近代物理實驗_光信息綜合處理實驗講義

1、近代物理實驗光信息處理綜合實驗系列實驗二十一 AOTF成像光譜測試實驗傳統(tǒng)的成像光譜儀大多采用棱鏡、光柵、干涉儀濾光，進行推帚式線光譜掃描成像。這種方式往往需要目標和成像系統(tǒng)做相對移動，對載體運動的平穩(wěn)性要求比較高，整個系統(tǒng)的構(gòu)造十分復雜，需要經(jīng)過相當復雜的校正處理才能得到最后的圖像，因此成像速度慢，且儀器體積大而笨重，移動困難。聲光可調(diào)諧濾光器（Acousto-Optic Tunable Filter，簡稱AOTF）是一種聲光調(diào)制器件。其工作原理主要是利用了聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時對入射到傳播介質(zhì)中的光的布拉格衍射作用。聲光可調(diào)諧濾光器由單軸雙折射晶體（通常采用的材料為TeO2），粘合在單

2、軸晶體一側(cè)的壓電換能器，以及作用于壓電換能器的高頻信號組成。當輸入一定頻率的射頻信號時，AOTF會對入射的復色光進行衍射，從中選出波長為l的單色光。單色光的波長l與射頻頻率f有一一對應的關(guān)系，只要通過電信號的調(diào)諧即可快速、隨機改變輸出光的波長。采用AOTF進行電調(diào)諧濾光，可以實現(xiàn)凝視式面光譜成像。與推帚式相比，它不需要探測系統(tǒng)和目標之間做相對運動，而且能夠獲得很高的圖像分辨率，一般也不需要進行幾何校正就可以得到高質(zhì)量的圖像。而且凝視式成像系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)也比較簡單，可靠性高，因此相關(guān)的儀器產(chǎn)品體積可以做得很小，進而實現(xiàn)成像光譜儀的便攜化。成像光譜系統(tǒng)既可構(gòu)成便攜式成像光譜儀，用于近距離目標探測；又

3、可構(gòu)成顯微成像光譜儀?！绢A習提要】（1）聲光可調(diào)諧濾波器AOTF的分光原理是什么？（2）如何確定AOTF衍射光的波長？（3）成像光譜測試時成像位置不同對測試結(jié)果有無影響？【實驗要求】（1）了解AOTF的工作原理和成像光譜測試的特點；（2）掌握成像光譜測試的基本光路系統(tǒng)；（3）掌握吸收光譜曲線的比較和吸收峰分析。s【實驗目的】（1）了解基于AOTF的成像光譜測試系統(tǒng)光路和設(shè)備構(gòu)成；（2）掌握成像光譜系統(tǒng)的軟件操作；（3）利用成像系統(tǒng)測量不同樣品的吸收光譜；【實驗器材】聲光可調(diào)諧濾波器一套（含AOTF、驅(qū)動器、電源），高亮度光源一套（含光源、電流源），光學元件若干，成像透鏡一個，光學CCD一個，實

4、驗用微機一套（含自編控制和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)一套）?！緦嶒炘怼?.1 成像紅外光譜測量的原理與特點成像紅外光譜是對待測樣品使用某譜段的紅外光進行成像型記錄，從而可分別研究樣品面上不同區(qū)域的光譜。而一般的光譜測試儀器，實際上是測量獲得樣品在測試區(qū)域的平均光譜；因此相比說來，具有精確度更高、精細度更高、可同時測量比較大面積樣品上不同區(qū)域紅外光譜等特點。如圖21-1(a, b, c)分別是某溶液中粒子樣品在1250nm、1350nm和1450nm波長的成像，圖中的色彩表示不同的強度。(a) 1250nm (b) 1350nm (c) 1450nm圖21-1 某溶液中粒子樣品在不同波長的成像圖21-2

5、 圖21-1粒子樣品的吸收光譜曲線 在實際的測試過程中，在測試光譜范圍l1l2間每隔Dl（設(shè)為波長系列l(wèi)i），記錄一幅樣品圖像I1i，并以同等條件記錄參照物的系列光譜圖像I0i；然后選定需要分析的樣品位置，分別讀取樣品和參照物的所有l(wèi)i圖像的光強I1i和I0i，則該位置處樣品的光譜曲線的第i點強度為：(21.1)由此即可獲得整個光譜范圍的吸收光譜曲線。如圖21-2即為圖21-1粒子樣品在1450nm1650nm區(qū)間的吸收光譜曲線，樣品在1560nm附近有一個較強的吸收峰。 光譜的另一種表達是透射光譜曲線，采用透射百分比方式：(21.2)樣品的透射光譜曲線凹凸正好與吸收光譜曲線相反。 上述圖像記

6、錄時，需要先測量系統(tǒng)的環(huán)境光強，并在后續(xù)的記錄中加以消除，以保證測試光強的準確。如可關(guān)閉照明光源，或測量起始波長處的光強計為系統(tǒng)的環(huán)境光強，此時的光強透過率很低，近似為無照明光時的環(huán)境光強。 在本實驗中，采用的是可見光/近紅外的AOTF，它是兩個AOTF合并而成，分別針對400695nm、6951000nm的兩個波段。1.2 成像紅外光譜測試系統(tǒng)的基本構(gòu)成與分析 成像光譜系統(tǒng)主要由紅外照明光源部分、圖像采集部分、照明與成像光路部分和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析軟件四部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖21-3所示。圖21-3 系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖 1. 紅外照明光源系統(tǒng)： 紅外照明光源系統(tǒng)一般由大功率的點狀白熾燈和分

