1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1、散斑現(xiàn)象及其分類2、散斑照相術(shù)3、散斑干涉測量1 1、散斑現(xiàn)象及其分類、散斑現(xiàn)象及其分類 當(dāng)激光照射物體的漫射表面（如紙張、未拋光的金屬表面、混凝土表面等），或者通過一個透明的漫射體時，會在其表面以及附近空間產(chǎn)生無規(guī)則分布的亮暗斑紋，即激光散斑。 散斑是一種干涉現(xiàn)象。激光照射粗糙表面時，表面上每一點都可看作子波源，產(chǎn)生散射光（子波），這些子波是彼此相干的。在空間某一點相遇時，各子波的振幅和位相都不同，產(chǎn)生相長干涉或相消干涉，在空間產(chǎn)生無規(guī)則分布的亮暗散斑紋，如下圖所示。 1 1、散斑現(xiàn)象及其分類、散斑現(xiàn)象及其分類根據(jù)觀察方式不同，可把散斑分為兩種類型：自由空間散斑和

2、像面散斑。 1.1 1.1 自由空間散斑自由空間散斑激光照明漫射體（反射或透射體）時，在其附近的自由空間產(chǎn)生的散斑稱為自由空間散斑（或菲涅耳散斑、“客觀”散斑）。觀察屏上任一點的光場，來自于整個漫射表面上所有散射點源產(chǎn)生的子波的相干疊加。 距離漫射體為z處的散斑的橫向和縱向平均尺寸分別為 xzL 其中，為光的波長, L為漫射體上照明光束孔徑的線寬度，為照明漫射體對觀察點的張角。 散斑的平均尺寸與漫射體本身的顆粒度無關(guān)，但與漫射體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 22zzL1 1、散斑現(xiàn)象及其分類、散斑現(xiàn)象及其分類1.2 1.2 像面散斑像面散斑漫射體受激光照射，經(jīng)透鏡成像，在像面上產(chǎn)生的散斑稱為像面散斑（或夫瑯和

3、費散斑、“主觀”散斑）。每一個物點在像面上產(chǎn)生一個衍射斑（相干脈沖響應(yīng)），所有衍射斑相干疊加得到物體的像。疊加時要考慮各點源的隨機位相分布，因而在像上產(chǎn)生散斑。 散斑的平均橫向尺寸為ixdD其中，為光的波長，di為像距，D為透鏡孔徑。 像面散斑的尺寸與漫射體被照明的面積無關(guān)，而僅與透鏡孔徑對觀察點的張角有關(guān)。2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù) 什么是散斑照相術(shù)？ 用一束激光照射漫射體，在同一底片上記錄物體位移（或形變）前后的兩個或多個散斑圖，再用光學(xué)方法從中提取出漫射表面位移或形變的信息，這種方法稱為散斑照相。 利用散斑照相術(shù)可以測量漫射物體的位移、形變、振動等，還可以進行圖像處理；下面將介紹散斑

4、照相術(shù)的一些典型應(yīng)用： 底片或物體橫向移動時記錄的散斑圖 底片或物體縱向移動時記錄的散斑圖 散斑照相術(shù)用于測定漫射物體的面內(nèi)位移或形變 散斑照相術(shù)用于圖像的光學(xué)處理 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)2.1 2.1 底片或物體橫向移動時記錄的散斑圖底片或物體橫向移動時記錄的散斑圖1 1） 兩次曝光記錄的散斑圖兩次曝光記錄的散斑圖利用上圖所示的裝置兩次記錄漫射體M所產(chǎn)生的散斑強度圖，照相底片H上記錄的強度分布是兩次曝光記錄的兩個散斑圖強度之和： 00,I x yg x yg x yyg x yx yx yy其中，g( )是未移動前散斑圖的強度分布，y0是第一次曝光后底片沿y方向移動的距離。2 2、散

5、斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)顯影處理后，假定H的復(fù)振幅透過率正比于曝光強度，即 0,t x ytI x y00,tg x yx yx yy如下圖所示，用波長為的單色平面波照明負片H，在透鏡的后焦面上觀察頻譜，有 00,1 exp2xyxyxyyTfftffG ffjf y,xyG ff,g x yfxxfffyyfff其中，是的頻譜， ， 為透鏡焦距。 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)若忽略焦點處的亮點，焦平面其他位置的光強分布為 2022,4cosfffxyy yIGfff其中，|G|2 是單次記錄的散斑圖g( )的功率譜。這樣，在一個散斑背景上出現(xiàn)了楊氏條紋，條紋方向垂直于記錄時H平移的方向，條紋的

