U（x,y）表示光场的复振幅。

当玻璃板表面足够粗糙（毛玻璃）时，根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：

G（x1,y1；x2,y2=<Ｉ（x1,y1）><Ｉ（x2,y2）>+2（3）

=<Ｉ>2[1+（x1,y1；x2,y2）]

式中（x1,y1；x2,y2）=2<Ｉ>2称做复相干系数。

由于激光器出射的光斑为高斯分布的（参见附录1），根据衍射理论可推出其复相干系数为：

（x1,y1；x2,y2）=exp[－（x2＋y2）S2]（4）

式中x=（x2-x1），y=（y2-y1），（3）式化为：

G（x，y）=<Ｉ>2[1+exp（－（x2＋y2）S2）]（5）

进行归一化处理，可以得到归一化的自相关函数为：

（6）

其中S的意义即代表散斑的平均半径。

这是一个以1为底的高斯分布函数。

从附录2中可以知道S与激光高斯光斑半径W（在毛玻璃上的光斑）的关系式为

（7）

因此测量出S的大小就可以求出W。

（详细推导方法用菲涅尔衍射公式，参见附录2）

（2）两个散斑场光强分布的互相关函数：

假设观察面任意一点Q1上的散斑光强分布为Ｉ（x1,y1），当散射体发生一个变化后（如散射体发生一个微小的平移

）观察面任意一点Q2上的散斑光强分布为

Ｉ’（x2,y2）我们定义光强分布的互相关函数为：

GC（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ（x1,y1）Ｉ’（x2,y2）〉（8）

同上面一样有：

（x,y）=U（x,y）U（x,y）

‘（x,y）=U’（x,y）U’（x,y）

式中U（x,y）和U‘（x,y）分别表示两个散斑光场的复振幅。

根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：

GC（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ‘（x1,y1）〉〈Ｉ（x2,y2）〉+〈U’（x1,y1）U（x2,y2）〉2（9）

=〈Ｉ〉2[1+C（x1,y1；x2,y2）]

