激光散斑干涉图像
激光散斑测量讲解
引言散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，很早以前牛顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。
由于激光的高度相干性，激光散斑的现象就更加明显。
最初人们主要研究如何减弱散斑的影响。
在研究的过程中发现散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产生了许多的应用。
例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体运动的速度，利用散斑进行光学信息处理、甚至利用散斑验光等等。
激光散斑可以用曝光的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用，因此是值得在教学实验中推广的一个实验。
本实验的目的是让学生初步了解激光散斑的特性，学习有关散斑光强分布和散射体表面位移的实时测量方法：相关函数法，通过本实验还可以了解激光光束的基本特点以及CCD光电数据采集系统。
这些都是当代科研和教育技术中很有用的基本技术和知识。
实验原理激光散斑的基本概念：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（Laser Speckles）或斑纹。
如果散射体足够粗糙，这种分布所形成的图样是非常特殊和美丽的（对比度为1）。
激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的，因此是一种随机过程。
要研究它必须使用概率统计的方法。
通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。
图1 光散斑的产生(图中为透射式，也可以是反射式的情形)图1说明激光散斑具体的产生过程。
当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。
因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。
来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。
由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈，而散斑的大小要根据光路情况来决定。
激光散斑的基本概念
激光散斑的基本概念
嘿，咱今天就来说说激光散斑这玩意儿哈。
有一次啊，我去一个科技馆玩。
在一个展厅里，我看到一束激光照在一个屏幕上，上面出现了好多奇怪的斑点。
我就好奇呀，这是啥玩意儿呢？旁边的讲解员就跟我解释，这就是激光散斑。
激光散斑呢，简单来说就是当激光照在一个粗糙的表面上的时候，反射回来的光会形成一种看起来乱七八糟的斑点图案。
就好像你拿手电筒照在一块粗糙的石头上，也会看到一些光斑，不过激光散斑可比那个复杂多了。
我就盯着那个屏幕上的激光散斑看，越看越觉得神奇。
那些斑点有的大，有的小，有的亮，有的暗，看起来毫无规律。
讲解员说，其实激光散斑里面蕴含着很多信息呢。
比如说可以通过分析激光散斑的图案来了解物体的表面形状、运动状态啥的。
我就想起来，有一次我看到电视上介绍一种高科技的测量仪器，好像就是利用激光散斑来测量物体的变形。
比如说一座大桥，要是有一点点变形，通过激光散斑就能检测出来。
哇，这也太厉害了吧。
激光散斑在很多领域都有应用呢。
比如说在医学上，可以用激光散斑来观察血液的流动情况。
在工业上，可以用它来检测材料的质量。
反正就是用处挺多的。
我在科技馆里看了好久的激光散斑，心里一直在想，这小小的斑点居然有这么大的作用。
真是不看不知道，一看吓一跳啊。
总之啊，激光散斑就是一种由激光照在粗糙表面上形成的奇怪斑点图案。
虽然看起来乱七八糟的，但是里面却蕴含着很多有用的信息。
嘿嘿，就这么着吧。
散斑干涉实验
散斑干涉实验光信息科学与技术08级3班 组别：B17一、实验目的1、了解散斑的性质及特点。
2、掌握散斑和离面散斑的测试方法。
