毕业设计论文——激光散斑测物体位移

激光散斑干涉实验激光散斑干涉实验摘要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法，这种方法具有很强的实用价值。

散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量，也可以进行面内微位移测量。

主要是对面内微位移进行了测量研究，利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来，分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理，并得出了相应的结论。

关键词:激光散斑;位移测量;数字图像处理一、引言激光自散射体的粗糙表面漫反射或通过透明散射体（毛玻璃等）时，在散射表面或附近的光场中会形成无规则分布的亮暗斑点，称为激光散斑。

激光散斑在全息图上是一种有害的背景噪声，但由于散斑携带了光束和光束所通过物体的光学信息，于是产生了广泛的应用。

例如，用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度；利用散斑的动态情况测量物体运动的速度；用散斑进行光学信息处理，甚至利用散斑验光等等。

但应用领域最广的是散斑干涉测量技术。

散斑干涉技术在机械工程方面可以用于测量物体表面的形变和裂纹、损伤和应力分布，在天文学方面可以测量大气的扰动和温度场分布，在医学、力学和光处理等领域也有广泛的影响。

二、实验2.1实验测试系统散斑干涉测量离面位移光路图如下图所示2.2实验原理（1）激光散斑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。

由于激光的高度相干性，表面散射光在空间中随机相干叠加后会形成一些亮暗分明的区域，且呈现无规则分布，按照在散射面有无透镜，可以将散斑场划分为主观散斑和客观散斑，由于透镜的使用，主观散斑又被称为成像散斑。

（2）利用散斑干涉术测量面内位移散斑干涉计量就是将物体表面空间的散斑记录下来，当物体运动或由于受力而产生变形时，这些随机分布的散斑也随之在空间按一定规律运动。

因此能利用记录的散斑图分析物体运动或变形的有关信息。

当测量物体在面内发生位移时，通常在被测物体位移前，将散斑记录下来，然后使物体垂直于光轴发生一微小面内位移d，再次记录。

课程设计Ⅱ（论文）说明书题目：激光三角法测量物体位移学院: 电子工程与自动化学院专业：光信息科学与技术学生姓名：学号：指导教师：2014年1月5日摘要本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述。

以半导体激光器作为光源，CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器。

为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移。

后面对实验误差进行分析和方案进行评价。

关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑。

引言激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。

当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。

随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。

用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。

目录引言 (1)1课程设计目的： (3)2 设计内容 (3)3 设计要求 (3)4 方案论证和选择 (3)4.1 直射式激光三角法原理 (3)4.2斜射式激光三角法原理 (4)4.3直射三角法改进一 (6)4.4 直射式改进方法二 (7)5 仪器及元件的选择 (8)6 偏振图像采集 (8)6.1.1实验光路图 (8)6.1.2 测量物体位移步骤： (9)6.2 定标： (9)6.3测量焦距 (10)7实验结果与分析 (10)7.1.1 定标数据 (10)7.1.2焦距f的测定数据及处理 (10)7.2b的测量数据及处理 (11)7.3 物体位移数据： (11)8 实验评价 (13)8.1 误差分析： (13)8.2方案评价 (13)9. 课设总结 (14)10. 参考文献 (14)附件一：实验仪器 (15)附件二：实验采集图像 (15)附件三：实验程序 (18)附件四：实验光路图 (19)1课程设计目的：(1) 学习并掌握激光三角法测距的基本原理和方法；（2）锻炼学生的自主学习和动手能力；（3）扎实基础，提升能力。

激光散斑法测钢制简支梁微小位移土木建筑学院土木工程0409班郑楠、牙韩胜、张勇激光散斑干涉方法是近20年来发展起来的一种新的实验应力分析方法。

该方法所依据的理论就是相干光相遇时会发生干涉而形成条纹，我们最熟悉的例子是杨氏干涉条纹，而杨氏干涉条纹是由两个点光源发出的波所形成的。

例如用相干性很好的激光照射物体漫反射表面，这些表面漫反射光好像无数小的相干点光源所发出的光，它们之间也是相干光，彼此也要发生干涉，但在很多点光源的情况下，干涉不再具有规律性，而是在物体表面前边的空间形成了无数随机分布的亮点和暗点，这就是散斑。

因为是激光做光源，所以叫激光散斑。

采用成像透镜，将物体表面随机分布的散斑连同物体的象一起用全息底片记录下来，就可得到散斑图。

如采用双曝光法散斑照相进行力学量测，就是将物体变形前的散斑图与变形后的散斑图记录在同一张全息底片上，再将这张带有物体变形信息的底片，放在一定的光路系统中，即可将散斑图中贮存的信息提取出来，即是散斑测量。

