1、 本科毕业论文（设计）（题目： 基于激光散斑的表面粗糙度测量系统设计）姓 名： 崔文广 学 号： 0942056108 专 业： 自动化 院 系： 电子通信工程学院 指导老师： 吴小昊 职称学历： 讲师/硕士 完成时间： 2013 年 05 月 教务处制安徽新华学院本科毕业论文（设计）承诺书本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工
2、作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文（设计）作者签名： 日期： 基于激光散斑的表面粗超度测量系统设计摘要表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在 1mm 以下） ，用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，很早以前牛顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。由于激光的高度相干性，激光散斑的现象就更加明显。最初人们主要研究如何减弱散斑的影响。在研究的过程中发现散斑携带了光束和光束所通过的物
3、体的许多信息，于是产生了许多的应用。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，利用散斑进行光学信息处理、甚至利用散斑验光等等。激光散斑可以用曝光的办法进行测量，但最新的测量方法是利用 CCD 和计算机技术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用，因此是值得在教学实验中推广的一个实验。本实验的目的是让学生初步了解激光散斑的特性，学习有关散斑光强分布和散射体表面位移的实时测量方法：相关函数法，通过本实验还可以了解激光光束的基本特点以及 CCD 光电数据采集系统。这些都是当代科研和教育技术中很有用的基本技术
4、和知识。软件设计中运用了 Visual C+60 与 MATLAB70 的混合编程，通过 MATLAB 引擎，visual C+60 可以自由调用 MATLAB70 ，使二者充分发挥各 自在科研中的优势，并可充分利用网络资源。本文根据提出的测量方法，设计了一套测量实验系统，实验结果表明，该系统结构简单，对测量条件和环境要求不高，且具有非接触测量，速度较快，准确率较高等优点。关键词：散斑，表面粗糙度Abstract目 录绪论表面粗糙度是加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，它是互换性研究的问题之一。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其它因素所形成的，例如在加工过程中刀具与零件
5、表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于采用的加工方法和所用的工件材料的不同，被加工表面留下的痕迹的深浅、疏密、形状和纹理等都有所差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。对于许多加工零件，表面粗糙度已成为检验零件是否达标的首要技术参数，因此表面粗糙度测量的研究一直是科学技术研究的重点之一。随着现代工业生产和科学技术的发展，特别是尖端科技的发展，对表面粗糙度的测量提出了越来越高的要求，要求超精密加工的机电产品元器件也越来越多，不仅有传统的光学零件、超精密加工块规等，而且有
6、现代 IT 中广泛采用之大规模集成电路的各种芯片，计算机用的磁盘、光盘；核聚变用的激光反射镜；导弹制导系统用的激光反射镜；导航用的陀螺仪腔体；气浮和静电陀螺仪的球状支承；造卫星姿态控制用的过半球体；卫星、航天器上各种仪器仪表用的真空无润滑轴承；全球定位系统(GPS)*I 电子对抗技术中用的砷化镓半导体大规模集成电路；红外夜视设备、大型天文望远镜和太空望远镜中用的球面和非球面光学透镜，以及多种军、民使用的高新科技产品中的精密零部件等。并且在许多领域，为保护环境节省资源，都要求在加工现场 100检测加工零件的表面粗糙度，因此具有快速性，无破坏性等优点的在线测量方法成为目前表面粗糙度研究的重点。传统
