动态激光散斑测量透镜焦距_姚俊娜

［ 1］ 冯能云． 激光散斑信号处理方法研究 ． ［J］ ． 华中科 2012． 技大学， ［ 2］ 朱玉晗， 贺锋涛， 彭小龙． 基于塑料光纤的激光散斑 J］ ． 激光技术， 2016 ， 40 ： 122125． 特性研究［ ［ 3］ 贺锋涛， 曹金凤， 王晓琳， 等． 基于激光散斑的应力 ． 红 外 与 激 光 工 程，2015 ，40 ： 传 感 系 统 ［J］ 37293733． ［ 4］ 贾琼瑶， 贺锋涛． 激光投影显示中散斑均化问题的 J］ ． 激光技术， 2013 ， 37 （ 3 ） ： 400405． 研究［ ［ 5］ 王丽娟， 邱怡申， 陈怀熹， 等． 利用振动光纤减弱激 ． 光 子 学 报， 2011 ， 40 （ 8 ） ： 光散 斑 的 研 究 ［J］ 12111214． ［ 6］ 曹金凤， 贺锋涛， 基于图像功率谱的激光散斑评价 J］ ． 激光技术， 2015 ， 39 （ 3 ） ： 419422． 方法［ ［ 7］ 张羽鹏， 王开福． LabVIEW 和 MATLAB 在电子散斑 ． 激 光 技 术， 2009 ， 33 干涉图 像 处 理 中 的 应 用［J］ （ 6 ） ： 582585． ［ 8］ 叶 柳． ． 激 光 散 斑 用 于 非 正 常 人 眼 的 检 查 与 校 正 ［ J］ ． 激光杂志， 2001 ， 22 （ 2 ） ： 3839． ［ 9］ 叶柳． 动态激光散斑测量透镜焦距 ． ［ J］ ． 物理实验， 1996 ， 16 （ 3 ） ： 99101． ［ 10］ 肖贵 膑， 等． 用 激 光 扫 描 法 演 示 简 潜 振 动 的 图 像 ［ J］ ． 大学物理实验， 2016 （ 3 ） ： 4446． ［ 11］ 丁冠阳， ． 等． 超声光栅测声速实验方法的探索［J］ 2014 （ 6 ） ： 6466． 大学物理实验，
*
（ 安徽大学， 安徽 合肥 230601 ）
摘 关 键
要： 利用动态激光散斑原理确定组合透镜的焦平面并根据成像公式得出凹透镜的焦距 。 该方 词： 动态激光散斑组合透镜凹透镜焦距 文献标志码： A DOI： 10． 14139 / j． cnki． cn221228． 2017． 001． 003
表1
S2 ( S1 － f1 ) ， 见表 1 。 S1 － f1 + S2
参数测量
测量值 / cm 7． 00 8． 00 9． 00 10． 00 11． 00 17． 151 7． 2017． 10 13． 00 12． 50 12． 80 9． 759． 859． 80 7． 107． 207． 50 5． 605 705． 45 14． 99 15． 49 15． 47 16． 01 14． 13
11
具有良好的相干性， 而工作环境是不变的， 随机场 的分布在时域上是稳定的， 只是空间坐标的函数， 当毛玻璃运动时， 将涉及到随时间变化的光场的 随机特性。 通过在成像系统中空间时间互相关 函数， 得出焦距与散斑运动状态的关系 ， 进而得出 凹透镜焦距。
在一个特 图样及位置随着毛玻璃的运动而变化， — —此时组 殊的位置上可以观察到散斑是静止的 — 合透镜到观察面之间的距离即为焦距 。 为定量分析， 设毛玻璃、 待测透镜、 观察面矢 量坐标分别为 P = （ p， q） ， X = （ x， y） ， ξ = （ ζ， η） ， 毛玻璃 速度为 V = V0 ， 随机相位为 φ ( ξ ) ， 并设观察区处 于菲涅耳衍射区。 毛玻璃后表面附近场分布为 O ( ξ， t ) = E0 ( ξ， t ) exp [ iφ ( ξ － vt ) ] 观察面上场分布为
5
数据处理
因为射入 l2 的近似为为平行光， 所以 l2 的焦
即物距 S 点位置可视为对透镜 l 来说的虚物位置， = S1 － f1 （ f1 = 15 cm 为 l2 的焦距） ， 像距 S' = S2
［5 ］ ， 带入薄透镜物像关系式
1 1 1 + = 即可求 S S' f
出凹透镜的焦距公式 f =
［25 ］
光应用的早期， 激光散斑现象是作为干扰因 ［1 ］ 它严重影响了成像时的分辨能力 。 素存在的， 图 1 （ a） （ b ） 分别是静置的硬计算机技术、 激光技术的发展促进 了散斑计量技术的发展， 使散斑计量技术向实时、 高速度及自动化方向发展
透镜的焦距。如图 3 所示。判断焦距位置的方法 与上述凸透镜相似， 此处不再详细讨论。
4
实验装置
实验装置如图 4 所示：
图4
光路示意图
Ne 激光、 首先由 He扩束器 SF、 凸透镜 l1 获 得平行光， 方法如下： 先使 l1 靠近扩束器， 再慢慢 往右移动 l1 ， 此时注意观察接受屏上的像， 当 l1 移动到一个特殊位置时， 前后移动观察屏， 观察屏 上的像的大小不再变化， 这是从 l1 发出的光即为 平行光。 实验所采用的透镜 l2 为焦距 15 cm 的标准透 l 为待测透镜， 镜， 使 l2 与 l 距离 S1 为 5 cm， 纵向 移动毛玻璃屏， 观察散斑的变化情况， 当观测到散 斑静止时记录 l 与观察面的距离 S2 ， 再分别改变 S1 的大小为 6 cm、 7 cm……11 cm， 重复实验三次， 记录平均值。
)] }
2
ˑ exp －
(
| v | 2 τ2 a2
t ）E E （ ζ ，
0 1 1
* 0
（ ζ2 t2 ） ˑ 〈exp｛ i［ φ（ ζ1 － vt2 ） ］ ｝〉 ˑ K （ ζ1 ，