7、光系統(tǒng)組成，最終獲得一個紅外譜段的可變波長的照明光束。 點狀白熾燈一般使用大功率的鹵素燈，如功率250W、燈絲面積7.0×12.0mm2的鹵素燈，以在準直后獲得足夠光強的近平行照明光。 分光系統(tǒng)的核心是可將入射白光分解為準單色光的分光器件，一般可使用AOTF（聲光調(diào)諧濾波器）和LCTF（液晶調(diào)諧濾波器）。上述兩種器件均有較好的單色性和足夠的速度，能夠滿足可見光到紅外的光譜分析的需要。其中AOTF驅(qū)動速度快、單色性好、重復性好，但AOTF的面積較小，光束的準直度等受限，在相同入射光時輸出的光強有限；而LCTF孔徑大，透射光強比較大，但是波長變化時，可能出現(xiàn)輸出光強的突然跳動，且跳動位置

8、有所浮動，從而使該波長附近的光譜出現(xiàn)異常，需要用較繁瑣的后期數(shù)據(jù)處理加以解決。本實驗系統(tǒng)使用的是AOTF。 對于AOTF，其驅(qū)動器由微波信號源和功放組成。系統(tǒng)所用功放輸出最大約3.5W，微波信號源可通過串口接收計算機控制信號，改變輸出微波頻率。計算機可通過控制系數(shù)的改變調(diào)節(jié)和設(shè)定某波長對應的微波頻率，輸出信號頻率由頻率計進行標定。圖21-4為系統(tǒng)使用的AOTF的驅(qū)動頻率與輸出波長曲線圖，圖中星號*為器件出廠的實測標準值，按照實測標準值使用多項式擬合獲得其驅(qū)動頻率輸出波長公式（5階），如式(21.3)。 (21.3)同理，按照實測標準值擬合獲得輸出波長驅(qū)動頻率公式，擬合階次到4階，如式(21.4

9、)所示，其曲線如圖21-5，根據(jù)器件情況，實用中將其測試范圍擴展至474nm1040nm。 (21.4)圖21-4 AOTF的驅(qū)動頻率輸出波長曲線 圖21-5 AOTF的輸出波長驅(qū)動頻率曲線 2. 圖像采集系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)一般由快速的圖像采集卡和紅外CCD相機構(gòu)成。為達到對樣品不同層面的紅外性能透析，需要圖像采集卡能夠改變和控制曝光的起始時間以及曝光時間。本系統(tǒng)使用的是USB接口的CCD相機。 紅外CCD有兩個指標，一個是光強的靈敏度，或者說動態(tài)范圍，即CCD的位數(shù)，一般應選擇12bit至16bit，8bit的CCD容易飽和，對動態(tài)范圍較大的樣品不易測試；另一個指標是CCD的像素數(shù)，一般應選

10、擇512×512以上，以獲得較好的圖像分辨率。本系統(tǒng)使用的CCD動態(tài)范圍為8bit/16bit可選，最大分辨率為1394×1040。 由于圖像采集卡速率和CCD積分時間的限制，圖像的采集速率與圖像的分辨率一般是有所矛盾的，圖像分辨率越高，其采集速率越低。所以需要根據(jù)系統(tǒng)需求選擇一個合適的圖像采集速率或CCD積分時間。 3. 照明與成像光路系統(tǒng) 照明與成像光路系統(tǒng)是實現(xiàn)樣品被照明后獲得良好成像的關(guān)鍵。由于是在實驗室的近距成像，一般的需使用復合透鏡組的成像鏡頭，以獲得小像差的成像結(jié)果。 從照明的角度，成像光路系統(tǒng)可以分為透射式成像光路和反射式成像光路兩種類型，其光路示意如圖21

11、-6(a, b)；對于透明樣品應用的是透射式成像系統(tǒng)，反射式成像系統(tǒng)針對不透明樣品。 從成像放大率的角度，則可分為一般成像光路和顯微成像光路兩種類型。在顯微成像中，根據(jù)顯微放大的倍數(shù)不同，可以分為直接使用顯微鏡的成像方式，如圖21-7(a)，或使用雙卡賽格倫望遠鏡顯微成像方式，如圖21-7(b)。其中雙卡賽格倫望遠鏡系統(tǒng)可獲得更高的放大倍率。 另外，如果使用光電探測器，而不是CCD作為光強采集器件，系統(tǒng)直接過渡為常見的光譜儀方式，獲得的是照明區(qū)域樣品的平均光譜。(a) 透射式AOTF成像光路示意圖(b) 反射式AOTF成像光路示意圖圖21-6 兩種照明方式的成像光路系統(tǒng)示意(a) 使用顯微鏡的

12、進行顯微成像示意圖(b) 使用雙卡賽格倫望遠鏡顯微成像方式示意圖圖21-7 顯微成像的兩種光路示意圖 如圖21-6的光路可以采用分立光學元件搭建，可以方便地更改光路元件的位置，獲得不同的成像放大率，視場大，系統(tǒng)較靈活；圖21-7的光路，視場較小，出射光基本上就是平行光，可以對樣品中的氣泡和微粒的光譜進行精密測量。圖21-8 與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對樣品的影響時，我們可以看到不同照明方式對樣品的溫升不同，從而對測試結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。簡單地說，入射光先經(jīng)過AOTF將使其能量大大削減，樣品僅受到準單色光照明，從而使樣品表面溫度基本不變，且入射光是近平行光，受到