7、的表面粗糙度测量的方法主要为触针法，其有了悠久的历史，已经得到了相当程度的发展，但由于其测量原理的缺陷，此法有一些不可避免的缺点：对加工表面有划痕，损坏被测表面；由于触针半径的限制，无法检测微小的表面缺陷，对微小的表面缺陷做了滤波。因此在某些方面已不能满足现代工业生产的要求。随着现代光学技术，激光技术的不断发展和应用，表面粗糙度测量的技术较接触法也有了长足的进步，尤其近年来飞速发展的计算机技术更是帮助人们不断的改进旧的表面粗糙度测量方法，提出新的测量手段。本文结合激光散斑技术旨在探索一种快速的、适合的表面粗糙度检测方法。1 表面粗糙度测量介绍1.1 表面粗糙度测量技术分类随着科学技术的发展，在
8、许多领域都涉及到工件的表面粗糙度测量，随之而来对表面粗糙度测量的精度要求也越来越高，人们也提出了许多新的测量方法。表面粗糙度测量的方法分类多种多样，我们这里按照最常用的 接触式和非接触式将目前存在的表面粗糙度测量方法进行分类，如图所示：图 1-1 表面粗糙度测量方法在表面粗糙度测量方法中使用最多、发展最成熟的是触针式轮廓仪，它具有测量直观、高精度、高可靠性、多参数、能给出被测表面二维或三维轮廓等优点。目前在表面粗糙度测量领域中起主导作用，其中最为著名的是轮廓仪。它们一般采用金刚石探针扫描被测表面。其优点是：测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好。此外它还作为其它形貌测量技术的比对方法
9、。目前正在对触针的形状、大小、接触力、触针动态特性以及仪器智能化等方面加以不断完善。但触针式轮廓仪也有其自身缺点：接触性，尖锐的触针易于划伤被测表面，触针也有被损坏的危险；速度慢，为保证触针与被测面的可靠接触，测量速度不能太快；对工作环境要求严格，不能在有振动、冲击的生产环境下工作。近年来，随着对软质材料表面粗糙度、超精表面粗糙度测量的深入研究，尤其是在许多生产环境下希望对加工表面进行 1 00检查时，触针式轮廓法己不能满足人们对表面粗糙度测量技术的要求。在非接触式表面粗糙度测量方法中， 除了光学方法之外，人们还研究了其它的方法。如电容法、气动法、紫外线法等。但他们通用性较差。目前所研究的大多
10、数方法还只处在试验阶段，且只能进行相对测量与参数测量。光学方法是人们研究的最多的非接触式测量方法，许多光学技术已被人们用于表面粗糙度的测量。国外，光学测量方法在高精度测量方面己经取得了很大的进步：1984 年，英国国家物理实验室 MJDowizs 采用双折射晶体作成聚焦物镜，研制成功了双焦轮廓仪。这种光学轮廓仪能得到非常高的分辨率，但参考光斑尺寸太小，测量时易引起误差。1 986 年，瑞典皇家理工学院 Praksh 等人应用准直参考光束获得了直径较大的参考光斑，解决了参考光斑过小的问题。l 990 年，英国伦敦大学 Biegeii 等发明的光学轮廓仪垂直分辨率达到 03nm 。为满足国内超精加
11、工零件表面粗糙度的检测要求。国内许多科研单位都在研究精密表面的非接触测量方法和仪器，并己经取得了一些突破性进展。1 986 年，成都科技大学周肇飞教授研制成功了同轴激光轮廓仪，解决了大参考光斑与高分辨率的矛盾。1990 年，清华大学的古丽蓉等人采用声光调制外差干涉仪测量磁盘表面，取得了 lnm 的分辨率，测量范围为+309m。上海交通大学光纤技术研究所在这方面也做了不少研究，做出了利用光学外差法检测超光滑表面粗糙度测量系统。清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室的梁嵘、李达成也研制出了在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪，取得了纳米级的分辨率 1101。但同时以上的光学轮廓仪也