二、实验原理1、散斑的形成当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。
要形成散斑且散斑质量较好必须具备以下条件：（1）有能发生散射光的粗糙表面；（2）粗糙表面深度须大于入射光波长；（3）入射光线的相干度要足够高，如使用激光。
图1、散斑图像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。
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2、散斑的大小散斑颗粒的大小，可用它的平均直径来表示，颗粒尺寸的严格定义是两相邻亮斑间距离的统计平均值。
此值由产生散斑的激光波长及粗糙表面圆型照明区域对该散斑的孔径角'u 决定：散斑平均半径=<v σ>='0.6/sin u λ (1)上式说明散斑的大小粗略对应于散射光的干涉条纹间距。
散斑的形状与照明区域的形状有关，若照明区域增大则散斑变小。
上面所讲的散斑是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)。
若经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，亦称主观散斑（如图3所示）。
图2、客观散斑的形成 图3、主观散斑原理图成像平面上P 点的散斑直径v σ，决定于透镜出射光瞳对P 点的孔径角'u ，即<v σ>='0.6/sin u λ=0.6/NA λ=1.2（1+M ）F λ （2）其中NA 为透镜的数值孔径，M 是透镜的放大率。
主观散斑是物面上的散斑图像成像所得，这个物方散斑图的平均直径用<S>表示：<S>='0.6/M*sin u 0.6/M*NA λλ= （3）3、散斑的光强分布正常散斑图是杂乱无章的随机散斑图，其强度分布为负指数概率密度函数。
光的干涉和衍射现象解释和图像
光的干涉和衍射现象解释和图像光的干涉和衍射现象是光学领域中重要的现象，它们展示了光的波动性质。
本文将对光的干涉和衍射进行解释，并提供相关的图像来帮助读者更好地理解。
干涉是指两束或多束光波相互叠加形成明暗条纹的现象。
当两束或多束光波相位差匹配时，它们会相互加强，形成亮纹；而当相位差不匹配时，它们会相互抵消，形成暗纹。
干涉现象的解释可以用光的波动性来解释。
光波在传播过程中会相互干涉，即光波的电磁场的叠加效应。
这一现象是由于光波是一种横波，在传播过程中产生了波的叠加与相消。
图像1展示了一个干涉的光学装置，其中两束光波通过分光镜后被反射，然后重新叠加形成干涉条纹。
在图像中，明暗相间的纹理代表着光波的干涉效应。
根据相位差的大小不同，光波叠加时会形成明亮或暗淡的区域。
衍射是指光波遇到绕射体或经过狭缝时发生弯曲和扩散的现象。
当光波通过狭缝时，狭缝会起到一个光波的波阻挡作用，使光波发生弯曲和扩散。
衍射现象的解释同样基于光的波动性。
当光波通过一个大小与光的波长相当的狭缝时，光波的传播会发生弯曲。
这是由于光的波动性质的结果，波动性使得光的传播不仅限于直线传播，而是具有了扩散的特性。
图像2展示了光波通过一个狭缝后的衍射效应。
可以观察到，光波经过狭缝后发生了扩散和曲折，形成了扇形的衍射纹。
这些衍射纹的分布情况取决于光波的波长和狭缝的大小。
通过干涉和衍射现象，我们可以深入理解光的波动性质。
这不仅在实践中有重要的应用，例如干涉测量和衍射成像等，还能进一步推动光学领域的发展。
总结起来，光的干涉和衍射现象是光学领域中的重要现象，它们展示了光的波动性质。
干涉是指两束或多束光相互叠加形成明暗条纹的现象，衍射是指光通过狭缝或绕射体时发生弯曲和扩散的现象。
图像1展示了干涉装置的明暗条纹，图像2展示了光波通过狭缝后的衍射效应。
通过对这些现象的研究，我们能更深入地了解光的波动性质，并应用于实践中推动光学技术的发展。
激光散斑干涉
激光散斑干涉电子散斑一、实验内容：1．了解电子散斑干涉原理；2．掌握干涉光路及图像处理软件；3．学会使用本系统来测量三维离面位移。