13、AOTF調(diào)制后單色性較好，樣品可以獲得較大面積的照明；而入射光先照明樣品，再經(jīng)過AOTF分光，將使得樣品表面溫升嚴重，且AOTF的入射光是經(jīng)樣品散射的漫射光，樣品照明面積較小，方向相對雜散，其分光后的準單色性將下降。但是由于被測結(jié)果為紅外光譜，溫升高的結(jié)果是其紅外光譜強度更大，效果明顯，易于觀測。 類似的思想可以使用到AOTF光路中，如圖21-8為使用AOTF獲得反射式成像的另一種光路。與圖21-6(b)的透射式光路相比，其對樣品照明光路可以一致，僅需轉(zhuǎn)動成像部分即可獲得不透明樣品的反射式成像。 4. 系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析軟件 在設(shè)置好測量參數(shù)，如每幅圖的曝光時間和測試光譜段、最小間隔波長等后，

14、整個測試過程將由控制系統(tǒng)依序改變RF頻率并曝光完成，這就是系統(tǒng)控制軟件的編程框架。測量的圖片數(shù)據(jù)信息可每幅單獨存放，也可寫入一個共同的圖像文件，并可靈活地調(diào)用，對選定像素點位置的光強按序號進行讀取，獲得對應波長的系列光強，并對最后結(jié)果進行輸出。 軟件的核心是系統(tǒng)控制部分，要求采樣迅速無誤，且需要針對系統(tǒng)選定的CCD和RF信號源進行單獨編程。按照前面測試原理的說明，控制軟件還需要預先提示測量環(huán)境光強，并在后續(xù)的圖像光強采集時自動將環(huán)境光強消除。考慮到CCD具有一定的噪聲，環(huán)境光強采集時需要采集多幅圖像并平均。 由于CCD的位數(shù)一般高于8位，因此軟件要能夠在高于8bit的光強值時對光強進行彩色顯示

15、，以便于人眼觀察成像圖景，并選擇感興趣的測試目標進行測量?！緦嶒瀮?nèi)容】（1）熟悉光學器件調(diào)節(jié)，設(shè)置適當光路，使高亮度白光光束近平行輸出；（2）熟悉AOTF的操作，在可見光波段觀察不同頻率RF輸出時AOTF衍射光的顏色；（3）調(diào)節(jié)樣品和CCD位置，獲得適當成像放大率的精確成像；（4）根據(jù)流程對樣品進行測試，獲得樣品的吸收光譜。【實驗步驟及操作】（一）系統(tǒng)控制介紹本系統(tǒng)硬件由AOTF，射頻驅(qū)動部分，同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器，CCD相機和PC控制端五個主要部分構(gòu)成。如圖21-9展示了各部分間的通信接口。1). 射頻驅(qū)動通過RF通道和AOTF通信，控制AOTF調(diào)制輸出不同波長的光，本系統(tǒng)的AOTF實際使用了

16、兩塊聲光晶體構(gòu)成500nm1000nm的測試區(qū)域，其RF通道1對應高頻部分（可見光），RF通道2對應低頻部分（近紅外）。2). PC控制端通過計算機的串口與射頻驅(qū)動部分通信，發(fā)出修改AOTF輸出射頻頻率與強度的命令，并接收射頻驅(qū)動部分發(fā)來的確認信號。3). 同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器是一個單片機系統(tǒng)，它負責轉(zhuǎn)發(fā)和解析射頻驅(qū)動部分發(fā)出的高低電平同步信號到計算機控制端的串口，CCD相機通過USB端口與控制端通信。圖21-9 軟件與各硬件之間的通信接口本系統(tǒng)的特別之處就在于增加了同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器，這是由射頻驅(qū)動部分硬件接口設(shè)計和系統(tǒng)使用USB接口的CCD沒有兼容造成的。按照射頻驅(qū)動部分的設(shè)計，當射頻部分受

17、到參數(shù)修改命令并修改完畢后，系統(tǒng)發(fā)發(fā)一個高電平同步信號給CCD相機控制相機拍照，待拍照結(jié)束后，CCD相機回復一個低電平信號給射頻驅(qū)動部分，這時射頻驅(qū)動部分才接受再次修改參數(shù)的命令，進入下一次拍照。由于我們使用的USB接口CCD不具備通過高低電平控制拍照的功能，所以就自己開發(fā)了這個同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器的單片機系統(tǒng)，建立一個射頻驅(qū)動和計算機控制端的通信鏈路，以保證需求功能的實現(xiàn)。如圖21-10為系統(tǒng)的通信流程，共使用了兩個COM串口，分下面幾個步驟：1). PC控制端通過COM1發(fā)送“更新射頻信號命令”給“射頻驅(qū)動部分”；當“射頻驅(qū)動部分”更新了射頻信號后，“同步信號1”輸出高電平，“同步信號2”為

18、低高電平，表示更新了參數(shù)，同時等待同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)“同步信號2”；2). 同步信號解析器收到同步信號1后，發(fā)送“參數(shù)已更新”命令到控制端COM2，同時等待CCD相機工作完畢命令；3). 控制端COM2收到“參數(shù)已更新”命令后，啟動CCD相機工作，CCD相機工作完畢后，發(fā)送“CCD相機工作完畢”命令給同步信號解析器；4). 同步信號解析器收到“CCD相機工作完畢”命令后，置“同步信號2”為高電平；5).“射頻驅(qū)動部分”監(jiān)測“同步信號2”的上升沿，如沒有上升沿繼續(xù)等待；有上升沿，置“同步信號1”和“同步信號2”為低電平，等待下一次參數(shù)更新。圖21-10 通信流程圖 （二）系統(tǒng)光路介紹 系統(tǒng)光路