实验目的本实验利用激光散斑法和杨氏干涉的原理来达到测量钢制简支梁在不同集中载荷作用下的微小位移，将实验测量结果与理论计算值进行比较分析。

实验原理用激光照射被测物体漫反射表面，形成空间散斑场。

使用成像透镜(可用付里叶镜头或制板镜头，也可用普通放大镜)将激光照射物体表面形成的散斑，记录在全息底片上，得到散斑图。

即在被测物体变形前和变形后进行两次曝光，将两个散斑场记录在同一张底片上，得到带有物体表面变形信息的双曝光散斑图。

将记录了物体位移信息的双曝光散斑图经显影，定影之后，放在一定的光路系统中，便可把散斑图内贮存的变形信息提取出来，即是散斑图分析。

本实验对散斑图分析采用逐点分析法(如图2所示光路)。

当用同一底片对物体变形前后的两种状态做二次曝光，在底片上就得到了物体表面在变形前后的二个散斑图像的迭加。

考虑物体表面的一个微小的区域，这个小区域里各点的位移大小和方向可以看成是相同的，也就是可以认为在物体变形过程中，这个小区域只发生整体移动，这样的小区域称为准平移区。

第23卷　第1期2008年3月 北京机械工业学院学报Journal of Beijing I nstitute ofM achineryVol.23No.1Dec.2008文章编号:1008-1658(2008)01-0039-03激光散斑位移测量方法研究李晓英,郎晓萍(北京信息科技大学　光电信息与通信工程学院,北京100192)摘 要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。

散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。

主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD 记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。

最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。

关　键　词:激光散斑;位移测量;数字图像处理中图分类号:O436.1 文献标识码:AResearch of d ispl acem en t m ea surem en tba sed on l a ser speckleL I Xiao2ying,LANG Xiao2p ing(School of Phot oelectric I nfor mati on and Telecommunicati on Engineering,Beijing I nfor mati on Science and Technol ogy University,Beijing100192,China)Abstract:The laser s peckle based on hol ography is of great p ractical value and can measure m icr o2 dis p lace ment.I n surface m icr o2dis p lace ment is focused on in this paper.The t w o laser s peckle patterns are res pectively shot bef ore and after the object is moved.D igital s peckle correlati on method and s peckle phot ography are used t o measure a s mall dis p lace ment moved al ong x or y axle.The above t w o methods are compared at the end of the paper.Key words:laser s peckle;dis p lace ment measure ment;digital i m age p r ocess 散斑测量与其他测量方法相比具有光路简单、成本低、调试及操作方便等优点,从而在位移测量中得到了广泛的应用。

激光散斑测量技术与应用研究引言激光散斑测量技术是一种基于散斑现象的非接触式测量技术，通过激光照射目标物体表面，利用散斑的特性来获取目标物体表面形貌或者表面变形的信息。

该技术具有测量精度高、测量速度快、适用范围广等优点，在科学研究、工业制造、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

散斑现象介绍散斑是指当一束平行光线经过不规则表面或者光束传播介质中的不均匀区域时，由于光的散射而形成的频率和强度的空间变化。

散斑现象的形成原理主要包括两个因素：绕射和干涉效应。

绕射是光线在不规则表面或光束传播介质变化的区域上发生偏折；干涉是不同光线在某一点重新叠加时产生的干涉效应。

通过观察和分析散斑现象，可以获得物体表面形貌、表面变形等信息。

激光散斑测量原理激光散斑测量技术是利用激光的单色性、相干性和定向性，通过激光的投影和散射来实现对目标物体表面形貌或表面变形的测量。

基本的激光散斑测量原理包括以下几个步骤：1.激光照射：将激光照射到目标物体表面，产生散斑现象。

2.散斑记录：使用相机或者其他散斑记录装置记录散斑图像。

3.散斑分析：对散斑图像进行分析，提取目标物体表面形貌或者表面变形的信息。

激光散斑测量技术的应用1. 表面形貌测量激光散斑测量技术可以应用于表面形貌的测量。

通过记录激光照射到目标物体表面的散斑图像，利用散斑图像的信息可以还原出目标物体表面的形貌信息。

这对于制造行业的工件检测、光学元件的表面质量检验等方面具有重要的应用意义。

2. 表面变形测量激光散斑测量技术可以应用于表面变形的测量。

通过记录目标物体在受力或变形作用下的散斑图像，可以分析散斑图像的变化，从而获取目标物体的表面变形信息。

这对于工程结构的应力分析、材料力学性能的研究等方面具有很大的意义。

3. 物体运动测量激光散斑测量技术还可以应用于物体运动的测量。

通过记录目标物体运动过程中的散斑图像，可以利用散斑图像的相位信息提取出物体的运动参数，如速度、加速度等。

这对于机器人导航、运动追踪等领域具有广泛的应用前景。

《散斑干涉测微小位移》【实验目的】1、通过拍摄自由空间散斑图及成像散斑图，初步了解激光散斑现象及其特点；2．擎握应用散斑干涉全息图设计方法；3、用二次曝光散斑干涉图测量物体表面的面内位移；4、设计用二次曝光散斑图测量透明固体(玻璃)的厚度及其非均匀性。

