实验讲义-电子散斑

实验十三电子散斑干涉和激光散斑干涉照相综合实验激光照射到粗糙物体表面会形成不同的折射，这些折射形成亮斑或暗斑，就叫做散斑.斑是无规则波前的干涉图样，可作为信息载体。散斑干涉照相技术测量微小位移时具有实时、灵敏、全场测量等特点，在机械性变、位移、医学、天文和图像处理等许多领域中得到广泛的应用。本实验的目的是了解激光散斑的统计特性，学会两种处理激光散斑的重要方法：自相关函数法和互相关函数法。实验目的1、了解激光散斑的统计特性；2、学会两种处理激光散斑的重要方法。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（LaserSpeckles）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。激光散斑光强分布的相关函数的概念：(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(x1,y1)，Ｉ(x2,y2)，我们定义光强分布的自相关函数为：),(),(),;,(22112211yxIyxIyxyxG(1)其中Ｉ(x1,y1)表示观察面上任一点Q1的光强，Ｉ(x2,y2)表示观察面上另一点Q2上的光强，〈〉表示求统计平均值。根据光学知识我们知道：),(),(),(*yxUyxUyxI(2)式中U(x,y)表示光场的复振幅。当玻璃板表面足够粗糙（毛玻璃）时,根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：)],;,(1[),(),(),(),(),;,(22112222*1122112211yxyxIyxUyxUyxIyxIyxyxG(3)式中(x1,y1；x2,y2）=〈U(x1,y1)U(x2,y2)〉2〈Ｉ〉2称做复相干系数。由于激光器出射的光斑为高斯分布的，根据衍射理论可推出其复相干系数（推导方法用菲涅尔衍射公式，为：]/)(exp[),;,(2222211Syxyxyx(4)式中x=(x2-x1)，y=(y2-y1)，(3)式化为：]}/)(exp[1{),(2222SyxIyxG(5)进行归一化处理，可以得到归一化的自相关函数为：]/)(exp[1/)(),(2222SyxIxGyxg(6)其中S的意义即代表散斑的平均半径。S与激光高斯光斑半径W（在毛玻璃上的光斑）的关系式为:WZS/(7)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Q1上的散斑光强分布为Ｉ(x1,y1)，当散射体发生一个变化后（如散射体发生一个微小的平移220ddd）观察面任意一点Q2上的散斑光强分布为Ｉ’(x2,y2)我们定义光强分布的互相关函数为：),(),(),;,(22112211yxIyxIyxyxGC(8)同上面一样有：),(),(),(*yxUyxUyxI(9)),(),(),(*yxUyxUyxI（10）式中U(x,y)和U‘(x,y)分别表示两个散斑光场的复振幅。还是根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：)],;,(1[),(),(),(),(),;,(22112222*1122112211yxyxIyxUyxUyxIyxIyxyxGCC（11）式中C(x1,y1；x2,y2)=〈U‘(x1,y1)U(x2,y2)2〈Ｉ〉2称作复互相干系数。根据衍射理论可推出其复相干系数（推导方法用菲涅尔衍射公式，为：})](/1[exp{})](/1[exp{),;,(2122122211SpPdySpPdxyxyxC（12）式中x=(x2-x1)，y=(y2-y1)所以，两个散斑场的互相关函数为：}})](/1[exp{})](/1[exp{1{),(2122122SpPdySpPdxIyxGC（13）进行归一化处理，可以得到归一化的互相关函数为：})](/1[exp{})](/1[exp{1),(212212SpPdySpPdxyxgC(14)实验装置图2激光散斑照相实验图3电子散斑照相实验实验内容一、激光散斑照相实验a.实验装置图，如图2所示。注意：在安装CMOS相机时，请根据螺纹螺距区分英制与公制螺纹孔，如需要使用英制1/4”-20螺纹孔连接CMOS时，请使用英制-公制螺纹转接头，如下图：b.