式中C（x1,y1；x2,y2）=〈U‘（x1,y1）U（x2,y2）〉2〈Ｉ〉2称做复互相干系数。

根据衍射理论可推出其复相干系数为：

式中x=（x2-x1），y=（y2-y1）所以，两个散斑场的互相关函数为：

（10）

进行归一化处理，可以得到归一化的互相关函数为：

由此公式可知归一化的互相关函数是以1为底的峰值位置在：

（11）

的两维高斯分布函数。

二、实验目的

1）、掌握干涉散斑测量的原理及应用领域；

2）、学习散斑干涉测量软件的使用；

3）、学会图像相减、二值化、腐蚀算法的处理方法。

三、实验装置

1、被测物体

被测物体有两个，一是通电加热的被测物体1，一是手动调节的被测物体2，二者都是为了产生一定量的形变。

被测物体1的主体是60mm

60mm

15mm的金属铝块，其上部有三根电阻丝，接通电源后，电阻丝发热，铝块受热膨胀，使得被测物体表面产生形变，上面较高，下面较低，呈梯形。

附带变压器，可调范围为0伏-110伏。

调节的电压越高，物体形变越快，注意防止物体形变过快，以至妨碍实验效果.注意，在开始新的实验之前，要确定被测物体是经过冷却的。

注意：

在被测物体接通电源后，尽量避免与身体接触。

在测试阶段得到的一次实例数据如下，相应示意曲线见下图（电压为最大，即110V，环境温度为22℃）：

时间（分钟）

温度（摄氏度）

（1）温度形变试件

（2）压力形变试件

图4被测试件

被测物体2是靠手动调节产生形变的，正面上部的金属片接受激光的照射，背面上部的螺丝用来粗调，下面的螺旋测微器旋钮用来细调。

2激光器

采用He-Ne激光器，功率为1.5mW，波长632.8nm，附有专用电源。

3外部光路

由透镜、反射镜等组成透镜组，完成分光、反射、成像、产生光斑等功能。

4探测系统

采用黑白CCD摄像机，有效象素数不低于752（H）

582（V）。

5数据处理

数据收集采用黑白图像采集卡，NTSC制信号，分辨率设定为640

480

16位。

图像的实时显示、过程控制、数据的分析及处理由配套软件完成。

计算机的分辨率推荐调整为1024

768

16位，此时效果最好.打印机推荐为彩色打印机。

四、实验内容

1.摄像机的安装

打开包装后，摘下镜头盖，将后面板的“AIDRWER”调至“Video”一端；将视频电缆的一端（带有旋转槽）连接到后面板的视频输出接口（标有“VIDEOOUT”字样），另一端在安装图像采集卡后连接到图像采集卡的视频输入接口（标有“VIDEO-IN-0”字样，此接口通常为红色）；取出摄像机配套的变压器，一端连接在摄像机后面的电源接口（摄像机后面板左上角，标有“DC12VIN”字样），一端连接电源插座。

然后取出SZ-11型二维平台（在平台的载物平台上标有“SZ-11”字样），放松金属杆，将摄像机放在载物台上，调节金属杆的长度，使之适合摄像头，然后旋紧手扭固定金属杆，调节上面的手钮来固定摄像机。

五、软件使用方法

软件安装后，从计算机“开始”菜单处选择“程序”组中的“ESPI“组，执行”XGS-I型电子散斑干涉实验”项，即可启动XGS-I的控制处理系统.

1．工作界面介绍

进入系统后，首先看到的是主界面。

（如下图）

图表1主界面

主界面主要由菜单栏、工具栏、图像列表区、工作区和说明区等组成.

1.1菜单栏

菜单栏中有“文件”、“控制”、“图形处理”、“设置”、“帮助”等菜单，单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令.下面分别介绍菜单栏中的各个菜单.

1.“文件”菜单

⊕“打开图片”打开某一幅待处理的图像

⊕”打开组图“打开一组图像，即同一文件夹里的图像

⊕“打印设置”设置打印机的属性及打印参数

⊕“保存到”保存某一图像到指定的路径

⊕“退出”退出控制处理系统

2．“控制”菜单

⊕“开始”开始实时显示CCD采集的图像

⊕“暂停”暂停实时显示CCD采集的图像

⊕“停止”停止实时显示CCD采集的图像

⊕“抓图并保存”抓取屏幕上的图像，加入到左边的图像中，并且保存

到指定的路径

3．“图形处理”

⊕“清空界面”清除当前实验的数据，

⊕“图像相减”对两幅图像进行相减处理

⊕“二值化“对某一图像进行二值化处理

⊕“拟合处理”对某一图像进行拟合处理，可以选择自动或手动

4.“设置”菜单

⊕“采图方式”设置自动采图或手动采图

⊕“采图速度“设置自动采图时候的采图速度

⊕“保存路径”设置保存实验数据的路径

⊕“组图名称”设置保存图像的文件夹名称

5．“帮助”菜单

⊕“关于ESPI”　显示版本信息及公司主页

1.2工具栏

软件提供了一个工具栏，由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，就可以执行对应的操作或功能.

如图，从左至右功能分别为：

保存，打开单个图像，打开组图，开始采集，暂停，停止，清空界面，图像相减，二值化，手动拟合，自动拟合，版本信息.

1.3工作区

工作区实时显示图像，和一些图像的信息，和一些系统的信息.

1.4说明区

　　说明区根据用户不同的操作，给予不同的提示和说明，也有相关的命令按钮，方便更改某些参数.

1.5快捷键

F1“开始”

　　F2“暂停”

F3“停止”

F4“抓图并保存”

F5“清空界面”

Ctrl+G“打开组图”

Ctrl+O“打开图片”

Ctrl+X“退出”

按Alt键可以激活菜单栏，再按菜单项中注明的字母可以弹出对应的下拉菜单，按菜单中选项旁注明的字母，可以执行相应的操作或功能（与Windows标准操作一致）.

2．操作步骤

2.1基本设置

控制程序工作的默认显示器的参数为1024

768

16位，用户应在运行控制程序之前修改，当运行控制程序会检查当前的显示器的参数，若与上述不符，则在提示后修改。

若要恢复到用户以前的设置，重启计算机即可.

