现代信息光学结课报告.doc

测控1002班，张达飞，2010010677光学信息处理课程报告班级：测控1002姓名：张达飞学号：2010010677激光散斑技术及应用1. 引言近年来激光散斑计量技术发展迅速，已在许多领域得到了广泛应用。激光散斑计量技术是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法，它具有全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时快速等优点，现已广泛应用于振动、位移、形变、断裂及粗糙度的测量等，成为无损计量领域的有效工具，是当前国际上的热门研究课题之一。2. 激光散斑计量方法基本原理激光散斑计量技术主要有：直接照相法、双曝光法、电子散斑干涉法、错位散斑干涉法和散斑相关测量技术等。21 电子散斑干涉法电子散斑干涉法(ESPI)包括用电子方法处理的电子散斑干涉法(ESPI)和用数字方法处理的数字散斑干涉法(DSPI)。Butters和Leendeaz于1971年首先提出了电子散斑干涉法，经过几十年的发展，ESP已广泛应用于无损测量领域。受全息术的启发，为使拍得的图像包含振幅和位相信息，ESPI技术引入了参考光，下图是ESPI的测量原理图。ESPI的测量装置采用迈克尔逊干涉系统，激光器发出的光经准直后照射到分束板上，分为两束后照在被测物体和参考物体上；反射回来的光经分束板后，进入CCD相机，形成干涉图样。设在两次成像之间，被测物件变形，则两束光的相对位相差仅归因于离面位移，并表示为：由式(I)结合干涉条纹图，可求得被测物件的形变量。ESP技术一般需要参考光，能够测量位移、形变、振动和粗糙度等。它的缺点是系统对空气湍流和寄生运动所引起的干扰相当敏感，需要较好的防震措施。22 错位散斑干涉法错位散斑干涉法(ESSI)或称剪切散斑干涉法，测的不是位移而是位移梯度，可用来测量物体的形变、振动和恒值线等。它的优点是没有参考光路，受环境扰动和机械噪音的影响很小；但它受剪切范围、剪切方向和引入的荷载等多个有效因子的影响。图2是ESSI的实验装置图。准直激光束与水平方向成角倾斜入射待测物体；CCD前的成像透镜的上半部分盖有一片薄玻璃楔。由于光线透过玻璃楔片时会产生偏折，所以两个像(透镜的每一半会聚一个像)彼此横向剪切。若在 方向上剪切，玻璃楔产生的剪切量为：式(2)中n为楔的折射率；A为玻璃楔楔角。当物体发生形变时, P(x,y)和P(x+x,y)两点之间出现相对位移，引起的相位差为：,分别为沿x和z方向的位移分量。若x足够小，则式(3)变为：物体变形前后两次曝光，就得到式(4)中的散斑条纹图，分析可得沿x方向的位移梯度。23 散斑相关测量法散斑相关测量法是20世纪8O年代由日本Yamaguchi I和美国南卡罗来纳大学的Peter W H和Panson W F等人独立提出的。它是一种非接触式位移测量方法，具有光路简单、对测量环境要求低等优点，近年来获得了长足的进展。激光散斑相关测量法的基本原理是：先把物体变形前后拍得的散斑图转换成2个数字灰度场。对变形前的散斑图取P点为待测点，以P为中心取mxm个像素为子集A，当被测物体形变后，子集A移至子集B的位置。由统计学知，A与B这两个样本空间的相关系数最大，因此可以根据相关系数的最大值来确定子集B的位置，从而得到该点的位移。由概率与统计理论可知，子集A和子集B的相关系数为：其中，f(x,y)为子集A中(x,y)点处的灰度值；g(x+,y+)为子集B中(x+,y+)点处的灰度值；分别为子集A和B的平均灰度。通过搜索相关系数C的峰值来确定待测点X方向的位移和Y方向的位移。当测量的点比较多时，相关测量法的计算量非常庞大，因此提高测量精度和搜索速度是该方法的研究重点。3. 图像处理方法基本原理用激光散斑计量方法拍得的图像是一幅充满噪声的散斑图，有用的信息被淹没在大量的散斑噪声中。要从一幅散斑条纹图中得到被测物体的表面信息，首先需要对图像进行处理。图像处理的主要任务是去除散斑噪声、提高条纹对比度。其主要方法有：相移法、条纹灰度法、条纹中心线法、傅氏变换法和亚像素搜索法等。31 相移法相移法是国际公认的最有效、精度最高的方法。相移法的原理是：在物体变形过程中通过改变参考光路的位相多次拍摄散斑条纹图，通过减模式运算获得条纹位相分布，这类方法要求至少有3幅或3幅以上的带有相移的条纹图。下面公式给出了相移法计算中的位相公式【1】。