激光散斑
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。
激光散斑
总结
通过对激光散斑的强度统计分布和平均尺寸的研究为以后
激光电视等器件中光学系统的设计提出了一定的要求，同 时为激光显示中散斑的消除奠定了基础，同时也为利用激 光散斑测量表面微位移以及其他应用奠定了理论基础。
2、激光散斑的统计规律
激光散斑的测量装置图
激光散斑图样
2.1、散斑的强度统计分布研究
1、利用Matlab进行数据处理：
灰度直方图
• 激光散斑的光强大致服从负指数分布规律。
2、理论推导光强的几率密度函数
基本理论假设：将毛玻璃上各点 源认为是具有独立相位的复分量 的“随机行走”，其中振幅为复 高斯变量，相位是在（-π，π）区 间上的均匀分布。 推导得光强的几率密度函数为：
I I exp I 0 2 PI I PI , I , d 2 2 2 0 其他
随机行走
因此，激光散斑的光强服从负指数统计规律。 通过对比，实验结果和理论推导相一致。
2.2、散斑的平均尺寸研究
• 1、相关法计算激光散斑平均尺寸
z（cm） 17.3 108.29 21.0 124.95 25.0 133.28 33.0 208.25 36.6 224.91
116.62
111.30
133.28
135.10
166.60
160.84
216.58
212.31
224.的对比，实验结果和理论结果在误差允许 的范围内相一致。
主要内容
简介 散斑的强度统计分布 散斑的平均尺寸 总结
1、激光散斑的简介
散斑是光源 发出的光被 随机介质散 射在空间形 成的一种斑 纹。
1730年， 牛顿已经注 意到“恒星 闪烁而行星 不闪烁”
激光散斑测量
实验 激光散斑测量散斑现象普遍存在于光学成象的过程中，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。
实验原理1.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），如图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2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。
散斑场按光路分为两种，一种散斑场是在自由空间中传播而形成的（也称客观散斑），另一种是由透镜成象形成的（也称主观散斑）。
在本实验中我们只研究前一种情况。
当单色激图1 CCD 经计算机采集的散斑图象光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上，当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化，如果设法改变激光照在玻璃面上的面积，散斑的大小也会发生变化。
大学物理实验---激光散斑
实 验 报 告
3、 做完实验后，思考本实验的用途，觉得它可以用于以下几个方 面： （1）可以用本实验原理测量物体的微小位移量 （2）可以用其他透明物体代替毛玻璃，来测量其粗糙度
思考题：
1. 根据什么选择激光散斑测量的光路参数（P1 和 P2）？
答：首先根据透镜的焦距，其次须考虑散斑大小和 CCD 象元大小 的关系。只有选择适当距离的 P1、P2 才能使 CCD 上可以拍摄到较 多的散斑，而且每个散斑又占据足够多的像元数，并且拍摄到的图 像足够清晰有较好的对比度，这样才能得到对散斑光强分布的良好 结果。
W 02 =
2 ������������02 a= = 1.228566������������ ������
d πW (1 − 1' )2 + ( 01' )2 f λf
=
0.2244032 = 0.015731mm 203.4896818
P 1 =透镜到毛玻璃的距离－d 2 =178-53.282722=124.727178mm ������2 ρ(������1 ) = ������1 �1 + 2 � = 124.739279������������ ������ 1
产生误差的原因经过分析有以下几个方面： （1）
实验心得：
1、 为了减小估算误差，对光斑半径进行估算并输入计算机进行自 相关计算时，应该多取几组，比较这几组的相关度大小，最终 取相关度最大的那一组作为实验数据； 2、 在实验过程中要保证光器具的干净， 不能用手碰光器具的镜面， 在实验结束时应该及时将塑料罩盖回去；
