《光学测试技术》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016年12月
《光学测试技术》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016 年 12 月
目录 实验一光散斑的性质及测试实验… …1 实验二面内位移的散斑测量实验 4 实验三物体形变的散斑测量实验 6 实验四激光干涉精密测量实验 9 实验五激光衍射计量技术实验… .12 实验六巴俾特原理及细丝直径测量实验… .15 实验七激光共焦三维测量实验…17 实验八光学傅里叶变换及图像处理方法实验 20
目录 实验一 光散斑的性质及测试实验 ............................................................................ 1 实验二 面内位移的散斑测量实验 ............................................................................ 4 实验三 物体形变的散斑测量实验 ............................................................................ 6 实验四 激光干涉精密测量实验................................................................................ 9 实验五 激光衍射计量技术实验.............................................................................. 12 实验六 巴俾特原理及细丝直径测量实验............................................................... 15 实验七 激光共焦三维测量实验.............................................................................. 17 实验八 光学傅里叶变换及图像处理方法实验 ....................................................... 20
实验一光散斑的性质及测试实验 一、 实验目的 1.了解散斑的性质及特点 2.掌握散斑的测试方法 二、 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。 X 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。颗粒的 大小，可用它的平均直径来表示，而颗粒尺寸的严格定义是两相邻亮斑间距离的 1
1 实验一 光散斑的性质及测试实验 一、 实验目的 1．了解散斑的性质及特点 2．掌握散斑的测试方法 二、 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。颗粒的 大小，可用它的平均直径来表示，而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λ及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔 径角u’所决定，即 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，则 4=3、06d = 在斑干涉技术中，常常应用成像散斑来进行测量。 散斑的基本性质： 1.散斑与均匀场的相干结合，散斑图与相应的单独散斑图分布差别不大，只 是全暗光斑较少一些 2.散斑与均匀场的不相干叠加，没有全暗散斑 3.两个散斑场的相干相加，散斑的大小没有明显变化 4.两个散斑场的非相干相加，没有全暗光斑 三、实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图 0 光做 CMOS引机 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构 五、实验步骤 1.开机，激光器a通电，待光强稳定： 2.按实验光路图布置好光路，扩束激光： 3.在反射机构i,上安装反射镜： 2
2 统计平均值。此值由产生散斑的激光波长λ及粗糙表面圆形照明区域对该散斑的孔 径角 u’所决定，即 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，则 在斑干涉技术中，常常应用成像散斑来进行测量。 散斑的基本性质： 1． 散斑与均匀场的相干结合，散斑图与相应的单独散斑图分布差别不大，只 是全暗光 斑较少一些 2． 散斑与均匀场的不相干叠加，没有全暗散斑 3． 两个散斑场的相干相加，散斑的大小没有明显变化 4． 两个散斑场的非相干相加，没有全暗光斑 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,上安装反射镜；
4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机0： 5.运行实验软件，选择实验一，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机O,使散斑图案清晰： 6.更换反射机构i上的反射器件（反射镜，铜片，铝片)，观察散斑图案，并 保存记录： 材质 散斑图 铜片散斑图 铝片散斑图 3
3 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验一，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机 o，使散斑图案清晰； 6. 更换反射机构 i 上的反射器件（反射镜，铜片，铝片），观察散斑图案，并 保存记录； 材质 散斑图 铜片散斑图 铝片散斑图