其中， (x,y)为相位分布；m为采样幅数。若采用三步相移法，即m=3，有实现相移的方法主要有：压电陶瓷相移、偏振相移和光栅相移等。其中，应用最广泛的是利用PZT压电陶瓷获得相移，但这种方法装置比较复杂且成本较高。中国科技大学的伍小平教授等设计了一种精度高、成本低且易于操作的空气相移器，应用于电子散斑干涉仪上，得到了全场位相图【2】。同时， 该课题组利用偏振相移和伦奇(Ronchi)光栅相结合的方法，扩展了实时偏振相移法，实现了对动态过程的实时测量【3】。相移法获得的是相位主值，相位被包裹在0,之间，要获得全场位相分布图，需要用去包裹算法对相移法获得的条纹图进行处理。此外，在相移主值图去包裹中，需要可靠性好的算法和程序，这是国际上尚未解决的问题。32 条纹跟踪法20世纪70年代，数字图像处理系统的引入，促进了分析和处理散斑干涉条纹的条纹跟踪法的发展。一般条纹跟踪法先要对条纹图进行预处理即滤波、增强、二值并细化为条纹骨架，然后由条纹自动跟踪程序完成条纹自动复制。它的关键是必须对条纹图进行准确的分析，正确地提取条纹骨架线。该方法对于质量较好的条纹图十分有效，但对于像电子散斑颗粒性的条纹图则必须进行很好的预处理，否则将会产生很大的误差。33 条纹灰度法干涉条纹图光强或灰度分布规律可用下式表示：其中，I(x,y)是条纹图的灰度值；Io(x，y)是背景分布；I1(x，y)是条纹对比度；In(x，y)是相加随机噪声(包括随机噪声和系统噪声)；(x,y)是相位场分布。其中，只有I(x,y)是已知量。条纹灰度法的原理是设法消除In(x，y)把,Io(x，y)和I1(x，y)化成已知的参数，可将式(8)变换成下式：由式(9)可知，此时条纹每一点的灰度值直接对应一个相位主值：4. 应用41 在振动测量中的应用在利用电子散斑干涉法测量物体振动时，最常用的方法是时间平均法，但这种方法得到的振动条纹是由第1类零阶贝塞耳函数产生的。由于贝塞耳函数随自变量的增加迅速衰减的特性和散斑噪声的存在，振动条纹的质量明显降低。为了克服这一缺点，有的研究者通过对贝塞尔函数取余弦近似和控制参考振动的相位和振幅，实现了01212m振动的精确测量【4】。为了进行大范围全场测量物体的纳米级微小振动，在参考光路中引入了和物体同频率的参考振动(正弦相位调制SPM)，通过相移和参考振动振幅加减法实现了纳米全场振动测量【5】。一般情况下，对振动物体进行定量测量要求振动物体、光源及记录系统必须同步，而且需要引入相移或载波条纹技术，这使得测量系统复杂且易受环境噪声影响。近年来，研究人员研发了一种时间散斑图干涉法或称时间序列散斑图干涉法。这种方法利用传统的ESPI技术，在测量振动时不需要引入相移和载波条纹，而是通过控制曝光频率与振动频率等各参数间的关系，实施一系列特殊的算法，获得物体的振幅和相位，灵敏度达到了半个波长的量级【6】。42 在位移测量中的应用错位数字散斑干涉术的光路和结构简单，对防震要求低，已得到广泛的应用。利用渥拉斯顿棱镜的双折射现象产生大错位的成本较高，同时光学质量难以保证均匀一致，波像差较大，影响了干涉条纹图的质量。对此不足之处，已有科学家提出了在像空间放置光栅，取代渥拉斯顿棱镜，实现大错位数字散斑干涉【7】，并对受均布载荷的周界固定方板的离面位移场进行了实测，其位移测量灵敏度和精度为4。用电子散斑对物体面内形变位移进行测量时，对于面内两个敏感矢量方向的位移只能分别测量，这就不可避免地限制了它的应用范围。为了同时获得面内两个方向的位移，研究者们提出了一种能同时测量面内全场位移的测量系统【8】。该系统用分光镜将激光器发出的相干光分成强度相等的四束光，把这四束光分成两组，每组中的两束光偏振状态相同，组与组之间的偏振态互相垂直，用一套摄像及像处理系统对物体表面散斑场同时记录和处理，获得物体表面两个位移的条纹图，从而同时得到面内位移的两个分量。由于ESPI技术对机械振动、大气扰动及环境噪音相当敏感，要求物光路和参考光路在测量中保持相对静止或同步变化，所以它对于测量环境要求比较苛刻，远不能满足工程的需要。为使ESPI技术能够在工程实践中得到应用，人们提出了多种退敏感光路，降低了对测量环境的要求，其中有一种是ESPI近程补偿干涉装置【9】。它的方法是：在被测样品前放参考玻璃板，激光束发出的光经毛玻璃反射后透过参考玻璃板照到被测样品上，从参考玻璃板和被测样品反射回的光相互干涉成像在CCD摄像机上。利用它来测量麦克风上膜片的离面位移，取得了比较满意的效果。