19、按照透射式成像光譜測試要求搭建，原理如圖21-6(a)，結(jié)果如圖21-11；由于AOTF通光面積僅為1cm×1cm，因此入射光束需要有所會聚，以提高系統(tǒng)光能利用率；AOTF衍射后的準單色光束再經(jīng)過透鏡獲得近平行光，照明待測樣品。 (a) 光源與AOTF (b) 整個光路圖21-11 系統(tǒng)光路 待測樣品照明后，經(jīng)適當距離處的成像透鏡鏡頭以適當?shù)某上穹糯舐食上竦紺CD上。如圖21-12為某底片在不同波長光照明后采集的圖像（已假彩色化）。需要注意，由于成像透鏡的折射率隨波長不同變化，樣品最終的成像清晰度會隨波長的改變有所不同。(a)474nm (b)490nm (c)504nm (d)55

20、0nm (e)574nm (f)580nm (g)692nm (h)702nm圖21-12不同波長下采集的圖像（三）系統(tǒng)操作介紹圖21-13 系統(tǒng)正在采集圖像時運行效果設(shè)置完畢光路后，運行軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)運行后正在采集圖像的效果如圖21-13所示，系統(tǒng)運行前，會檢測CCD，AOTF控制器和同步信號解析轉(zhuǎn)發(fā)器的工作狀態(tài)是否正常。如果正常，CCD預覽界面、CCD參數(shù)調(diào)節(jié)面板和控制參數(shù)配置面板就可以進入等待圖像采集的工作狀態(tài)如圖21-13中的各個部分，如果硬件工作不正常，將會提示硬件故障，系統(tǒng)啟動后不會顯示CCD預覽界面、CCD參數(shù)調(diào)節(jié)面板和控制參數(shù)配置面板。設(shè)置好采集范圍之后，發(fā)出開始指令，系統(tǒng)

21、就進入自動采集狀態(tài)，系統(tǒng)會按照控制參數(shù)配置面板配置的頻率和幅度發(fā)送給AOTF控制器，改變照射到被測樣本上的光線波長，并進行逐幀圖像采集，圖21-14為系統(tǒng)的驅(qū)動頻率輸出波長設(shè)置模板，在模板中可以設(shè)置開始波長與測試總幀數(shù)等。圖21-14 驅(qū)動頻率輸出波長設(shè)置模塊 圖像采集前需要使用圖21-13左上方的CCD參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置CCD的曝光時間，并需要采集環(huán)境光，從而在測試時消除環(huán)境光。環(huán)境光采集圖樣和消除效果如圖21-15所示。 (a) 環(huán)境光采集圖樣 (b) 消除環(huán)境光后的采集圖樣圖21-15 環(huán)境光采集圖樣和消除效果圖像采集結(jié)束后，通過文件管理面板可以保存和打開已采集的圖像系列，圖像系列存儲為我

22、們自設(shè)的DFF文件格式，它可以記錄該文件的相關(guān)參數(shù)和所有圖片，如圖21-16(a, b)所示。單擊如圖21-16(b)的圖像圖標即可打開/關(guān)閉該幅圖像，并可以通過圖像色彩模塊設(shè)置的四個“圖像假彩色”按鈕調(diào)節(jié)觀察效果，如圖21-17所示。 (a) DFF文件記錄的相關(guān)參數(shù) (b) DFF文件記錄的相關(guān)圖像系列圖21-16 圖像文件圖21-17 打開的圖像與假彩色效果示意【數(shù)據(jù)采集與處理】1. 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能簡介為了能夠?qū)Σ杉降膱D像數(shù)據(jù)進行分析，軟件系統(tǒng)設(shè)計了初步的對圖像數(shù)據(jù)進行采集和分析的功能，主要有以下部分： 1). 鼠標在圖片窗口移動時，在窗口的標題欄顯示當前的坐標位置和給坐標在圖上對

23、應得光強。(a) X方向光強曲線 (b) Y方向光強曲線圖21-18 X方向和Y方向光強曲線2). 鼠標左鍵雙擊圖片上某點時，可選擇繪制出該點的X方向和Y方向的光強曲線，以利于觀察圖像的光強分布；如圖21-18(a)是點(51,369)X方向上所有像素的光強曲線，圖21-18(b)是點(51,369)Y方向上所有像素的光強曲線。3). 鼠標右鍵雙擊圖片上某點，即可把整個DFF文件中所有幀圖像在該點的光強依序輸出到一個TXT文件中，并自動打開該文件，后續(xù)可以拷貝文件中光強數(shù)據(jù)到相關(guān)軟件中進行后續(xù)的處理，以便于對數(shù)據(jù)根據(jù)不同的分析需要進行多種類型的分析和數(shù)據(jù)提取。如在Excel軟件中，按照公式(2

24、1.1)計算相應值，再使用Excel的繪圖功能獲得曲線。為便于計算樣品的光譜，需要對樣品和參考樣品在同一位置處提取測試光強；軟件系統(tǒng)提供設(shè)置像素x、y坐標的功能，操作時需要注意提取相同位置的光強數(shù)據(jù)。如圖21-19為某樹葉作為樣本的光強和無樣品時的光強數(shù)據(jù)，在Excel中繪制獲得的曲線；按照式(21.1)即可計算獲得其吸收光譜，如圖21-20中值較大的曲線所示。圖21-20中另外一條值較小的曲線是另一樹葉的吸收光譜測試結(jié)果，整個光譜分布是類同的。圖21-19 樹葉作為樣本的光強和無樣品時的光強曲線對比圖圖21-20 兩樹葉作為樣本的吸收光譜曲線對比圖 為消除噪聲，軟件系統(tǒng)在讀出光強時，可以設(shè)置

