激光散斑数字相关法测量微小位移
激光散斑的测量报告1
实验报告 5- （姓名：张正宇 学号：PB04210181 日期：2006.3.6） 实验题目：激光散斑测量实验目的：通过对激光散斑大小的测量，了解激光散斑的统计特性，学习有关散斑光强分布重要的数据处理方法。
实验器材：氦氖激光器，双偏振片，全反射镜，透镜 ，毛玻璃，CCD ，计算机。
实验原理：激光散斑是由无规散射体（实验中为毛玻璃）被相干光照射产生的。
散斑场按光路分为两种，一种是在自由空间中传播而形成的客观散斑（本实验研究的情况），另一种是由透镜成象形成的主观散斑。
散斑的大小、位移及运动变化可以反映光路中物体及传播介质的变化。
试验中用的是激光高斯光束，其传播时光场的等振幅线在沿光路方向为双曲线。
光斑最细的位置为束腰。
激光经过凸透镜时其偏角会变化，会产生新的束腰。
毛玻璃离透镜的距离改变时，照在其上的光斑半径也随之改变。
实验是通过用计算机测量散斑的变化来算出光路中毛玻璃的移动情况。
激光散斑光强分布的规律由相关函数来描述。
自相关函数为：G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ(x 2,y 2) 〉归一化后为： 其中： 互相关函数为：G C （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ’(x 2,y 2) 〉归一化后为：其中数据处理：实验光路图如下：)](ex p[1),(222S y x y x g ∆+∆-+=∆∆})](/1[ex p{})](/1[(ex p{1),(212212S P P d y S P P d x y x g y x C ρρ++∆-++∆-+=∆∆))(/1(12P P d x x ρ+-=∆W P S πλ/2=实验装置图 1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 D 7.计算机试验中原始数据如下：理论数据如下：激光波长λ = 0.0006328mm常数π = 3.14159265CCD 像素大小=0.014mm激光器内氦氖激光管的长度d=250mm会聚透镜的焦距f ’=50mm 激光出射口到透镜距离d 1=650mm透镜到毛玻璃距离=d 2+P 1=150mm毛玻璃到CCD 探测阵列面P 2=550mm毛玻璃垂直光路位移量d ξ 和d η， d ξ=3小格=0.03mm ，d η=0理论值计算：一．照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为：则由公式：得激光管口处腰束半径为： )(2244.0)(4244.21415926.398.632*25.001mm m E E w =-=-=2'2012'11''2)()1(d f W f d d f f λπ+---=得mm E 55.53)4328.6*502244.0*()506501(6505050d 2222=-+---=π由公式：2'2012'120102)()1(f W f d W W λπ+-=得2101)(πλd w =mm E W 01726.0)50*4328.62244.0*()506501(2244.0222202=-+-=π则 p1=150-53.55=96.45mmmm E W a 479.14328.6/01726.0*/220=-==πλπmm a p W p W 1257.1)479.1/45.961(*01726.0)/11()1(2/1222/1220=+=+= mm p a p p 47.96)45.96/479.11(*45.96)1/1(1)1(2222=+=+=ρmm E W P S 0984.0)1257.1*/(550*4328.6/2=-==ππλ二．∆x 和∆y 的计算∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P 1))＝0.03*(1 + 550 / 96.47)＝0.2010mm∆y= d η (1 + p2 / ρ(P 1))＝0mm实验值的计算：三．照在毛玻璃上激光光斑的平均半径，毛玻璃的平均实际位移量的计算S1＝(Sx ＋Sy)/2=(10.05+11.96)/2=11.005 (象素)S2=(8.57+11.20)/2=9.885 (象素)S3=(8.57+11.31)/2=9.94 (象素)S4=(9.55+14.66)/2=12.105 (象素)S5=(8.56+10.88)/2=9.72 (象素)S6=(8.11+11.54)/2=9.825 (象素)S ＝0.014*(S1+S2+S3+S4+S5+S6)/6=0.014*(11.005+9.885+9.94+12.105+9.72+9.825)/6=0.1458mm则照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为：mm E S P w 7598.01458.0*4328.6*5502=-==ππλ ∆x =0.014*(18+17+18+19+17)/5=0.2492mm毛玻璃的平均实际位移量mm P P xd 037.047.9655012492.0)(112=+=+∆=ρξ 误差分析：试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为0.037mm ，而理论值为0.03mm ；照在毛玻璃上的光斑半径理论值为0.0984mm ，而实际测得为0.1458mm 。
飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法[发明专利]
![飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d893c2f7fc4ffe473268abe4.png)
专利名称：飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法专利类型：发明专利
发明人：周常河,刘文军
申请号：CN200610026621.2
申请日：20060517
公开号：CN1844844A
公开日：
20061011
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种利用飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法。
装置构成主要包括飞秒激光源和CCD摄象机及计算机控制和处理系统，所述的方法利用该装置将物体移动前后的散斑场分别用CCD 探测器记录下来并储存于计算机中，对移动前的散斑场和移动后的散斑场进行相关性运算，就可以确定出场的移动量；本发明可以对散斑场移动作实时测量；精确到亚像素大小。
飞秒激光与分子、生物体的相互作用导致散斑的产生是常见的现象，本发明利用飞秒散斑的信息，可以得知散射体的空间运动信息有重要意义。
申请人：中国科学院上海光学精密机械研究所
地址：201800 上海市800-211邮政信箱
国籍：CN
代理机构：上海新天专利代理有限公司
代理人：张泽纯
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基于数字散斑自相关技术的微位移测量
收 稿 日期 ：０ ５—１ ２０ ２—０ ５
图 １ Ａｒ ｒ， 关 系 曲线 与 Ａ的
维普资讯
Ｖ０ ． ７ Ｎ０． １２ ４ Ａｕｇ． ２０ ０６
文 章编 号 ：６ ２ ８ １２ ０ ）４—０ ９ —０ １７ —６ ７ （０ ６ ０ ０５ ３
基 于 数 字 散 斑 自相 关 技 术 的 微 位 移 测 量
甄 志强 ， 闫海 涛 ， 正新 汤
（ 南 科 技 大 学 理 学 院 ， 南 洛 阳 ４ １０ ） 河 河 ７ ０３
自相 关 函数对 实验数 据 运用 专 门设 计 的 Ｍａ ａ 序 进 行 处 理 ， 到 物 体 的微 位 移 的值 ， 度 可 达 微 米 ｔ ｂ程 ｌ 得 精
级。
１ 数 字 散 斑 相 关 技 术 的原 理
设一 散射 屏 以速度 做 横 向运 动 ， 而其 出射 平面上 的 ０ Ｙ 坐标 系 固定 不动 。 ，０ 假定 散 射屏 是 一 个 纯 位相 物体 ， 在单 色平 行光 均匀 照明下 ， 斑场 的 自相关 函数 规 范化式 子 通 常表示 为【 散 ４ Ｊ
维普资讯
第２ ７卷 第 ４期
２０ ０ ６年 ８ 月
河 南 科 技 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎ ｎ Ｕｎｖ ｒｉｙｏ ｃ ｅ ｅ ａ ｃ ｎ ｌｇ Ｎａｕ ａ ｃ ｅ ｅ ｏ ｒ ａ ｆＨｅ ａ ｉ ｅｓｔ ｆＳ ｉｎｃ ｎｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ： ｔｒ Ｓ ｉｎｃ ｌ
Ａ，， ｒｒ ：
激光散斑照相法测量压电陶瓷管的电压响应位移特性
“ 第 ７ 届 全国高等学校物理实验教 学研讨会” 论 文
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ５ — １ ７ ； 修 改 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ８ — ３ １ 作者简介 ： 王中平（ １ ９ ７ ６ 一） ， 男， 山东 临 沂人 ， 中 国科 学 技 术 大 学 物 理 学 院 副教 授 ， 博士 ， 从 事 凝 聚 态 物 理 方 面 的研 究 ．
（ 中国科 学技 术 大 学 物 理 学 院 物 理 实验教 学 中心 ， 安徽 合 肥 ２ ３ ０ ０ ２ ６ ）
摘 要 ： 采 用 激 光 散 斑 相关 法 来 测 量 压 电 陶瓷 的压 电 位 移 特 性 并 标 定 其 线 性 区 间 ．利 用 氦 氖 激 光 器 作 为 光 源 ， 结 合 Ｃ Ｃ Ｄ 成 像 技 术 辅 助 采集 散 斑 图 像 ， 测 量 压 电 陶 瓷 管 的 电压 响应 位 移 特 性 ， 实现 电 压 驱 动 的 微 小 位 移 量 的测 量 ．采 用 计 算
本 文结 合 Ｃ Ｃ Ｄ 辅 助 的激 光 散 斑 技 术 可 以测 定 压
电 陶瓷 管 的伸缩 量 与 电压 的关 系及 其 回滞 效 应 ， 具有直观 、 快速 、 精 确 的优 点 ， 适 合 开 展 本科 生 的
教 学 实验 ．
பைடு நூலகம்
Ｆ
图１ 激 光 散 斑 的 实 验 原 理 图
第 ３ ３卷 第 ３期
２ ０ １ ３年 ３月
物 理 实 验
ＰＨ ＹＳＩ ＣＳ ＥＸＰＥＲＩ Ｍ ＥＮＴＡ ＴＩ ＯＮ
Ｖｏ １ ． ３ ３ Ｎｏ ． ３
Ｍａ ｒ ．， ２ ０１ ３
激 光 散 斑 照 相 法 测 量 压 电 陶瓷 管 的 电压 响应 位 移 特 性
毕业设计论文——激光散斑测物体位移