二、实验仪器：成像透镜被测物体的平面镜氦氖激光器CCD摄像机分光镜扩束器图一xgs-1电子散斑干涉(espi)实验系统三、实验原理：电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术，其光路如下图所示，图二为测量离面位移（即前后沿z轴方向的位移w）的光路，由激光器1发出的激光束，经扩束镜2及准直镜3形成光斑放大了的准直光，再经分光镜4分成两束，一束照射到反射镜5再返回，另一束照射到被测物6的表面再返回，两束返回的光束干涉形成干涉条纹，也就是一系列等位移线n，则离面位移为w=λn/2式中λ为测试光的波长，n为条纹的级数。
图二光路图四、实验步骤：1.放置平台并将其调平。
2、各个实验仪器的位置参看图一，先把各个仪器的中心高度调至共轴。
3.使激光器发出的光束平行于工作平台的工作表面。
分别放置扩束器和准直器，调整准直器，使经过扩束器的激光变成平行光。
平行光束应穿过光路（分束器、被测物体、反射器等）中部件的中心，并与平台平行。
在扩束器前面放置一个偏振器，以调整亮度，防止损坏CCD相机。
4、放入被测物品和ccd摄像机，调节分光镜上二维调整台的微调旋扭，使被物品反射的光的中心照射到ccd摄像机接收表面上。
5.然后放入平面镜，使平面镜和分束器之间的距离与被测物体和分束器之间的距离相同，并调整反射光束的中心，使其也入射到CCD相机的接收面上。
此时，可以在图像采集软件上看到干涉条纹。
最后，放入聚焦透镜，调整透镜和CCD之间的距离，以获得屏幕上最清晰、最完整的图像。
调整反射器上二维调整框的微调旋钮，使获得的图像的干涉条纹最清晰，处于中心位置。
6、这时就可以给物品加压，调节物品架上的旋扭给物品加压，随着旋扭的调节，电脑的屏幕上出现的干涉条纹越来越多，且为同心圆环。
激光散斑原理
激光散斑原理
激光散斑是激光束经过衍射或散射后形成的光强分布图案。
激光散斑的形成可以通过以下原理来解释：
1.衍射原理：
激光经过一个孔径较小的光阑或经过不规则的光学表面时，光波会受到衍射现象的影响。
衍射会导致光的波前传播方向改变，并在远离衍射点的区域形成干涉图案，即散斑。
散斑的形状和分布取决于光阑或光学表面的形态和光波的特性。
2.光学散射原理：
当激光束遇到材料的不均匀性或微小的表面不规则性时，光会在散射点上以多个方向散射。
这种散射过程会导致光波相位的变化，并在远离散射点的区域形成散斑。
散射介质的粒子大小、形状和分布会影响散斑的形态和分布。
3.光波干涉原理：
激光的相干性使得光波之间可以发生干涉现象。
当激光束经过光学元件或传播过程中受到扰动时，不同部分的光波会发生干涉，形成干涉图案。
这种干涉图案就是散斑。
干涉图案的形态和分布取决于光波的相位差和相干长度。
激光散斑的特点是具有明暗相间的分布，并且呈现出一定的尺寸和形状。
散斑的尺寸与激光束的波长、光学系统的参数和干涉或衍射引起的相位差等因素有关。
在实际应用中，激光散斑可用于评估光学系统的质量、检测光学表面的粗糙度、进行干涉测量和光学成像等。
激光散斑PPT课件
.
3
激光散斑的特性
经透镜成像形成的散斑为主观散斑 在自由空间传播形成的散斑是客观散斑
散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以反映激光照明 区域内物体及传播介质的物理性质和动态变化。
随机过程，统计方法研究散斑的强度分布、对比度和大小分 布等
.
4
激光散斑应用
激光散斑测量技术具有光路简单、成本低以
.
)2
(
w 012
)2
12
f
f
电荷耦合器—CCD
CCD是Charge-coupled devices的缩写
CCD的空间分辨率与每个象元的 mA/W 尺寸和间距以及传输过程有关，本
实验中大约为14微米。
暗电流（主要由热产生）
很高的光电灵敏度，（CCD器件
必须避免强光照射。同学们在每次
采样完毕后应及时合上光窗或挡住
实验中采集的散斑图
毛玻璃横向移动
.
19
自相关函数 ---单个散斑图的统计特性
振幅矢量：
Uk
1 N
k
(x,
y,
z)expik
(x,
y,
z)
U Uk
光场的复振幅：
N
N
U(x, y,z) Uk
k1
k1
1 N
k
(x,
y,
z)expik
(x,
y,
z)
光强值：
.
20
I(x,y)U (x,y)U *(x,y)
测量心脏的心动图。利用主观散斑的运动规律对人眼进行主观
验光
5. 天文学测量中的应用：利用星体斑纹干涉术可以克服大气扰动
的影响获得高分辨率的图像
.
