《信息光学》第九章 激光散斑及其应用

1、本章主要内容本章主要内容1、散斑现象及其分类2、散斑照相术3、散斑干涉测量1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类 当激光照射物体的漫射表面（如纸张、未抛光的金属表面、混凝土表面等），或者通过一个透明的漫射体时，会在其表面以及附近空间产生无规则分布的亮暗斑纹，即激光散斑。 散斑是一种干涉现象。激光照射粗糙表面时，表面上每一点都可看作子波源，产生散射光（子波），这些子波是彼此相干的。在空间某一点相遇时，各子波的振幅和位相都不同，产生相长干涉或相消干涉，在空间产生无规则分布的亮暗散斑纹，如下图所示。 1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类根据观察方式不同，可把散斑分为两种类型：自由空间散斑和

2、像面散斑。 1.1 1.1 自由空间散斑自由空间散斑激光照明漫射体（反射或透射体）时，在其附近的自由空间产生的散斑称为自由空间散斑（或菲涅耳散斑、“客观”散斑）。观察屏上任一点的光场，来自于整个漫射表面上所有散射点源产生的子波的相干叠加。 距离漫射体为z处的散斑的横向和纵向平均尺寸分别为 xzL 其中，为光的波长, L为漫射体上照明光束孔径的线宽度，为照明漫射体对观察点的张角。 散斑的平均尺寸与漫射体本身的颗粒度无关，但与漫射体的结构有关。 22zzL1 1、散斑现象及其分类、散斑现象及其分类1.2 1.2 像面散斑像面散斑漫射体受激光照射，经透镜成像，在像面上产生的散斑称为像面散斑（或夫琅和

3、费散斑、“主观”散斑）。每一个物点在像面上产生一个衍射斑（相干脉冲响应），所有衍射斑相干叠加得到物体的像。叠加时要考虑各点源的随机位相分布，因而在像上产生散斑。 散斑的平均横向尺寸为ixdD其中，为光的波长，di为像距，D为透镜孔径。 像面散斑的尺寸与漫射体被照明的面积无关，而仅与透镜孔径对观察点的张角有关。2 2、散斑照相术、散斑照相术 什么是散斑照相术？ 用一束激光照射漫射体，在同一底片上记录物体位移（或形变）前后的两个或多个散斑图，再用光学方法从中提取出漫射表面位移或形变的信息，这种方法称为散斑照相。 利用散斑照相术可以测量漫射物体的位移、形变、振动等，还可以进行图像处理；下面将介绍散斑

4、照相术的一些典型应用： 底片或物体横向移动时记录的散斑图 底片或物体纵向移动时记录的散斑图 散斑照相术用于测定漫射物体的面内位移或形变 散斑照相术用于图像的光学处理 2 2、散斑照相术、散斑照相术2.1 2.1 底片或物体横向移动时记录的散斑图底片或物体横向移动时记录的散斑图1 1） 两次曝光记录的散斑图两次曝光记录的散斑图利用上图所示的装置两次记录漫射体M所产生的散斑强度图，照相底片H上记录的强度分布是两次曝光记录的两个散斑图强度之和： 00,I x yg x yg x yyg x yx yx yy其中，g( )是未移动前散斑图的强度分布，y0是第一次曝光后底片沿y方向移动的距离。2 2、散

5、斑照相术、散斑照相术显影处理后，假定H的复振幅透过率正比于曝光强度，即 0,t x ytI x y00,tg x yx yx yy如下图所示，用波长为的单色平面波照明负片H，在透镜的后焦面上观察频谱，有 00,1 exp2xyxyxyyTfftffG ffjf y,xyG ff,g x yfxxfffyyfff其中，是的频谱， ， 为透镜焦距。 2 2、散斑照相术、散斑照相术若忽略焦点处的亮点，焦平面其他位置的光强分布为 2022,4cosfffxyy yIGfff其中，|G|2 是单次记录的散斑图g( )的功率谱。这样，在一个散斑背景上出现了杨氏条纹，条纹方向垂直于记录时H平移的方向，条纹的