【实验原理分析与讨论】1、散斑的形成及特征激光自散射体表面漫反射或通过一个透明散射体(加毛玻璃)时，在散射体的表面和附近空间的光场中，可以观察到或用照相记录下来一种无规分布的亮暗斑纹。

这种斑纹称为激光散斑。

它是由散射体上每个面积元发出的基元光波的干涉作用造成的。

在全息术和相干光成像系统中，散斑的存在会影响分辨率，是一种令人讨厌的有害噪声。

近年来，通过研究逐渐发现了它的一些有用的特性。

在某些新的光学系统中，散斑不再是噪声因素，而是一种有用的信息载体．激光散斑．特别是散斑照相和散斑干涉，在表面粗糙度测量、图像处理、运动分析、振动分析、眼球缺陷分析和星体度量学等科技领域中有着广泛的应用，在光学小己成为一个重要的分支。

激光散斑通常可分为空间散斑和像面散斑两类：12空间散斑：如果在散射体G 的正面距离z 的地方放置全息干板记录散斑结构，其散斑的平均直径为 1.22z ds Dλ≈，其中D 是被照亮的散射面直径。

如果在侧面接收，则散斑的平均长度2()z ls Dλ≈ 像面散斑： 像面散斑的平均直径：11.22() 1.22(1+)z ds F Dλλβ≈=式中z1（像距），D （透镜的孔径）β（横向放大率）F （相对孔径的倒数）当散射面位于无限远时，成像面与后焦面重合，散斑的平均直径为1.22() 1.22f ds F Dλλ≈= f 透镜焦距。

2、散斑干涉全息图测量面内位移的光路设计空间散斑（未加成像透镜）非平行光漫反射散斑 像面散斑（放大率>1;<1）散斑干涉光路设计 平行光 空间散斑（未加成像透镜）像面散斑（加成像透镜：放大率>1;<1）空间散斑（未加成像透镜）非平行光透射散斑 像面散斑（放大率>1;<1）平行光 空间散斑（未加成像透镜）面散斑（加成像透镜：放大率>1;<1）3．用二次曝光散斑图测量面内位移(1)反射成像散斑：二次曝光散斑图测微小位移如图是拍摄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 面成像于记录平面H 上，形成成像散斑，如果对浏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。

第42卷第5期 激光杂志Vol.42, No.5 2021 年5 月LASER JOURNAL M a y,2021运动位移定位误差补偿激光散斑测量郑泽蒙、张璐、陈金鳌21凯里学院，贵州凯里556011;2常州大学，江苏常州213164摘要:针对传感器机器人运动指令执行误差大、运动轨迹定位精度低的问题，提出了一种运动位移定位 误差补偿激光散斑测量方法。

首先用激光散斑测量法测量目标的空间分布，得到目标位移前后激光散斑空间 分布强度的两幅图像，然后用截面矩阵计算具体位置，突出实际位移值，然后建立定位误差模型，得到机器人关 节的微分项，得到整个关节的零位角偏差，最后用集合分析法标定零位和减速比，完成运动位移定位误差的补 偿。

实验结果表明，该方法比传统方法能更快地补偿定位误差，均方误差在1〇_5左右，且误差曲线趋势完全拟 合，补偿精度更高。

关键词：激光散斑;运动位移；误差补偿；零位标定中图分类号:TN926 文献标识码：A doi：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021.05. 147Laser speckle measurement with motion displacementpositioning errorcompensationZ H E N G Z e m e n g1,Z H A N G L u1 ,C H E N Jinao21 K aili U niversityy K aili G uizhou556011 , C h in a；2 Changzhou U niversity，C hangzhou Jia n g su213164，C hinaA b s t r a c t：In o r der to solve the p r o b l e m s of significant error of m o t i o n c o m m a n d e x e cution a n d l o w positioning a c­c u r a c y of m o t i o n trajectory of se nsor robot, a laser s p e c k l e m e a s u r e m e n t m e t h o d with m o t i o n d i s p l a c e m e n t positioning error c o m p e n s a t i o n is p r o p o s e d.Firstly, the spatial distribution of the target is o b t a i n e d b y the laser s p e c k l e m e t h o d, a n d the n the spatial distribution of the target is obtained b y the laser s p e c k l e reduction m e t h o d,c o m p l e t e the c o m p e n­sation of m o t i o n d i s p l a c e m e n t positioning error. T h e e x p e r i m e n t a l results s h o w that the p r o p o s e d m e t h o d c a n c o m p e n­sate the positioning error faster t h a n the traditional m e t h o d,the m e a n s q u a r e error is a b o u t10~5,a n d the trend of the error c u r v e is w h o l l y fitted,a n d the c o m p e n s a t i o n a c c u r a c y is higher.K e y w o r d s：laser s p e c k l e；m o t i o n d i s p l a c e m e n t；error c o m p e n s a t i o n；zero calibrationi引言机器人的标定依赖于标定空间中运动参数的修 正，以保证定位精度的提高。