1、光信息处理综合实验电子科技大学 物理电子 学院标 准 实 验 报 告（实验）课程名称 光信息处理综合实验 学生姓名：学 号：组 别：指导教师： 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学实 验 报 告学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称： 二、实验项目名称：基于数字散斑照相的微米级二维位移测试实验三、实验学时：5学时四、实验原理：(1) 散斑效果观察 当用激光光束投射到能散射光的粗斑表面（即平均起伏大于光波波长数量级的表面）上时，即呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其中的每个斑点称为散斑，整个图样称为散斑图样。这种散斑现象是使用高相干光时所固有的。 散斑
2、的物理起因可简单说明如下：当激光照射到物体表面时，物体表面上的每一个点（或面元）都可视为子波源，它们都要散射光，由于激光的高相干性，则由一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光干涉。又因为物体表面元是随机分布的（这种随机特性由表面粗糙度引起），则由它们散射的各子波相干叠加的结果，形成的反射光场具有随机的空间光强分布。当把探测器或眼睛置于光场中时，将记录或观察到一种杂乱无章的干涉图样，呈现颗粒状结构，此即“散斑”。 图22-1是拍摄成像散斑图的光路布置之一，其中S是具有光学粗糙表面的平面物体，用扩束后的激光光束照射，L是成像透镜，H是全息干板，置于像平面上，成像透镜L将S面成像于H上，形成成像
3、散斑，如果对测试物体在运动前后应用二次曝光法拍摄散斑图样，并假定位移的量值大于散斑特征尺寸，那么，在同一底片上就记录了两个同样的但位置稍微错开的散斑图。这样，其中的各散斑点都是成对出现的，这相当于在底片上布满了无数的“杨氏双孔”，各“双孔”的孔距和连线反映了“双孔”所在处像点的位移的量值和方位，当用相干光束照射此散斑底片时，将发生杨氏双孔干涉现象。 图22-1 记录成像散斑的光路 图22-2 逐点分析法光路(2) 散斑图底片的处理方法对于散斑图底片的处理，通常采用两种方法，一种是全场分析法，采用平行光束垂直照明二次曝光散斑图底片，应用傅里叶变换透镜，在其后焦面上观察散斑图底片的频谱分布；另一种
4、是逐点分析法，使用细激光束垂直照明二次曝光散斑图底片，在其后面距离z0处平行放置观察屏，每次考察底片上一个小区域的频谱。图22-2表示用逐点分析法的光路布置，这时在观察屏上将会看到由散斑底片被照明小区域的“散斑对”所产生的杨氏双孔干涉条纹，它们是一系列的平行直线，相邻亮条纹的间隔和相邻暗条纹的间隔t均满足下列关系： (22.1)式中l为“双孔”间距（即位移量值），为激光波长，且条纹取向与“双孔”连线（即位移的方位）垂直。由此便可求出待测物体表面各点的位移的大小和方位。注意，上述位移量是经过透镜放大了的值，若成像散斑的放大率为M，则待测物体表面各点发生的实际位移量值应为： (22.2)u、v各代
5、表图22-1中的物距和像距，M则表示放大率。上式就是测定面内位移的公式。当位移的方向和大小不同时，条纹的取向和疏密也不同。 (3) 对CCD记录的成像散斑图进行数字分析 从图22-2可以看到，使用光学系统对二次曝光的成像散斑图进行逐点分析能够获得各点处对应的位移方向和大小。但是其干板处理和逐点分析的过程较为冗长，不利于进行实时测量。 若在系统中利用CCD对成像散斑图进行记录，然后利用数字方式对记录获得的图像进行分析，则可以大大节省处理时间，提高处理效率。 实际上，杨氏双孔的光路实现相当于其夫琅和费衍射图景，这对应于图像处理中的傅立叶变换。因此可以使用傅立叶变换特别是快速傅立叶变换来完成对CCD
6、采集图像的逐点分析。 采用傅立叶变换方式的杨氏双孔光路，对应如图22-3，此时杨氏条纹光程差计算不变，均为lsin，但式(22.1)和(22.2)中的距离z0换为傅立叶透镜的焦距f，即： (22.3) (22.4)图22-3 采用傅立叶变换方式的杨氏双孔光路示意图 以一片银杏叶为物体，在一维竖直方向进行位移测试，位移前后使用CCD采集图像并叠合，如图22-4(a)，再进行傅立叶变换，其显示的杨氏条纹如图22-4(b)，正中的亮斑是衍射零级点；为了定量获得其杨氏条纹图样间距，可将图样视为等距的光栅，再次进行一次傅立叶变换，从而获得条纹的衍射亮斑，如图22-4(c)；对其进一步分析可以获得衍射亮斑
