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Journal of Optics Applications April 2013, Volume 2, Issue 3, PP.50-55

The Laser Speckle Measure Displacement Surface of Metal Coins Delong Yang#, Yufu Deng, Xue Sun , Xiuyan Chen Shenyang Normal University, 110034 China Email:ydl0219@163.com

Abstract A measuring system related to laser speckle has been designed by means of the digital correlation of transmission speckle field on a rough interface, and through the CCD to measure the out-of-plane displacement of rigid body. This paper makes a detailed analysis on the interference fringes of the coin both sides under different pressure. According to the interference image and by means of the electronic speckle interferometry to process the obtained images, displacements out of plane have been investigated occurring under different conditions. Through the study on the characteristics of speckle patterns, the distribution characteristics of transmission speckle patterns before and after the plane motion of a rigid body as well as the correlation of in-plane displacements of rigid body when in motion, so as to achieve the purpose of measuring the in-plane displacement. Keywords: Metal Coin; Laser Speckle; Displacement off Surface

激光散斑测量金属硬币的离面位移* 杨德龙,邓玉福,孙雪,陈秀艳 沈阳师范大学,辽宁省 沈阳市 10034 要:设计了一个激光散斑相关测量系统,利用粗糙界面透射散斑场的数字相关性,通过 CCD 来计量刚体的离面位移。

本文详细分析了在不同压力下金属硬币正反面所产生的干涉条纹。根据所得的干涉图像利用电子散斑干涉仪对所得图像 进行处理,分别得到不同情况下所发生的离面位移。通过研究散斑图样的特性,同时将刚体平面运动前后透射散斑图样 的分布特性与刚体运动面内位移之间的相关运算关系揭示出来,从而达到计量刚体面内位移的目的。 关键词:金属硬币 激光散斑 离面位移

引言 随着科学技术的发展和科技产品仪器化的发展趋势,目前已经有多种测量物体形变的方法。激光散斑计量技 术[1]是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法。激光散斑方法具有全场性、非接触性、高精度、高灵敏度和 实时快速等优点。现已广泛应用于振动、位移、形变、断裂及粗糙度等的测量,成为无损计量领域的有效工具, 利用激光散斑[2]互相关性测量面内位移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。这种 方法既可用于固体的位移和形变计量,也可用于流体中粒子的运动计量,利用面内位移还可以测量激光束的特性 关系和高斯光束的空间分布等。

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系统设计

1.1 散斑实验原理 实验材料:He-Ne激光器、分束镜、平面反射镜、扩束镜、聚焦透镜、偏振片、偏振片架、被测硬币、 *基金资助:1)辽宁省教育厅项目:古代金属货币绿色激光清洗技术研究与应用(编号:L2011194);2)大学生创新创业项目:

新型多功能智能激光散斑干涉测量仪的研制(编号 201210166136)。 - 50 www.joa-journal.org


二维调整架、二维底座、一维调座、公共底座、二维调整台、物品架、CCD、黑白摄像机、采集卡、图片处 理软件、采集卡驱动程序及图像采集软件、计算机,光学平台。

图1 实验仪器

电子散斑干涉仪[3]是通过激光光束直接照射到测试表面,再用电子摄像机采集其形变前后表面散斑颗粒 干涉形成的条纹,以测定其表面位移的一种新型,先进的测试技术。图1为测量离面位移(即前后沿Z轴方向 的位移W)的光路,由激光器发出的激光光束,经扩束镜及准直镜形成光斑放大了准直光,再经分光镜分成 两束,一束照射到反射镜再返回,另一束照射到被测硬币再返回,两束返回的光束干涉形成干涉条纹,也就 是一系列等位移线N,则离面位移为: W  N / 2

(1.1)

式中  为测试光的波长,N为条纹的级数。

1.2 实验步骤 1.把实验台摆放好并调平并将各个仪器的中心高度调制共轴。 2.使激光器发出的光束平行于工作台的工作面。分别放入扩束镜和准直镜,调节准直镜,使通过它的扩 束镜的激光变成平行光,平行光束应通过放入光路中(分光镜、硬币、反光镜等)的部件的中心且平行于平 台。扩束镜前放入偏振片以调节亮度,以防损坏CCD摄像机。 3.放入硬币和CCD摄像机;调节分光镜上二维调整台的微调旋钮,使硬币反射的光的中心照射到CCD摄 像机接收表面上。 4.放入平面反射镜;要使平面反射镜到分光镜的距离和被测物体到分光镜相同,调节被反射的光束的中 心使光束入射到CCD摄像机接收表面,最后放入聚焦透镜,调节透镜与CCD的距离,使屏幕上得到最清晰、 最完整的像。调节反光镜上二维调整架的微调旋钮,使得到的图像的干涉条纹最清晰且为中心位置。 5.给硬币加压;调整物品架上的旋钮给硬币加压,电脑屏幕上出现并拍摄下其变形后的“相关条纹”。 6.利用电子散斑干涉仪的处理软件对其图像进行处理,并进行三维点阵重构。