6、間隔取決于H的位移量y00fy 于是通過測量干涉條紋的間距，就可以測量底片或慢射物體橫向移動的距離。 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)00,*,NnI x yg x yx yny2) 2) 多次曝光記錄的散斑多次曝光記錄的散斑圖圖在兩次曝光記錄的散斑圖的傅里葉譜中得到了斑紋調(diào)制的雙光束干涉條紋，為了得到多光束干涉條紋，則需要多次曝光，例如N+1次，而且每次曝光之間H都沿y方向平移距離y0。則記錄的強度為顯影處理后，假定H的復(fù)振幅透過率正比于曝光強度，即 0,t x ytI x y2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)0021021 e,1 eyyjNf yxyxyxyjf yTfftffG ff顯影后的

7、負片H放置在衍射裝置中，在透鏡后焦面上得到t( )的頻譜若忽略焦點處的亮點，焦平面其他位置的光強分布為（如下圖）： 202201sin,sinffffNy yfxyIGy yfff于是通過測量干涉條紋的間距，就可以測量底片或慢射物體橫向移動的距離。 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)0,*yI x yg x yrecty3 3） 曝光期間底片連續(xù)移動記錄的散斑圖曝光期間底片連續(xù)移動記錄的散斑圖若曝光器件底片以恒定速度沿y方向連續(xù)位移距離y0，記錄的強度為經(jīng)過與1)、2)完全的顯影處理后放置在相同的衍射裝置中，在后焦面上得到的光強為（如下圖）：202220,sinfffxyy yIyGcfff2 2

8、、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)2.2 2.2 底片或物體縱向移動時記錄的散斑圖底片或物體縱向移動時記錄的散斑圖如下圖所示，用底片記錄毛玻璃M產(chǎn)生的散斑圖，在第一次曝光后，底片沿縱向移動，再作第二次曝光。假定遠小于散斑的平均縱向尺寸，在H上記錄了兩個散斑圖，區(qū)別僅在于徑向比例大小不同。 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)顯影處理后，負片的復(fù)振幅透過率正比于曝光強度，觀察光路如下圖所示。相干平面波垂直照明負片，用小孔D限制細光束通過。在小孔后的觀察屏上得到干涉條紋，其強度為 22200coscosIIIzd其中，是H上點到中心的距離，d是底片H到小孔D的距離，z是記錄時M到底片H的距離。 觀察屏上得到了被斑

9、紋調(diào)制的符合牛頓環(huán)規(guī)律的圓形條紋，通過它可測定縱向移動距離。 2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)2.3 2.3 散斑照相術(shù)用于測定漫射物體的面內(nèi)位移或形變散斑照相術(shù)用于測定漫射物體的面內(nèi)位移或形變?nèi)缦聢D，激光照射漫射物體A，它經(jīng)透鏡所成的像為A。A看作由兩部分組成：A1和A2，各自所成的像為A1 和A2 。1）在A2發(fā)生位移前后，各曝光一次。兩次曝光之間，H在像面沿某一方向，例如沿y方向移動一小距離y0，2）在H上與A1 相應(yīng)區(qū)域得到兩個錯位y0的相同的散斑圖；而與A2 相應(yīng)區(qū)域得到的兩個相同散斑圖，錯位量不再等于y0。2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)線性記錄條件下，顯影后的負片放入如下光路中，在透

10、鏡后焦面上得到其頻譜。1）與A1 相應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的頻譜是間距相同的楊氏干涉條紋；2）與A2 相應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的干涉條紋間隔和方向都可能不相同，兩套條紋是不重合的。在譜面可采用狹縫濾波，使狹縫與A1 產(chǎn)生的條紋極小值重合，在輸出面上就不會有A1 的像，只有A2 的像A2 。這種方法稱為全場濾波法或全場分析法。2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)如果漫射體上各點有不同的形變或位移，可采用逐點濾波或分析法。如下圖所示，在H后放置一個可以平移的圓孔，進行逐點觀測。2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù) ,g x yx y2.4 2.4 散斑照相術(shù)用于圖像的光學(xué)處理散斑照相術(shù)用于圖像的光學(xué)處理如下圖，激光照射毛玻璃M，在底