25、讀出像素的大小，如1×1、3×3、5×5等，讀出數(shù)據(jù)為以設(shè)置像素為中心的相應大小區(qū)域的平均光強。 2. 數(shù)據(jù)采集與處理 (1) 拍攝樣品光譜圖樣序列，選擇樣品成像區(qū)域中心附近的某像素位置，采集其光強數(shù)據(jù)； (2) 拍攝無樣品時的參考光圖樣序列，選擇一致的像素位置，采集其光強數(shù)據(jù)； (3) 將二者光強數(shù)據(jù)和波長數(shù)據(jù)輸入Excel，輸出光強曲線和樣品吸收光譜曲線； (4) 對不同坐標的像素處的光強進行提取，并計算樣品的吸收光譜，比較對樣品不同坐標處提取光譜是否會造成結(jié)果的較大變化。 (5) 使用不同的像素大小，重新提取樣品光和參考光圖樣的光強數(shù)據(jù)，計算吸收光譜，比較不

26、同像素大小對吸收光譜造成的影響?！緦嶒炞⒁馐马棥?（1）光源關(guān)閉時，需要燈泡冷卻風扇自然關(guān)停后才能關(guān)閉房間電閘； （2）AOTF驅(qū)動器打開前，需要注意輸出RF端口是否已經(jīng)連接到AOTF上；不能空置，否則可能引起放大器燒毀； （3）USB型CCD在工作時，禁止直接從端口拔除?！舅伎碱}】（1）如果已有一個吸收光譜測試光路，如何快速將其更改為反射光譜測試光路？（2）當樣品光相對很弱時，有哪些方案可以較好地完成光譜的測試？（3）不同成像放大率對樣品光譜的測試結(jié)果可能有哪些影響？【參考文獻】 1、結(jié)構(gòu)化大學物理實驗，姚列明主編，高等教育出版社，2009年 2、徐介平.聲光器件的原理、設(shè)計和應用M.北京：

27、科學出版社,1982:4.54,73-82。實驗二十二 基于數(shù)字散斑照相的微米級二維位移測試實驗 全息無損檢測一般可以使用全息干涉法和散斑干涉法兩類。全息干涉法產(chǎn)生全息干涉條紋圖樣的方法很多，在實驗上最常用的是二次曝光法，就是用同一張全息干板在不同時刻對物體做兩次全息記錄，一次是記錄初始物光波的全息圖，另一次是記錄“運動”以后的物光波的全息圖。當全息圖被重現(xiàn)時，設(shè)法使在不同時刻記錄的兩個波面迭加，發(fā)生干涉。全息干涉不僅可以測量透明物體，也可以測量不透明物體，并且表面可以是復雜形狀的散射體。此外，還可以通過表面的變化來檢測物體內(nèi)部的缺陷。該方法已廣泛地被應用于許多基礎(chǔ)研究和工程監(jiān)測領(lǐng)域中。而散斑

28、干涉法主要利用待測物體的散斑效應，該方法已被廣泛地被應用于表面粗糙度研究、光學圖像處理、光學系統(tǒng)的調(diào)整和鏡頭成像質(zhì)量評價等方面。 散斑干涉計量技術(shù)最基本的應用是利用二次曝光技術(shù)來測量物體表面的面內(nèi)位移，由此可引申出空間位移場、應變場的測試，距離及速度的測量，振動分析以及進行位相物體研究等。這種方法的優(yōu)點是幾何光路簡單，降低了對機械穩(wěn)定性的要求，易于測試面內(nèi)位移，且測試靈敏度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 傳統(tǒng)的散斑干涉計量是使用全息干板完成拍攝。隨著面陣光電接收器件CCD的發(fā)展，CCD像素已經(jīng)小到微米級，且像素數(shù)超過100萬，從而可以部分替代全息干板完成圖像的采集，逐漸發(fā)展成為可實時處理的數(shù)字散斑照相技

29、術(shù)。本實驗即采樣數(shù)字散斑照相方式，對微米級的二維位移進行測試?！绢A習提要】（1）散斑是如何形成的？（2）位移前后的物體，通過成像如何獲得位移信息的提取？（3）數(shù)字式處理有什么特點？【實驗目的】（1）了解激光散斑干涉測量的特點和常見方法；（2）了解散斑成像光路的成像和調(diào)試特點；（3）設(shè)置激光散斑成像光路，使用CCD記錄，并完成數(shù)據(jù)處理；【實驗器材】He-Ne激光器一臺（含電源），光學元件若干，顯微成像鏡筒一個，光學CCD一個，實驗用微機及配套軟件一套?！緦嶒炘怼?(1) 散斑效果觀察 當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長數(shù)量級的表面）上時，即呈現(xiàn)出用普通光見不到的斑點狀

30、的圖樣。其中的每個斑點稱為散斑，整個圖樣稱為散斑圖樣。這種散斑現(xiàn)象是使用高相干光時所固有的。 散斑的物理起因可簡單說明如下：當激光照射到物體表面時，物體表面上的每一個點（或面元）都可視為子波源，它們都要散射光，由于激光的高相干性，則由一個物點散射的光將和每一個其他物點散射的光干涉。又因為物體表面元是隨機分布的（這種隨機特性由表面粗糙度引起），則由它們散射的各子波相干疊加的結(jié)果，形成的反射光場具有隨機的空間光強分布。當把探測器或眼睛置于光場中時，將記錄或觀察到一種雜亂無章的干涉圖樣，呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)，此即“散斑”。 圖22-1是拍攝成像散斑圖的光路布置之一，其中S是具有光學粗糙表面的平面物體，用擴