1.3 利用圆形物品架测量

(a) 校对硬币反面

(b) 校对硬币正面

图2 圆形物品架测量过程中的被测金属硬币 - 51 www.joa-journal.org


图2a、图2b分别为在选用圆形物品架的基础上,改变被测物体(金属硬币)压力大小的图像。 (1)新五角钱硬币正面在不同压力下的“相关干涉”图像[4]

(a) “相关干涉”图

(b) 三维重构图

(c )X方向坐标与离面位移W关系图

图3 圆形物品架测量新五角硬币正面在压力1(0格压力)时的“相关干涉”图像 表1 压力1(0格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标

离面位移(nm)

(a) “相关干涉”图

W 0 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

X -2.35088 -1.4736 -0.54386 0 0.315789 1.2807 2.05263

Y -2.03509 -1.40351 -0.73682 0 0.68211 1.2807 2

(b) 三维重构图

(c) X方向坐标与离面位移W关系图

图4 圆形物品架测量新五角硬币正面在压力2(2格压力)时的“相关干涉”图像

(a) “相关干涉”图

(b) 三维重构图

(c) X方向坐标与离面位移W关系图

图5 圆形物品架测量新五角硬币正面在压力3(5格压力)时的“相关干涉”图像 表2 压力2(2格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标 离面位移(nm)

W 0

X -2.29825

- 52 www.joa-journal.org

Y -2.31579


表2 压力2(2格压力)时W-X,W-Y数据表(续) 坐标

离面位移(nm)

W 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

X -1.56142 0.614035 0 0.614035 1.70175 2.85965

Y -1.77193 0.77193 0 0.77193 1.42105 2.10526

表3 压力3(5格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标

离面位移(nm)

W 0 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

X -2.68421 -1.52632 -0.263158 0 0.315789 1.33333 2.21053

Y -2.08772 -1.31579 -0.54386 0 0.385965 1.38596 2.15789

图3(a)、图4(a),图5(a)为通过圆形物品架铁架固定新五角硬币得到的“相关条纹”图像,图3(b)、图4(b), 图5(b)分别为图3(a)、图4(a),图5(a)使用电子散斑干涉装置处理分析后的图像,表1、表2,表3为对应的W-X 坐标值,图3(c)、图4 (c),图5(c)分别为W-X图像[5],通过对实验数据的观察及对实验图像的处理,可知W坐 标值固定在:0、316.4、632.8、649.2,得到在压力1至压力3的变化过程中X与Y的坐标值的绝对值逐渐增加, 得知在压力1到压力3逐渐增加压力的情况下,新五角硬币正面的离面位移逐渐增加。 (2)新五角钱硬币反面在不同压力下的“相关干涉”图像

(a) “相关干涉”图

(b) 三维重构图

(c) X方向坐标与离面位移W关系图

图6 圆形物品架测量新五角硬币反面在压力1(0格压力)时的“相关干涉”图像

(a) “相关干涉”图

(b) 三维重构图

(c) X方向坐标与离面位移W关系图

图7 圆形物品架测量新五角硬币反面在压力2(3格压力)时的“相关干涉”图像 表4 压力1(0格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标 离面位移(nm)

W 0

X -2.78947

- 53 www.joa-journal.org

Y -2.2807


表 4 压力 1(0 格压力)时 W-X,W-Y 数据表(续) 坐标

离面位移(nm)

W 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

X -2.08772 -0.929825 0 0.66667 1.87719 2.78947

Y -1.63258 -0.631579 0 0.719298 1.87719 2.77193

表5 压力2(3格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标

离面位移(nm)

W 0 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

(a) “相关干涉”图

X -2.71579 -2.22807 -0.91281 0 0.649123 1.80702 2.71932

(b) 三维重构图

Y -2.28073 -1.63258 -0.631579 0 0.719298 1.87719 2.77193

(c) X方向坐标与离面位移W关系图

图8 圆形物品架测量新五角硬币反面在压力3(5格压力)时的“相关干涉”图像 表6 压力3(5格压力)时W-X,W-Y数据表 坐标

离面位移(nm)

