电子散斑干涉实验

[引言]

用激光照射物体表面时，在表面前方空间形成随机分布的明暗点，称之为散斑。散斑随物体表面的变形或移动而运动，记录物体变形前后两个错动了的散斑图并进行比较分析，可以实现物体表面位移的高精度测量。

[实验目的]

1．了解电子散斑干涉实验原理。

2．了解并熟悉仪器和光路布置，学会光路的调整方法与步骤。 3. 完成周边固支中心加载圆盘试样的离面位移的观察与测量分析试验。

[实验原理]

散斑干涉是被测物体表面散射光所产生的散斑与另一参考光相干涉，两束相干光到此点的光程差，决定了合成散斑场中亮度的细节分布。当物体发生位移或变形时，光程差也发生变比，如果光程差的变化是照射光波长的整数倍时，则此处斑的亮度不变，将变形前后的两幅散斑图相减，这些位置出现暗条纹，也称相关条纹。所以相关条纹就是光程差变化等于波长整数倍的那些相关点的轨迹，可以算出相关条纹所代表的位移量。

电子散斑干涉仪的实验光路如图1所示。He-Ne激光器发出的激光，波长为632.8nm，经分光镜分成物光束和参考光束两束，参考光经过反射到达另一扩束镜，发散后通过半反半透镜反射进入CCD摄像机。物光束经过扩束镜发散后照射试样的表面，试样表面反射的物光经成像透镜成像，也通过半反半透镜进入CCD摄像机，将两个光路的混合图像送入计算机。

图1 散斑干涉离面位移测量的实验光路

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双光束散斑干涉法中两束相干光相干涉，合成散斑场中亮度的细节分布，决定于两束相干光到此点的光程差。设散斑干涉所需要的物光和参考光在相平面上的波前可以分别表示为

Ax,y,tax,yexpix,y,t (1)

以及

Bx,y,tbx,yexpix,y,t (2)

其中a、b分别表示物光和参考光的振幅，、分别表示物光和参考光的位相。物光和参考光（在相平面上）叠加干涉形成散斑场，其光强为（省略坐标与时间

x,y,t）

Iab2abcos22 (3)

当被测物体变形后，物光的光程发生变化，产生光程差，对应的位相改变量为

，而参考光的位相保持不变，所以物光和参考光叠加干涉后的光强成为

I'ab2abcos (4)

22变形前后的两个图像均由CCD实时采集并送入计算机进行处理。将两个图像相减后得到：

I'I4absinsin22 (5)

相减后除去了背景光强，突出了变形引起的位相变化。

由上式可知，经过处理的图像呈现由高频载波项调制的低频项（即相关条纹），对于高频项，人眼只能感受其平均值，而相关条纹则反映了物体变形引起的物光位相的变化。位相差与光程差的关系为

2 (6)

其中表示激光的波长。当2n时，或者当n（n为整数）时，处理后的图像上呈现暗条纹，即为光程差变化等于波长整数倍的那些相关点的轨迹。

在一般情况下，物体表面的位移是三维的，但在本实验中的光路布置和试样类型使得光程变化只与离面位移有关，如图2所示。入射光线与试样表面的法线夹角为，当试样变形时，表面上任一点P移动到P'，产生的离面位移为w，光

2

程差与离面位移的关系为

w1cos (7)

所以条纹级数与离面位移的对应关系为

wn1cos （n0,1,2,...） (8)

以上推导过程中利用了试样尺寸远小于物距的关系，忽略了高阶微量。

w光源S相平面PP'参考光R

图2 光程差与离面位移的关系示意图

[仪器用具]

1．光学信息处理系统（激光器、扩束镜、准直镜、分光镜、平面镜） 2．成像系统及记录系统（CCD、图像采集卡、计算机、打印机） 3. 周边固支中心加载的圆盘试样、直尺

[实验内容]

1. 打开激光器的电源，将试样放置在成像透镜前方适当位置，调整物光使其对

准试样。

2. 打开数字散斑图象处理系统软件，点击“连续帧显示”，将CCD摄入的图像

实时显示。

3. 遮住参考光，调整成像透镜的焦距，使图象显示清晰。

4. 打开物光，点击“固定帧相减”，系统自动采集第一幅图像，作为测量基准，

后续采集的图像将与第一幅图像相减后显示。

5. 顺时针旋转试样后部的测微尺稍许，施加离面位移，观察条纹的情况。若无

条纹，重新进行步骤1-4。

6. 测量角，存储和打印图像，以备分析。

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[实验结果及整理]

1. 根据试样变形特点，判定零级条纹的位置，依次标出各个条纹的级数。 2. 计算各级条纹所对应的位移值。

3. 在坐标纸上，画出位移沿水平线变化的曲线（至少有五个点），标出坐标和

单位。

4. 对本实验进行必要的讨论，完成实验报告。

[思考题]

1. 散斑干涉法的量程受到什么因素的限制？

[参考资料]

[1] 光测力学教程，赵清澄主编，高等教育出版社，1996年； [2] 现代光测力学，戴福隆等编著，科学出版社，1990年。

[注意事项]

1．眼睛不可正面直视激光束，以免造成伤害。 2．切勿用手触摸光学元件表面。 3．遵守纪律，爱护实验设备。

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