散斑干涉
peckle也称斑纹。
自1960年激光器问世后不久，人们就观察到了一种现象：被激光照明的物体，其表面呈现颗粒状结构。
这种颗粒状态被取名为“激光散斑”。
这种强度随机分布的散斑图样，可以由激光在粗糙表面反射或激光通过不均匀媒质时产生。
因为大多数物体表面对光波的波长（以氦氖激光器为例，λ≈0.6μm）来讲是粗糙的，由于激光的高度相干性，当光波从物体表面反射时（图1），物体上各点到适当距离的观察点的振动是相干的。
因此观察点的光场是由粗糙表面上各点发出的相干子波的叠加。
因为粗糙度大于光波波长，所以物体各点发出子波到达观察点的位相是随机分布的。
相干叠加结果就产生了散斑的随机强度图样──颗粒状。
显然，这种随机强度分布图样可用统计方法来描述。
从牛顿时代起一些科学家就观察到散斑现象。
I.牛顿在当时就解释过为什么能观察到恒星的闪烁现象而观察不到行星的类似现象。
现在人们知道这两类星体的空间相干性是不同的。
1877年K.埃克斯纳研究散射光干涉现象时，在夫琅和费衍射亮环内观察到辐射颗粒状散斑图样，这种辐射状是光源单色性不够引起的。
1914年M.von劳厄发表的夫琅和费照片更清楚地显示了辐射颗粒状结构，并讨论了它的统计特性。
但是对散斑现象作大量深入的研究，以及开辟日益广泛的应用，还是在激光器出现之后。
激光器是散斑研究和应用的理想相干光源。
人们对散斑的统计性质进行了深入的研究，包括相干和部分相干、偏振和部分偏振等情况。
因为散斑图样对相干成像系统来讲，是一种很讨厌的相干“噪声”，它限制了成像系统的分辨率。
为此人们曾致力于把散斑效应减至最小的研究，但是进展不大。
相反，近年来在利用散斑的特点应用于各个领域却取得了不少进展。
散斑干涉量度术它为非镜面反射物体提供了一种高灵敏度测量方法。
利用散斑图样可以测量物体的位移、振动和形变，成为无损检验的重要手段之一。
它的优点是可以调节散斑大小以适应检测器（胶片、电视等）的分辨率而并不降低精度。
利用散斑的统计性质可以测量物体表面粗糙度，假若表面均方根粗糙度小于照明光波的波长，则粗糙度可由散斑的反衬度来测定。
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f 2 ( x ) = [cos( f (i, j ) ×
将得到的正弦图和余弦图分别进行 加权滤波，再将滤波后的正余弦图 像合并成一幅图。左下图为相位滤 波后的图像，明显的感觉比较平滑 且边缘效果保持的较好。
傅里叶滤波
傅里叶变换 滤波函数H(u,v) 傅里叶 反变换
F(u,v) 前处理
H(u,v)F(u,v) 后处理
剪切散斑的应用
1 广泛用于物体 振动测量、轮 廓测量和模态 分析 2 用于测量高温 物体的位移和 热变形 3 在无损检测方 面也取得了很 多成功的应用
全息散斑和剪切散斑比较
全息散斑主要用来测量物体的三维变形，可以定量的测出物体的具 体的变形量；剪切散斑出现的条纹图是蝴蝶型的，主要用来检测物体 是否有缺陷，无法定量的检测物体的具体变形量，只可定性。
o
ESPI测量的是物体变形前和物体变形后两 种状态的相位差，因此我们需要计算出物 体变形前的相位角θ 和物体变形后的相位 角θ’，那么如何测得相位角θ 呢？
四步相移法
∆φ = (ຫໍສະໝຸດ 2πλ) ∆Ln相移技术
由原来的计量条纹的级数发展为计量条 纹的位相使测量精度大大提高
剪切散斑
电子剪切散斑干涉测量技术是以激光散斑作为被测化信息的载体， 利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测相位变 化。利用图像传感器和精确的相移技术，将变化过程中的光学信息实时 地记录下来，由计算机软件处理后显示干涉条纹图，通过数值计算将这 些条纹解析为熟知的物理量 剪切干涉就是采取某种光在像面上产 生两个像，这两个像之间有一个错位 （称为剪切量），当物面用相干光照 明时，这两个像的重叠部分将发生干 涉。
i(ω t+φ )
i(ω t )
u = a [e
]e
iφ
a[ e i ( ωt ) ]决定光的颜色，因为 ω =2π f=2π
c
λ
，其中 π 、 c均为常数
e iφ 和距离有关，一个相位角 φ =2π 对应着一个波长的距离 2π 2π nL ⇒ φ = Ln ⇒ Ln=nL φ=
λ
→ ∆φ =
2π
λ
全息散斑与剪切散斑比较
散斑条纹图处理
