激光散斑测量物体表面粗糙度的研究
散斑干涉实验
散斑干涉实验 光信息科学与技术08级3班 组别：B17 一、实验目的 1、了解散斑的性质及特点。 2、掌握散斑和离面散斑的测试方法。 二、实验原理 1、散斑的形成 当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表 面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。要 形成散斑且散斑质量较好必须具备以下条件： （1）有能发生散射光的粗糙表面； （2）粗糙表面深度须大于入射光波长； （3）入射光线的相干度要足够高，如使用激光。 图1、散斑图像 散斑携带了散射面的丰富信息，可以通过散斑的性质来推测物体表面的性质。由于这种办法的无损、快速等诸多优点，它被广泛应用于工业控制的缺陷检测、医学的光活检等领域，且受到越来越多的关注 2、散斑的大小 散斑颗粒的大小，可用它的平均直径来表示，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及粗糙表面圆型照明区域对该散斑的孔径角' u 决定： 散斑平均半径=表示： ='0.6/M*sin u 0.6/M*NA λλ= （3） 3、散斑的光强分布 正常散斑图是杂乱无章的随机散斑图，其强度分布为负指数概率密度函数。概率最大的 强度趋于零，即黑散斑比其他强度的散斑都多。
激光散斑测量讲解
引言 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，因此是值得在教学实验中推广的一个实验。本实验的目的是让学生初步了解激光散斑的特性，学习有关散斑光强分布和散射体表面位移的实时测量方法：相关函数法，通过本实验还可以了解激光光束的基本特点以及CCD光电数据采集系统。这些都是当代科研和教育技术中很有用的基本技术和知识。 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。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），另一种是由透镜成像形成的（也称主观散斑）。在本实验中我们只研究前一种情况。当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离
激光散斑和激光多普勒测量
激光散斑和激光多普勒测量 从图1.3 可知，激光散斑主要应用于微循环的血流监测，这是因为激光散斑测量 法相对于放射性微球技术 [25] 、荧光示踪检测法 [26] 和氢离子稀释 [27] 等方法，具有非接触、 无创伤、能对血流分布快速成像等优点。具有相同优点的另外一种光学检测技术——激光多普勒速度测量技术，是利用粒子散射光的强度波动引起的多普勒频移来测量散射子的速度，它可用于监控血流以及人体其它组织或器官的运动。激光多普勒技术用于测量血流速度的研究始于20 世纪70 年代，至今已经发展为成熟的医疗诊断工具。与激光多普勒技术不同的是，激光散斑是受激光照射物体产生的随机干涉效应的颗粒状图案。如果物体由单个移动散射体（如血细胞）组成，散射图案会有波动。这些波动包含了散射体运动变化的信息。尽管激光散斑技术看起来和激光多普勒技术大相径庭，一个是多普勒现象，一个是干涉现象，但是通过数学分析，这两种方法在最终的数学表达上是可以统一的 (1.1 a)描述的是频率变化引起的强度变化，(1.1 b)是相位变化引起的强度变化。可以 看出激光散斑和激光多普勒是观察同一现象的两种不同途径，却各有自身的发展。 相干光照射的运动散射粒子会引起光强的随机波动，其物理基础可以通过两种方 式来表示：随机相干图案的波动（时间积分和微分的时变散斑或动态散斑）和不同频率之间产生的拍频和混频（多普勒频移）。图1.4 展示了运动散射粒子引起的随机光强波动的测量方法。 .2 激光散斑测量与统计特性 5 固体或流体的散射粒子运动时，会产生多普勒频移。对同向运动的散射体，其所 有的或大部分的散射光具有相同的频移，这时需要加入参考光源来产生频率差。不移动的参考光源与运动散射粒子频移的频率差与散射粒子的运动速度相关，这就是典型的激光多普勒测速仪的外差测量法。当散射粒子运动产生的多普勒频移具有一定的范围，即产生了多普勒频移谱，这时频移之间会发生相互的自拍频，在零频附近展开，此为频率的零差，可以使用光子相干光谱测量 [14,15] 。
激光散斑测量2011412225741