将所有器件调整至同心等高。c.打开并调整激光器，使发射的激光水平，在光路中放入空间滤波器，在调整空间滤波器之前，先去掉针孔，当物镜出射的光斑中心沿水平方向时，调节完毕。放入针孔，推动物镜旋钮靠近小孔，推动过程中，不断调整小孔位置使得透射光斑最亮，光通过滤波器后检查射出的光点是最亮的，无衍射条纹，光斑变得均匀时，说明已经调好。d.使用双胶合透镜将激光光束准直，观察光斑远近大小尺寸，调节平凸透镜与空间滤波器的距离。当光斑在远近处直径一致时，认为光束准直完成。e.调节毛玻璃的位置与高低，使光斑照射在完全毛玻璃上。f.打开相机的采集程序，使用连续采集模式。调节相机的位置与高低，使光照射在相机的适当位置上。此时如果显示图像亮度过高适当减小相机的增益值和快门速度。（注：尽量缩进相机与毛玻璃的距离）g.采集并保存此时相机上的图像。h.转动精密平移台上的千分尺，使毛玻璃向左右移动一定位置，（例如0.5mm、1mm，-0.5mm、-1mm），采集并保存此时相机上的图像。i.更换不同的位移量，重复上步骤3次，点击打开软件“LESPI”。英制-公制螺纹转接头g.点击“原始散斑图”，按照路径选择原始图片，点击“平移散斑图”，按照路径选择位移后图片。k.点击“互相关计算”进行计算，测出其偏移量。l.然后点击“散斑半径计算”，计算得出散斑半径。m.转动侧升降台上的千分尺，重复步骤h-l，比较毛玻璃竖直移动位移和软件输出结果之间的差距。二、电子散斑照相实验a.实验装置图，如图3所示。b.所有器件调整至同心等高。整激光管夹持器水平，固定可变光阑的高度和孔径，使出射光在近处和远处都能通过可变光阑(我们调节光线的上下高度就可以)。注：固定可变光阑高度，此可变光阑将在以下实验步骤中作为光路调整高度标尺。c.调节白屏、双胶合透镜、相机，使得相机清晰的采集到白屏上图像，调节相机的曝光时间和增益，使图像亮度合适，固定相机、双胶合透镜和白屏的位置。（注：为简化实验操作，可在白屏上悬挂一张较大字迹的白纸，相机能采集到清晰的文字时即可）。d.取下2个空间滤波器和衰减器，打开氦氖激光器，通过分光棱镜发出两束光，一束打到白屏的合适位置上（在相机成像的位置上），另一束通过第一个反射镜反射到第二个反射镜反射到第二个分光棱镜上，最后通过分光棱镜合束打到相机上。e.在摆放光路时，用卷尺测量参考光光程（分光棱镜-反射镜-分射精-分光棱镜）与物光光程（分光棱镜-白屏-双胶合透镜-分光棱镜），如果这两个光程不等，适当调节第一个反射镜的角度和第二个反射镜的位置，使这两个光程大致相等。f.插入空间滤波器，使用可变光阑作为高度标尺，调整空间滤波器的高度（不加针孔），使得激光通过显微物镜后的扩束光斑中心与可变光阑中心重合，此时锁定空间滤波器高度，及平移台水平移动旋钮；加入针孔，旋转螺纹付推动物镜靠近针孔，在此过程中不断调整针孔位置旋钮，保证透过光的光强最大，当透过光无衍射环且光强最强时，空间滤波器调整完毕。g.比较参考光与物光光强，通常情况下，参考光光强较强，适当调节圆形可调衰减器，使参考光与物光光强大致相等。h.采集并保存此时相机上的图像。i.微调装白屏的可调棱镜支架，采集并保存变化后相机上的图像。j.重复步骤i，采集5次，点击打开软件“ESPIRL”。l.点击“原始图样”（没有调节可调棱镜支架采集的图像），按照路径选择原始图片，再点击“位移图样”（微调可调棱镜支架后采集的图像），按照路径选择位移后图片。m.点击“散斑计算”，进行计算。所得的偏转角为白屏微调后的偏转角度的绝对值。n.重复步骤l-m，分别计算5张图的偏转角度。注意事项1.环境无影响测试准确度的机械振动和电磁干扰。2.器件所有光电参数需要在热平衡下进行，实验前应该预热3分钟。3.测试系统应接地良好。4.标准条件A316mm0.001sr2°；标准条件B100mm0.01sr6.5°。参考文献[1]刘培森著《散斑统计光学基础》科学出版社,1987年,P1-P50.[2]O.斯维尔托[意大利]著,吕云仙等译《激光原理》科学出版社,1983年,p105-106,p252.[3]J.C.丹锑[英]著,黄天乐等译《激光斑纹及其有关现象》科学出版社,1981年,P9-P46.[4]杨之昌著《几何光学实验》上海科学技术出版社，1984年,P222-P233.[5]A.亚里夫[美]著，刘颂豪等译《量子电子学》上海科学技术出版社，p115-123.