第二章散射理论 第二章散射理论 散射光波遇到不均匀结构产生的次级波 与主波方向不
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发布日期:2020-01-02

       

  第二章散射理论 第二章散射理论 散射光波遇到不均匀结构产生的次级波 与主波方向不一致 与主波合成出现干涉现象 使光偏离原来的方向 从而引起散射。 光散射的物理本质是光波的电场与介质分子相互作用的结果 12 。当光入射到介质上时 根据介质表面和体内颗粒情况 会发生镜面反射、定向漫反射、漫反射、直接透射

  第二章散射理论 第二章散射理论 散射光波遇到不均匀结构产生的次级波 与主波方向不一致 与主波合成出现干涉现象 使光偏离原来的方向 从而引起散射。 光散射的物理本质是光波的电场与介质分子相互作用的结果 12 。当光入射到介质上时 根据介质表面和体内颗粒情况 会发生镜面反射、定向漫反射、漫反射、直接透射、定向漫透射、漫透射。 漫反射发生于介质表面的散射 根据表面颗粒情况 分为镜面反射、定向扩散反射、漫反射。 镜面反射 发生于光亮平滑的表面 光线的反射角等于入射角 如反射平面镜。 定向扩散反射 也称半镜反射 因反射表面的微小差异 使光线朝反射方向有些扩散 反射光的集中度仍然很高。如磨光的表面、喷砂等。 漫反射 即光入射到粗糙不平的表面时 离开反射表面后 呈全方向的反射现象。如白纸、墙壁、毛玻璃等。 上述三种反射可用图2 1表示。 定向扩散和漫反射原因是材料表面粗糙在局部地方的入射角参差不一 反射光的方向也相应变化。材料表面愈粗糙 镜反射所占的比例愈小。如图2 漫透射当光线入射到材料表面时 除了发生反射以外 一部分光会进入到介质内部 穿过材料继续前进 根据材料内部颗粒的情况 透射光有直接透射、定向扩散透射、漫透射。 直接透射 也叫镜透射。当入射光照射到透明材质如玻璃时 出射光不改变方向 与入射光平行 光源清晰可见。 定向扩散透射 当入射光入射到半透明材质时 光穿透材料后略微扩散 但其光束方向大体仍维持一定 光源亦隐约可见。如喷砂玻璃、压花玻璃等。 漫透射 当入射光入射到材料上时 入射光在材料体内发生散射 体散射 使出射光朝各个方向散开 其光束的整体已不可辨 亦使光源影像模糊。如乳白玻璃、聚四氟乙烯板等乳白材料。 上述三种透射可用图2 3表示。 三种透射示意图入射光照射到半透明材料表面时 散射会同时发生于表面与体内 会同时发第二章 散射理论 生反射和透射此时镜面反射、漫反射、直接透射、漫透射均存在 大多数的半透明材料对入射光都是表现如此性质 如图2 激光散斑是由无规散射体被相干光照射产生的因此是一种随机过程。要研究它必须使用概率统计的方法。通过统计方法的研究 可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。 5是照明激光散斑具体的产生过程。当激光照射在粗糙表面上时表面上的各点都要散射光。因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光 这些光虽然是相干的 但它们的振幅和位相都不相同 而且是无规分布的。来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加 形成一定的统计分布。散斑的大小要根据光路情况来决定。散斑场按光路分为两种 一种散斑场是在自由空间中传播而形成的 也称客观散斑 另一种是由透镜成像形成的 也称主观散斑 当单色激光穿过具有粗糙表面的材料时在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上 当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化 如果设法改变激光照在材料上的面积 散斑的大小也会发电子科技大学硕士学位论文 生变化。由于这些散斑的大小是不一致的因此这里所谓的大小是指其统计平均值。它的变化规律可以用相关函数来描述 13 假设观察面任意两点上的散斑光强分布为 2211yxIyxI 定义光强分布的自相关函数为 22112211yxIyxIyxyxG 根据散斑统计学的理论可以得到如下的公式13 11 yxUyxUyxIyxIyxyxG 散射屏角谱特性散射屏的散射光特性对于散射成像法测量激光光斑强度分布参数至关重要 为了准确测量光斑分布参数 需要散射屏的散射光为理想漫反 余弦辐射体一辐射体发光强度的空间分布 如果可用式 表示则称为余弦辐射体 14 IN为发光面在法线方向上的发光强度Iθ为和法线成任意角度θ方向上的发光强度。如图2 可见发光强度向量Iθ端点轨迹是一个与发光面相切的球面 球心在法线上 球的直径为IN。 