武汉轻工大学毕业设计（论文）论文题目：基于激光散斑进行位移测量院系: 电气与电子工程学院学号: 101204222姓名: 王斌专业: 电子信息科学与技术指导老师: 李丹二零一四年五月摘要用散斑法测量无题的位移、应变、振动、等是散斑法在实验力学中的主要应用之一。
这种测量方法不但有非接触的优点，而且可以测量面内及离面的位移。
物体表面以及内部的应变、比较圆满地解决振动与瞬变的问题。
本文主要介绍了散斑测量技术的发展情况，对激光散斑的特性进行了系统的分析。
激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。
散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。
主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。
最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。
关键词：激光散斑；位移测量；数字图像处理；位移散斑图AbstractOne main application of the speckle measurement method in experimental mechanics is to measure the displacement, strain, vibration and so on. This method can not only processed non-contact measurement, but also can measure the in-plane or out-plane displacement and transient. In this paper, we introduced the development of speckle measurement technique, and systemically analyzed the characters of speckle.The laser speckle based on holography is of great practical value and can measure micro-displacement. In surface micro-displacement is focused on in this paper. The two laser speckle patterns are respectively shot before and after the object is moved. Digital speckle correlation method and speckle photography are used to measure a small displacement moved along x or y axle. The above two methods are compared at the end of the paper.Keywords:laser speckle; displacement measurement; digital image process; displacement of speckle pattern目录第1章绪论............................................1.1课题研究的背景和意义..............................1.2激光散斑测量方法的应用............................ 第2章激光散斑测量的基本理论...........................2.1激光散斑的基本概念................................2.2散斑的成因及类型..................................2.2.1散斑的成因2.2.2散斑的类型2.3激光散斑光强分布的相关函数的概念..................2.3.1自相关函数.....................................2.3.2两个散斑场光强分布的互相关函数第3章激光散斑测量方法3.1激光散斑位移测量..................................3.1.1 散斑照相法3.1.2 激光散斑数字相关3.2 测量微小位移实验系统3.2.1 实验内容3.2.2 设计方法3.2.3 数据处理及心得结论................................................. 致谢................................................. 参考文献.................................................武汉轻工大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1 本论文的背景和意义传感技术、计算机技术和通信技术共同构成信息技术的三大支柱。
实验十五 数字散斑测量微小位移的实验
实验十五 数字散斑测量微小位移的实验实验目的：1. 掌握数字散斑干涉的原理。
2. 学会根据CCD ，激光器等器件，利用计算机进行快速傅立叶变换，测量物体的微小位移。
3. 学会分析思考并处理实验中出现的问题。
实验原理：当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去接收光总可以看到一些斑点，这就是激光散斑现象。