S = λP2 / πW
(3)
因此测量出 S 的大小就可以求出 W。 (2) 两个散斑场光强分布的互相关函数： 假设观察面任意一点Q 1 上的散斑光强分布为Ｉ(x 1 ,y 1 )，当散射体发 生一个变化后（如散射体发生一个微小的平移 d 0 = d ξ 2 + dη 2 ）观察面任意 一点Q 2 上的散斑光强分布为 Ｉ’ (x 2 ,y 2 )我们定义光强分布的互相关函数为： G C （x 1 ,y 1 ；x 2 ,y 2 ）=〈Ｉ(x 1 ,y 1 ) Ｉ’(x 2 ,y 2 ) 〉 两个散斑场的互相关函数为：
激光投影散斑的原理消除方法
激光投影散斑的原理消除方法
散斑的原理主要涉及两个方面：干涉和散射。
干涉是指光线在不同空间位置相遇并发生干涉现象。
当激光光束照射
到表面时，光线会与表面的不均匀性相互干涉，产生明暗相间的干涉条纹。
这些干涉条纹表现为亮暗相间的斑点，即散斑。
散射是指入射光线在表面上发生多次反射、折射和散射后形成的新纯
散射光线。
当光线照射到粗糙的表面时，表面的微小不均匀性会使光线发
生散射，产生各向异性的光斑分布。
这些散射光线与光束的主要传播方向
垂直，导致光斑扩散。
消除激光投影散斑的方法主要包括以下几种：
1.采用均匀光源：利用面积光源或光纤光源作为激光投影的光源，可
以有效减小激光光束的空间相干性，降低散斑产生的程度。
2.使用光学元件：在激光投影光路中添加一些光学元件（如衍射光栅、透镜、滤波器等），可以调制光线的传播方向和相位，减小散射和干涉对
散斑的影响。
3.表面处理：改变被照射物体的表面形状和光学特性，例如镀膜、研磨、抛光等，可以减少散射和干涉效应，降低散斑的产生。
4.图像处理：通过图像处理的方法，如滤波、聚焦等，可以减小散斑
对投影图像的影响，提高图像的清晰度和质量。
5.高斯光束：将光源转换成高斯光束，可以减小激光光束的相干性，
使散斑的能量分布更加均匀，降低干涉和散射的影响。
总之，对于激光投影散斑问题，需要综合应用光学技术、图像处理技术和表面处理技术等手段，综合考虑物体表面特性、光源特性和光学系统特性，从不同方面进行改进和优化，以达到最佳的散斑抑制效果。
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。
激光散斑实验报告
激光散斑实验报告激光散斑实验报告引言：激光散斑实验是一种常见的物理实验，通过激光光束通过光学系统后在屏幕上出现的散斑图案，可以帮助我们了解光的干涉和衍射现象。
本实验旨在通过观察和分析散斑图案，探索光的波动性质以及光学现象。
一、实验目的本实验的目的是通过观察激光散斑图案，了解光的干涉和衍射现象，以及利用散斑图案进行光学测量。
二、实验材料和仪器1. 激光器：用于产生高强度、单色、相干的激光光束。
2. 光学系统：包括凸透镜、平行光管、狭缝等，用于调节和控制激光光束的传播。
3. 屏幕：用于观察和记录散斑图案。
三、实验原理1. 光的干涉现象：当两束相干光叠加时，会产生干涉现象。
干涉可以分为构造干涉和破坏干涉两种形式。
激光散斑实验中的干涉现象主要是构造干涉，即光波的相位差导致光强的增强或减弱。
2. 光的衍射现象：当光通过狭缝或物体边缘时，会产生衍射现象。
衍射导致光波的传播方向改变，形成散斑图案。
四、实验步骤1. 将激光器放置在适当位置，调整光路，使激光光束通过光学系统。
2. 调节凸透镜和平行光管，使激光光束呈平行光束。
3. 在光路上设置狭缝，控制光的传播范围。
4. 将屏幕放置在适当位置，观察和记录散斑图案。
五、实验结果与分析通过实验观察和记录，可以得到不同形状和大小的散斑图案。
散斑图案的特点是中央亮斑周围环绕着一系列暗斑和亮斑。
这种图案的形成是由于激光光束经过光学系统后，光波的相位差和衍射现象导致的。
散斑图案的大小和形状与光学系统的参数有关。
如果调节凸透镜的焦距或改变狭缝的大小，可以观察到散斑图案的变化。
通过对散斑图案的分析，可以计算出光的波长、光学系统的参数等。
六、实验应用1. 光学测量：利用散斑图案进行光学测量是激光散斑实验的重要应用之一。
通过测量散斑的尺寸和形状，可以计算出被测物体的尺寸、形状等信息。
2. 光学显微镜：激光散斑实验的原理也可以应用于光学显微镜中。
通过在显微镜中加入特定的光学系统，可以观察到更加清晰的显微图像。
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
.