应用四步相移法所生成的图像被包裹在[-π, π]之间，所以要
得到物体的具体变形量就必须对生成的相移图进行解包裹处 理。由于得到的相移图像具有很多噪声，还应该对图像进行 滤波处理。
滤波：均值滤波 中值滤波 相位滤波 傅里叶变换滤波
均值滤波和中值滤波
均值滤波：用一个像素邻域内各个像素灰度均值来代替该像素的灰度 值。 中值滤波：用一个像素邻域内各个像素灰度的中间值来代替该像素的 灰度值。 比较：均值滤波的平滑性较好，但丢失很多边缘的高频信号，中值滤 波可以很好的保留边缘信号，但比较耗时且平滑效果不好。
全息散斑
测量面内位移 图 I = I 0(1+ γ cosθ )
测量面外位移
I ' = I 0[1+ γ cos(θ +∆)] ∆=（φ1 '−φ2 ') − (φ1 −φ 2) = (φ1 '−φ1) − (φ 2 '−φ 2) = ∆1 −∆2 (sinθ )u λ 4π ∆ = (sinθ )v λ ∆= 4π
λ
→ (φ 1-φ 2) = 暗条纹 4π
4π
λ
λ
(bc − de)
λ
(bc − de)=(2N+1)π
散斑干涉的应用
1. 力学、建筑工程和机械设计方面的应用：利用散斑位移和散斑干涉图 测量物体表面的形变和裂纹、损伤和应力分布 2. 在工业生产中的应用：利用对激光散斑的动态测量法测量生产线上工 件及产品的移动速度 3. 在燃烧学和热物理中的应用：利用激光散斑照相技术测量火焰的结构 和温度场的温度分布 4. 在医学研究中的应用：非侵入的测量皮肤下的微循环的速度。测量心 脏的心动图。利用主观散斑的运动规律对人眼进行主观验光 5. 天文学测量中的应用：利用星体斑纹干涉术可以克服大气扰动的影响 获得高分辨率的图像 6. 利用散斑进行光学图像处理：例如图像相减等
f(x,y)输入 频域的滤波基础： g(x,y)增强 图像 1.用(-1)x+y乘以输入图像进行中心变换。 后的图像 2.由(1)计算图像的DFT，即F(u,v)。 3.用滤波器函数H(u,v)乘以F(u,v)。 4.计算(3)中结果的反DFT。 5.得到(4)中结果的实部。 6.用(-1)x+y乘以(5)中的结果
λ
∆Ln
迈克尔逊干涉仪
u1 = a1e
iφ 1
u 2 = a 2 eiφ 2
I = (u1 + u 2 )(u1 + u 2)* = ( a1eiφ 1 + a 2eiφ 2 )( a1e − iφ1 + a 2e −iφ 2 )
2 a 1a 2 c o s [( φ 1 − φ 2 )]} I = ( a + a ){1 + 2 2 ( a1 + a 2 )
原始图像
均值滤波后的图像
中值滤波后的图像
相位滤波
理想的包裹相位图沿水平方 向的灰度值的分布是一种锯齿 形分布，为了保存分布中的跳 变信息，先将其转换成正余弦 分布的两幅图像。
f 1( x ) = [sin( f (i, j ) × 2π 255 ) + 1] × 255 2
2π 255 ) + 1] × 255 2
激光散斑干涉图像
报告人：任亚忠 卜伟华 孙建飞 201011010037 201011010049 201017290007
主要内容
1 激光散斑简介 2 全息散斑干涉和剪切散斑干涉 3 条纹图后续处理 任亚忠 卜伟华 孙建飞
激光散斑干涉
散斑检测与传统应变片检测比较
光波的数学表达式： u = a e
2 1 2 2
I = A + B cos[(φ 1 − φ 2 )]
2 其中A=(a12 + a2 )
B = 2 a 1a 2
当cos(φ 1-φ 2)=1时，I将取最大值，此时将出现亮条纹。 (φ 1-φ 2)=2Nπ 2π 2π = [( Ln)1 − ( Ln)2] = [(2n × ab + 2bc + ao) − (2n × ad + 2de + ao)]
散斑干涉的图像处理
谢谢
两幅散斑图相减
I是变形前拍的一幅图，I’是变形后拍的图片，Id为两幅图相减 得到的图片。每个条纹对应着一个波长的变化量，通过数条纹级数 大体上得到物体的变形量。 缺点：不能精确到具体的相位角变化。
ESPI四步相移法
I1=I0[1+rcosθ ] I 2 =I0[1+rcos(θ + 90o )] I 3=I0[1+rcos(θ + 180o )] I 4 =I0[1+rcos(θ + 270 )] ( I 4 − I 2) → θ = arctan ( I 1 − I 3)