　　利用软件提供的“设置”菜单，用户可以方便的设置各个参数.

这里可以设置显示在窗口的是CCD采集到的图像，还是经过相减后的图像，点击“显示模式”

弹出

在这里，也可以调节显示图像时的亮度及对比度,

点击“调节图像”，弹出

在这里，也可以选择采图的方式是手动还是自动，默认是手动方式，当选择自动采图时，就可以设置采图速度.

当点击“采图速度”时，弹出以下对话框，

可以对各种属性进行设置,比如采图的速度、预计采图的数量，也可以得到一些信息，如采图的时间等.设置完成后，点击“确定”退出.

当点击“保存路径”时，弹出以下对话框，

默认保存图像的路径为D:

\,若要更改，点击“浏览”,弹出

可以自己设置保存路径.

当点击“组图名称”时，弹出以下对话框，

在这里设置保存组图的文件夹名称，默认为Pic，可以自行更改.

2.2文件管理

文件菜单如下图:

在这里可以进行有关文件的操作,如保存、打开等.

当点击“打开图片”时，弹出以下对话框:

在这里选择要打开的某一图像.这里要注意的是，当打开某一图像后，此图像也被保存到当前组图中.

当点击“打开组图”时，弹出与上相同的对话框,但功能却不同，当选中某一图像打开后，相同文件夹内的图像依此被打开，加入到图像列表中,但不加入到组图中.

当点击“打印设置”时，打开以下对话框:

在这里进行有关打印的相关设置.

当点击“保存到”时或工具条中的

，打开以下对话框:

2.3数据的采集

打开激光器、被测物体1（由于被测物体2的操作简单，所以下面的操作只以被测物体1为例）和CCD的电源，在主界面里设置显示模式，若选择为CCD采集到的图像，则开始后显示的是散斑图，若选择为显示相减处理后的图像，则开始后显示的是有条纹的图像；设置采集图像的方式，若设置为自动采集，则还要设置采集的速度和数量，然后就可以点击“控制”菜单里“开始”菜单，或者点击工具条上的“开始”按钮，或者直接按F1键，效果相同.此时可以在工作区中间看到CCD采集到的电子散斑图，大小为640

480，而且是实时变化的，其中的白斑就是电子散斑,（下为例图,具体图形根据情况有所不同）

在显示的过程中，若为自动采集，则按照设置的速度，自动采集图像保存到先前设置的路径，当采集设置的数量时，自动提示，并停止采集；当为手动采集，在显示的过程中，可以随时点击“控制”菜单里“抓图并保存”菜单，或者点击工具条上的“抓图”按钮，或者直接按F4键，效果相同.这里要注意的是，当采集图像时，同组的同名的新图会覆盖旧图.在开始后，可以随时点击“暂停”来进行各种操作，如抓图、查看属性等.采集完成，点击“停止”.

当采集图像完毕后，界面类似下图:

此时，在预先设置的保存图像的文件夹里应该保存了采集到的图像的BMP格式的文件，文件的名称为“组图名_序列数”，例如在默认的设置下，手动采集图像十张，则在计算机的D盘下的Pic文件夹下，应该保留了十个BMP文件，分别为：

Pic_0.bmp,Pic_1.bmp,Pic_2.bmp...依此类推。

采集图像完毕后，可以在左边的图像列表中观察各个图像，也可以双击图像列表中某一图像，使之被放大后在主工作区显示。

在图像列表的某一图像上，单击鼠标右键，可以在弹出的菜单上选择不同的命令，来对图像做处理。

这里要注意的是，当选择“擦拭掉”时，图像只是从图像列表中消失，保存的文件并不删除，要删除文件，要选择“删除文件”，执行此命令后，文件被删除，注意不要操作错误。

2.4数据的处理

数据的处理包括以下几个步骤:

图像相减（若显示模式为显示相减处理后的图像，则不须次步骤），图像的二值化，提取骨架线和拟合.

