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1、散斑干涉实验摘要：简述散斑形成原因以及散斑干涉实验原理，并以具体实验现彖描述散斑的性质和特点, 掌握散斑和离面散斑的测试方法。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. 散斑的形成图1激光散斑形貌相干光照射在粗糙表面（如金属表面）毛玻璃或折射率 无规涨落的介质上则会明暗相间亮斑和暗斑，即散斑 （Speckle）o物理起源为：当相干光照射在粗糙面上，粗糙面 上每一个点均相当于一个子波源。它们都会发出散射光， 从而形成了多点光源的散射光干涉。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）粗糙表面深度须人于入射光波长：3）入
2、射光线的相干度要足够高，如使用激光。散斑作为粗糙面散射所形成的图样，包含着粗糙表面的信息，包括粗糙表面本身,形状以及位置的变化等。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决定：散斑平均半径=依）=0.6久/sink上式说明散斑的人小粗略对应于散射光的干涉图2客观散斑的形成条纹间距。散斑的形状与照明区域的形状有关，若照明区域增人则散斑变小。上面所讲的散斑是由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，称图3主观散斑原理图为客观散斑（如图2所示）。若经过一个光学 系统，在它的
3、像平面上形成的散斑，称为 成像散斑，亦称主观散斑（如图3所示）:成像平面上P点的散斑直径CI ,决定 于透镜出射光瞳对P点的孔径角f,即：,0.6/1 0.62（內）=-一r = -TT-r = 1.2（1 + M）FX sm u NA其中NA为透镜的数值孔径，M是透 镜的放大率。主观散斑是物面上的散斑图像成像所得，这个物方散斑图的平均直径用S表示：0.6/1, Q.6A（S） = * sin u = * NAMM3. 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。若把来自同一光源的均匀亮度的参考光束加到散
4、斑场上参考光方向必须沿形成散 斑的光束方向，该参考光会影响散斑的人小与强度分布。当引入较强的参考光时由于产 生主干涉现彖，干涉条纹间隔加倍，散斑直径也加倍。4. 离面位移（形变）的散斑测量设Al A2分别是被测场Ml与参考面M2产生的散斑场在P点上的振幅。P点合 成振幅为A1+A2,强度取决于Al、A2的位相。当物体Ml位移（或变形）后，若位相 差的改变为2 , 4 ,相应的程差改变为，2 ,，变形前后的散斑场强度一致， 称为相关。若程差改变为/2, 3/2,，亮散斑变为黑散斑，称为不相关。将变形前 后的图像拍下来，对两幅散斑图像进行相减，可得相关位移信息。5. RMS值和pv值实验软件可以得
5、出关于面型的参数。面型是光学制造中的重要精度指标之一，简单 来说是表面不平整度。面型的两个参数PV和RMS值，PV是表示表面的最高处与最低 处的差值，RMS值是表面高低的平均值。= Xmax xminEm是测量的最大值与均方根值之差，即Em = Xmax - RMS三、实验用具与装置图1. 实验用具：激光器、金属片、平面反射镜、分光棱镜、CCD光电接收器、透镜、衰 减器，可调光阑，扩束镜。2. 实验装置：2J-fi-辰减器I3T定向孔,一计算机一12-0成像透疣、4. 5、决 zs平面适8扩束镜准着透機9分光棱镜=1衰减器I10放置ill I11放置反射镜图4实验光路图四、实验步骤1. 打开激
6、光多功能光电测试实验仪的电源（CSY-10L型），激光器开至1【1档迅速起辉, 等待约10s,激光光强稳定，回拨至I档。检查CCD光电接收器上的电信号灯是否 亮。2. 按照图4,把所需仪器装在对应的位置，注意图中2、3、4、5、6的位置已经调好。3. 把可调光阑的位置调到成像透镜的后焦面上,孔径调到最小。用纸挡住散斑样品（分 别为钢片、铝片、铜片）的光束，然后调节参考平面镜工作台的俯仰角度，微调旋 钮，使其反射的光束入射到光阑的孔径之内，再反过来用同样的方法调节散斑样品 的反射光入射到光阑内，并使两束光会聚的焦点重合。4. 打开软件csylaser,选择实验类型A,按“活动图像”键。调节CCD
