激光散斑测量技术与应用研究

激光散斑计量技术是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法，选题较为合理。请尽快确定课题完成方式，完善相关技术路线，开展课题调研论证工作。80

激光散斑测量技术与应用研究

1 前言

近些年来，激光散斑计量技术发展迅速，已在许多领域得到了广泛应用。迄今为止，散斑测量技术经历了两个发展阶段：第一阶段1965-1978年，这一发展阶段以纯光学的相干计量技术为主，形成了一系列纯光学的全息散斑计量方法。对计量机理的解释，主要是用传统的干涉计量理论。第二阶段70年代末开始，这一发展阶段是以光电结合的精密计量技术为主的，全息散斑计量技术向着高精度、高速度及自动化方向发展，同时，发展出了用统计学方法解释的新理论，该理论更适合描述空间随机分布光场。

激光散斑计量技术是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法，主要有：直接照相法，双曝光法，电子散斑干涉法，错位散斑干涉法和散斑相关测量技术等。它具有全场，非接触，高精度，高灵敏度和实时快速等优点。现已广泛应用于振动，位移，形变，断裂及粗糙度的测量等方面，成为无损计量领域的有效工具，是当前国际上的热门研究课题之一。

图1.1 激光散斑的技术和应用发展时间路线图

2 激光散斑测量基本理论

1）散斑的形成

一般地说，电磁波以至粒子束经受介质的无规散射后，其散射场常会呈现确定分布的斑纹结构，这就是所谓的散斑。散斑的形成必须具备两个基本条件: 1）必须有可能发生散射光的粗糙表面。为了使散射光较均匀,则粗糙表面的深度必须大于波长;

2）入射光线的相干度要足够高,例如使用激光

从可见光波长这个尺度看，粗糙的物体表面可以看作是由无规分布的大量面元构成。当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅”。相干光照射时，不同的面元对

入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光波动在空间相遇时会发生干涉现象。当数目很多的面元不规则分布时，可以观察到形成具有无规分布的颗粒状结构的衍射图样。这就是光自由空间传播时形成的散斑（颗粒状结构斑点称为散斑）。但应强调的是，在其它的电磁波谱区会出现此类现象。比如典型的例子有：人体器官超声影像时的散射现象，综合孔径雷达在微波谱区的散射现象以及 X 射线在液体中的散射等等。

如果物体表面通过光学系统成像，只要成像系统的点扩散函数具有足够的“宽度”，折算到物平面后能在物体表面覆盖足够多的面元，则来自这些面元的光线将在同一像点处相干叠加，从而形成散斑，图像中任意点的光强等于所有到达该点光波的波幅代数和。如果所有到达该点的光波都是同相的，就会观察到一个最大亮度的散斑图案，而来自照明区域内不同点的光会对像面上的所有像点的散斑强度都有贡献。相反，则为暗的散斑。

图2.1 散斑的成因

图2.2 典型的激光散斑图像

由散斑的成因可知，物体表面的性质与照明光场的相干性对散斑观象有着决定性的影响。物体表面的性质不同，或照明光场的相干性不同，都会使散斑具有不同的特点。因此，根据两个因素可以区分散斑的不同类型。此外，人们还常常按照光场的传播方式，把散斑分成远场散斑、近场散斑和象面散斑三种类型。

2）散斑图像的统计特性

激光光源具有良好的相干性，而一般认为工作环境是不变的，随机场的分布

在时域上是稳定的，只是空间坐标的函数。这样，散斑现象可以按照光场衍射的标量理论来描述，即：

其中，各符号代表的物理含义为：A(x。，y。)可以是相干光照明的粗糙表面在其极邻近平面 x0，y0上形成的光场； h(x,y;x0，y0)表征的传播过程，当h(x,y;x",y")表示球面波或平面波时,A(x,y)相应地表示近场或远场散斑的复振幅分布;当h(x,y;x",y")表示成像系统的点扩散函数时,A(x,y)表示像面散斑的复振幅分布。

但是，这种描写只能是形式上的，由于物体表面结构无法控制，在同样的照明条件下,它们将产生毫不相关的散斑。为了能够描述散斑现象，可以选择概率统计与随机过程的理论和方法。描述光场最本质的量是复振幅，而最有实际意义的量是可以记录和探测的光强。对于物面散射的光场经过一个线性系统传播后的光场，经过相关推导，可以得到光场复振幅实部与虚部的联合统计特性如下：

与具有圆对称性的复随机变量均值相同,方差相同,且不相关。其联合概率密度函数为：

类似的导出光强的统计特性，散射光场的强度为其复振幅的模平方，而复振幅则可由强度和相位表示为：

导出强度和相位的联合概率密度函数为：

并得到一下结论：1线偏振散射光场光强的均值与方差相等2线偏振光形成的散射光场、光强和相位是统计独立的。

为了描述散斑场的空间结构的粗糙程度，需要讨论其光强的自相关函数，通过空间自相关函数来对散斑的表观颗粒粗细程度做出估计。

3 激光散斑计量技术与应用

基于上述激光散斑发展出很多计量技术，主要散斑计量术包括很多种方法,散斑干涉法，散斑照相法，部分相干光散斑干涉法和白光散斑法。这里选择几种典型的计量技术简要介绍其原理和应用。

1）电子散斑干涉法

散斑干涉法是利用散斑波面的相位分布进行信息探测的计量技术。在电子散斑干涉计量(ESPI)中，原始的散斑干涉场由光电器件转换成电信号记录下来。用模拟电子技术或数字电子技术方法实现信息的提取，形成的散斑干涉场可直接显示在图像监示器上，也可以存入电子计算机。ESPI 操作简单、实用性强、自动化程度高，可以进行静态和动态测试，具有许多优点。

典型应用：无损测量

2）数字散斑照相法

散斑照相法是利用散斑波面的振幅分布信息进行信息探测的计量技术。以光电探测器直接记录记录不同状况下物体表面的散射光场的强度分布,然后以某种方法将记录下的光场之间的强度变化提取出来,就得到了物体的变化信息，再数字信息处理技术来实现信息的表征及识别。数字散斑照相方法是非接触的光测方法,图像数据采集的方式简单(普通照相方式),计量环境要求低,能在恶劣的条件下进行各种要求的计量。

典型应用：微位移测量

3）错位散斑干涉法

错位散斑干涉法或称剪切散斑干涉法，用激光扩束后照明的物体, 经错位棱镜形成的被摄物体相互错位的散斑图, 经摄像机输人到计算机图象系统或更简单的图象相减器中处理, 得到表示物体位移导数的干涉图案。这种方法测的不是位移而是位移梯度，可用来测量物体的形变振动和恒值线等。它的优点是没有参考光路受环境扰动和机械噪音的影响很小，但它受剪切范围剪切方向和引入的荷载等多个有效因子的影响。

典型应用：无损检测，尤其是在线质量控制与跟踪

4）数字散斑相关测量法

数字散斑相关测量法是对变形前后采集的物体表面的两幅图像( 散斑场) 进行处理, 通过计算来实现对物体变形场( 位移场) 的测量。可以实现全场测量，实时测量，数据准确度高,操作简单便利。作为一种非接触式位移测量方法，它有光路简单，对测量环境要求低等优点，近年来获得了长足的进展。

典型应用：移动或变形物体的运动或变形信息的测量

参考文献

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