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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课程名称：现代光学测试技术

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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2 客观散斑原理图

图1 散斑图像

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

如图所示，θsin z a a

b

M ??=???=

z K z s i n M b ??=???=??θ 则K

b

z ?=?，其中θsin M K ?=

物体变形前和变形后的光强分布为：

()()()()x y x P x y x P f ,2,,2cos y x b y x a I f π

π=??

?????+=，，

()()()()()[]()()()[]y x z y x k -x ,2,y x z y x k -x ,2cos y x b y x a I c c ，，，，，，y x P y x P π

π=???????+=

()()

()()()

()()y x K -y x z y x z y x K y x z y x P y x k 2-c

f c f ，，，，，，，??=

∴=?=

??π

()y x K ，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

()Cw Bv Au 2++=

?λ

π

φ，其中αααcos 1C sin B sin A +===，， ()[]w cos 1v sin u sin 2?++?+?=

?∴αααλ

π

φ

本实验中，激光在XOZ 平面内

()[]w cos 1u sin 2?++?=?∴ααλ

π

φ （1-1）

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：0cos 1=+α，πα=（不能实现）

∴要用两束激光照射，另一束为： ()()()[]w -cos 1u -sin 2?++?=

?∴ααλ

π

φ （1-2）

联立公式（1-1）（1-2）得：αλ

π

sin 4u =

同理：αλ

π

sin 4u v =

=

§1-2 若要求面外位移w 则令：0=α，

()[]w 4w 0cos 1v 0sin u 0sin 2λ

πλπ

φ=?++?+?=

?

φπ

λ?=4w

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

()[]()[]

()()???

??????

++???=?????????++????=??++??=?

?++?=?∴x w cos 1x u sin x 2x w cos 1x u sin x 2w cos 1u sin 2w cos 1u sin 2ααλπδααλπααλπ

ααλ

π

φ ，x w

x u ????可求

同理可得：

不可求可求不可求可求不可求可求z

w

y

w

x

w z v

y v

x v z u

y u

x u ?????????????????? 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：

()()()()()∑∑∑∑∑∑======?+?+?+?+?=

??n 0x n 0

y n 0x n

y 22

2

1

n

0x n

0y 2

1

'

y y x x l y x l y y x x l y x l y x C ，，

，，

，

表1 ()y x I ， 表2 ()y y x

x I ?+?+，

则()1y x C '=??，

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z k b ??=?

()→=???

????+=ds 2x -x P 2B A I λπφπ，

()()(

)(

)φγφcos 1I cos a a 2a a U U U U U U U U I 021222

1*

2

*

1*

2121?+=++=+=++=?=*

求()y x ,B A φ

()()[]?

?? ?????? ?

?

?+=-?+=-?++=+=2sin 2sin 2cos cos B I I Bcos A I Bcos A I ''φφφφφB ， 其中，φ来源于物体自身表面粗糙度，2

?

来源于物体的形变 右=0，πn 2=?；

左=0，πφn 22=?

+，较复杂

缺陷：测量不精确

里面含有表面粗糙度信息，不准确

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：

()

?

?? ??

++=++=?

?? ?

?

++=+=23Bcos A I Bcos A I 2Bcos A I Bcos A I 4321πφπφπφφ

???

?

??--=?

3124a r c t a n I I I I φ ， []ππφ，-∈

局限性：

1、不能实现动态测量物体

2、法线方向有误差

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

相图是一组同心圆