利用散斑图像测量表面粗糙度的计算机模拟及实验

从菲涅耳-基尔霍夫衍射公式出发推导出了粗糙面近场衍射方程。通过对观察面散斑光强统计特性的分析,提出了采用镜射光强分量法测量表面粗糙度的思想。为验证该方法的有效性,首先用计算机模拟产生具有不同统计特性的随机表面,然后对由随机表面产生的散斑场及其光强分布进行计算。计算结果表明,与传统的散斑对比度法相比,散斑镜射光强分量法测量弱粗糙表面粗糙度具有更大的适用范围和更高的测量精度,克服了散斑对比度法易受表面横向相关长度影响的缺点。通过实验对计算机模拟结果进行了验证。     

空间平均的角度散斑相关粗糙度测量模拟研究

角度散斑相关是一种不受表面粗糙度轮廓的间距特性影响的粗糙度幅度参量测量方法,它的数学模型通常建立在集平均的基础上。通过模拟计算随机粗糙表面的远场散斑场,以散斑图面上的空间平均代替常规的集平均来计算角度散斑相关系数,并应用集平均的数学模型反演粗糙度参量。结果证实了这种空间平均角度散斑相关粗糙度测量方法的有效性,在同一表面只需对少数个区域进行测量并对测得的粗糙度参量取平均,即可获得足够的测量精度。对于Rq大于2.0μm的表面,测量相对误差小于15%。根据最佳测量条件,该方法适用于大粗糙度表面。     

粗糙表面对散斑统计特性的影响

为研究高速摄影中激光相干噪声的影响因素,降低激光照明中散斑噪声对高速摄影成像质量的影响,对激光照射表面的粗糙程度与形成的散斑场统计特性之间的关系进行了研究。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射原理,分析了高斯光束入射在随机粗糙表面上经反射形成的散斑图样,通过对大量散斑图样的数据统计,得出了激光散斑的信噪比、自相关函数、概率密度函数与入射表面粗糙度之间的变化关系。计算结果表明:粗糙度的增大使散斑场信噪比降低、相干程度减小、概率密度降低,即表面越粗糙散斑噪声越严重。     

空间散斑的运动规律

相干光照明的漫射表面在空间中产生随机散斑。反射表面相对于光源运动,引起散斑的相应运动。当跟踪一个运动的斑,认为斑的强度不变,而位相是可以变化的。从Fresnel-Kirch-hoff积分,得到关于散斑运动的三个基本规则,即文中的(3),(4)和(5)式。第一和第二式类似于光栅方程。第三式类似于透镜定律。从这三个规则推导了当表面运动时散斑的运动公式(18)。这公式以矩阵形式表示,包括三个转动和三个平动。实验结果与公式非常符合。同时,三个基本规则适用于一般的空间衍射图。 关键词：     

光盘信息符散斑图的统计特性研究

提出了一种用激光散斑测量光盘信息符统计特性的方法.利用散斑统计理论中衍射散斑场的平均对比度与散射屏表面粗糙度近似成线性关系,把光盘等效为弱散射屏,对未刻录、刻录及存在缺陷的CD-R光盘不同区域形成的衍射散斑图进行了对比研究.实验结果表明,该方法具有可量化、全场测量的优点,能够表征光盘信息符的某些统计特性,这为测量光盘刻录质量提供了一种新的方法和途径.     

基于多色散斑延长效应的表面粗糙度测量及影响因素分析

粗糙表面在多波长激光束照射下形成的多色散斑场显示出散斑延长效应,利用此效应可以测量表面粗糙度,并且测量结果在一定条件下不受粗糙表面横向特征的影响。通过模拟计算随机粗糙表面的多色散斑场,以空间平均的多色散斑场局部自相关函数研究了平均散斑延长率〈χ〉对表面轮廓均方根偏差σh的依赖关系,分析了测量系统因素,如入射激光波长组合、成像器件光敏单元尺寸和动态范围对测量结果的影响。结果表明,以空间平均的局部自相关函数代替集平均的散斑自相关函数描述多色散斑延长效应是有效的;为达到一定的粗糙度测量精度,应选择合适的入射激光波长组合和合适的成像器件光敏单元尺寸。     

