现代光学测试实验报告
现代光学测试技术
实验报告
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学 号： 专 业： 班 级： *** 课程名称： 现代光学测试技术
指导教师： *** 完成日期：
现代光学测试技术实验报告
一、实验目的
1、了解散斑的性质及特点
2、了解散斑干涉、剪切散斑干涉、DIC 、和条纹投影技术的具体应用 3、通过分析优劣更好地学习现代光学测试技术的相关内容 二、实验原理
● 散斑
1、散斑的定义
当一束激光照射到物体的粗糙表面(例如铝板) 时，在铝板前面的空间将布满无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。（如图1所示）
2、要形成散斑且质量较好必须具备的条件： （1）有能发生散射光的粗糙表面 （2）入射光线的相干度要足够高，如：激光 （3）如使用激光粗糙表面深度须大于入射光波长 3、散斑的分类
由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，称为直接散斑。(如图2所示) 经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，即主观散斑。（如图3所示）
图1 散斑图像
图2 客观散斑原理图
图3 主观散斑原理图
4、散斑的应用
散斑携带了散射面的丰富信息，可以通过散斑的性质来推测物体表面的性质，是实验应力分析方法的一种，用于测取物体的位移、应变 。由于这种办法的无损、快速等诸多优点，它被广泛应用于工业控制的缺陷检测、医学的光活检等领域，且受到越来越多的关注。
● 三角法测量原理
图4 激光三角法测量原理图
∆b
θ⋅∆z =K ⋅∆z 如图所示， ⇒∆b =M ⋅s i n ∆a
∆a =∆z ⋅sin θ∆b
则∆z =，其中K =M ⋅sin θ
K
M =
物体变形前和变形后的光强分布为：
⎧2π⎫2π
I f =a (x ，y )+b (x ，y )cos ⎨x ⎬, ∆f =x
P x , y P x , y ⎩⎭
⎧2π⎫2π
[x -k (x ，[x -k (x ，I c =a (x ，y )+b (x ，y )cos ⎨y )z (x ，y )]⎬, ∆c =y )z (x ，y )]
P x , y ⎩P x , y ⎭2π⋅k (x ，y )z (x ，y )=K (x ，y )z (x ，y )
P x ，y
∆f -∆c
∴z (x ，y )=
K x ，y ∆f -∆c =
K (x ，y )可以通过实验标定得到，由此，则可知物体的变形或位移
● DIC 技术
图5 物体变形图像追踪
因为散斑分布是随机的，所以每一点和它周围的散斑是不一样的，我们在相关运算过程中，可以将变形前和变形后的散斑图像分割成很多网格，每一个网格就是一个相应的子集：这样，我们就可以以这个子集为载体，分析物体的相应的位移信息，将所有的子集进行计算，就可以得到相应的位移场：
在数字图像相关算法中，我们将变形前后的两幅散斑图分别设为F （x ，y ）和G （x ，y ），劝、数字图像相关基本思想是在F （x ，y ）中找到一个子区，通
过子集中的灰度信息，按照一定的搜索方法在变形后的图像G （x ，y ）进行相关计算，找到与样本子集相对应的区域，通过分析子集中的位置和形状变化，可以得到物体在该点的位移和应变信息。
图6 物体变形示意图
三、实验内容 1、散斑干涉技术
∆φ=
2π
λ
2π
(Au +Bv +Cw )，其中A =sin α，B =sin α，C =1+cos α [sin α⋅u +sin α⋅v +(1+cos α)⋅w ]
∴∆φ=
λ
本实验中，激光在XOZ 平面内
2π
[sin α⋅u +(1+cos α)⋅w ] （1-1）
∴∆φ=λ
图7 实物坐标系
§1-1 若要求面内位移u
单束激光照射时，则令：1+cos α=0，α=π（不能实现）