首先点击“图形处理”中的“图像相减”菜单或工具条中的

，会弹出如下窗口：

然后在“源1”的下拉框中选择一幅图像，在背景的主工作区会有预览，再在“源2”的下拉框中选择一幅图像，同样在背景的主工作区会有两幅图像相减的预览，若黑色条纹清晰可见，则可以点击“确定”后退出，否则可以选择不同的图像重新进行相减.一般情况下，若图像的效果较好，相减后可以得到类似下面的图像：

一般来说，相减后的图像中有3-5条黑色条纹，处理后的效果最好。

然后就对它进行二值化处理：

点击“图形处理”中的“二值化”菜单或工具条中的

，会弹出如下的窗口：

左右滑动滑块，可以改变二值化的分界点，同时在背景的主工作区里形成预览，不断调节直到预览中的黒色条纹清晰可见，若效果不理想，可以尝试再次二值化，理想的图像如下图:

若可以得到类似上图的效果，则下面进行操作自动拟合;若得不到，则下面进行操作手动拟合.

自动拟合：

当主工作区的二值化图效果较好时，点击“图形处理”->“拟合处理”中的“自动拟合”或工具条中的

，此时会弹出要求确认的信息窗口，如下图:

点击“确定”后，稍等片刻后，在主工作区会显示二值化后的图像经腐蚀算法处理后的得到的骨架线，如下图:

然后稍等片刻会弹出三个窗口，分别为“四次拟合的骨架”，“物体表面的三维图像及等高线”及“叠加图”.“四次拟合的骨架”显示的是经四次拟合后得到的较平滑的骨架线；“物体表面的三维图像及等高线”显示的是根据拟合后的骨架线拟合出的被测物体表面的形状，不同的颜色代表不同的高度，下方是等高线；“叠加图”是将二值化后的图像和拟合后的骨架线相重和，以检验其准确性.例图如下:

可以选择三个窗口中的菜单选项来实现某种操作，如保存、打印、旋转等.例如在“物体表面的三维图像及等高线”中点击“工具”中的“旋转”菜单后，可以旋转图形，从不同的角度观察图形,例如旋转到如下位置：

注意，当要保存图形时，点击“文件”中的“保存”后会弹出如下菜单:

在桌面上建立以实验当天日期为名称的文件夹，把图片保存在该文件夹中。

然后在对话框中的“文件名”中填入文件名+文件名后缀，如“叠加图.bmp”，点击“保存”就可以了.“叠加图.bmp”中的“.bmp”表示保存为BMP格式，已知可以保存的格式有:

*.bmp,*.jpg,*.tif,*.eps.推荐用BMP格式保存.当处理完图形后，关闭三个窗口中的任何一个，则三个窗口将全部关闭,回到主界面.

　　手动拟合:

若二值化后得到的图像效果不理想，则不能自动拟合，必须手动拟合.以下图为例.

对于此图，应用上面的自动拟合处理得不到预期的效果，所以改用手动拟合处理.具体如下:

1.点击“图形处理”中“拟合处理”中的“手动”一项或工具条中的

2.按照主工作区下面的说明区里的说明，选择标点.

具体步骤为:

①.自下而上选取某一清晰的黑色条纹,用鼠标左键自左而右选取其上4-12个点.且要选中黑色条纹与边界的交点.

②.处理完一条黑色条纹后,点击右侧“下一条纹”按钮.

③．重复以上步骤处理所有清晰黑色条纹.

④．点击“微调”来微调某标注点的位置.完毕点击“微调结束”.

⑤．点击右侧“完成”按钮来结束选点.稍候,得到拟合的骨架线和曲面.

说明:

在点击右侧“完成”按钮结束选点之前,可以点击鼠标右键取消手动拟合,在点击“微调”按钮后，用鼠标左键双击某一红色标点，选中的点会变色，然后可以用键盘上的方向键来微调此点的位置.

3.点击说明区中的“完成”按钮，在确定后，会弹出三个窗口，分别为：

“四次拟合的骨架”，“物体表面的三维图像及等高线”，“叠加图”.