12、存在明显的不足之处：1表面相位易发生变化；2 对倾斜敏感；3量程小；4定标困难等。应用时还有漂移和扰动识别等问题需要解决。利用光学方法测量表面形貌时需要配备一套结构复杂的高精度机械扫描机构，其测量分辨率同时还受机械振动、电路噪声及机械扫描机构运动误差的影响，测量速度慢，光学系统的调整时间较长。显微成像法测量表面粗糙度直观、准确、测量速度快，取样面积大，同时又可实时无损伤的测量。这种方法目前可分为干涉显微镜、扫描电子显微镜法、光子隧道显微镜法、原子力显微镜法和扫描隧道显微镜法，其一般是利用电子显微镜直接得到被测表面的微观形貌，它得到了比较多、比较全面的表面微观信息，但无论从价格上还是从体积上来看
13、，目前这种方法还都只适用于实验室内的研究工作。散射法是近年来研究比较多的一种很有发展前途的测量方法。目前国内外对这种方法研究的人也越来越多：成都科技大学的王世华、周肇飞，国防科技大学的杨开勇、蔡明等，都研究了利用光散射特征值测量表面粗糙度的方法，并设计了相应的系统。中国科学院长春光学精密机械研究所陈波、李福田等依据软 X 射线标量散射理论，给出了一种用软 X 射线全积分散射检测超光滑表面粗糙度 RMS 值的方法。散射法测量表面粗糙度的最优点是快速和无破坏性，并且容易实现在线测量，缺点是目前的公式推导多是标量散射理论，而不是矢量散射理论，因此理论计算和实测结果有一定的偏差，这种方法的测量范围较窄
14、。把散斑技术应用到测量领域现在己成为越来越多的人的研究课题。国内清华大学精密仪器与机械学系的雏建斌，王文和香港城市大学机械制造工程系的温诗铸研究研究了暗区比测量法，江苏工学院的刘映栋和王亚伟研究了散斑相干法，探讨了双光束夹角的变化对测量方法的影响。哈尔滨工业大学的强锡富、赵学增等结合计算机视觉技术，利用散斑法研究了表面粗糙度的在线测量技术。香港城市大学的学者利用散斑暗区对比法研究了动态测量物体表面粗糙度的可能性。国外学者对散斑法进行的研究进来比较活跃：1993 年，Royal Inst ofTechnology 的Persson，Ulf 在散斑法测量表面粗糙度方面作了大量的工作，他研究分析了散
15、斑图像，散斑对比法和双光束照射时的散斑统计规律 1201。saitamaUniv 的 Kadono，Hirofumi 设计了一套散斑对比增强装置，研究了其与粗糙度的关系。1 999 年，Univercity of Bremen 的GochG 利用不同波长的双光束激光照射物体的表面，研究了一套在线测量装置。Dublin Inst of Technology 的 Leonard，Lisa C和 Cent de Investigaciones Opticas(CIOp)的 Russo 也研究了散斑对比法。12 表面粗糙度测量技术的发展趋势现代科学技术已能生产出光学镜面、计算机光盘、磁盘、超大规模集成
16、电路等这样超精表面器件，某些零件不光需要满足民用的要求，甚至还要满足现代军事的要求和航空业的要求。这使得对表面粗糙度测量技术提出比以往更高的要求，特别是纳米技术产生之后，检测精度己从毫米、微米精度发展到了纳米精度。并且为了节省资源许多产品还需要在生产过程中百分之百的实时在线检测，这就迫使表面测量技术在总体上朝着高精度、高分辨率、智能化、方便快捷以及在线检测方向发展。在测量方法研究方面，将会长期存在多种方法并驾齐驱的局面，以适合各种材料、量程、速度以及场所的检测要求。并且随着新理论、新技术不断突破，将会涌现出许多新的测量方法，甚至多种新方法联合使用，使一直在表面粗糙度测量研究中存在的难点问题得到
17、解决。表面粗糙度测量的发展趋势还体现在观念上的变化，以往的检测与加工被看成是一个单向过程，认为测量参数仅仅是用来评定加工质量和加工工艺的手段。而今后的表面粗糙度测量技术不仅仅作为一种评价工具，更要通过它所检测的表面微观形貌去指导加工，确立加工手段、加工工艺与加工表面质量之间的关系，依此来改进加工手段并优化工艺参数，从而得到更符合使用性能的表面。1表面粗糙度三个参数的定义，这是表面粗糙度测量的基础；1.4 表面粗糙度的定义和基本概念在讨论散斑图像与表面粗糙度关系之前，我们简单介绍一下有关表面粗糙度的知识，从而对表面粗糙度的定义、表面粗糙度的测量基准、表面粗糙度测量中应遵循的原则以及表面粗糙度评定