W 0 316.4 632.8 949.2 632.8 316.4 0

X -2.40351 -1.42105 -0.43509 0 0.368421 1.36842 2.05263

Y -2.21053 -1.43861 -0.684211 0 0.421053 1.17544 2.12281

图6(a)、图7(a),图8(a)为通过圆形物品架铁架固定新五角硬币得到的“相关条纹”图像,图6(b)、图7(b), 图8(b)分别为图6 (a)、图7 (a),图8(a)使用电子散斑干涉装置处理分析后的图像,表4、表5,表6为对应的W-X 坐标值,图6 (c)、图7 (c),图8(c)分别为W-X图像,通过对实验数据的观察及对实验图像的处理,可知W坐标 值固定在:0、316.4、632.8、649.2,得到在压力1至压力3的变化过程中X与Y的坐标值的绝对值逐渐增加, 得知在压力1到压力3逐渐增加压力的情况下,新五角硬币反面的离面位移[6]逐渐增加。

1.4 实验现象总结 1.4.1

通过图3至图8对五角硬币正反面加压所得的“相关干涉”图像可以总结

给金属硬币施加的压力越大,产生的离面位移越大。产生离面位移与波长、条纹系也符合 W   N / 2 [7] 对应关系,在给金属硬币施加压力后,金属硬币表面会发生微小的形变[8],反射光的方向发生改变,所以产 生的干涉图像会不同于没有加压力的情况。 - 54 www.joa-journal.org


1.4.2

金属硬币材质及总结 表7 实验硬币的材质 表

材 硬

内部

外表面

镀铜合金

类 型 新五角硬币

2

结语 在完成实验的过程中,还存在着一些不足之处: (1)给金属硬币转动施加压力时掌握不好,施加压力的螺丝末端是平的,但是被测硬币的表面由于有

许多的花纹或数字符号,表面不光滑,所以在给硬币施加压力时,硬币的各个部分所受到的压力不同,导致 干涉图像的W-X,W-Y坐标不一致,存在较大误差; (2)系统误差的存在。由于实验设备的局限性,实验不能达到理想的程度,再加上本身测量就是一个 对精确度要求很高的实验,所以实行起来确实也遇到了很大的困难,在实验过程中一直尽量的最大化的减少 误差,以便在以后的探究中能够设计更精细的实验,做到精益求精。

REFERENCES [1] 陆建, 倪晓武. 激光与材料相互作用物理学, 北京: 机械工业出版社[M],1996,10. [2] 胡宇明. 微米级空间位移的数字散斑测量系统研究[D].电子科技大学,2011. [3] 孙平, 王海蜂. 三维电子散斑干涉技术及其应用研究[J]. 光学学报,2003, 23(7): 840-843. [4] J.C.丹锑[英]著,黄天乐等译. 激光斑纹及其有关现象[J]. 北京: 科学出版社, 1981, 22(1)9-46. [5] 马彩缤. 电子散斑干涉术图像处理方法研究[D].天津大学, 2012. [6] 孙衍国. 电子散斑干涉技术及条纹图信息提取的研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2011. [7] 李林涛, 郭霏, 尹娜, 王洪涛, 王文生. 激光散斑特性的实验研究[J]. 长春:长春理工大学学报(自然科学版),2008,31(1)85-88 [8] 钟川,沈常宇,林兆祥,李可. 刚体面内位移激光散斑测量研究[J]. 中国计量学院学报,2011,(01):11-14. 【作者简介】 杨德龙(1988-),男, 汉,研究生在

射物理技术、高压电源技术、材料的物理性能及微观结构表

读,激光散斑测量,沈阳师范大学本科。

征等方面的研究工作。Email: dengyufu@21cn.com

Email: ydl0219@163.com

孙雪(1990-),女,汉族,沈阳师范大学本科。

邓玉福(1966-),男,汉,博士,教

Email: 624767501@qq.com

授,现任沈阳师范大学物理科学与技

陈秀艳(1978-),女,汉,博士,副教授、硕士研究生导师,

术学院院长,辽宁省物理学会副理事

主要从事新型激光器与光电子器件的研究,沈阳师范大学物

长,辽宁省物理学会中学物理教学专业委员会理事长,辽宁

理科学与技术学院应用物理教研室主任。

省生物物理学会理事,物理学省级特色专业带头人,省级物

Email: haomisschen@163.com

理实验教学示范中心主任。主要从事物理学专业的教学和辐

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Delong Yang, Yufu Deng, Lei Sun, Xiuyan Chen