7、的精确位置，如图22-4(d)。(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立叶变换后的杨氏条纹图样(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线图22-4 数字化散斑处理微米级位移 如果在两次傅立叶变换过程中使用相同的参数，则如图22-4(d)中两个1级主极大的间距，即对应于物像的位移。故可以使用数字化的方式对物像图样进行良好的处理。 上述方案中位移的处理精度为1个像素的大小。如果需要提高处理精度，可以使用亚像素的方案。 如果物体的位移各处不等，则可以将物像分割为若干小部分，分别重复上述流程即可。由于从散斑图像中提取位移需要充分的散斑数量，在实际操作中各部分的像素阵列大小建
8、议不小于5050。 需要说明的是，由于图像亮度是从0255，而数字图像处理中的傅立叶变换，其值的大小仅具有相对意义，因此需要选择适当的放大倍率使得图像具有适宜的亮度。五、实验目的：（1）了解激光散斑干涉测量的特点和常见方法；（2）了解散斑成像光路的成像和调试特点；（3）设置激光散斑成像光路，使用CCD记录，并完成数据处理；六、实验内容：（1）熟悉光学器件调节，着重完成显微成像光路的清晰成像调节；（2）设置适当的散斑成像光路，使用CCD记录物体位移/形变前后的散斑像；（3）对记录的散斑进行数字分析，计算物体各处的位移/形变；（4）对计算结果进行分析和比对，确认结果的有效。七、实验器材（设备、元器
9、件）：He-Ne激光器一台（含电源），光学元件若干，显微成像镜筒一个，光学CCD一个，实验用微机及配套软件一套。八、实验步骤：（一）设置散斑成像光路系统 使用He-Ne激光，将其扩束至近平行光后照明物体，如图22-1搭建透射式散斑成像光路，也可以在教师的指导下搭建反射式散斑成像光路。注意调节成像镜筒的放大率与CCD的位置，使得待拍摄物体成像在CCD面上后，在计算机屏幕上观察为清晰。（二）位移前后的记录选择适当的待测物体，夹紧后放置在精密位移台上；调节CCD的曝光时间，先使用CCD记录一幅物体的亮度适当的散斑像，然后在物体水平方向上施加些微的平动，再使用CCD记录一幅物体的成像散斑像；将二幅图像
10、存储后待处理。第1组实验，记录螺旋测微计的刻度，拍下第一张树叶的照片，然后将螺旋测微计旋转1格10un，拍下第二张照片，第二张与第一张对比，用matlab处理如下，得到对中心零级遮光处理后的衍射图像： 对胶片型物体，可在纵向上轻微施加压力，使用CCD记录形变前后的散斑像，存储待处理，以获得对物体的形变分析。位移和形变的大小需要注意精确控制，不能过大；如千分表的15格（即1050m位移）。九、实验数据及结果分析：本实验所用CCD放大倍率为1.5倍和2.0倍，实验所拍摄的树叶为纹路清晰的干枯黄色银杏叶，银杏叶如下图所示：（一）1.5倍放大倍率第1组实验，记录螺旋测微计的刻度，拍下第一张树叶的照片，
11、然后将螺旋测微计旋转1格10un，拍下第二张照片，将第二张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立叶变换后的杨氏条纹图(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第2组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了30um），拍下第三张照片，将第三张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立叶变换后的杨氏条纹图(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第3组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了50um），拍下第四张照片，将第四张与第一
12、张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第4组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了70um），拍下第三张照片，将第五张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第5组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了90um），拍下第三张照片，将第六张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b
