實(shí)驗(yàn)十五 數(shù)字散斑測量微小位移的實(shí)驗(yàn)

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1、實(shí)驗(yàn)十五數(shù)字散斑測量微小位移的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握數(shù)字散斑干涉的原理。2.學(xué)會(huì)根據(jù)CCD，激光器等器件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅立葉變換，測量物體的微小位移。3.學(xué)會(huì)分析思考并處理實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上時(shí)，在反射光的空間中用一個(gè)白色的屏去接收光總可以看到一些斑點(diǎn)，這就是激光散斑現(xiàn)象。散斑現(xiàn)象是高度相干性光源照明的結(jié)果，雖然會(huì)降低全息照相時(shí)的成像質(zhì)量，但由于散斑的大小、位移及運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，它可以用來進(jìn)行微小位移的檢測、形變測量以及振動(dòng)研究等。傳統(tǒng)的散斑干涉測量技術(shù)采用在同一張底片上記錄物體位移前

2、后的雙曝光散斑圖，并通過會(huì)聚透鏡進(jìn)行光學(xué)傅立葉變換得到楊氏條紋圖。隨著CCD的日益普及出現(xiàn)了數(shù)字散斑干涉技術(shù)，散斑圖可以方便的記錄在計(jì)算機(jī)中，并使用數(shù)字傅立葉變換進(jìn)行處理和分析，避免了底片沖印測量的繁瑣過程，可以實(shí)現(xiàn)方便快速的實(shí)時(shí)測量。通過CCD捕獲被測物體位移前后的雙曝光散斑圖，對(duì)雙曝光散斑圖的任一點(diǎn)附近取一小塊區(qū)域進(jìn)行兩次快速傅立葉變換，可以得到物體位移的方向和距離。設(shè)位移前后的散斑圖分別為和，疊加得雙曝光散斑圖(15-1)用快速傅立葉變換對(duì)其中一小塊區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為一小幅楊氏條紋圖。(15-2)上式中，為頻譜圖上的譜面函數(shù)，為譜

3、面坐標(biāo)，是積分域。根據(jù)傅立葉平移原理，并假設(shè)很小，可得雙曝光散斑圖相應(yīng)的光強(qiáng)為：(15-3)式中，，是楊氏條紋的對(duì)比度。這樣，得到形成明暗相間的楊氏條紋。為求得楊氏條紋的密度和方位，需再進(jìn)行一次快速傅立葉變換，得到的譜面函數(shù)，和為頻譜坐標(biāo)，為域，(15-4)化簡得：(15-5)此式表明譜面函數(shù)分三個(gè)部分：A.處光暈譜是一亮點(diǎn)。B.以及處是兩個(gè)對(duì)稱的次亮點(diǎn)。光強(qiáng)灰度不到暈譜一半光強(qiáng)，次亮點(diǎn)位置表示位移：(15-6)次亮點(diǎn)連線與水平軸夾角即位移的方向在本實(shí)驗(yàn)中，用毛玻璃作為待測物體，通過CCD分別記錄毛玻璃位移前和位移后的兩幅散斑圖，通過計(jì)算

4、機(jī)處理得到雙曝光散斑圖。由于數(shù)字傅立葉變換的局限性，每次都只取雙曝光散斑圖的256×256區(qū)域進(jìn)行傅立葉變換。通過二次傅立葉變換可以得到毛玻璃位移的方向和距離。實(shí)驗(yàn)器材：He-Ne激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直透鏡、傅里葉變換透鏡、CCD（3mm×4mm、640×480像素）、計(jì)算機(jī)、毛玻璃（待測移動(dòng)物體）、圖像處理軟件DSPI。實(shí)驗(yàn)光路：實(shí)驗(yàn)步驟：1．按實(shí)驗(yàn)光路所示搭建好光路：1)調(diào)節(jié)激光束平行于全息臺(tái)面；2)在臺(tái)面上選擇合適的位置放置準(zhǔn)直透鏡L1和傅里葉變換透鏡L2，使光束垂直經(jīng)過透鏡的中心；3)在準(zhǔn)直透鏡L1前放置擴(kuò)束鏡L，使光束垂直經(jīng)過其中

5、心，前后調(diào)節(jié)其位置，使光束經(jīng)過L1后成平行光；4)放上濾波器PN，仔細(xì)調(diào)節(jié)，使其濾除雜光；5)在成像透鏡L2的前焦面放置待測物體毛玻璃，并且與光軸垂直；6)調(diào)節(jié)CCD的位置使其正對(duì)透鏡L2。2．?dāng)?shù)字散斑干涉軟件的使用1)運(yùn)行DSPI可執(zhí)行程序，單擊接通按鈕由“Off”轉(zhuǎn)為“On”，打開CCD攝像頭。單擊格式按鈕，設(shè)置攝像頭分辨率為640×480，圖像格式為24位RGB；2)打開激光器，按DSPI的“開始測試”按鈕；3)先后按下“位移前”和“位移后”按鈕記錄被測物體位移前和位移后散斑干涉圖；4)在編輯框中輸入x和y的值，設(shè)置將要在雙曝光散斑

6、干涉圖上截取的小塊區(qū)域的起點(diǎn)；5)按“第一次FFT”按鈕，得到傅立葉條紋的圖像，并可拖動(dòng)滾動(dòng)調(diào)條件對(duì)比度，按“保存”按鈕保存圖像；6)按“第二次FFT”按鈕，得到物體移動(dòng)方向和距離圖像，按“保存”按鈕保存圖像；3．物體微小位移的方向二次傅立葉變換后的數(shù)字雙曝光散斑圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同的方向移動(dòng)毛玻璃微小距離，和二次傅立葉變換后的圖比較，得出圖中亮點(diǎn)連線的方向和毛玻璃移動(dòng)方向的關(guān)系；4．確定物體微小位移的方向和距離與二次傅立葉變換后的數(shù)字雙曝光散斑圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同的方向移動(dòng)毛玻璃微小距離，記錄下移動(dòng)的距離Lo,并和二次傅立葉變換后一對(duì)亮點(diǎn)間

7、的距離Li（以象素點(diǎn)為單位）比較得出比例關(guān)系,k=Lo/Li；5．?dāng)?shù)字散斑干涉技術(shù)測量物體的微小移動(dòng)距離把毛玻璃移動(dòng)微小的距離，測量二次傅立葉變換后的散斑圖上亮點(diǎn)的距離Li，根據(jù)Lo=k*Li,得到毛玻璃移動(dòng)的實(shí)際距離；6．第4，第5步多次測量取平均值，繪制表格填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。思考題：1．?dāng)?shù)字散斑測量中的被測物體微小移動(dòng)距離受哪些條件的限制，本實(shí)驗(yàn)中能測量的最大移動(dòng)距離大概是多少？2．定性分析實(shí)際移動(dòng)距離和數(shù)字圖像中亮點(diǎn)的距離比例k的大小取決與哪些條件。