实验二面内位移的散斑测量实验 一、 实验目的 1.掌握散斑测量平面位移的基本原理 2.进行面内位移的散斑测量，对散斑测量形成定性认识 二、实验原理 当物体发生位移时，引起前方空间散斑场分布的变化，通过测量散斑场的变 化，从而得到物体位移的相关信息。测量面内位移的原理见图1。实际测量时， 以单束激光S照射物体U的表面，在物体前方空间将充满散斑，取相机靶面平行 物平面的位置。当物体发生位移时，空间散斑颗粒也发生位移，则空间散斑在数字 相机靶面上也同样发生位移，在电脑中分别记录下物体位移前后的空间散斑图。在 位移前散斑图上，取散斑某子区，将其在位移后的数字散斑图上进行相关搜索，由 相关系数的最大值求出位移值。 S P P 图1散斑面内位移测量原理图 三、实验器材 光电实验平台、电脑 四、实验光路图 4
4 实验二 面内位移的散斑测量实验 一、 实验目的 1. 掌握散斑测量平面位移的基本原理 2. 进行面内位移的散斑测量, 对散斑测量形成定性认识 二、 实验原理 当物体发生位移时，引起前方空间散斑场分布的变化，通过测量散斑场的变 化，从而得 到物体位移的相关信息。测量面内位移的原理见图 1。实际测量时， 以单束激光 S 照射物体 U 的表面，在物体前方空间将充满散斑，取相机靶面平行 物平面的位置。当物体发生位移时，空间散斑颗粒也发生位移，则空间散斑在数字 相机靶面上也同样发生位移，在电脑中分别记录下物体位移前后的空间散斑图。在 位移前散斑图上，取散斑某子区，将其在位移后的数字散斑图上进行相关搜索，由 相关系数的最大值求出位移值。 图 1 散斑面内位移测量原理图 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图
CMOs a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜，i-反射机构，0数字相机 五、实验步骤 1.开机，激光器a通电，待光强稳定： 2.按实验光路图布置好光路，扩束激光： 3.在反射机构1，上安装反射镜： 4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机0： 5.运行实验软件，选择实验二，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机o,使散斑图案清晰： 6.将反射机构1上的反射器件替换为铝片，观察散斑图案，并保存图片： 7.向任意方向轻移反射器件，观察散斑图案，并保存图片 8.点击“数据处理”，在软件数据处理界面，分别点击“读取原始图像”、“读 取位移图像”，选择开始保存的位移前后两幅图。点击“原始图像”“位移图像” 按键可以分别观察读入图片是否正确。 9.点击“散斑计算”，记录计算出的结果。 10.重复6-9，多测几组数据并记录。 5
5 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑， g-分光棱镜， i-反射机构，o-数字相机 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,上安装反射镜； 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验二，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数字 相机 o，使散斑图案清晰； 6. 将反射机构 i 上的反射器件替换为铝片，观察散斑图案，并保存图片； 7. 向任意方向轻移反射器件，观察散斑图案，并保存图片 8. 点击“数据处理”，在软件数据处理界面，分别点击“读取原始图像”、“读 取位移图像”，选择开始保存的位移前后两幅图。点击“原始图像”“位移图像” 按键可以分别观察读入图片是否正确。 9. 点击“散斑计算”，记录计算出的结果。 10. 重复 6-9，多测几组数据并记录
实验三物体形变的散斑测量实验 一、 实验目的 1.了解电子散斑干涉原理 2.进行形变的散斑测量 二、实验原理 测量形变的原理见图1。M1是被测面，反射后的激光为物光，M2是参考面， 反射后的激光为参考光。物光和参考光在像面PP,上形成散斑干涉图。 B1 Bo M1被测面（粗糙面） 激 P P1 图1形变测量原理图 物光的光强分布为： U(r)=u.(r)expΦ.(r) (1) 其中(r）是光波的振幅，Φ。(r)是经物体漫射后的物体光波的相位。 参考光的光强分布为： U(r）=uR(r)eXpΦR(r) (2) 物光与参考光在CCD靶面上汇合形成光强I()为： I(r）=u2+uR+2u。4Rcos(p。-pR) (3) 当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅u(r)基本不变，而位相。(r)将 改变为中。(r）-△(r),即 U。=un(r)exp[p。(r)-△(r)] (4) 其中△Φ(r)为由于物体变形产生的相位变化。 变形前后的参考光波维持不变。这样，变形后的合成光强I(r)为： I(r）)=u2+uR+2u。g COS中。-中R-△(r)】 (5) 对变形前后的两个光强进行相减处理： 6
6 实验三 物体形变的散斑测量实验 一、 实验目的 1. 了解电子散斑干涉原理 2. 进行形变的散斑测量 二、 实验原理 测量形变的原理见图 1。M1 是被测面，反射后的激光为物光， M2 是参考面， 反射后的激光为参考光。物光和参考光在像面 PP1上形成散斑干涉图。 图 1 形变测量原理图 物光的光强分布为： U (r) u (r) exp (r) o = o Φo (1) 其中 ( ) 0 u r 是光波的振幅， ( ) 0 Φ r 是经物体漫射后的物体光波的相位。 参考光的光强分布为： UR (r) = uR (r)expΦR (r) (2) 物光与参考光在 CCD 靶面上汇合形成光强 I(r)为： ( ) 2 cos( ) 2 2 o R o R o R I r = u + u + u u φ − φ (3) 当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅u (r) o 基本不变，而位相 (r) φ o 将 改变为 (r) (r) φ o − Δφ ，即 ( ) exp[ ( ) ( )] ' U u r r r O = o φ o − Δφ (4) 其中ΔФ（r）为由于物体变形产生的相位变化。 变形前后的参考光波维持不变。这样，变形后的合成光强 ( ) ' I r 为： ( ) 2 cos[ ( )] ' 2 2 I r u u u u r = o + R + o R φ o − φ R − Δφ (5) 对变形前后的两个光强进行相减处理：