散斑现象是高度相干性光源照明的结果，虽然会降低全息照相时的成像质量，但由于散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以用来进行微小位移的检测、形变测量以及振动研究等。
传统的散斑干涉测量技术采用在同一张底片上记录物体位移前后的双曝光散斑图，并通过会聚透镜进行光学傅立叶变换得到杨氏条纹图。
随着CCD 的日益普及出现了数字散斑干涉技术，散斑图可以方便的记录在计算机中，并使用数字傅立叶变换进行处理和分析，避免了底片冲印测量的繁琐过程，可以实现方便快速的实时测量。
通过CCD 捕获被测物体位移前后的双曝光散斑图，对双曝光散斑图的任一点附近取一小块区域进行两次快速傅立叶变换，可以得到物体位移的方向和距离。
设位移前后的散斑图分别为()21,x x g i 和()2211,u x u x g itd ++，叠加得双曝光散斑图()()()22112121,,,u x u x g x x g x x g itd i +++= (15-1)用快速傅立叶变换对其中一小块区域进行计算，结果为一小幅杨氏条纹图。
()()()[]()[]⎰⎰∆+-∙+++=212211*********exp ,,,dx dx x x j u x u x g x x g G itd i ωωπωω(15-2)上式中，()21,ωωG 为频谱图上的谱面函数，21,ωω为谱面坐标，∆是积分域。
根据傅立叶平移原理，并假设21,u u 很小，可得双曝光散斑图相应的光强为：()()()()()()[]ωπωωωπωωωωωωd V I d I G I g g 2cos 1,2cos ,4,221221'22121+=∙=+= (15-3)式中()21,u u d = ，()21,ωωω=，()1≤V 是杨氏条纹的对比度。
激光散斑干涉测微原理与应用
Ｖｏ．１ Ｎｏ １ ９ ．３ Ａｕ ．２ ０６ ｇ ０
激 光散 斑 干涉 测 微 原 理 与应 用
高海 燕 ， 李 聪 ， 志刚 赵
，
（・华北 水利 水 电学 院 ， 南 郑 州 ４ ０ ０ ；．河南 农业 大学 河南 郑 州 ４ ０ ０ ： １ 河 ５０ ２ ２ ５ ０ ２ ３ 河 南 国防科学 技术 工业 委员 会 ， ． 河南 郑 州 ４ ０ ０ ） ５ ０ ２
置双孑 径 地阑 ， Ｊ Ｌ Ｌ 两ｉ孑 间距 为 ｔ Ｌ 、 ， 小孑 直径 为 ｄ要求 ｔ 录 ， ＞ｄ 记 ｏ
当 ６ ±ｒ ± １， ５ｒ ｍ １ ３ｒ ± １ ， Ａ时 ，最小 ， Ｉ 即
ｌ ＝２ ａ（ ） （ ［ ２ｘ ＋ ｘ＋厶’ ｌ ｃ１ ｏ
【 摘 要 】 斑 是激 光束 投 射 到 粗 糙 光 学表 面上 产 生 的 斑 点 状 图样 人 们 利 用散 斑 可 以探 测 微 小 的 位 移 ， 就是 散 这 散 斑 计 量 。 文介 绍 了散 斑 干 涉 法 的原 理 及 两 个 用数 字散 斑 干 涉法 进 行 的 实验 本 测 量 火 箭 固体 燃 料 在 机械 和 热 栽 荷 作 用 下 的性 能 ， 用数 字散 斑 干 涉 法 来检 测 金 属 表 面的 缺 陷 。 利
当激 光束 投 射 到 一 光学 粗 糙 表 面 （ 表 面 平 均起 伏 大 即
于光 波 波 长量 级 ） 时 ， 上 即呈 现 出 用普 通 光 见 不 到 的 斑点 状
式 中 ６是 由于形变 引起 点 和 ＋△ 。 相对 位移产 生 点
图样 。 中每 一 个 斑 点称 为散 斑 （ｐ ｃｌ）整 个 图样 称 为 散 的纯相 位变 化。底 片上记 录 的总光强度 可表 示成 １： 其 ｓｅｋｅ ， ４ １
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
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实验原理
实物光路图
实验仪器
实验图样
Matalab编程
程序源代码
相关度运算
定标结果
毛玻璃每移动0.05mm对应散斑位移30个像素点
实验中遇到的问题及解决办法
问题：测量中发现散射基元大小会对测量结果产生一 定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对 测量是有很大影响的。
解决办法：在定标时分别测定几个不同位移，当出现 相关位移为0时，将该数据除去，反复测量，求平均值。
激光散斑数字相关法测量微小 位移
指导教师——张毅 答辩人——刘桐
选题背景
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。
两种方法的比较
通过对测量数据分析,发现这两种方法均可以实现对面 内微位移进行测量,但是这两种方法各有特点。干涉法中散 斑图的质量是决定测量结果的重要因素。在实验中发现物 体表面粗糙度对条纹间距会产生直接影响。在实验中也发 现,位移量大小对实验结果有很大的影响,位移太小和太大都 直接降低了条纹质量。相关法根据物体发生位移前后的相 关性进行测量的。实验条件容易实现,而且实验精度也较高。 但是在相关法测量中发现散射基元大小会对测量结果产生 一定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对测量 是有很大影响的。
心得体会
本次创新计划让我真正的动手去做一些东西，对做 研究有了一些初步的了解，为未来的发展奠定了基 础。
在做项目的过程中，认识了导师和一些优秀的学， 得到了他们的帮助
与同组成员的配合中，体会到了合作的重要性
谢谢！