6、间隔取决于H的位移量y00fy 于是通过测量干涉条纹的间距，就可以测量底片或慢射物体横向移动的距离。 2 2、散斑照相术、散斑照相术00,*,NnI x yg x yx yny2) 2) 多次曝光记录的散斑多次曝光记录的散斑图图在两次曝光记录的散斑图的傅里叶谱中得到了斑纹调制的双光束干涉条纹，为了得到多光束干涉条纹，则需要多次曝光，例如N+1次，而且每次曝光之间H都沿y方向平移距离y0。则记录的强度为显影处理后，假定H的复振幅透过率正比于曝光强度，即 0,t x ytI x y2 2、散斑照相术、散斑照相术0021021 e,1 eyyjNf yxyxyxyjf yTfftffG ff显影后的

7、负片H放置在衍射装置中，在透镜后焦面上得到t( )的频谱若忽略焦点处的亮点，焦平面其他位置的光强分布为（如下图）： 202201sin,sinffffNy yfxyIGy yfff于是通过测量干涉条纹的间距，就可以测量底片或慢射物体横向移动的距离。 2 2、散斑照相术、散斑照相术0,*yI x yg x yrecty3 3） 曝光期间底片连续移动记录的散斑图曝光期间底片连续移动记录的散斑图若曝光器件底片以恒定速度沿y方向连续位移距离y0，记录的强度为经过与1)、2)完全的显影处理后放置在相同的衍射装置中，在后焦面上得到的光强为（如下图）：202220,sinfffxyy yIyGcfff2 2

8、、散斑照相术、散斑照相术2.2 2.2 底片或物体纵向移动时记录的散斑图底片或物体纵向移动时记录的散斑图如下图所示，用底片记录毛玻璃M产生的散斑图，在第一次曝光后，底片沿纵向移动，再作第二次曝光。假定远小于散斑的平均纵向尺寸，在H上记录了两个散斑图，区别仅在于径向比例大小不同。 2 2、散斑照相术、散斑照相术显影处理后，负片的复振幅透过率正比于曝光强度，观察光路如下图所示。相干平面波垂直照明负片，用小孔D限制细光束通过。在小孔后的观察屏上得到干涉条纹，其强度为 22200coscosIIIzd其中，是H上点到中心的距离，d是底片H到小孔D的距离，z是记录时M到底片H的距离。 观察屏上得到了被斑

9、纹调制的符合牛顿环规律的圆形条纹，通过它可测定纵向移动距离。 2 2、散斑照相术、散斑照相术2.3 2.3 散斑照相术用于测定漫射物体的面内位移或形变散斑照相术用于测定漫射物体的面内位移或形变如下图，激光照射漫射物体A，它经透镜所成的像为A。A看作由两部分组成：A1和A2，各自所成的像为A1 和A2 。1）在A2发生位移前后，各曝光一次。两次曝光之间，H在像面沿某一方向，例如沿y方向移动一小距离y0，2）在H上与A1 相应区域得到两个错位y0的相同的散斑图；而与A2 相应区域得到的两个相同散斑图，错位量不再等于y0。2 2、散斑照相术、散斑照相术线性记录条件下，显影后的负片放入如下光路中，在透

10、镜后焦面上得到其频谱。1）与A1 相应区域对应的频谱是间距相同的杨氏干涉条纹；2）与A2 相应区域对应的干涉条纹间隔和方向都可能不相同，两套条纹是不重合的。在谱面可采用狭缝滤波，使狭缝与A1 产生的条纹极小值重合，在输出面上就不会有A1 的像，只有A2 的像A2 。这种方法称为全场滤波法或全场分析法。2 2、散斑照相术、散斑照相术如果漫射体上各点有不同的形变或位移，可采用逐点滤波或分析法。如下图所示，在H后放置一个可以平移的圆孔，进行逐点观测。2 2、散斑照相术、散斑照相术 ,g x yx y2.4 2.4 散斑照相术用于图像的光学处理散斑照相术用于图像的光学处理如下图，激光照射毛玻璃M，在底