抛喷丸表面的多波长散斑自相关法粗糙度测量

粗糙表面产生的多波长远场散斑图案的散斑延长现象可以用来进行表面粗糙度测量。以抛喷丸表面为研究对象,具体介绍了多波长散斑自相关表面粗糙度测量方法。根据多波长散斑图案的各向同性径向辐射的特征,提出了适用的数字图像处理方法。探讨了局部自相关函数特征长度的选取、数字图像处理过程中的局部窗口尺寸和散斑图像的饱和曝光比等因素对散斑延长效应的影响。通过拍摄和处理每一样品表面多个位置的多波长远场散斑图像,计算了Ra分别为0.4,0.8,1.6和3.2μm的表面样块的光学粗糙度指标值。结果表明,该光学粗糙度指标能很好反映被测表面的粗糙程度。     

涡旋光束形成的散斑场光强和相位的分布特性

通过对不同拓扑荷的涡旋光束经随机表面散射后在衍射区形成的横向和纵向光强分布的模拟,发现散斑颗粒的横向和纵向的平均尺寸比用高斯光束照明随机表面产生的散斑颗粒平均尺寸小很多,并且随着涡旋光束拓扑荷和光斑半径的增大而减小,同时散斑场相位涡旋的密度随着涡旋光束拓扑荷和光斑半径的增大而增大。利用这种方法可以方便地选择不同拓扑荷和光斑半径的涡旋光束照射随机表面,得到合适的散斑颗粒来捕获更小的微粒。这种结果还可以用来降低散斑噪声。     

角度散斑相关方法表面粗糙度测量实验

基于角度散斑相关原理开展了对喷砂表面粗糙度样块的粗糙度测量实验研究.通过对散斑图像数据的处理和分析,提出了求取角度散斑相关系数最大值的滑动相关算法.该算法能有效克服表面小平度、波度等因素序不利影响.从最佳测量条件出发,提出了最佳入射角增量的概念,并在此基础上形成了包括散斑图像采集过程币图像数据处理方法在内的一整套表面粗糙度测量方法.该测量方法的核心是对被测表面的多个激光照明区域币多个激光入射角下的远场散斑图像的采集及数据处理.实验结果表明,应用本测量方法得到的轮廓均方根偏差磊佳估计值d.与表面样品给定的轮廓算术平均偏差Ra成很好的线性关系.     

弱散射屏的像面散斑自相关函数特性的实验研究

在对随机弱散射屏进行表面参数的原子力显微镜测量和建立了门积分取样平均的随机光强自相关函数测量系统的基础上,对弱散射屏在严格像面和离焦像面上产生的散斑自相关函数进行了测量。发现在严格像面上,散斑平均颗粒的大小随表面粗糙度增加而减小,且光强自相关函数次极大的相关间隔宽度随粗糙度增加而减小;而次极大的超伏随粗糙度的增大而增大;在离焦像面上,离焦量的增加使光强的自相关函数下降变得平滑,并使极小值点和次极大点变得不明显或者消失。     

强散射体产生的像面散斑对比度与随机表面及成像系统关系的研究

在对4f光学成像系统中强散射体形成的像面散斑的统计特性的研究中, 首先通过散斑场光波复振幅的一般形式和双重指数函数近似求出散斑光强的系综平均, 然后利用散斑场光波复振幅的实部和虚部的旋转变换法求出散斑光强的方差, 最后得出了散斑对比度与随机表面统计参量和系统参量的直接表达式. 本结果与现有文献中包含随机表面相关面积或散射粒子数目的隐含表达式相比具有明显的改进, 并对标定随机表面的散斑对比度法具有重要意义. 关键词： 随机表面 像面散斑 对比度     

高斯相关随机表面及其光散射散斑场的模拟产生和光强概率分析

提出了模拟产生高斯相关随机表面的方法,并模拟产生了这类表面在夫琅禾费面上产生的散斑场.以模拟产生的10000个随机表面作为表面样本系综,对具有不同粗糙度和横向相关长度的表面系综在夫琅禾费面上各点产生的散斑光强系综的概率密度分布进行了分析.发现：(1)散斑场的高斯和非高斯特性在空间上按一定的区域分布,并非整幅散斑图皆为高斯或非高斯散斑;(2)散射表面只包含少数散射颗粒时也可以形成高斯散斑. 关键词：     

空间散斑的运动规律(续)——物表面位移微分量的影响

本文讨论了由物表面变形所引起的空间散斑的运动。从Fresnel-Kirchhoff积分出发,导出了受物表面变形影响的散斑运动必须遵从的基本方程组,并对它们的物理意义进行了讨论。把物表面刚体运动和变形影响下的基本方程组综合起来,导出了物表面发生一般运动和变形时,空间散斑运动的公式。实验结果与公式一致。 关键词：     