13、) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线（二）2.0倍放大倍率第1组实验，记录螺旋测微计的刻度，拍下第一张树叶的照片，然后将螺旋测微计旋转1格10un，拍下第二张照片，第二张与第一张对比，用matlab处理如下，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第2组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了30um），拍下第三张照片，将第三张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏
14、条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第3组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了50um），拍下第四张照片，将第四张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线第4组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了70um），拍下第三张照片，将第五张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主
15、极大的一维曲线第5组实验，在第一次位移的基础上再位移2格20um（此时总位移了90um），拍下第三张照片，将第六张与第一张用matlab处理，结果如下：(a) 位移前后物体叠合像 (b) 傅立变换后的杨氏条纹图像(c) 对杨氏条纹图样再次傅立叶变换结果 (d) 衍射主极大的一维曲线（3）实验数据 理论值指螺旋测微计移动值，实际值指Matlab处理图像后得到的值。实验序号理论值（um）实验值（1.5倍）(um)实验值（2.0倍）(um)00-011013.0133333311.8400-033033.923200-055050.9866666751.200-077076.3733333370.0
16、800-099093.2266666789.28（4）实验数据所得图形（5）对直尺的处理1、 放大倍率是1.5倍时的图像如下：M=(1450-86)*3.2e-6/6e-3= 0.7274666666666672、 放大倍率是2.0倍时的图像如下：M=(1446-218)*3.2e-6/4e-3= 0.9824十、实验结论：当所调节距离较小时，所测结果并不理想，这应该是实验器材精度的问题。将物体位移前后的散斑图重合进行傅里叶变换，对比分析各处的条纹间距和方向。若物体是刚性的，且是平移，这物体各处的条纹间距和方向应相同或相似。如上图表，前后的条纹之间相干明显，说明两者之间的条纹间距和方向相似，即
17、证明物体是刚性的且是平移。十一、总结及心得体会：（1）学习到了激光散斑干涉测量的特点和常见方法。（2）学习到了散斑成像光路的成像和调试特点。（3）学习到了设置激光散斑成像光路，使用CCD记录，并完成数据处理。（4）亲身操作和使用激光器和光学元件，锻炼了实验动手能力和技巧，训练了安全操作仪器的能力和素质。十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：可以将实验讲义写的更加简洁明了一些，方便非光学专业同学尽快上手。可以在软件操作中适当增加数据库内容，便于查看其它同学的测试情况。 报告评分： 指导教师签字： 电 子 科 技 大 学实 验 报 告学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一
18、、实验室名称：沙河校区主楼东115室二、实验项目名称：AOTF成像光谱测试实验三、实验学时：5学时四、实验原理: 1.1 成像红外光谱测量的原理与特点成像红外光谱是对待测样品使用某谱段的红外光进行成像型记录，从而可分别研究样品面上不同区域的光谱。而一般的光谱测试仪器，实际上是测量获得样品在测试区域的平均光谱；因此相比说来，具有精确度更高、精细度更高、可同时测量比较大面积样品上不同区域红外光谱等特点。如图21-1(a, b, c)分别是某溶液中粒子样品在1250nm、1350nm和1450nm波长的成像，图中的色彩表示不同的强度。(a) 1250nm (b) 1350nm (c) 1450nm图