实验名称：激光散斑的测量 实验目的： 1.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）W P S πλ2 = 。2.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）)) (1(12 P P d x x ρ+=?。3.由以上两式求出照在毛玻璃上光斑的大小以及毛玻璃的实际位移量等。 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。 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。当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃 以是反射式的情形)
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。由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。它的变化规律可以用相关函数来描述。 2. 激光散斑光强分布的相关函数的概念 如图3所示激光高斯光束（参见附录1）投射在毛玻璃上(ξ,η),在一定距离处放置的观察屏(x,y)上的形成的散斑的光强分布为Ｉ(x,y)。 （1）自相关函数 假设观察面任意两点上的散斑光强分布为Ｉ(x 1,y 1)，Ｉ(x 2,y 2)，我们定义光强分布的自相关函数为： G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ(x 2,y 2) 〉 其中Ｉ(x 1,y 1)表示观察面上任一点Q 1的光强，Ｉ(x2,y2)表示观察面上另一点Q 2上的光强，〈〉表示求统计平均值。根据散斑统计学和衍射理论得G （?x ，?y ）=〈Ｉ〉2[1+ exp （－（?ｘ2＋?ｙ2）/S 2）] 进行归一化处理，可以得到归一化的自相关函数为： 其中S 的意义即代表散斑的平均半径。这是一个以1为底的高斯分布函数。从附录2中可以知道S 与激光高斯光斑半径W （在毛玻璃上的光斑）的关系式为W P S πλ/2=，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2 20ηξd d d +=）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) 〉 同理可得，两个散斑场的互相关函数为： }])) (/1([ ex p{}])) (/1([ ex p{1{),(22 122122S P P d y S P P d x I y x G C ρρηξ++?-++?-+>==
表面粗糙度定义与检测
第五章表面粗糙度及其检测 学时：4 课次：2 目的要求： 1．了解表面粗糙度的实质及对零件使用性能的影响。 2．掌握表面粗糙度的评定参数（重点是轮廓的幅度参数）的含义及应用场合。 3．掌握表面粗糙度的标注方法。 4．初步掌握表面粗糙度的选用方法。 5．了解表面粗糙度的测量方法的原理。 重点内容： 1．表面粗糙度的定义及对零件使用性能的影响。 2．表面粗糙度的评定参数（重点是轮廓的幅度参数）的含义及应用场合。 3．表面粗糙度的标注方法。 4．表面粗糙度的选用方法。 5．表面粗糙度的测量方法 难点内容： 表面粗糙度的选用方法。 教学方法：讲+实验 教学内容：（祥见教案） 一、基本概念 1．零件表面的几何形状误差分为三类： （1）表面粗糙度：零件表面峰谷波距<1mm。属微观误差。 （2）表面波纹度：零件表面峰谷波距在1~10mm。 （3）形状公差：零件表面峰谷波距>10mm。属宏观误差。 图5-1 零件的截面轮廓形状 2．表面粗糙度对零件质量的影响： （1）影响零件的耐磨性、强度和抗腐蚀性等。 （2）影响零件的配合稳定性。 （3）影响零件的接触刚度、密封性、产品外观及表面反射能力等。 二．表面粗糙度的基本术语
1、取样长度lr ： 取样长度是在测量表面粗糙度时所取的一段与轮廓总的走向一致的长度。 规定：取样长度范围内至少包含五个以上的轮廓峰和谷如图5-2所示。 图5-2 取样长度、评定长度和轮廓中线 1．评定长度ln ： 评定长度是指评定表面粗糙度所需的一段长度。 规定：国家标准推荐ln = 5lr ，对均匀性好的表面，可选ln > 5lr, 对均匀性较差的表面，可选ln < 5lr 。 2．中线： 中线是指用以评定表面粗糙度参数的一条基准线。有以列两种： （1）轮廓的最小二乘中线 在取样长度内，使轮廓线上各点的纵坐标值Z （x ）的平方和 为最小，如图5-2 a 所示。 （2）轮廓的算术平均中线 在取样长度内，将实际轮廓划分为上下两部分，且使上下面 积相等的直线。如图5-2 b 所示。 三．表面粗糙度的评定参数 国家标准GB/T3505—2000规定的评定表面粗糙度的参数有：幅度参数2个，间距参数1个，曲线和相关参数1个，其中幅度参数是主要的。 1、轮廓的幅度参数 （1） 轮廓的算术平均偏差Ra 在一个取样长度内，纵坐标Z （x ）绝对值的算术平均值，如图5-3a 所示。 Ra 的数学表达式为： Ra = lr 1 lr x Z 0）（dx 测得的Ra 值越大，则表面越粗糙。一般用电动轮廓仪进行测量。
