CCD成像辅助激光散斑实验

王中平,张 权,朱 玲,张增明,孙腊珍

(中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心,安徽合肥230026)

CCD成像辅助激光散斑实验

王中平,张 权,朱 玲,张增明,孙腊珍

(中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心,安徽合肥230026)

激光照射到粗糙物体的表面上在空间随机相干叠加形成散斑.激光散斑随物体在自身平面内作同步运动,这一现象可用来测量物体的微小位移.利用氦氖激光器作为光源,结合CCD成像技术辅助采集散斑图像,采用计算机程序处理图像,验证了散斑位移理论,并指出CCD成像辅助的激光散斑教学中应注意的问题.

激光散斑;CCD成像;微小位移

1 引 言

激光散斑中携带了光束和光束所通过的物体的许多信息,激光散斑测量技术具有光路简单、成本低以及调试操作方便等优点,已经在科研和生产领域中取得了广泛的应用.其主要应用领域包括力学、建筑工程、机械设计、燃烧学、热物理、医学、天文学和工业生产等方面[1-2].

伴随着CCD成像技术的不断发展,结合相应的光学系统的CCD成像探测器可以对目标进行实时观察和记录,提供各方面的相关信息进行分析、考察和使用[3].CCD成像技术和计算机技术的结合,取代了激光散斑成像中的底片,避免了显影和定影的繁复操作过程,更可以实现图像实时测量的目的,对激光散斑的特性和规律研究具有非常重要的意义.基于物体在自身平面内运动时的激光散斑的运动相对比较明显的原因,其基本的研究内容就是可以利用激光散斑现象测量物体在平面内的微小位移.笔者针对学生实验中存在的问题对CCD成像辅助的激光散斑位移测量进行了实验研究,验证激光散斑位移的理论,并对激光散斑位移测量中的问题进行了讨论.

2 实验原理

激光自散射体的粗糙表面漫反射或通过透明散射体(毛玻璃)在散射表面或者附近的光场中可以观察到无规则分布的亮暗斑点,而且由于激光的高度相干性,表面散射光在空间中随机相干叠加后会形成一些亮和暗分明的区域,且呈现无规则分布.按照在散射面与接受面之间有无透镜,可以将散斑场划分为主观散斑和客观散斑,由于透镜的使用,主观散斑又被称之为成像散斑.本实验主要研究经过透镜成像而形成的客观散斑.激光散斑的产生是一种随机过程,具有统计特性,可以利用统计方法对激光散斑的强度分布、对比度以及大小分布进行研究.激光散斑的光强分布可以分别利用自相关函数(单个散斑图的统计特性)和互相关函数(2幅散斑图的相互关系)进行描述.

图1为实验原理图,O1X1轴位于毛玻璃的表面上,O2X2轴位于观察平面(CCD探测器表面)上.由激光器出射的光束为高斯光束,实验中透镜可改变光束的发散角,但根据高斯光束的传播理论推断,在近轴区激光高斯光束经凸透镜后仍为高斯光束,但束腰位置和尺寸大小会发生变化.经过凸透镜的激光光束沿光轴O0O1O2方向入射到毛玻璃的面上,假定其光束束腰位置在O0处,从O0到O1的距离等于P1,从O1到O2的距离为P2.对自相关函数归一化处理可求出散斑的平均半径.而散斑统计平均半径的理论公式为

式中W(P1)为照射到毛玻璃的光束的半高宽,可推断激光光束的空间分布性质.姚琨等在研究不同光束照明下散斑的规律时,对ρ(P1)和W(P1)对散斑的影响进行了详细讨论[4-9].可知,当毛玻璃在自身平面内运动时,其散射形成的散斑也会随之发生平移,其平移量ΔX与毛玻璃的平移量d0之间的关系为

式中ρ(P1)表示照射到毛玻璃表面的高斯光束波阵面的曲率半径.激光散斑的平移量ΔX可以运用归一化的互相关函数推导求解,并对毛玻璃的平移量d0进行验证.

图1 激光散斑的实验原理图

3 实验装置和方法

实验装置见图2,凸透镜L的焦距为60 mm. He-Ne激光器出射的激光束经双偏振器光强衰减(以免CCD因曝光量过大而饱和或损伤)后,再经全反射镜反射至凸透镜L透射到毛玻璃上,这样在毛玻璃的后面就可以得到客观散斑场.可前后移动毛玻璃和白屏,利用毛玻璃调整架上的千分头使毛玻璃在自身平面内做微小位移(d0= 0.02 mm).用计算机上的图像采集程序控制CCD摄像机,对物体发生位移前后的散斑图进行采集,CCD像元尺寸为256像元×256像元(1像元=14μm),然后将图像保存在计算机内,通过编写的程序对散斑图像进行处理,通过自编写的线性拟合程序计算散斑在平面内的X和Y方向的散斑半径,再通过计算求出散斑的统计半径,计算散斑位移量,并与毛玻璃的手动位移量作比较.