19、21-1 某溶液中粒子样品在不同波长的成像图21-2 图21-1粒子样品的吸收光谱曲线 在实际的测试过程中，在测试光谱范围12间每隔（设为波长系列i），记录一幅样品图像I1i，并以同等条件记录参照物的系列光谱图像I0i；然后选定需要分析的样品位置，分别读取样品和参照物的所有i图像的光强I1i和I0i，则该位置处样品的光谱曲线的第i点强度为： (21.1)由此即可获得整个光谱范围的吸收光谱曲线。如图21-2即为图21-1粒子样品在1450nm1650nm区间的吸收光谱曲线，样品在1560nm附近有一个较强的吸收峰。 光谱的另一种表达是透射光谱曲线，采用透射百分比方式： (21.2)样品的透射光谱
20、曲线凹凸正好与吸收光谱曲线相反。 上述图像记录时，需要先测量系统的环境光强，并在后续的记录中加以消除，以保证测试光强的准确。如可关闭照明光源，或测量起始波长处的光强计为系统的环境光强，此时的光强透过率很低，近似为无照明光时的环境光强。 在本实验中，采用的是可见光/近红外的AOTF，它是两个AOTF合并而成，分别针对400695nm、6951000nm的两个波段。1.2 成像红外光谱测试系统的基本构成与分析 成像光谱系统主要由红外照明光源部分、图像采集部分、照明与成像光路部分和系统控制与数据分析软件四部分构成，基本结构如图21-3所示。图21-3 系统的基本构成示意图 1. 红外照明光源系统：
21、红外照明光源系统一般由大功率的点状白炽灯和分光系统组成，最终获得一个红外谱段的可变波长的照明光束。 点状白炽灯一般使用大功率的卤素灯，如功率250W、灯丝面积7.012.0mm2的卤素灯，以在准直后获得足够光强的近平行照明光。 分光系统的核心是可将入射白光分解为准单色光的分光器件，一般可使用AOTF（声光调谐滤波器）和LCTF（液晶调谐滤波器）。上述两种器件均有较好的单色性和足够的速度，能够满足可见光到红外的光谱分析的需要。其中AOTF驱动速度快、单色性好、重复性好，但AOTF的面积较小，光束的准直度等受限，在相同入射光时输出的光强有限；而LCTF孔径大，透射光强比较大，但是波长变化时，可能出
22、现输出光强的突然跳动，且跳动位置有所浮动，从而使该波长附近的光谱出现异常，需要用较繁琐的后期数据处理加以解决。本实验系统使用的是AOTF。 对于AOTF，其驱动器由微波信号源和功放组成。系统所用功放输出最大约3.5W，微波信号源可通过串口接收计算机控制信号，改变输出微波频率。计算机可通过控制系数的改变调节和设定某波长对应的微波频率，输出信号频率由频率计进行标定。图21-4为系统使用的AOTF的驱动频率与输出波长曲线图，图中星号*为器件出厂的实测标准值，按照实测标准值使用多项式拟合获得其驱动频率输出波长公式（5阶），如式(21.3)。 (21.3)同理，按照实测标准值拟合获得输出波长驱动频率公式
23、，拟合阶次到4阶，如式(21.4)所示，其曲线如图21-5，根据器件情况，实用中将其测试范围扩展至474nm1040nm。 (21.4)图21-4 AOTF的驱动频率输出波长曲线 图21-5 AOTF的输出波长驱动频率曲线 2. 图像采集系统 图像采集系统一般由快速的图像采集卡和红外CCD相机构成。为达到对样品不同层面的红外性能透析，需要图像采集卡能够改变和控制曝光的起始时间以及曝光时间。本系统使用的是USB接口的CCD相机。 红外CCD有两个指标，一个是光强的灵敏度，或者说动态范围，即CCD的位数，一般应选择12bit至16bit，8bit的CCD容易饱和，对动态范围较大的样品不易测试；另一
24、个指标是CCD的像素数，一般应选择512512以上，以获得较好的图像分辨率。本系统使用的CCD动态范围为8bit/16bit可选，最大分辨率为13941040。 由于图像采集卡速率和CCD积分时间的限制，图像的采集速率与图像的分辨率一般是有所矛盾的，图像分辨率越高，其采集速率越低。所以需要根据系统需求选择一个合适的图像采集速率或CCD积分时间。 3. 照明与成像光路系统 照明与成像光路系统是实现样品被照明后获得良好成像的关键。由于是在实验室的近距成像，一般的需使用复合透镜组的成像镜头，以获得小像差的成像结果。 从照明的角度，成像光路系统可以分为透射式成像光路和反射式成像光路两种类型，其光路示意
25、如图21-6(a, b)；对于透明样品应用的是透射式成像系统，反射式成像系统针对不透明样品。 从成像放大率的角度，则可分为一般成像光路和显微成像光路两种类型。在显微成像中，根据显微放大的倍数不同，可以分为直接使用显微镜的成像方式，如图21-7(a)，或使用双卡赛格伦望远镜显微成像方式，如图21-7(b)。其中双卡赛格伦望远镜系统可获得更高的放大倍率。 另外，如果使用光电探测器，而不是CCD作为光强采集器件，系统直接过渡为常见的光谱仪方式，获得的是照明区域样品的平均光谱。(a) 透射式AOTF成像光路示意图(b) 反射式AOTF成像光路示意图图21-6 两种照明方式的成像光路系统示意(a) 使用