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
Abstract One 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
激光散斑位移测量方法研究
第23卷 第1期2008年3月 北京机械工业学院学报 Journal of Beijing I nstitute ofM achinery Vol.23No.1 Dec.2008 文章编号:1008-1658(2008)01-0039-03 激光散斑位移测量方法研究 李晓英,郎晓萍 (北京信息科技大学 光电信息与通信工程学院,北京100192) 摘 要: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 中图分类号:O436.1 文献标识码:A Research of d ispl acem en t m ea surem en t ba sed on l a ser speckle L I Xiao2ying,LANG Xiao2p ing (School of Phot oelectric I nfor mati on and Telecommunicati on Engineering, Beijing I nfor mati on Science and Technol ogy University,Beijing100192,China) Abstract:The laser s peckle based on hol ography is of great p ractical value and can measure m icr o2 dis p lace ment.I n surface m icr o2dis p lace ment is focused on in this paper.The t w o laser s peckle patterns are res pectively shot bef ore and after the object is moved.D igital s peckle correlati on method and s peckle phot ography are used t o measure a s mall dis p lace ment moved al ong x or y axle.The above t w o methods are compared at the end of the paper. Key words:laser s peckle;dis p lace ment measure ment;digital i m age p r ocess 散斑测量与其他测量方法相比具有光路简单、成本低、调试及操作方便等优点,从而在位移测量中得到了广泛的应用。其实,散斑不仅可测量物体的位移和形变,还可测量振动、无损探伤等等。散斑在精细无损计量方面具有很大的发展潜力,是目前研究的一个热点[1]。所以对散斑特性和规律研究具有非常重要的意义[2]。 1激光散斑测量基本原理 1.1散斑照相法 当一束激光射到粗糙物体表面时,光被物体表面反射后在成像空间形成散斑。若将物体发生微小位移前后的散斑分别对记录介质曝光一次,就会得到一副双曝光散斑图,光强度分布为: I(x,y)=I0(x,y)+I0(x-Δx,y-Δy)(1) I0(x,y)表示第一次曝光光强,I0(x-Δx,y-Δy)表示第二次曝光光强,Δx,Δy分别指物体发生的面内微位移。根据全息原理知,记录介质的振幅透过率与光强成线性关系,即: t(x,y)=a-bI(x,y)(2)式中,a与b为常数。 因为当物体发生一个较小的面内位移时,可以认为前后两张散斑图的微观结构相同,仅有一个相对位移。当用一束细平行激光照射该散斑图时,在接收平面上可以接受到散斑图的夫琅和费衍射图样(杨氏条纹),其振幅分布由记录介质振幅透过率的傅里叶变换决定,经分析可得出微位移和条纹间距之间的关系[3,4]: Δx= λL M d x Δy= λL M d y (3) 收稿日期:2008-01-16 作者简介:李晓英(1975-),女,山西原平市人,北京信息科技大学光电信息与通信工程学院讲师,硕士,主要从事光学的教学与研究工作。
激光散斑测量实验报告