图2 激光散斑的实验装置图

4 分析讨论

实验采取固定凸透镜和CCD之间的距离,改变凸透镜与毛玻璃之间的距离d1+P1和毛玻璃与CCD之间的距离P2以及固定凸透镜与毛玻璃之间的距离d1+P1和毛玻璃与CCD之间的距离P2,改变毛玻璃的手动位移量2种模式.通过CCD采集的散斑图像如图3所示,可以直观明晰地分析出散斑半径的尺寸大小变化.由于CCD采集的像素固定,从采集的CCD图像中可以观察到随着P1/P2的比值逐渐变大,散斑半径的尺寸逐渐变小.毛玻璃向透镜方向移动时,W变小,散斑颗粒变大,即S变大;毛玻璃向CCD方向移动时,W变大,散斑颗粒变小,即S变小.CCD远离毛玻璃方向移动时,P2变大,散斑颗粒变大,即S变大.毛玻璃做面内位移时,当毛玻璃在透镜焦点内,散斑与毛玻璃移动方向相反,且移动量较大;当毛玻璃在透镜焦点外时,散斑与毛玻璃移动方向相同,且移动量较小.

本实验采用光学实验平台和磁性表座,利用加载了千分头的二维调整架使毛玻璃在横向上发生微小位移,采取了CCD图像采集技术和计算机图像处理技术对单光束激光散斑实验进行了研究.相对于原来的底片成像技术来说,避免了全息底片曝光方法中的诸多不便和繁复,以及再现图像的精度不够等缺点,使得实验操作简单,现象直观,易于观察.但在实验中需注意千分头本身的精确度和移动量的读数准确性.

表1中标注了不同参量下的真实值ΔX1和测量值ΔX2.由表中可以看出,P1≈ρ(P1).实验测量的散斑位移量非常接近真实值.实验测量中的相对偏差接近5%.误差主要由以下几方面引起:首先激光散斑的光路排列不够理想,很难保证各个光学元件的通光中心在统一的高度上;其次毛玻璃的表面粗糙程度影响,以及手动位移量也存在人为误差和测量散斑的大小直接影响可测量位移量的大小;再次在程序计算中由于分别给出X和Y两个方向的统计半径,在对统计半径拟合中采用均方根的方法也存在一定的误差;最后地面震动也会对测量造成一定的影响.因此在实验过程中,采用光学平台和磁性表座结合以及实验人员尽量减少走动,精密调节各个光学元件使其中心位于同一高度和优化计算拟合程序来减少误差的发生.

图3 不同P2值下的激光散斑图像

表1 不同P1和P2值下的实际位移量ΔX1和实验值ΔX2mm

5 结束语

利用CCD成像技术记录激光散斑图像,实现了数字化测量,还可以利用CCD分辨率的提高来提高实验测量的精度,实现了实验操作的简单化、实验现象的直观化以及现代化新技术在实验教学中的利用.现代化的实验教学方法在优化实验教学模式的同时,也培养和提高了学生对实验学习的兴趣和积极性,为学生发挥创造性思维提供了基础.

[1] 刘培森.散斑统计光学基础[M].北京:科学出版社,1983:1-50.

[2] 丹锑J C.激光斑纹及其有关现象[M].黄天乐,王天及,杜仕英译.北京:科学出版社,1981:1-76.

[3] 蔡文贵.CCD技术及应用[M].北京:电子工业出版社,1992:1-98.

[4] 姚焜,侯碧辉,张增明,等.散斑位移法测量高斯光束的空间分布[J].强激光与粒子束,2000,12(2): 141-144.

[5] 高翔,杨白久,何焰蓝,等.用激光散斑法测盐水溶液浓度的改进[J].物理实验,2007,27(2):42-45.

[6] 姚焜,陈蝶萍,张权,等.散斑位移量与照明光束特性关系的实验研究[J].物理实验,2003,12(11):6-9.

[7] 轩植华,霍剑青,姚琨,等.大学物理实验(第三册) [M].2版.北京:高等教育出版社,2006:14-22.

[8] 李晓英,郎晓萍.激光散斑位移测量方法研究[J].北京机械工业学院学报,2008,23(1):39-42.

[9] 邱建军,张红艳,骆卫华,等.像面散斑平均尺寸对激光散斑成像的影响[J].光学学报,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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-14;修改日期:2010-07-28

王中平(1976-),男,山东沂水人,中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心副教授,博士,研究方向为凝聚态物理.

[责任编辑:任德香]