变孔径像面散斑平均光强标定随机表面的理论与实验

采用随机表面的高斯相关模型和统计光学原理,推导出弱散射体在4f系统中的像面上光强的表达式.在此基础上提出了均方偏差粗糙度和横向相关长度的标定方法,该方法用理论结果对实验测量的像面散斑平均光强随滤波孔半径的关系曲线进行拟合,同时测量出被测样品表面的两个统计量.实验上制作了高斯相关随机表面样品,对其表面参数进行了测量,与AFM所测结果符合得较好,这表明该方法具有较高的精度. 关键词： 弱散射体 像面散斑 平均光强     

运动变形表面在相干光照明下的自由空间散斑位移分布

物体表面在一束相干光照明下的空间散斑位移场分布对于分析物体表面状态及位移、变形等信息具有重要意义。本文应用散斑场的相关方法与散斑相移技术得到了物体表面位移及变形参量与自由空间衍射场散斑位移的一般关系,给出了这种一般关系的简化与分离条件,并对物体平移、转动及热加载条件下的蜂窝结构进行了实验。     

菲涅耳衍射区和夫琅和费衍射区的动态部分相干光散斑场特性

研究了菲涅耳衍射区和夫琅和费衍射区动态部分相干光散斑的特性.利用部分相干光互强度传播的理论，得出了在部分相干光照明时，由运动散射体产生的动态散斑光强时空交叉的自相关函数的一般形式，并由此得出了散斑沸腾和平移的一般规律.通过适当选择光源和调整光路参数，在实验上得到了菲涅耳和夫琅和费衍射区的部分相干光散斑，对夫琅和费面上的动态部分相干光散斑的平移和沸腾现象进行了定性研究；采用光子计数及数据自动采集的方法，对部分相干光散斑随时间的演化及动态部分相干光散斑的沸腾进行了定量测量.这些实验结果与理论结果相符合. 关键词： 部分相干光动态散斑 时空交叉相关函数 沸腾     

基于灰度共生矩阵的表面粗糙度研究

介绍了激光散斑的形成及其统计性质,拍摄大量不同加工工艺、不同表面粗糙度标准样块的散斑图像,基于激光散斑图像的灰度共生矩阵及惯性矩、角二阶矩、熵、相关性4个参量,对图像进行了纹理分析.分别绘制了不同加工工艺、不同表面粗糙度标准样块的4个参量与表面粗糙度关系的特性曲线.最后将实验结果和未知表面粗糙度工件的实验数据进行比对,准确估算出了工件的表面粗糙度.     

运动界面上反射超声散斑空间运动的研究

在Kirchhoff 衍射理论的基础上，应用随机信号相关原理，推导了作刚体运动的界面上反射超声散斑在空间运动时，保持其复振幅相关的必要条件.由此得到超声散斑的空间运动公式.界面、超声散斑和超声接收探头之间的相对运动，导致界面孔径的改变.分析表明，在保持界面孔径相关的条件下，界面所允许的最大平移量和转角值，与声源位置、接收用聚焦探头的数值孔径、超声入射角以及观察角有关.应用数字相关技术和三维扫描信号采集系统，根据散斑场子集相关系数的单峰性质，对超声散斑空间运动公式进行了实验验证.实验结果表明，理论分析所得的 关键词： 超声散斑 相关原理 空间运动     

高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的分布特性研究

弱散射屏产生的远场散斑由一个中央亮斑和一个分布于亮斑周围而与正态散斑类似的散斑结构, 根据弱散射屏远场的散斑图样, 人们假设弱散射屏产生的像面散斑为均匀背景与正态散斑两者相干叠加的结果, 但这种假设与实际像面散斑存在歧异, 基于上述情况, 本文利用4f高通滤波光学成像系统, 研究了高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的统计特性, 得出只有表面均方根粗糙度与入射光波的波长相差不多时上述假设才是可行的结论. 关键词： 弱散射屏 f光学成像系统')" href="#">4f光学成像系统 像面散斑     

激光斑点漂移的研究

用激光照射粗糙表面时,可以观测到颗粒状的细小斑点,当人眼或相机移动时,观测到斑点也发生移动.分析了激光散斑产生和漂移的原因,将散斑漂移简化为几何光学和波动光学问题,得到一致的散斑漂移速度计算公式.利用Mathematica计算光强关联函数,证实圆斑越大散斑越小.实验测量了散斑漂移速度与相机移动速度的关系,结果符合理论公式.