实验报告 陈杨 PB05210097 物理二班 实验题目:激光散斑测量 实验目的: 了解单光束散斑技术的基本概念，并应用此技术测量激光散斑的大小和毛玻璃的面内位移。 实验内容： 本实验中用到的一些已知量：(与本次实验的数据略有不同) 激光波长λ = 0.0006328mm 常数π = 3.14159265 CCD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d1=650mm 透镜到毛玻璃距离=d2+P1=150mm 毛玻璃到CCD探测阵列面P2=550mm 毛玻璃垂直光路位移量dξ和dη， dξ=3小格=0.03mm，dη=0 光路参数：P1=96.45mm ρ(P1)=96.47mm P2= 550mm dξ=3小格=0.03mm （理论值） 数据及处理： 光路参数： P1+d2=15cm P2=52.5cm
d1=激光出射口到反射镜的距离+反射镜到透镜距离=33.6+28.5=62.1cm f ’=5cm d=250mm λ=632.8nm (1)理论值S 的计算： 经过透镜后其高斯光束会发生变换，在透镜后方形成新的高斯光束 由实验讲义给的公式： 2'2 012'11 '' 2)()1(d f W f d d f f λπ+--- = πλd W 01= 201W d πλ= 代入数据，可得： '' 1 21 221''12 2 22 01 02 2 2 2101102 d 15(1)() 5 62.11559.6332439.63362.12515511f d f cm P d d f f cm cm P cm cm cm cm cm cm cm cm d W W d d W d f f W λπ πλ???? ? ? ???? ?????? ?? ? ? ? ? ? ? ? ????? ???? -=-=--+-=-+ =≈-+= = -+-+= 可得 由公式-31.80010cm ≈? 此新高斯光束射到毛玻璃上的光斑大小W 可以由计算氦氖激光器的
表面粗糙度及检测
第六章表面粗糙度及检测 第一节概述 用任何方法获得的零件表面，都不会绝对的光滑平整，总会存在着由较小间距的峰和谷组成的微观高低不平。这种加工表面上具有的微观几何形状误差称为表面粗糙度。它主要是在加工过程中，由于刀具切削后留下的刀痕、切屑分离时的塑性变形、工艺系统中存在高频振动及刀具和零件表面之间的磨擦等原因所形成的。表面粗糙度对零件的功能要求、使用寿命、可靠性及美观程度均有直接的影响。为了正确地测量和评定零件表面粗糙度，自从1956年颁布了第一个表面光洁度标准JB 50-56以来，我国对表面粗糙度国家标准已进行了多次修订，现在实施的相关标准主要有GB/T3505-2000《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法表面结构的术语、定义及参数》（代替GB/T3505-2000）、GB/T1031-2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》（代替GB/T 1031-1995）、GB/T 10610-2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法》（代替GB/T 10610-1998）、GB/T131-2006《产品几何技术规范（GPS）技术产品文件中表面结构的表示法》（代替GB/T 131-1993《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》）、GB/T 6062-2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法接触（触针）式仪器的标称特性》（代替GB/T 6062-2002）。本章将对上述标准的主要内容进行介绍。 一、表面粗糙度轮廓的界定 物体与周围介质分离的表面称为实际表面。为了研究零件的表面结构，通常用垂直于零件实际表面的平面与该零件实际表面相交所得到的轮廓作为评估对象。该轮廓称为表面轮廓，它是一条轮廓曲线，如图6.1所示。 图6.1零件的实际表面与表面轮廓 加工以后形成的零件的实际表面一般处于非理想状态，其截面轮廓形状是复杂的，同时存在各种几何形状误差。一般说来加工后零件的实际轮廓总是包含着表面粗糙度轮廓、波纹度轮廓和宏观形状轮廓等构成的几何误差，它们叠加在同一表面上，如图6.2所示。 表面形状误差、表面粗糙度、表面波纹度之间的界定，通常按表面轮廓上相邻两波峰或波谷之间的距离，即按波距的大小来划分，或按波距与峰谷高度的比值来划分。一般来说，波距小
激光散斑检测与三维激光检测
激光散斑检测与三维激光检测 专业：测控技术与仪器 学号：12081403 姓名：黄春萍