31、束后的激光光束照射，L是成像透鏡，H是全息干板，置于像平面上，成像透鏡L將S面成像于H上，形成成像散斑，如果對測試物體在運動前后應用二次曝光法拍攝散斑圖樣，并假定位移的量值大于散斑特征尺寸，那么，在同一底片上就記錄了兩個同樣的但位置稍微錯開的散斑圖。這樣，其中的各散斑點都是成對出現(xiàn)的，這相當于在底片上布滿了無數(shù)的“楊氏雙孔”，各“雙孔”的孔距和連線反映了“雙孔”所在處像點的位移的量值和方位，當用相干光束照射此散斑底片時，將發(fā)生楊氏雙孔干涉現(xiàn)象。 圖22-1 記錄成像散斑的光路 圖22-2 逐點分析法光路(2) 散斑圖底片的處理方法對于散斑圖底片的處理，通常采用兩種方法，一種是全場分析法，采用平

32、行光束垂直照明二次曝光散斑圖底片，應用傅里葉變換透鏡，在其后焦面上觀察散斑圖底片的頻譜分布；另一種是逐點分析法，使用細激光束垂直照明二次曝光散斑圖底片，在其后面距離z0處平行放置觀察屏，每次考察底片上一個小區(qū)域的頻譜。圖22-2表示用逐點分析法的光路布置，這時在觀察屏上將會看到由散斑底片被照明小區(qū)域的“散斑對”所產(chǎn)生的楊氏雙孔干涉條紋，它們是一系列的平行直線，相鄰亮條紋的間隔和相鄰暗條紋的間隔t均滿足下列關(guān)系： (22.1)式中l(wèi)為“雙孔”間距（即位移量值），為激光波長，且條紋取向與“雙孔”連線（即位移的方位）垂直。由此便可求出待測物體表面各點的位移的大小和方位。注意，上述位移量是經(jīng)過透鏡放大

33、了的值，若成像散斑的放大率為M，則待測物體表面各點發(fā)生的實際位移量值應為： (22.2)u、v各代表圖22-1中的物距和像距，M則表示放大率。上式就是測定面內(nèi)位移的公式。當位移的方向和大小不同時，條紋的取向和疏密也不同。 (3) 對CCD記錄的成像散斑圖進行數(shù)字分析 從圖22-2可以看到，使用光學系統(tǒng)對二次曝光的成像散斑圖進行逐點分析能夠獲得各點處對應的位移方向和大小。但是其干板處理和逐點分析的過程較為冗長，不利于進行實時測量。 若在系統(tǒng)中利用CCD對成像散斑圖進行記錄，然后利用數(shù)字方式對記錄獲得的圖像進行分析，則可以大大節(jié)省處理時間，提高處理效率。 實際上，楊氏雙孔的光路實現(xiàn)相當于其夫瑯和費

34、衍射圖景，這對應于圖像處理中的傅立葉變換。因此可以使用傅立葉變換特別是快速傅立葉變換來完成對CCD采集圖像的逐點分析。 采用傅立葉變換方式的楊氏雙孔光路，對應如圖22-3，此時楊氏條紋光程差計算不變，均為lsinq，但式(22.1)和(22.2)中的距離z0換為傅立葉透鏡的焦距f，即： (22.3) (22.4)圖22-3 采用傅立葉變換方式的楊氏雙孔光路示意圖 以一片銀杏葉為物體，在一維豎直方向進行位移測試，位移前后使用CCD采集圖像并疊合，如圖22-4(a)，再進行傅立葉變換，其顯示的楊氏條紋如圖22-4(b)，正中的亮斑是衍射零級點；為了定量獲得其楊氏條紋圖樣間距，可將圖樣視為等距的光柵

35、，再次進行一次傅立葉變換，從而獲得條紋的衍射亮斑，如圖22-4(c)；對其進一步分析可以獲得衍射亮斑的精確位置，如圖22-4(d)。(a) 位移前后物體疊合像 (b) 傅立葉變換后的楊氏條紋圖樣(c) 對楊氏條紋圖樣再次傅立葉變換結(jié)果 (d) 衍射主極大的一維曲線圖22-4 數(shù)字化散斑處理微米級位移 如果在兩次傅立葉變換過程中使用相同的參數(shù)，則如圖22-4(d)中兩個±1級主極大的間距，即對應于物像的位移。故可以使用數(shù)字化的方式對物像圖樣進行良好的處理。 上述方案中位移的處理精度為1個像素的大小。如果需要提高處理精度，可以使用亞像素的方案。 如果物體的位移各處不等，則可以將物像分割為

36、若干小部分，分別重復上述流程即可。由于從散斑圖像中提取位移需要充分的散斑數(shù)量，在實際操作中各部分的像素陣列大小建議不小于50×50。 需要說明的是，由于圖像亮度是從0255，而數(shù)字圖像處理中的傅立葉變換，其值的大小僅具有相對意義，因此需要選擇適當?shù)姆糯蟊堵适沟脠D像具有適宜的亮度?！緦嶒瀮?nèi)容】（1）熟悉光學器件調(diào)節(jié)，著重完成顯微成像光路的清晰成像調(diào)節(jié)；（2）設(shè)置適當?shù)纳叱上窆饴?，使用CCD記錄物體位移/形變前后的散斑像；（3）對記錄的散斑進行數(shù)字分析，計算物體各處的位移/形變；（4）對計算結(jié)果進行分析和比對，確認結(jié)果的有效。【實驗步驟及操作】（一）設(shè)置散斑成像光路系統(tǒng) 使用He-Ne