∴要用两束激光照射，另一束为： ∴∆φ=
2π
λ
[sin (-α)⋅u +(1+cos (-α))⋅w ] （1-2）
联立公式（1-1）（1-2）得：u =同理：v =u =
4π
4π
λ
sin α
λ
sin α
§1-2 若要求面外位移w 则令：α=0，
2π
λλ w =∆φ
4π
∆φ=
[sin 0⋅u +sin 0⋅v +(1+cos 0)⋅w ]=4πw
λ
小结：传统的方法只能测周期性变化的震动，而散斑干涉技术可以测位移，在一定距离下灵敏度高，但是如果距离太小，条纹密度过大，其抗干扰能力比较差。 2、剪切散斑干涉技术
相对于散斑干涉技术，它有以下优点： §2-1 光路比散斑干涉简单，抗干扰能力强
§2-2 抑制共模干扰，对刚体位移不敏感，对应变敏感
∴∆φ==2π
2π
λ
[sin α⋅u +(1+cos α)⋅w ]∂
λ∂u ∂w
，可求
2π∆x ⎡∆u ∆w ⎤∂x ∂x ()=sin α⋅+1+cos α⋅⎢⎥λ⎣∆x ∆x ⎦2πδx ⎡∂u ∂w ⎤
()=sin α⋅+1+cos α⋅
λ⎢∂x ∂x ⎥⎣⎦同理可得：
∂u ∂x ∂v ∂x ∂w ∂x
∂u
可求∂y ∂v
可求∂y ∂w
可求∂y
∂u
不可求∂z ∂v
不可求 ∂z ∂w
不可求∂z
[sin α⋅∆u +(1+cos α)⋅∆w ]
小结：剪切散斑技术中所求得到的是空间导数，事实证明，它是对复合材料进行无损检测一种行之有效的方法，因为材料内部变形可以通过外部变化表现出来。 3、DIC 技术
DIC 技术，即数字图像相关技术
在本实验中，进行了拉伸实验演示，并在软件部分，对采集的图像进行取窗格等一系列处理，通过求卷积、相关系数等运算确定窗格之间的相关度，匹配出最大的一组。
图8 变形前后示意图
在这里给出教材中的一种算法，定性说明：
y )⋅l (x +∆x ，y +∆y )∑∑l (x ，
1
2
x =0y =0n n
n
C (∆x ，∆y )=
'
y )∑∑l (x +∆x ，y +∆y )∑∑l (x ，
2
1
22
x =0y =0
x =0y =0
n n n
表1 I (x ，y ) 表2 I (x +∆x
，y +∆y )
则C ' (∆x ，∆y )=1
说明物体变形前后两窗格相关度为1， 物体变形后即为它本身。 小结：相机空间和物理空间怎么建立联系？
这是坐标系统一的问题，在实验开始前用相机标定板（棋盘格）进行标定，也可以称之为一种算法矫正。 4、条纹投影法 §4-1 理论基础
三角成像公式∆b =k ⋅∆z
2π→⎡2π⎤
I =A +B ⎢(x -∆x )⎥，φ=ds
λ⎣P ⎦I =U ∙U *=(U 1+U 2)(U 1+U 2)=U 1+U 2
*
*
2
=a 1+a 21+γ⋅cos φ)2+2a 1a 2cos φ=I 0(
(
*
)
求A B φ(x , y )
I =A +Bcos φI ' =A +Bcos (φ+∆)I ' -I =B [cos (φ+∆)-cos φ]， ∆⎫⎛∆⎫⎛
=2B sin φ+⎪sin ⎪
2⎭⎝2⎭⎝
其中，φ来源于物体自身表面粗糙度，右=0，∆=2n π；
∆
左=0，φ+=2n π，较复杂
2缺陷：测量不精确
里面含有表面粗糙度信息，不准确
∆
来源于物体的形变 2
相图是一组同心圆
相位分辨率为2π，介于同心圆之间的某点相位值，可以通过插值方法估算，但不能准确得到。 §4-2 引进相移技术：
I 1=A +Bcos φ
π⎫⎛
I 2=A +Bcos φ+⎪
2⎭⎝
⇒
I 3=A +Bcos (φ+π)
3π⎫⎛
I 4=A +Bcos φ+⎪
2⎝⎭局限性：
1、不能实现动态测量物体 2、法线方向有误差
⎛I 4-I 2⎫
φ=a r c t I -I ⎪⎪ ， φ∈[-π，π]
⎝13⎭
3、不知道物体本身绝对相位，只能取某参考点相位为0，然后计算其他点的相 对相位