此图中的红点为手动选择的标点，在此图中可以检验正确性.同样，可以选择三个窗口中的菜单选项来实现某种操作，如保存、打印、旋转等。

六、实验要求

下面第八部分中的1-7步，然后将被测物体的可调电源的电压调到110V，设置采图方式为自动采集，每2分钟采集一幅，采集15幅，采集完毕后，在其中选取较前和较后的两张图像，进行相减处理，出现明显黑色条纹视为合格。

七、注意事项

系统在使用中要注意以下事项：

１．保证使用环境；

２．光学零件表面有灰尘，不允许接触擦拭，可小心用吹气球吹掉；

３．在运行控制程序前，请关闭其它应用程序；

4．在采集图像的过程中，同一组名的图像会不与提示的覆盖以前的图像，所以在采集新图时，建议更改组图名称；

５．防止触电。

八、实验步骤

从实验开始到实验结束的具体步骤如下:

１）关闭所有仪器的电源开关，按照说明连接好电缆和黑白摄像机与图像采集卡之间的视频电缆；

图5实验光路图

2）打开激光器的电源，调整各个旋钮，激光束平行于台面，注意高度要合适；

3）扩束镜为一个焦距为4.5毫米的小口径短焦距透镜，准直镜为焦距为75毫米左右较大直径的薄透镜；

4）调整各个光学元件的高度，使各个实验器件的中心高度一致；

5）按照上图摆放好各个实验器件，搭建迈克尔逊干涉仪，调整两臂与分光镜的间距，直到观察屏上出现较粗的直条纹；

6）用试件1代替M2，调整M2的角度和位置，使观察屏上再次出现较粗的直条纹；

7）按照1.的描述准确安装CCD，安装后的实际光路图见图6；

8）打开其它仪器的电源，注意把被测物体的可调电源的电压调到0；

9）启动计算机，将显示器的分辨率设置为1024

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16位，运行控制程序（若显示器的参数与上述不符，控制程序会在提示后动态修改，若要恢复用户原来的设置，重启计算机即可）；

10）首先设置采图方式为手动，点击“控制”菜单里“开始”菜单，或者点击工具条上的“开始”按钮，或者直接按F1键，调整黑白摄像机的位置，直到在主工作区看到实时显示的清晰的迈克尔孙干涉条纹；

11）设置显示模式、采集方式、保存路径、采图速度等参数，具体方法见前面的操作步骤中基本设置一节；

12）将被测物体1（由于被测物体2的操作简单，所以下面的操作只以被测物体1为例）的可调电源的电压调到适当值，（电压值视具体情况而定，以便控制被测物体形变的速度，进而控制实验的速度）；

13）点击“控制”菜单里“开始”菜单，或者点击工具条上的“开始”按钮，或者直接按F1键，开始采集图像。

若采集方式为手动，可以随时点击“控制”菜单里“抓图并保存”菜单，或者点击工具条上的“抓图”按钮，或者直接按F4键来采集一幅图像到设置好的保存路径中，也会将此图加入到左侧的图像列表中，同时主工作区右侧会给出一些信息提示；若采集方式为自动，则控制程序按照用户设置好的参数，每间隔一定时间，采集一幅图像到设置好的保存路径中，也会将此图加入到左侧的图像列表中，同时主工作区右侧会给出一些信息提示；

14）在采图过程中，用户可以随时暂停.采集图像完毕后点击“停止”，将可调电源的电压调到０以冷却被测物体，以待下次实验；

15）处理采集到的数据，要经过图像相减、二值化、手动拟合或自动拟合等步骤，具体步骤见前面的“数据处理”一节，若有需要，可以存储打印；

16）等物体冷却后，重复以上7-11步，可再次进行实验；

17）退出控制程序；

18）关闭各个仪器的电源；

19）整理仪器。

图6搭建好的实际光路图

九、实验数据处理

需要保存并附在实验报告上的图片有：

1.15幅散斑图并标明做相减的两幅；

2.图像相减后的图；

3.二值化图；

4.骨架图；

5.叠加图；

6.三维图；

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