37、激光，將其擴束至近平行光后照明物體，如圖22-1搭建透射式散斑成像光路，也可以在教師的指導下搭建反射式散斑成像光路。注意調(diào)節(jié)成像鏡筒的放大率與CCD的位置，使得待拍攝物體成像在CCD面上后，在計算機屏幕上觀察為清晰。（二）位移前后的記錄 選擇適當?shù)拇郎y物體，夾緊后放置在精密位移臺上；調(diào)節(jié)CCD的曝光時間，先使用CCD記錄一幅物體的亮度適當?shù)纳呦?，然后在物體水平方向上施加些微的平動，再使用CCD記錄一幅物體的成像散斑像；將二幅圖像存儲后待處理。 對膠片型物體，可在縱向上輕微施加壓力，使用CCD記錄形變前后的散斑像，存儲待處理，以獲得對物體的形變分析。 位移和形變的大小需要注意精確控制，不能過大

38、；如千分表的15格（即1050mm位移）。【數(shù)據(jù)采集與處理】 將CCD采集的物體位移/形變前后散斑圖在程序中疊合，然后避開圖像邊緣，選取適當?shù)奈恢茫∵m當大?。ㄐ枰趯嶒瀳蟾嬷薪o出取值理由）后進行傅立葉變換，對比分析各處的條紋間距和方向。若物體是剛性的，且是平移，則物體各處的條紋間距和方向應該相同或近似。 如圖22-7(a, b)為物體位移為4像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果，圖22-8(a, b)為物體位移為12像素時再現(xiàn)像的傅立葉變換結(jié)果。圖22-7條紋有所稀疏，而圖22-8則比較適當。如果使用CCD像素大小為6.45mm，系統(tǒng)成像放大率為b=10，則意味著平移時的實際距離應約為8mm比較適宜；

39、如果系統(tǒng)成像放大率提高到b=50，則實際平移距離約為1.5mm比較適宜。 最后，比較物體各處的位移/形變狀態(tài)，對照實驗情況給出分析。如分別將千分表旋轉(zhuǎn)1格、2格、5格、8格，分別對圖像兩兩疊加分析，分析其位移測試結(jié)果是否呈現(xiàn)線性。 （a）三維強度分布圖 （b）二維強度分布圖圖22-7 位移4像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果 （a）三維強度分布圖 （b）二維強度分布圖圖22-8 位移12像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果【實驗注意事項】 （1）設(shè)置成像系統(tǒng)時，注意成像范圍、放大率與位移大小的關(guān)系，范圍越大，位移越大，反之亦然； （2）CCD的記錄參數(shù)需要注意選擇，使得記錄圖像灰度適中； （3）USB型CCD在

40、工作時，禁止直接從端口拔除?！舅伎碱}】（1）在成像系統(tǒng)中使用相干光照明和非相干光照明有何差別？（2）如何確定一個適當?shù)膱D片采樣大小，以對比逐點分析的情況？（3）系統(tǒng)的測試精度主要由哪些因素決定？【參考文獻】1 現(xiàn)代光學實驗講義，王仕璠、劉藝、余學才編，北京：北京郵電大學出版社，2004年8月2 全息干涉度量學理論與實踐，王仕璠主編，北京：科學出版社，1989年2月3 信息光學理論與應用，王仕璠主編，北京:北京郵電大學出版社, 2008實驗二十三 基于空間光調(diào)制器輸入的聯(lián)合變換相關(guān)圖像識別實驗光學聯(lián)合變換相關(guān)識別（JTC）也是利用透鏡的兩次傅里葉變換來實現(xiàn)的1，但在原理和方法上它又與匹配濾波相關(guān)

41、識別存在明顯的差異。它把待識別的目標圖像和一個參考圖像一起并列放置在傅里葉變換透鏡的前焦面上，然后用準直相干光照明，在透鏡的后焦面上得到兩圖像的聯(lián)合變換傅里葉頻譜，再用感光膠片記錄下這個聯(lián)合變換功率譜。經(jīng)顯影定影處理后，膠片在線性工作條件下，其透過率正比于聯(lián)合功率譜；然后再把它經(jīng)過一次逆傅立葉變換，在輸出平面上產(chǎn)生兩個圖像的自相關(guān)峰和互相關(guān)峰。通過對互相關(guān)峰的觀察來判斷輸入的待識別圖像和參考圖像是否相關(guān)。因此，它在識別目標時，不用制作匹配濾波器，且其參考圖像與匹配濾波相關(guān)識別中的全息匹配濾波器相比要簡單得多。并且參考圖像可以用液晶電視(簡稱LCTV)顯示，對聯(lián)合功率譜也可以使用CCD等光電器件

42、探測，易于引入計算機處理，實現(xiàn)光、機、電的實時光學圖像識別?？臻g光調(diào)制器可以使用電光調(diào)制的方式，將計算機中的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學圖像輸出，便于對大量圖像實現(xiàn)掃描性輸出，在光學識別等方面具有很好的應用。本實驗主要介紹聯(lián)合變換相關(guān)的基本實驗原理、聯(lián)合變換功率譜探測及相應的光路設(shè)置和重現(xiàn)結(jié)果?！绢A習提要】（1）光學圖像識別的原理是什么？（2）相關(guān)峰寬度和圖像寬度有什么關(guān)系？（3）空間光調(diào)制器的輸出有什么特點？【實驗目的】 1. 掌握聯(lián)合變換相關(guān)的基本原理；掌握聯(lián)合變換功率譜重現(xiàn)的相關(guān)簇特點； 2. 對相同圖像、相似圖像、不相似圖像三種情況分別拍攝并重現(xiàn)其聯(lián)合變換功率譜，觀察三種情況下的相關(guān)峰，觀察用聯(lián)