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A
14
实验仪器
He-Ne激光器（632.8 nm）
实验平台及其光学附件（偏振器、全反射镜、凸透 镜、毛玻璃）
CCD、计算机
直尺
A
15
激光散斑的实验原理图
2W0 O0
X1 2W1 毛玻璃
O1
X2 O2 CCD
P1
散斑统计半径理论公式：
P2
S P2 W ( P1 )
散斑平移量△X与毛玻璃的 平移量d0之间的关系 式：
实验中采集的散斑图
毛玻璃横向移动
A
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)
光场的复振幅：
U Uk
N
N
U(x, y,z) Uk
k1
k1
1 N
k
(x,
y,
z)expik
(x,
y,
z)
光强值：
A
20
I(x,y)U (x,y)U *(x,y)
及调试操作方便等优点
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。
三级物理实验
激光散斑 Laser speckles
A
1
内容简介
引言 激光散斑现象与其特点 激光散斑的应用 散斑测量实验的内容 数据处理的方法和结论
A
2
激光散斑概念
激光散斑（Laser speckles) 概念：当一束光照射到具有漫反射特性的粗糙
表面上时，在反射光的空间中用观察屏 去接受光总可以看到一些斑点，这就是 激光散斑现象
光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有 亚稳态能级性质的物质。
2．激励装置 能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激
励装置。如各种激光器所具备的电源。
3．光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质
玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质
（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自
I I0
W0 0.135I0
u ( x , y , z ) A exp[ ik ( x y ) ] q(z)
i
q(z) R (z) w (z)
A
9
高斯光束的传播公式
高斯光束过程中光束轮廓为绕Z轴旋转的双曲面
(z)
z (1
z
2 0
)
z2
z0
w
2 0
w 2(z)
w
2 0
(1
z2
z
2 0
A
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
A
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
A
)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
S2
)
复相干系数
（x2, y2) （x1, y1)
A
21
实验g公(Δ 式x：,Δy)=α+βexp-(Δx2S+2Δy2)
散斑的统计半径：
自相关函数的高斯分布图 A
S= λP2 π W 22
互相关函数 ---两个散斑图的相互关系
I (x1,y1)
I' (x2,y2)
毛玻璃横向移动 微小平移量d0
发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→
激光产生。
A
6
高斯光束的形成
以实验室常用的氦氖激光器为例说明： 波长为632.8nm（3.39 m、 1.15 m）
A
7
激光器出射的高斯光束
d
2W0
d=250mm ，=0.0006328mm ，w0=0.2244mm
w0
(d
1
)2
A
8
高斯光束的复振幅表达式
X
A
d0
1
P2
(P1)
16
实验中的光路参数
2w
2w01 He-Ne
2w02
CCD
d2
d1 P1
P2
A
17
激光散斑的实验装置图
He-Ne激光器 632.8 nm
偏振器 凸透镜 L
毛玻璃
CCD
全反射镜
d1 P1
P2
d2
CCD像元尺寸为 256x256 像A 元（1像元=14 微米）
计算机
18
光强分布的互相关函数定义为：
G c x 1 ,y 1 ;x 2 ,y 2 = < I ( x 1 ,y 1 ) I ( x 2 ,y 2 ) >
A
23
G c(Δ x ,Δ y )=< I> 2 1 + ex p - Δ x + d [1 S + 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2ρ (P 1)] 2 •ex p - Δ y + d [1 S + 2P 2ρ (P 1)] 2
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
A
5
6. 利用散斑进行光学图像处理：例如图像相减等
激光的产生
激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。
1．激活物质 即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激
)
A
10
高斯光束特性图解
w0=0.2244mm
z
准直距离
z0=2w02 /
=499.99 mm
R(z)为在z处波面曲率半径
A
11
高斯光束经透镜后的变换
2W0
1
2W0
2
d1
d2
a (1 d 1 ) 2 ( w 012 ) 2
f
f
d2
f
f
d1 a
w 02 2
w 012 a
(1
w 012
d1
光）。
400
光谱响应度
1050 波长/nm
A
13
实验目的 单光束散斑技术
测量散斑的统计半径（通过计算散斑场各点光强的自相关函数
并拟合求出）
S= λP2
πW
测量散斑的位移（通过计算两个散斑场各点光强的互相关函数 并拟合求出）
Δx=
dx
(1+
P2 ρ(P1)
)
由以上两式求出照在毛玻璃上光斑的大小以及透镜的焦点的大 小，毛玻璃的实际位移量等。
光强分布的自相关函数定义：
G (x 1 ,y 1 ;x 2 ,y 2 )= < I(x 1 ,y 1 )I(x 2 ,y 2 )>
单个散斑的自相关函数为：
其中：
G(Δx,Δy)=<I>21+exp(-Δx2S +2Δy2)
x x1 x2 y y1 y2
理论公式：
Δx2+Δy2
g(Δx,Δy)=1+exp-(