I=I(r)-I(r) =hu后+u项+2u,4ecos[。-pR-△(r)-后+u项+2u,4ecos(。-pR】 a..in()-et sin ee (6) 由式(6)可见，相减处理后的光强是一个包含有高频载波项 sim(4。-中a)-4p] 的低频条纹sin△o。该低频条纹取决于物体变形引起的光 2 2 波相位改变。 这个光波相位变化与物体变形关系从光波传播的理论可以推导出来，即有： A0=20+cos0)+dsnol (7) 其中1是所用激光波长，0是照明光与物体表面法线的夹角，d是物体变形的 离面位移，d是物体变形的面内方向位移。 为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角0比较小，即cos0≈1，sin0≈0，则 由(7)式可以得到： △0=4切d (8) 有(6)式可知，在暗条纹处， △中=2kπ (9) 由(8)式和(9)式可得到： d号 (10) 即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。 三、实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图 7
7 ( ) ( ) ' I = I r − I r = 2 cos[ ] ( ) [ 2 cos( )] 2 2 2 2 o R o R o R uo uR uouR o R u + u + u u φ −φ − Δφ r − + + φ −φ = 2 ( ) sin 2 ( ) 4 sin ( ) r r u uo R o R ϕ ϕ φ φ Δ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − − (6) 由 式 (6) 可 见 ， 相 减 处 理 后 的 光强是一个包含有高频载波项 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ Δ − − 2 ( ) sin ( ) r o R ϕ φ φ 的低频条纹 2 ( ) sin Δϕ r 。该低频条纹取决于物体变形引起的光 波相位改变。 这个光波相位变化与物体变形关系从光波传播的理论可以推导出来，即有： [ ] θ θ λ π φ (1 cos ) sin 2 1 2 Δ = d + + d (7) 其中λ 是所用激光波长，θ 是照明光与物体表面法线的夹角， 1 d 是物体变形的 离面位移， 2 d 是物体变形的面内方向位移。 为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角θ 比较小，即cosθ ≈ 1,sinθ ≈ 0 ，则 由（7）式可以得到： 1 4 d λ π Δφ = (8) 有(6)式可知，在暗条纹处， Δφ = 2kπ (9) 由(8)式和（9）式可得到： 2 1 kλ d = （10） 即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。 三、 实验器材 光电实验平台、电脑 四、 实验光路图
0 相形：光食 CMOS a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光 棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构，o-数字相机 五、实验步骤 1.开机，激光器a通电，待光强稳定； 2.按实验光路图布置好光路，扩束激光： 3.在反射机构i,j上安装反射镜： 4.调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机o: 5.运行实验软件，选择实验三，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数 字相机0，使散斑图案清晰： 6.更换反射机构1上的反射器件（铜片或者铝片），在参考光光路加入衰减 器件k,适当调节被测物角度，使得物光和参考光光强大致相等，观察散斑图 案，采集并保存此时相机上的图像； 7.微调被测物角度，采集并保存变化后相机上的图像： 8.重复上步骤5次，进入到实验软件数据处理界面： 9.单机“原始图样”，按照路径选择原始图片，再点击“位移图样”，按照路 径选择微调后图片； 10.点击“散斑计算”，进行计算。所得到的偏转角为被测物旋转角度的绝对 值。 8
8 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光 棱镜，k-衰减片，i,j-反射机构，o-数字相机 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,j 上安装反射镜； 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得激光照射进数字相机 o； 5. 运行实验软件，选择实验三，点击“采集”，使得数字相机工作，移动数 字相机 o，使散斑图案清晰； 6. 更换反射机构 i 上的反射器件（铜片或者铝片），在参考光光路加入衰减 器件 k, 适当调节被测物角度，使得物光和参考光光强大致相等，观察散斑图 案，采集并保存此时相机上的图像； 7. 微调被测物角度，采集并保存变化后相机上的图像； 8. 重复上步骤 5 次，进入到实验软件数据处理界面； 9. 单机“原始图样”，按照路径选择原始图片，再点击“位移图样”，按照路 径选择微调后图片； 10. 点击“散斑计算”，进行计算。所得到的偏转角为被测物旋转角度的绝对 值