ESPI一般采取减模方式处理图像，但其中的高频噪声很难除去。为了消除高频噪声，获得高信噪比的图像，有的科学家采用平均中通滤波和小波变换相结合的方法【10】，应用在静态和动态离面位移的测量上得到了高信噪比图像。43 在测量应变中的应用在利用激光散斑方法测量应变的研究中，上海711研究所的张熹研究员提出了一种大错位三维电子散斑干涉法【11】，并与盲孔法相结合，获得了物体的三维形变场，并直接计算出了残余应力的大小。在利用数字散斑相关技术测量物体的形变场时，主要问题是提高测量精度，减少运算时间。国内清华大学提出了一种基于斜率的亚像素搜索法【12】，应用于刚体平移和转动及生物力学中，显著减少了运算时间。由于ESPI和ESSI各有优缺点，如果能把它们组合在一起则能综合它们的优点。印度科学家在这方面进行了尝试，他们将ESPI和ESSI做成一套系统，用它来检测宇宙飞船的蜂巢式面板和推进仓【13】，提高了检测的可靠性。44 在其他领域中的应用在医学生物学中，用激光散斑技术研究微血管血流和生物组织具有重要意义。华中科技大学用激光散斑技术研究了局部肠系膜血流的有效特征【14】并研究了对散斑时间统计积分【15】，改进了激光散斑成像方法(LSI)，提高了空间分辨率。激光散斑技术还能用于研究水果的腐烂损伤及种子的发育能力【16】等。在燃烧学和热物理学中，可以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【l7】。参考文献【l】秦玉文，戴嘉彬，陈金龙电子散斑方法的进展J实验力学，1996，ll(4)：410416【2】张海波，伍小平，李江伟空气相移器及其应用J应用激光，1992，12(6)：255259【3】钱克矛，缪泓，伍小平一种用于动态过程测量的实时偏振相移方法J光学学报，2001，21(1)：6467【4】乐开端，贾书海，谭玉山012mm至1,2mm振动测量技术研究J西安交通大学学报，2000，34(1)：5557【5】乐开端，贾书海，谭玉山激光纳米振动测量技术研究J光子学报，1999，128(8)：715717【6】Li X，Tao GLow一equency harmonic vibration analysis with temporal speckle pattern interferometryJoptics&Laser Technology，2002，34(3)：259264【7】谢蒙萌，姜锦虎，杨勇等光栅大错位数字散斑干涉术的研究J光学学报，2001，21(1)：125128【8】范华，宋元鹤，谭玉山利用激光偏振特性的电子散斑面内全场位移测量技术的研究J中国激光，1999，A26(2)：127-130【9】Hansen R SA compact ESPI system for displacement measurements of specular reflecting or optical rough surfacesJOPtics&Laser in Engineering,2004，41(1)：7380【10】Kumar R，Singh I P，Shakher CMeasurement of outof-plane static and dynamic deformations by processing digitalspeckle pattern interferometry fringes using wavelet transform Joptics&Laser in Engineering,2004，41(1)：8193【ll】张熹，孙平，金华三维电子散斑干涉法在检测残余应力中的应用J实验力学，2000，15(2)：125131【12】Zhang J，Jin G，Ma S，et a1Application of an improved subpixel registration algorithm on digital speckle correlation measurementJOPtics&Laser Technology，2003，35(7)：535542【13】Rao M V，Samuel R，Ananthan AApplications of electronic speckle interferometry(ESI) techniques for spacecraftstruc