11、片H上产生的散斑图的强度为g(x,y)。若紧靠H前插入透明片A，其强度透过率为(x,y)，则透射到H上的强度就应该为 0,*,I x yg x yx yx yx yy显影处理后，假定H的复振幅透过率正比于曝光强度，即 0,t x ytI x y采用两次曝光，两次曝光之间H沿y方向平移距离y0，则记录的总强度为2 2、散斑照相术、散斑照相术把H放入如上图所示的4系统中，用相干平面波照明，得到t( )的频谱为000,2,*,coseyjf yxyxyxyxyyT fftffA ffG fff y在谱面上安放一个狭缝，则（1）当狭缝与条纹强度的最大值重合时，输出平面上将给出调制图像；（2）当狭缝与条

12、纹强度的最小值重合，则没有图像信息通过，狭缝起了提取所需信息的滤波器的作用。3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量在激光照射漫射体产生的散斑场中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑场与之干涉，就会产生新的散斑场。当漫射表面产生位移、形变、振动时，干涉散斑图样随之变化，根据这一原理可测定物体变化的情况。 3.1 3.1 散斑和参考波干涉散斑和参考波干涉可用迈克尔逊干涉仪系统来实现散斑干涉，如右图。具体过程：具体过程：一个反射镜用被测的漫射物体A代替，它受激光照射产生散斑场。另一反射镜保留，它的反射光作为参考波，在与散斑场重叠的区域相干涉，产生新的散斑场。可变光阑D可用来调整散斑的大小。在像平面用底

13、片H记录结果，或直接目视观察。 3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量当漫射物体沿法线方向有微小位移d时，两个光场之间位相差改变为 22d2md0, 1, 2,m 散斑结构与没有位移（d=0)时相同（1）（2）214md0, 1, 2,m 干涉场中散斑的对比反转，即原来的亮斑纹变暗，暗斑纹变亮。 因此， 只要物体运动足够缓慢，可看到每个斑纹亮度发生周期性变化，因而由斑纹的闪烁变化，可探测物体的运动，如振动的模式。 3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量3.2 3.2 两个散斑场的干涉两个散斑场的干涉1 1） 测量纵向位移测量纵向位移仍利用迈克尔逊干涉仪系统，把两个反射镜都换成散射体(A1和A2)，就可

14、以实现两个散斑场的干涉，在相平面用底片H作照相记录。假设两个散斑体产生的像面散斑分别是F1(x,y)和F2(x,y)，相干叠加得到F3(x,y)。当其中一个漫射表面沿纵向位移为d时，任一点的位相差均改变，而且： 22d 比较漫射体运动或形变前后所得到的两个F3(x,y)的相关性：2md0, 1, 2,m 具有最大相关（1）（2）214md0, 1, 2,m 相关为零 由于运动导致F3(x,y)的变化，与运动前相比较相关程度周期性变化，探测出这一变化，就可测量出漫射体的纵向运动或变形。3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量2 2） 测量横向位移测量横向位移 两束与表面法线成角的相干光束照明表面，通过透镜各自产生自己的像面散斑图F1和F2，在像平面相干叠加得到新的散斑图F3，用底片记录下来。 如果表面沿x方向有一微小位移dx，两光束对应的光程变化量为 =2dxsin 不同的dx使位移前后的两个散斑图的F3相关程度不同。3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量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显示出位移倒数的等值线，特别适合于应变分析，典型光路如下图所示。3 3、散斑干涉计量、散斑干涉计量3.4 3.4 电子散斑干涉术（电子散斑干涉术（Electronic Speckle Pattern Int