7、的位置使条纹 清晰后锁定它，使光强适中。微调工作台10. 11的微调旋钮使干涉条纹清晰，然 后调节11上的测微螺杆或在csylaser 按“PZT自动扫描”的“开始”键，使反射 镜产生轴向位移，并观察条纹平移。若条纹有明显平移现象，则表明调节成功，否 则得重调光路。5. 打开软件wave,点击“实时采样”按钮打开采样窗I I,选择扫描周期为1.扫描 步数为8,再点击“采样”，扫描完毕后按“返回”键，返回主界面，并保存扫描 图片。6. 旋进工作台10的旋进按钮，使散斑样品产生微弱位移，然后再重复步骤4“6。点 击工具栏上的“工具”菜单，选择波面相减”键，打开刚才保存的文件1，得到 所要的形变量的
8、图，保存它的综合数据图。五、实验记录与分析1. 调节光路，使粗糙表面与参考表面的反射光场汇合，经成像透镜聚焦在观察屏上, 产生主观散斑图像。2. 使用软件csvlaser进行观察，现彖为，是压电陶瓷作周期性变化，从显示屏中可以 观察到条纹的移动，确定其为散斑干涉条纹。3. 用不同样品进行实验，可观察到，钢片样品散斑比较亮，铝次之，铜样品散斑最暗， 这与样品表面粗糙程度以及样品吸收反射比率有关。4. 用wave软件实时采样，获得三维立体图结果，并记录数据如下表表格1样品采样数据记录表样品峰谷差值PV/wave均方根Rms/wave最人面形误差Em/wave铝片0.4760.1190.272铝片*
9、03080.0680.181钢片0.2990.1190.160钢片*0.1240.0330.065铜片0.1810.0490.117铜片*0.2140.0510.1121号为移动样品后采样测量结呆实验所用波长为632.8nm从表1可以看出，局部凹凸最明显的是铝，因为它的PV值最人，而整体粗糙程度也是铝最粗糙，因为均方根最人。综合分析，铜片最平滑，钢片次之，铝片最粗糙。六、思考题1.什么叫散斑和成像散斑？散斑干涉技术有何用途？答：当一束激光射到物体的粗糙表面上时，由该物体上各点散射的光强位相是随机分 布的，他们相加以后的振幅与位相都是随机的，故在粗糙表面前面的空间将布满明 暗相同的亮斑与暗斑，这
10、些亮斑与暗斑的分布是杂乱的，所以称为散斑，散斑布满 整个空间。散斑经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，即为成像散斑。 本实验采用成像散斑，有利于利用透镜从空间散斑中确定所需的散斑采样面，同时 也方便利用CCD进行数据采集。被激光照明的粗糙物面在透镜的像面上形成散资 图，此法称为散斑照相。若这时另外加一个相干的参考光，该相干的参考光可以是 平面波、球面波.甚至是另一粗糙面的散斑场，这种组合散斑场的技术，就称为散 斑干涉术。激光散斑干涉在许多领域得到应用。包括：测量纵向位移的散斑干涉技 术，测量横向位移的散斑干涉技术，激光散射法测量圆柱内孔表面质屋，测量粗糙 表面光洁度等等。2. 怎样从数
11、据图读出被测面位移量？答:使散斑样品产生微弱的离面位移，将位移后得到的散斑图像与位移前的图像进行“图 像相减”，得到所要的散斑形变量。3. 散斑干涉测量中，什么情况称相关？什么情况称不相关？答：当样品发生位移（形变）时，前后两散斑场的位相差发生变化，合成的散斑场强度 随之发生变化。若位相差的改变为2%4兀，即程差的改变为入2入，则变形 前后的散斑场强度一致，此种情况称为相关。若位相差的改变为兀3兀，即程 差的改变为1/2入,3/2入，则变形前后的散斑场明暗相反，此种情况称为不相关。4. 散斑的基本性质？答：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。散斑颗粒的人小 定义是两相邻亮斑间距离的统计平均值,此值是由产生散斑的激光波长及粗糙表面 圆形照明区域对该散斑的孔径角所决定。散斑的强度分布为负指数概率密度函数, 这种完全杂乱无章的随机散斑图称为正常散斑图。