引言 激光的发现进一步扩大了光学技术的应用范围，提高了光学技术在国民经济中的地位。激光的引入不仅使经典干涉技术开拓了测试范围，也提高了测量精度，而且激光技术大大带动了全息、散斑技术在工程应用方面的进展。传统的干涉仪只能检测透明介质的性能和检测光学表面的缺陷，而全息、散斑干涉的功能扩展到检测任何粗糙表面的形变、位移等力学特性。从而为无损检测技术开拓了一条宽阔的发展之路，并大大提高了检测精度、检出率和可信度。 当激光甚至白光自物体表面漫反射，或通过透明散射体时，在散射体附近或表面广场中，可以观察到或照相记录下一种无规则分布的明暗颗粒状斑纹，成为散斑。近年来发展起来的散斑摄影术和散斑干涉度量术，正是应用了激光的散斑形成一种崭新的光学测量方法，有广泛的应用前景。 一、激光散斑 1.激光散斑特性 （1）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 （2）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。 （3）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。
2.散斑的概念及研究方法 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。 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。3. 散斑的成因及散斑的类型 在光场通过自由空间传播的条件下，从可见光波长这个尺度看，物体的表面一般都很粗糙，这样的表面可以看作是由无规分布的大量面元构成。当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅”。对比较粗糙的表面来说，不同衍射单元给入射光引入的附加位相之差可达2π的若干倍。经由表面上不同面元透射或反射的光振动在空间相遇时将发生干涉。由于诸面元无规分布而且数量很大，随着观察点的改变，干涉效果将急剧而无规地变化，从而形成具有无规分布的颗粒
表面粗糙度轮廓及其检测
第五章表面粗糙度轮廓及其检测 思考题 5-1 为了研究机械零件的表面结构而采用的表面轮廓是怎样确定的？实际表面轮廓上包含哪三种几何误差？ 5-2 表面结构中的粗糙度轮廓的含义是什么？它对零件的使用性能有哪些影响？ 5-3 测量表面粗糙度轮廓和评定表面粗糙度轮廓参数时，为什么要规定取样长度？标准评定长度等于连续的几个标准取样长度？ 5-4 为了评定表面粗糙度轮廓参数，首先要确定基准线，试述可以作为基准线的轮廓的最小二乘中线和算术平均中线的含义？ 5-5 试述GB？T3505-2000《产品几何技术规范表面结构轮廓法表面结构的术语、定义及参数》规定的表面粗糙度轮廓更衣室参数中常用的两个幅度参数和一个间距参数的名称、符号和含义？ 5-6 规定表面粗糙度轮廓的技术要求时，必须给出的两项基本要求是什么？必要时还可给出哪些附加要求？ 5-7 试述在表面粗糙度轮廓代号上给定幅度参数Ra或Rz允许值（上限值、下限值或者最大值、最小值）的标注方法？按GB/T1061 0-1998《产品几何技术规范表面结构要轮廓法评定表面结构的规则和方法》的规定，各种不同允许值的合格条件是什么？ 5-8 试述表面粗糙度轮廓幅度参数Ra和Rz分别用什么量仪测量？试述这些量仪的测量原理和分别属于哪种测量方法？
5-9 试述表面粗糙度轮廓幅度参数允许值的选用原则？ 5-10 GB/T131-1993《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》规定了哪三种表面粗糙度轮廓符号？ 5-11 试述表面粗糙度轮廓代号中幅度参数允许值和其他技术要求的标注位置？ 习题 一、判断题〔正确的打√，错误的打X〕 1. 确定表面粗糙度时，通常可在三项高度特性方面的参数中选取。（） 2. 评定表面轮廓粗糙度所必需的一段长度称取样长度，它可以包含几个评定长度。（） 3. R z参数由于测量点不多，因此在反映微观几何形状高度方面的特性不如Ra参数充分。（） 4. R y参数对某些表面上不允许出现较深的加工痕迹和小零件 的表面质量有实用意义。（） 5. 选择表面粗糙度评定参数值应尽量小好。（） 6. 零件的尺寸精度越高，通常表面粗糙度参数值相应取得越小。（） 7. 零件的表面粗糙度值越小，则零件的尺寸精度应越高。（） 8. 摩擦表面应比非摩擦表面的表面粗糙度数值小。（） 9. 要求配合精度高的零件，其表面粗糙度数值应大。（）
激光散斑测量技术与应用研究