11、片H上產(chǎn)生的散斑圖的強度為g(x,y)。若緊靠H前插入透明片A，其強度透過率為(x,y)，則透射到H上的強度就應(yīng)該為 0,*,I x yg x yx yx yx yy顯影處理后，假定H的復(fù)振幅透過率正比于曝光強度，即 0,t x ytI x y采用兩次曝光，兩次曝光之間H沿y方向平移距離y0，則記錄的總強度為2 2、散斑照相術(shù)、散斑照相術(shù)把H放入如上圖所示的4系統(tǒng)中，用相干平面波照明，得到t( )的頻譜為000,2,*,coseyjf yxyxyxyxyyT fftffA ffG fff y在譜面上安放一個狹縫，則（1）當(dāng)狹縫與條紋強度的最大值重合時，輸出平面上將給出調(diào)制圖像；（2）當(dāng)狹縫與條

12、紋強度的最小值重合，則沒有圖像信息通過，狹縫起了提取所需信息的濾波器的作用。3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量在激光照射漫射體產(chǎn)生的散斑場中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑場與之干涉，就會產(chǎn)生新的散斑場。當(dāng)漫射表面產(chǎn)生位移、形變、振動時，干涉散斑圖樣隨之變化，根據(jù)這一原理可測定物體變化的情況。 3.1 3.1 散斑和參考波干涉散斑和參考波干涉可用邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)來實現(xiàn)散斑干涉，如右圖。具體過程：具體過程：一個反射鏡用被測的漫射物體A代替，它受激光照射產(chǎn)生散斑場。另一反射鏡保留，它的反射光作為參考波，在與散斑場重疊的區(qū)域相干涉，產(chǎn)生新的散斑場?？勺児怅@D可用來調(diào)整散斑的大小。在像平面用底

13、片H記錄結(jié)果，或直接目視觀察。 3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量當(dāng)漫射物體沿法線方向有微小位移d時，兩個光場之間位相差改變?yōu)?22d2md0, 1, 2,m 散斑結(jié)構(gòu)與沒有位移（d=0)時相同（1）（2）214md0, 1, 2,m 干涉場中散斑的對比反轉(zhuǎn)，即原來的亮斑紋變暗，暗斑紋變亮。 因此， 只要物體運動足夠緩慢，可看到每個斑紋亮度發(fā)生周期性變化，因而由斑紋的閃爍變化，可探測物體的運動，如振動的模式。 3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量3.2 3.2 兩個散斑場的干涉兩個散斑場的干涉1 1） 測量縱向位移測量縱向位移仍利用邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，把兩個反射鏡都換成散射體(A1和A2)，就可

14、以實現(xiàn)兩個散斑場的干涉，在相平面用底片H作照相記錄。假設(shè)兩個散斑體產(chǎn)生的像面散斑分別是F1(x,y)和F2(x,y)，相干疊加得到F3(x,y)。當(dāng)其中一個漫射表面沿縱向位移為d時，任一點的位相差均改變，而且： 22d 比較漫射體運動或形變前后所得到的兩個F3(x,y)的相關(guān)性：2md0, 1, 2,m 具有最大相關(guān)（1）（2）214md0, 1, 2,m 相關(guān)為零 由于運動導(dǎo)致F3(x,y)的變化，與運動前相比較相關(guān)程度周期性變化，探測出這一變化，就可測量出漫射體的縱向運動或變形。3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量2 2） 測量橫向位移測量橫向位移 兩束與表面法線成角的相干光束照明表面，通過透鏡各自產(chǎn)生自己的像面散斑圖F1和F2，在像平面相干疊加得到新的散斑圖F3，用底片記錄下來。 如果表面沿x方向有一微小位移dx，兩光束對應(yīng)的光程變化量為 =2dxsin 不同的dx使位移前后的兩個散斑圖的F3相關(guān)程度不同。3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量3.3 3.3 散斑剪切干涉散斑剪切干涉散斑剪切干涉方法可以直接顯示出位移倒數(shù)的等值線，特別適合于應(yīng)變分析，典型光路如下圖所示。3 3、散斑干涉計量、散斑干涉計量3.4 3.4 電子散斑干涉術(shù)（電子散斑干涉術(shù)（Electronic Speckle Pattern Int