43、合變換實現(xiàn)光學圖像識別的效果。 3. 進一步學習光學圖像識別的方法，體會光學圖像識別的要素?！緦嶒炂鞑摹縃e-Ne激光器一臺（含電源），電子快門1個，光學元件若干，透射型電光調(diào)制空間光調(diào)制器1臺，光學CCD一個，實驗用微機及配套軟件一套?！緦嶒炘怼?1. 聯(lián)合變換相關(guān)原理 如圖23-1所示，圖中L為傅里葉變換透鏡，待識別圖像t(x1, y1)置于輸入平面的一側(cè)，其中心位于(-a, 0)，參考圖像r(x1, y1)置于輸入平面的另一側(cè)，其中心位于(a, 0)。用準直的激光束照明，并通過透鏡進行傅里葉變換。則在透鏡后焦面上的振幅分布為：(23.1)稱為待識別圖像和參考圖像的聯(lián)合傅里葉譜。式(23

44、.1)可以寫成為下列的形式：(23.2)圖23-1 聯(lián)合變換功率譜的記錄式中和分別是待識別圖像t(x1, y1)和參考圖像r(x1, y1)的傅里葉變換譜。透鏡后焦面的光強分布為：(23.3) 式中的和分別是和的位相。式(23.3)就是待識別圖像和參考圖像的聯(lián)合傅里葉變換的功率譜。對上述聯(lián)合變換功率譜再進行一次逆傅里葉變換。如圖23-2所示，在傅里葉透鏡L的圖23-2 聯(lián)合功率譜的逆傅里葉變換前焦面上放置圖23-1中記錄的聯(lián)合變換功率譜，然后用準直激光束照明，這樣在線性記錄和反演坐標條件下，就在透鏡的后焦面上得到原輸入物面上兩個圖像的零級自相關(guān)峰和±1級互相關(guān)峰：(23.4)式中表示

45、相關(guān)運算，表示卷積運算，式中的第一項和第二項分別是輸入待識別圖像和參考圖像的自相關(guān)項，均位于輸出平面的中心附近，可以稱為零級項，它們不是所需要的輸出信號。第三、四項是待識別圖像和參考圖像的互相關(guān)項，在反演坐標下，它們分別位于(-2a, 0)和(2a, 0)處，在輸出平面上沿x3軸分別平移2a和2a，稱為一級項，這兩項正是所需要的相關(guān)輸出信號。適當選取2a值，就能使相關(guān)輸出信號從其他項中分離出來。對一級互相關(guān)峰的光強的測量可判斷待識別圖像和參考圖像之間的相關(guān)程度相關(guān)峰越強，則表明待識別圖像和參考圖像越相關(guān)。因此，它在識別目標時，不用制作匹配濾波器?！緦嶒瀮?nèi)容】（1）熟悉空間光調(diào)制器的操作，利用軟

46、件調(diào)用適當圖片輸出；（2）設(shè)置適當?shù)膱D像輸出光路，使用CCD記錄圖像的傅立葉功率譜；（3）對記錄的傅立葉功率譜進行數(shù)字分析，計算不同圖片的互相關(guān)峰強度；（4）對計算結(jié)果進行分析和比對，確認結(jié)果的有效?！緦嶒灢襟E及操作】1. 使用空間光調(diào)制器輸出圖像 使用大恒的電光調(diào)制型透射空間光調(diào)制器輸出圖像。注意要設(shè)置Windows有兩塊輸出顯卡和顯示器，設(shè)置空間光調(diào)制器為Windows的第二顯示器，將程序的輸出圖像拖到第二塊顯示器處并使用。 由于本實驗使用的空間光調(diào)制器是由像素陣列構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)具有點陣特性，因此平行激光照明后有多級衍射光輸出。同時，實驗使用的透射型空間光調(diào)制器是由液晶制作的(SLM)，因此

47、輸入要求為豎直方向的偏振光，輸出為水平方向的偏振光，要求在輸出后使用偏振片濾除豎直方向的背景光，提高輸出圖像的對比度。 為了提高空間光調(diào)制器輸出圖像的亮度，可以使用如圖23-3的光路。其中P是水平方向的偏振片；透鏡L1的作用是將大角度的衍射光束聚焦到一個小口徑，以滿足偏振片P的口徑的限制要求；透鏡L3的作用是將聚焦光束還原為平行光束，且可以通過調(diào)節(jié)焦距f1和f2的大小，對輸出圖像按需求進行縮放。圖23-3 透射型空間光調(diào)制器光路示意圖 由于輸入圖像中心間距為2a，最后重現(xiàn)的相關(guān)峰距中心的間距為2a，而各個字母都有一定寬度，因此要注意使字母寬度小于a，否則將導致重現(xiàn)的相關(guān)峰產(chǎn)生疊合。 另外，此光路相當于將SLM處輸出的圖像經(jīng)過透鏡組L1和L2成像，因此只有在成像面處才能獲得清晰的像，其他位置處像會產(chǎn)生模糊和各光束的交疊。2. 布置實驗光路記錄聯(lián)合變換功率譜的實驗光路如