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，选题较为合理。请尽快确定课题完成方式，完善相关技术路线，开展课题调研论证工作。80 激光散斑测量技术与应用研究 1 前言 近些年来，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。迄今为止，散斑测量技术经历了两个发展阶段：第一阶段1965-1978年，这一发展阶段以纯光学的相干计量技术为主，形成了一系列纯光学的全息散斑计量方法。对计量机理的解释，主要是用传统的干涉计量理论。第二阶段70年代末开始，这一发展阶段是以光电结合的精密计量技术为主的，全息散斑计量技术向着高精度、高速度及自动化方向发展，同时，发展出了用统计学方法解释的新理论，该理论更适合描述空间随机分布光场。 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，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。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方面，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。 图1.1 激光散斑的技术和应用发展时间路线图 2 激光散斑测量基本理论 1）散斑的形成 一般地说，电磁波以至粒子束经受介质的无规散射后，其散射场常会呈现确定分布的斑纹结构，这就是所谓的散斑。散斑的形成必须具备两个基本条件: 1）必须有可能发生散射光的粗糙表面。为了使散射光较均匀,则粗糙表面的深度必须大于波长; 2）入射光线的相干度要足够高,例如使用激光 从可见光波长这个尺度看，粗糙的物体表面可以看作是由无规分布的大量面元构成。当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅”。相干光照射时，不同的面元对
表面粗糙度的检测
课题三表面粗糙度的检测 表面粗糙度的检测方法主要有比较法、针触法、光切法、光波干涉法。 1．比较法 用比较法检验表面粗糙度是生产车间常用的方法。它是将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表面粗糙度。如图3-1所示。比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、显微镜比较或凭触觉、来判断表面粗糙度。缺点是精度较差，只能作定性分析比较。 图3-1表面粗糙度比较样板 2．针触法 针触法是通过针尖感触被测表面微观不平度的截面轮廓的方法，它实际是一种接触式电量方法。所用测量仪器为轮廓仪，它可以测定Ra为0.025～5um。 该方法测量范围广，速度可靠、操作简便并易于实现自动测量和微机数据处理。但被测表面易被触针划伤。如图3-2所示。 图3-2针触法测量原理图 3．光切法 光切法就是利用“光切原理”来测量被测零件表面的粗糙度，采用仪器是光切显微镜又称双管显微镜。该仪器适宜测量车、铣、刨或其它类似的方法加工的金属零件的平面或外圆表面。光切法通常用于测量
Ra=0.5～80μm的表面。 4．光波干涉法 干涉显微镜是利用光波干涉原理测量表面粗糙度。干涉显微镜测量的范围一般为0.03～1μm。也可作Rz、Ry参数评定。 本课题结合课堂讲授的典型零件的标注，分析并检测表面粗糙度，根据国家标准评定表面粗糙度。选用方法为光切法和光波干涉法。
实验3-1 用光切显微镜检测表面粗糙度 一、实验目的 1．了解用光切显微镜测量表面粗糙度的原理和方法 2．正确理解表面粗糙度的评定参数，加深对微观不平度十点高度Rz的理解 二、测量原理及仪器说明 双管显微镜又撑光切显微镜，它是利用被测表面能反射光的特性，根据“光切法原理”制成的光学仪器， 其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，一般用于测量 Z R=0.8-80um的表面粗糙度。 图3-3光切显微镜 1—底座；2—立柱；3—升降螺母；4—微调手轮；5—支臂；6—支臂锁紧螺钉；7—工作台；8—物镜组；9—物镜锁紧机构；10—遮光板手轮；11—壳体；12—目镜测微器；13—目镜 仪器外型如图3-3所示，它由底座6，支柱5，横臂2，测微目镜13，可换物镜8及工作台7等部分组成。 仪器备有四种不同倍数（7X、14X、30X、60X）物镜组，被测表面粗糙度大小（估测）来选择相应倍数的物镜组（见表3-1）。 表3-1 双管显微镜测量参数 物镜倍数总放大倍数视场直径mm 系数E （um/格） 测量范围um 7X 60X 2.7 1.28 15～50 14X 120X 1.3 0.63 5～15 30X 260X 0.6 0.29 1.5～5 60X 520X 0.3 0.16 0.8～1.5