－
φ（ ζ2
－
* 0
当 τ = 0 时， 表征观察面上两点的静态散斑的二级 统 计 情 况； τ ≠ 0 ， 观 察 面 上 散 斑 的 运 动 速 度为
［67 ］
。
2
散斑的成因
根据惠更斯原理， 当光透过粗糙毛玻璃后， 在
其后表面各点由于相位是随机的， 各点可看作是 子波源， 各子波源在空间相互叠加， 将产生相消或 在空间各 相长干涉。因为子波源相位是随机的， 点上的强度也是随机的， 所以就形成了颗粒状结 构随机分布的斑点， 称为散斑。 假如毛玻璃沿其 观察面上的散斑也会随之运动， 这种散 平面运动，
*
l2 － f 1 ku 2 2 l2 X2 － X1 － f vt
[ (
)]
2
－
| v | 2 τ2 2 a2
}
)
令 r = X2 － X1 ， 得强度起伏的互归一化相关函数为 X2 ； τ） | 2 λ Δl = | λ （ X 1 ， = exp －
{ [ (
：
l2 － f ka 2 l2 r － f vt
) (
)
* τ K ζ － τ v， X1 K ζ + v， X2 dζ 2 2
(
) (
)
归一化的场分布相关函数为 （ X1 ， X2 ； τ） X2 ， ； τ） = λ （ X1 ， （ 0， 0， 0） = exp［ i（ w － k | v | ） τ］ ˑ exp － i k （ X1 + X2 ） （ X2 － X1 + vt） ˑ 2 l2
（ 下转第 83 页）
V 型光速测定仪精度的方法探究 提高 CG-
83
Study on the Methods of Improving the Precision for the CGV of Light Velocity Apparatus
TIAN Xinxin， YANG Tinglu， CHEN Niyuan， ZHU Jiangfeng
图1 静置的硬币在非相干光和激光散斑图
斑我们称之为动态散斑。文中所要研究的散斑是 由激光通过粗糙表面散射形成的， 并且激光光源
0824 收稿日期： 2016基金项目： 大学生创新创业项目（ 201510357098 ） ； 安徽省重大教学改革研究项目（ 2015zdjy025 ） * 通讯联系人
动态激光散斑测量透镜焦距
［8 9 ］
X 1 ） K （ ζ2 ， X 2 ） d ζ1 d ζ2 = t ）E E （ ζ ，
0 1 1
（ ζ2 ， t2 ） ˑ Δ Sδ［ ζ1 － ζ2 －
vs =
l2 m － f v f
v（ t1 － t2） ］ ˑ K （ ζ1 ， X 1 ） K * （ ζ2 ， X 2 ） d ζ1 d ζ2 Δ S 为相关面积， 令 τ = t2 － t1 ， ζ = ζ1 + τ v / 2 ， 则 = Δ S E0
第 30 卷 第 1 期 2017 年 2 月
大
学
物
理
实
验
PHYSICAL EXPEＲIMENT OF COLLEGE
Vol． 30 No． 1 Feb． 2017
2934 （ 2017 ） 01001003 文章编号： 1007-
动态激光散斑测量透镜焦距
姚俊娜， 杨 雪， 黄志成， 王 琳， 叶 柳
l2 = f 时， 由上式可知， 散斑是静止的， 整体不运 动； l2 f 时， 平移毛玻璃时散斑运动方向与毛玻 璃同向； l2 f 时， 散斑运动方向与毛玻璃反向。 由以上推导即可证明散斑静止时观察面的位置就 是透镜的焦距位置。
∫ (
* τ τ t E0 ζ + ， t ˑ ζ － ， 2 1 2 2
（ Zhejiang Ocean University， Zhejiang Zhoushan 316000 ）
Abstract ： When using the CG V of light velocity apparatus to measure the speed of light， it is concluded that the precision of the apparatus in addition to the associated with the frequency and accurate measurement of opmainly determined by the judgment of phase difference． Due to the apparatus operation is tical path difference， not appropriate， produced a false phase shift， which caused the error． It puts forward a method of spot location， through a detailed breakdown of the process of the adjustment of light velocity apparatus， which can improve the precision of the instrument． Key words： light velocity apparatus； optical path analysis； false phase shift； precision improved； spot location 櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀 （ 上接第 12 页）