CCD成像輔助激光散斑實驗

王中平,張 權,朱 玲,張增明,孫臘珍

(中國科學技術大學物理學院物理實驗教學中心,安徽合肥230026)

CCD成像輔助激光散斑實驗

王中平,張 權,朱 玲,張增明,孫臘珍

(中國科學技術大學物理學院物理實驗教學中心,安徽合肥230026)

激光照射到粗糙物體的表面上在空間隨機相干疊加形成散斑.激光散斑隨物體在自身平面內作同步運動,這一現象可用來測量物體的微小位移.利用氦氖激光器作為光源,結合CCD成像技術輔助采集散斑圖像,采用計算機程序處理圖像,驗證了散斑位移理論,并指出CCD成像輔助的激光散斑教學中應注意的問題.

激光散斑;CCD成像;微小位移

1 引 言

激光散斑中攜帶了光束和光束所通過的物體的許多信息,激光散斑測量技術具有光路簡單、成本低以及調試操作方便等優點,已經在科研和生產領域中取得了廣泛的應用.其主要應用領域包括力學、建筑工程、機械設計、燃燒學、熱物理、醫學、天文學和工業生產等方面[1-2].

伴隨著CCD成像技術的不斷發展,結合相應的光學系統的CCD成像探測器可以對目標進行實時觀察和記錄,提供各方面的相關信息進行分析、考察和使用[3].CCD成像技術和計算機技術的結合,取代了激光散斑成像中的底片,避免了顯影和定影的繁復操作過程,更可以實現圖像實時測量的目的,對激光散斑的特性和規律研究具有非常重要的意義.基于物體在自身平面內運動時的激光散斑的運動相對比較明顯的原因,其基本的研究內容就是可以利用激光散斑現象測量物體在平面內的微小位移.筆者針對學生實驗中存在的問題對CCD成像輔助的激光散斑位移測量進行了實驗研究,驗證激光散斑位移的理論,并對激光散斑位移測量中的問題進行了討論.

2 實驗原理

激光自散射體的粗糙表面漫反射或通過透明散射體(毛玻璃)在散射表面或者附近的光場中可以觀察到無規則分布的亮暗斑點,而且由于激光的高度相干性,表面散射光在空間中隨機相干疊加后會形成一些亮和暗分明的區域,且呈現無規則分布.按照在散射面與接受面之間有無透鏡,可以將散斑場劃分為主觀散斑和客觀散斑,由于透鏡的使用,主觀散斑又被稱之為成像散斑.本實驗主要研究經過透鏡成像而形成的客觀散斑.激光散斑的產生是一種隨機過程,具有統計特性,可以利用統計方法對激光散斑的強度分布、對比度以及大小分布進行研究.激光散斑的光強分布可以分別利用自相關函數(單個散斑圖的統計特性)和互相關函數(2幅散斑圖的相互關系)進行描述.

圖1為實驗原理圖,O1X1軸位于毛玻璃的表面上,O2X2軸位于觀察平面(CCD探測器表面)上.由激光器出射的光束為高斯光束,實驗中透鏡可改變光束的發散角,但根據高斯光束的傳播理論推斷,在近軸區激光高斯光束經凸透鏡后仍為高斯光束,但束腰位置和尺寸大小會發生變化.經過凸透鏡的激光光束沿光軸O0O1O2方向入射到毛玻璃的面上,假定其光束束腰位置在O0處,從O0到O1的距離等于P1,從O1到O2的距離為P2.對自相關函數歸一化處理可求出散斑的平均半徑.而散斑統計平均半徑的理論公式為

式中W(P1)為照射到毛玻璃的光束的半高寬,可推斷激光光束的空間分布性質.姚琨等在研究不同光束照明下散斑的規律時,對ρ(P1)和W(P1)對散斑的影響進行了詳細討論[4-9].可知,當毛玻璃在自身平面內運動時,其散射形成的散斑也會隨之發生平移,其平移量ΔX與毛玻璃的平移量d0之間的關系為

式中ρ(P1)表示照射到毛玻璃表面的高斯光束波陣面的曲率半徑.激光散斑的平移量ΔX可以運用歸一化的互相關函數推導求解,并對毛玻璃的平移量d0進行驗證.

圖1 激光散斑的實驗原理圖

3 實驗裝置和方法

實驗裝置見圖2,凸透鏡L的焦距為60 mm. He-Ne激光器出射的激光束經雙偏振器光強衰減(以免CCD因曝光量過大而飽和或損傷)后,再經全反射鏡反射至凸透鏡L透射到毛玻璃上,這樣在毛玻璃的后面就可以得到客觀散斑場.可前后移動毛玻璃和白屏,利用毛玻璃調整架上的千分頭使毛玻璃在自身平面內做微小位移(d0= 0.02 mm).用計算機上的圖像采集程序控制CCD攝像機,對物體發生位移前后的散斑圖進行采集,CCD像元尺寸為256像元×256像元(1像元=14μm),然后將圖像保存在計算機內,通過編寫的程序對散斑圖像進行處理,通過自編寫的線性擬合程序計算散斑在平面內的X和Y方向的散斑半徑,再通過計算求出散斑的統計半徑,計算散斑位移量,并與毛玻璃的手動位移量作比較.