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术介绍 孙小勇周克印王开福 （南京航空航天大学无损检测中心南京中国２１００１６） 摘要：本文介绍了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术成像的原理，对剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术应用于无损检测领域中散斑图像的获取方法进行了说明，列举了两种方法所得的散斑图，并比较了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术在无损检测领域的应用，可为激光散斑检测技术应用到无损检测工作提供有益的参考。 关键词：无损检测剪切散斑干涉术相移ＥＳＰＩ技术 引言：激光散斑检测技术在无损检测应用广泛。与非光测技术相比，激光散斑检测技术具有非接触，高精度和全场等优点，是无损检测领域的一种重要和新兴的检测方法，随着激光散斑测量技术的发展，采用ＣＣＤ摄像机输出干涉图像信号，可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。 在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。 １、剪切散斑干涉技术： １．１剪切散斑干涉的原理 电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对
激光散斑成像的研究进展
激光散斑成像的研究进展 摘要：事实上激光散斑成像在我们的生活中早就得到了广泛的应用、只是我们平常没有注意而已。例如在医学方面：利用激光散斑成像仪监测肠系膜上微循环血流时空响应特性，此发明一种利用激光散斑成像仪监测肠系膜上微循环血流时空响应特性的方法，包括光路和成像系统。光路由氦氖激光器发出的光束耦合到光纤束形成均匀扩散光束构成；成像系统由带ＣＣＤ相机的立体显微镜、图像采集卡与图像采集控制软件、信号分析软件构成（1）。利用激光散斑成像监测光动力治疗的血管损伤效应，研究表明,通过对血管管径和血流速度的监测,激光散斑衬比成像技术可以用于评估光动力治疗过程中的肿瘤周围血管损伤效应（2）。在与环境相关的方面：近几年，研究出了一种先进的方法检测环境污染浓度的方法，提出了一种利用激光散斑和散斑照相技术的污染扩散非定常瞬时全场浓度测量的新方法。根据污染烟雾粒子成像、粒子散射、统计光学以及数字图像处理技术,从理论上详细论证了浓度场全场测量的原理和此方法测量的局限性,为进一步设计浓度场测量系统提供了参考依据（3）。当然激光散斑成像，主要是用在成像方面。特别是现代、随着照相技术的快速发展，激光散斑成像占据了越来越重要的地位。 关键词：激光散斑成像技术成像监测时空散斑效应外差探测信号引言：激光散斑技术由来已久，在牛顿的那个时代就已经开始被人们认识，那时牛顿就已经认识到“恒星闪烁”而“行星不闪烁”。随科学技术的快速发展，激光散斑得到了越来越重要的应用。是在成像方面，可以利用激光成像技术研究坐骨神经刺激时大老鼠躯体的感觉;在军事方面，有了合成孔径激光雷达监测激光散斑时空效应。 激光散斑的基础知识 对于激光散斑在很久以前人类就已经开始了研究。1730年牛顿已经注意到"恒星闪烁"而行星不闪烁，光源发出的光被随机介质散射在空间形成的一种斑纹。1960年世界出现了激光器，高度相干性的激光照在粗糙表面很容易看到这种图样，散斑携带大量有用信息。散斑在工程技术方面等各方面有广泛的应用。散斑的理论是统计光学的一部分，与光的相干理论在很多地方相似和相通。最初人们主要研究如何减弱散斑的影响，在研究的过程中人们发现散斑携带了大量的光束和光束所通过的物体大量信息。于是产生了许多的应用。例如用散光的对比度测量物体的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体的运动速度，利用散斑进行光学处理，甚至利用散斑验光等。
2006210143647543(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 图1 CCD 经计算机采集的散斑图象 图2 激光散斑的产生(图中为透射式，也可以是反射式的情形) Z X 1 X 0 Z
第3章 表面粗糙度及检测