26、显微镜的进行显微成像示意图(b) 使用双卡赛格伦望远镜显微成像方式示意图图21-7 显微成像的两种光路示意图 如图21-6的光路可以采用分立光学元件搭建，可以方便地更改光路元件的位置，获得不同的成像放大率，视场大，系统较灵活；图21-7的光路，视场较小，出射光基本上就是平行光，可以对样品中的气泡和微粒的光谱进行精密测量。图21-8 与透射式成像照明光路一致的反射式成像光路 在后面分析照明光路对样品的影响时，我们可以看到不同照明方式对样品的温升不同，从而对测试结果产生不同的影响。简单地说，入射光先经过AOTF将使其能量大大削减，样品仅受到准单色光照明，从而使样品表面温度基本不变，且入射光是近平行
27、光，受到AOTF调制后单色性较好，样品可以获得较大面积的照明；而入射光先照明样品，再经过AOTF分光，将使得样品表面温升严重，且AOTF的入射光是经样品散射的漫射光，样品照明面积较小，方向相对杂散，其分光后的准单色性将下降。但是由于被测结果为红外光谱，温升高的结果是其红外光谱强度更大，效果明显，易于观测。 类似的思想可以使用到AOTF光路中，如图21-8为使用AOTF获得反射式成像的另一种光路。与图21-6(b)的透射式光路相比，其对样品照明光路可以一致，仅需转动成像部分即可获得不透明样品的反射式成像。 4. 系统控制和数据分析软件 在设置好测量参数，如每幅图的曝光时间和测试光谱段、最小间隔波
28、长等后，整个测试过程将由控制系统依序改变RF频率并曝光完成，这就是系统控制软件的编程框架。测量的图片数据信息可每幅单独存放，也可写入一个共同的图像文件，并可灵活地调用，对选定像素点位置的光强按序号进行读取，获得对应波长的系列光强，并对最后结果进行输出。 软件的核心是系统控制部分，要求采样迅速无误，且需要针对系统选定的CCD和RF信号源进行单独编程。按照前面测试原理的说明，控制软件还需要预先提示测量环境光强，并在后续的图像光强采集时自动将环境光强消除。考虑到CCD具有一定的噪声，环境光强采集时需要采集多幅图像并平均。 由于CCD的位数一般高于8位，因此软件要能够在高于8bit的光强值时对光强进行
29、彩色显示，以便于人眼观察成像图景，并选择感兴趣的测试目标进行测量。五、实验目的：（1）了解基于AOTF的成像光谱测试系统光路和设备构成；（2）掌握成像光谱系统的软件操作；（3）利用成像系统测量不同样品的吸收光谱；六、实验内容：（1）熟悉光学器件调节，设置适当光路，使高亮度白光光束近平行输出；（2）熟悉AOTF的操作，在可见光波段观察不同频率RF输出时AOTF衍射光的颜色；（3）调节样品和CCD位置，获得适当成像放大率的精确成像；（4）根据流程对样品进行测试，获得样品的吸收光谱。七、实验器材（设备、元器件）：声光可调谐滤波器一套（含AOTF、驱动器、电源），高亮度光源一套（含光源、电流源），光学
30、元件若干，成像透镜一个，光学CCD一个，实验用微机一套（含自编控制和数据采集软件系统一套）。八、实验步骤：（一）系统控制介绍本系统硬件由AOTF，射频驱动部分，同步信号解析转发器，CCD相机和PC控制端五个主要部分构成。如图21-9展示了各部分间的通信接口。1). 射频驱动通过RF通道和AOTF通信，控制AOTF调制输出不同波长的光，本系统的AOTF实际使用了两块声光晶体构成500nm1000nm的测试区域，其RF通道1对应高频部分（可见光），RF通道2对应低频部分（近红外）。2). PC控制端通过计算机的串口与射频驱动部分通信，发出修改AOTF输出射频频率与强度的命令，并接收射频驱动部分发来的确认信号。3). 同步信号解析转发器是一个单片机系统，它负责转发和解析射频驱动部分发出的高低电平同步信号到计算机控制端的串口，CCD相机通过USB端口与控制端通信。图21-9 软件与各硬件之间的通信接口本系统的特别之处就在于增加了同步信号解析转发器，这是由射频驱动部分硬件接口设计和系统使用USB接口的CCD没有兼容造成的。按照射频驱动部分的设计，当射频部分受到参数修改命令并修改完毕后，系统发发一个高电平同步信号给CCD相机控制相机拍照，待拍照结束后，CCD相机回复一个低电平信号给射频驱动部分，这时射频驱动部分才接受再次修改参数的命令，进入下一次拍照。由于我们使用的USB