圖2 激光散斑的實驗裝置圖

4 分析討論

實驗采取固定凸透鏡和CCD之間的距離,改變凸透鏡與毛玻璃之間的距離d1+P1和毛玻璃與CCD之間的距離P2以及固定凸透鏡與毛玻璃之間的距離d1+P1和毛玻璃與CCD之間的距離P2,改變毛玻璃的手動位移量2種模式.通過CCD采集的散斑圖像如圖3所示,可以直觀明晰地分析出散斑半徑的尺寸大小變化.由于CCD采集的像素固定,從采集的CCD圖像中可以觀察到隨著P1/P2的比值逐漸變大,散斑半徑的尺寸逐漸變小.毛玻璃向透鏡方向移動時,W變小,散斑顆粒變大,即S變大;毛玻璃向CCD方向移動時,W變大,散斑顆粒變小,即S變小.CCD遠離毛玻璃方向移動時,P2變大,散斑顆粒變大,即S變大.毛玻璃做面內位移時,當毛玻璃在透鏡焦點內,散斑與毛玻璃移動方向相反,且移動量較大;當毛玻璃在透鏡焦點外時,散斑與毛玻璃移動方向相同,且移動量較小.

本實驗采用光學實驗平臺和磁性表座,利用加載了千分頭的二維調整架使毛玻璃在橫向上發生微小位移,采取了CCD圖像采集技術和計算機圖像處理技術對單光束激光散斑實驗進行了研究.相對于原來的底片成像技術來說,避免了全息底片曝光方法中的諸多不便和繁復,以及再現圖像的精度不夠等缺點,使得實驗操作簡單,現象直觀,易于觀察.但在實驗中需注意千分頭本身的精確度和移動量的讀數準確性.

表1中標注了不同參量下的真實值ΔX1和測量值ΔX2.由表中可以看出,P1≈ρ(P1).實驗測量的散斑位移量非常接近真實值.實驗測量中的相對偏差接近5%.誤差主要由以下幾方面引起:首先激光散斑的光路排列不夠理想,很難保證各個光學元件的通光中心在統一的高度上;其次毛玻璃的表面粗糙程度影響,以及手動位移量也存在人為誤差和測量散斑的大小直接影響可測量位移量的大小;再次在程序計算中由于分別給出X和Y兩個方向的統計半徑,在對統計半徑擬合中采用均方根的方法也存在一定的誤差;最后地面震動也會對測量造成一定的影響.因此在實驗過程中,采用光學平臺和磁性表座結合以及實驗人員盡量減少走動,精密調節各個光學元件使其中心位于同一高度和優化計算擬合程序來減少誤差的發生.

圖3 不同P2值下的激光散斑圖像

表1 不同P1和P2值下的實際位移量ΔX1和實驗值ΔX2mm

5 結束語

利用CCD成像技術記錄激光散斑圖像,實現了數字化測量,還可以利用CCD分辨率的提高來提高實驗測量的精度,實現了實驗操作的簡單化、實驗現象的直觀化以及現代化新技術在實驗教學中的利用.現代化的實驗教學方法在優化實驗教學模式的同時,也培養和提高了學生對實驗學習的興趣和積極性,為學生發揮創造性思維提供了基礎.

[1] 劉培森.散斑統計光學基礎[M].北京:科學出版社,1983:1-50.

[2] 丹銻J C.激光斑紋及其有關現象[M].黃天樂,王天及,杜仕英譯.北京:科學出版社,1981:1-76.

[3] 蔡文貴.CCD技術及應用[M].北京:電子工業出版社,1992:1-98.

[4] 姚焜,侯碧輝,張增明,等.散斑位移法測量高斯光束的空間分布[J].強激光與粒子束,2000,12(2): 141-144.

[5] 高翔,楊白久,何焰藍,等.用激光散斑法測鹽水溶液濃度的改進[J].物理實驗,2007,27(2):42-45.

[6] 姚焜,陳蝶萍,張權,等.散斑位移量與照明光束特性關系的實驗研究[J].物理實驗,2003,12(11):6-9.

[7] 軒植華,霍劍青,姚琨,等.大學物理實驗(第三冊) [M].2版.北京:高等教育出版社,2006:14-22.

[8] 李曉英,郎曉萍.激光散斑位移測量方法研究[J].北京機械工業學院學報,2008,23(1):39-42.

[9] 邱建軍,張紅艷,駱衛華,等.像面散斑平均尺寸對激光散斑成像的影響[J].光學學報,2009,29(7): 1 863-1 867.

CCD assisted laser speckles experiment

WANG Zhong-ping,ZHANG Quan,ZHU Ling,ZHANG Zeng-ming,SUN La-zhen
(Physics Experiment Teaching Center,School of Physics, University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Laser speckles are coherence stacks randomly formed in space when a laser beam shines on a rough surface of an object.The laser speckles move synchronistically as the object moves in its plane,this phenomenon can be used to measure the micro-displacement of an object.In this paper, He-Ne laser,as optical source,is combined with CCD imaging device to collect speckle images.The images are then processed with computer program to verify the theory of speckles displacement.Some problems to be cared in teaching have been pointed out.

laser speckles;CCD imaging;micro-displacement

O438

A

1005-4642(2010)10-0011-04

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-14;修改日期:2010-07-28

王中平(1976-),男,山東沂水人,中國科學技術大學物理學院物理實驗教學中心副教授,博士,研究方向為凝聚態物理.

[責任編輯:任德香]