第3章 表面粗糙度及测量 1.表面粗糙度的最常用的评定指标是m RS 。 (× ) 2．m RS 和)(c mr R 是附加参数，不能单独使用，需与幅度参数联合使用。 （√） 3.需要涂镀或其它有细密度要求的表面可加选z R 。 （×） 4. 零件表面粗糙度数值越小，一般其尺寸公差和形位公差要求越高。 (√ ) 5.若零件承受交变载荷，表面粗糙度应选择较小值。 (√ ) 6．a R ≤1.6时，具体应用在普通精度齿轮的齿面 (√ ) 二 .选择题 1. 表面粗糙度值越小，则零件的( A )。 A．耐磨性好 B．抗疲劳强度差 C．传动灵敏性差 D．加工容易 2. 用以判断具有表面粗糙度特征的一段基准线长度是（ C ）。 A.基本长度 B.评定长度 C.取样长度 D.公称长度 3.测量表面粗糙度时，规定取样长度是为了（ A ）。 A. 减少波纹度的影响 B.考虑加工表面的不均匀 C．使测量方便 D.能测量出波距 4.表面粗糙度的基本评定参数是（ B ）。 Ａ.m RS Ｂ. a R Ｃ. p Z Ｄ. s X 5. a R ≤0.8时，零件表面状况是（ D ）。 A ．可见加工痕迹 B.微见加工 C ．看不清加工痕迹 D.可辨加工痕迹的方向 6.表面粗糙度代号表示（ D ）。 A. a R 为0.8μm B. a R ≤0.8μm C. a R >0.8μm D. a R 的上限值为0.8μm 三．综合题 1.表面粗糙度的含义是什么?它与形状误差和表面波纹度有何区别? 答：(1)表面粗糙度就是表述零件表面峰谷高低程度和间距状况的微观几何形状特性的指标。 (2)表面粗糙度反映的是实际表面几何形状误差的微观特性，有别于表面波纹度和形状误差。三者通常以波距（相邻两波峰或两波谷之间的距离）的大小来划分，波距小于1 mm 的属于表面粗糙度（表面微观形状误差）；波距在1～10 mm 的属于表面波纹度；波距大于10 mm 的属于形状误差。
激光散斑实验中的数据处理
激光散斑实验中的数据处理 周清博 (中国科学技术大学软件学院2002级本科合肥市四号信箱11#132 230027) 摘要对激光散斑技术作了简要的介绍，主要介绍激光散斑实验中的数据处理技术和技巧。详细说明了相关函数的概念和应用，重点讨论信号处理理论如FFT和圆周相关定理在激光散斑测量数据处理中的应用及其意义，并就一些容易被忽略的部分进行了探讨。 关键词激光散斑，相关函数，快速傅立叶变换 Data Processing in Experiment of Laser Speckle Zhou Qingbo (2002 undergraduate of SSE, USTC Room 11#132, P. O. Box 4, Hefei 230027) Abstract This article presents a brief introduction of the technology of laser speckle, and focuses on the technique of data processing in the experiment of laser speckle. The concept and application of correlation are explained in detail. The application and significance of Theory of signal processing such as FFT and circular correlation theorem are discussed emphatically and some related forgettable parts are mentioned. Key words laser speckle, correlation, fast Fourier transform (FFT) 1.激光散斑简介 散斑是一种普遍存在的统计光学现象，它是光波经过介质的无规散射后呈现出的无规分布。在实物图像处理的过程中，散斑的存在经常会造成图像真实程度的损失，所以在最初的研究中，人们多考虑如何减弱或消除散斑的影响。然而，散斑通常携带了物体表面的大量有用信息，因此便于通过散斑的性质对物体表面的性质进行研究，这逐渐得到科技工作者的重视和研究，并在生产生活中得到了广泛应用。 激光束照射在粗糙表面或者透过透明散射体时，在散射表面或附近的光场可以观察到激光散斑。激光与普通光束比较，相干性非常高，因而形成的散斑就更加明显，应用很广。例如，在防伪技术上，通过与散斑图像相减来加密图像，解密时再与解码散斑叠加。医学上，可以摆脱长期依靠医生经验或者取样检验的困扰，利用散斑所携带的信息检验人体组织的生理状态，这就是所谓的光活检技术，在临床医学应用中具有重大意义。用激光散斑检验部件的表面粗糙度，具有快速和无破坏性的优点，在工业控制中有较高实用价值。 在本文中主要讨论的实验，是利用激光散斑结合计算机处理来测量散斑的统计平均半径和散射体的微小位移。其实验光路如下图所示，毛玻璃可以沿η轴进