余弦辐射体发光强度的空间分布余弦辐射体在和法线成任意角度θ方向上的发光亮度Lθ可表示为 第二章 散射理论 常数dAIdAIdAILNN coscoscos 由此可见余弦辐射体在各方向的光亮度相同。 余弦辐射体可能是自发光面 也可能是透射或反射体。受光照射经透射或反射形成的余弦辐射体 称作漫透射体和漫反射体。乳白玻璃是漫透射体 经光照射后其强度分布如图2 硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面其光强空间分布如 漫透射屏角谱特性该设计中 使用了专门定制的散射屏 为了确保测量系统测量的可靠 对其漫透射特性进行了测试。 1知道漫透射体透射光满足余弦定律 因而可以利用图2 8所示实验装置来完成测试。 功率计散射屏功率计分光镜 功率计探头a在以屏底边为直径的半圆上每隔5 选取一个测试电子科技大学硕士论文 保证功率计探头a光敏面垂直于此测试点对应的半径然后记录下功率值和相应监测功率计b的读数 监测功率探头b的作用是为了使测量所有测试点时入射到散射屏的激光功率一致。 入射光入射角度分别为015 30 每一个角度测试点的强度均归一化。可以看出 不仅 入射时 透射光随角度的变化与理想漫透射比较吻合 而且 当入射角度为15 30 透射光的角谱特性也与理想漫透射比较吻合。可见选择的散射屏基本是漫透射体 能够满足使用要求。 入射角度影响对于同一测试点 为了验证不同入射角对功率带来的影响 设计了如下实验 实验框图如图2 10。 第二章 散射理论 10入射角度改变对功率影响实验 10中CCD与屏垂直方向夹角为20 激光入射角在20 20 入射光与CCD在法线同侧为正 之间实验数据见表2 激光入射角改变时CCD的ADU值入射角 Total ADU 与平均值偏差 Peak ADU 与平均值偏差 20 6700 45168 2015 6680 74166 0010 6730 00166 74166 00164 30165 6010 6800 04167 6015 6780 74167 6020 6720 15165 60平均 6730 166 从表2可以看出 当入射光改变时 CCD接收到的漫透射光光斑总灰度值ADU和峰值ADU变化很小 以内。因此对于同一测试点入射光角度改变时 功率基本保持不变 比较吻合漫透射体的特性。 小结依据散射、漫反射、漫透射以及散射成像的基本理论 分析了散射屏的角谱特性、散射屏对散射特性的影响 对设计中使用的散射屏的散射特性开展了实验研究 结果表明 该散射屏比较接近理想漫透射体 能够满足使用要求 为该系统的设计工作奠定了理论和实验基础。 散射屏 计算机 532nm 激光 镜头 CCD 滤光片衰减片 电子科技大学硕士学位论文 10 第三章 测量系统总体设计 系统系统组成测量系统由散射屏、反射镜、滤光片、衰减片、CCD数字相机、镜头及PC104嵌入式工控机、电源和计算机以及数据处理软件等组成。如图3 测量原理采用CCD漫透射成像法来测量激光光斑分布的原理如图3 2所示。 计算机散射屏嵌入式工控机滤光片衰减片镜头反射镜 CCD成像原理图入射激光照射到散射屏上 散射屏对入射光进行体散射 反射镜用来反射漫第三章 测量系统总体设计 11 透射光 增加成像光线的光程 减小CCD成像视场 以利于过滤背景杂光 CCD摄像系统通过反射镜对散射屏上的光斑成像 并采集图像灰度数据 然后发送到PC104嵌入式工控机 工控机内置自编图像处理软件对原始图像数据进行处理 实现像素合并和光斑形状畸变校正 然后将单元强度数据通过网口发送给计算机 计算机接收到强度数据后进行强度畸变校正 并计算光斑强度分布参数。 测量可行性从第二章知道 散射屏可以认为是漫透射体 其散射特性符合漫透射规律 入射光照射到散射屏上 只要入射光斑一确定 其透射光场便是确定的 而且透射光场分布随入射激光角度变化很小 是稳定的。因此 可以通过在屏后任意位置来测量透射光斑。 散射屏和CCD摄像系统相对位置确定后屏所成像的形状畸变和强度畸变便是确定的 因此只要正确分析得到畸变规律 便可以校正此畸变。校正后 通过功率定标来得到激光强度的绝对分布。 测量系统主要功能此测量系统主要实现以下功能 功率测量。此外 该系统可以实时显示光斑的三维立体图和二维图 给出光斑剖面、质心变化、质心抖动、激光功率变化等曲线bit 测量激光功率密度范围6uW cm2 6W cm2 电子科技大学硕士学位论文 12 有效口径φ250mm 重量小于15kg 体积420mm 280mm 测量不确定度不大于10

  小型化大口径激光强度时空分布特性测量系统,激光主要有四大特性,激光的特性,激光特性,大口径狙击步枪,大口径舰炮,大口径水表,大口径火炮,中国大口径狙击步枪,762大口径部队

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