18、的参数的定义等有一个较为全面的了解和认识。这些基本定义是设计实验系统和编制计算机数据处理程序的理论依据。1.4.1 表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标，它主要是由于在加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。表面粗糙度不包括由机床几何精度方面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差，也不包括在加工过程中由机床、刀具、工具系统的强迫振动等所引起的介于宏观和微观几何形状误差之间的波纹度，以及气孔、沙眼等。形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差在一个表面上并非孤立存在，大多数加工表面常受其综
19、合影响。实际上，三者只有分级的不同，没有原则上的区别。1.4.2 表面粗糙度与形状误差、表面波度的关系从几何结构的形式来分析，它们之间的差别与不平度的间距有关，因而有人提出以间距大小来区分：间距小于 lmm 的属于表面粗糙度；间距在 11 Omm 范围内按表面波纹度处理；间距超过 10mm 的为形状误差。另一种意见是用起伏不平的间距和幅度的比值来划分：其比值小于 50 的算作表面粗糙度；当比值范围为 501000 时属于表面波纹度范畴；当比值大于 1000 时则按形状误差处理。1.5 表面粗糙度的测量基准采用什么原则和方法给定基准线，曾有过不同的意见，比较有影响的有两种：一种是以中线为基准线评
20、定轮廓参数的中线基准制(又称 M 制)，另一种是以包络线为基准线评定轮廓参数的包络线基准制(又称 E 制) 。世界上大多数国家(包括我国) 都采用中线制评定轮廓表面粗糙度，国际标准也采用中线制。中线制就是以“中线 ”为基准线评定表面轮廓曲线的计算制。轮廓中线就是理想的几何轮廓，它是一条为求得表面粗糙度数值而定的假想基准线。轮廓的最小二乘中线是指具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线，在取样长度内使轮廓线上各点的轮廓偏距地平方和为最小。用最小二乘法将实际的表面形状模拟成理论的几何表面是常用的一种方法，这样得到的基准线是唯一的。由于中线是作为基准线的，基准线的形状与截面几何轮廓形状相同，所以中线不一定
21、是一条直线，可以是个圆弧或其它的曲线，依截面的几何轮廓的形状而定。1.6 表面粗糙度测量中的一些术语1.6.1 测量方向表面粗糙度的数值，是在垂直于被测表面的法向截面上给定的。由于测量时，垂直于几何表面剖切的法向剖面可以有很多，当取样长度一定时，若沿如图所示的不同的法向剖面分别进行测量，则由于其方向不同、波距不同，表面粗糙度的测量值也不同。图中 A 线垂直于加工痕迹方向，按 A 线方向测量，表面粗糙度测量值最大；C 线平行于加工痕迹方向，按 C 线方向进行测量，表面粗糙度测量值最小；按 B 线方向测量，其测量值在最大值和最小值之间。图 21 测量方向因此，对于一般切削加工的表面，应该在垂直于加
22、工痕迹的方向上进行测量。如果不能明显地确定出被测表面加工痕迹的方向时，则应通过在几个不同方向上的测试结果来确定。1.6.2 取样长度表面粗糙度测量应在一定的取样长度上进行，国家标准 GBl003183 中明确规定了取样长度的概念。取样长度是用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。规定和选择这段长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。它实质上是以几何手段达到滤波的目的，故亦称为几何滤波。1.6.3 评定长度在取样长度确定后，由于零部件表面各处的表面粗糙度不可能完全均匀一致，在一个取样长度内测得的表面粗糙度参数值可能基本接近也可能相差甚多，因此如果只用一个取样长度进行表面粗糙
23、度的评定往往没有足够的代表性。所以必须选取具有几个取样长度的一个合适的最小表面段长度，这就是评定长度。实际测量时，在确定测量精度的前提下，需选取适宜的取样长度，和评定长度，并且取样长度和评定长度有一定的取值关系。在国家标准 GBl 03 183 的附录 B 中，推荐在一般情况下测量时，评定长度砌等于 5个连续的取样长度 l(1n=51)。如果被测表面均匀性很好，测量时也可以选用小于 5 个取样长度的评定长度值，而均匀性较差的表面则应选用大于 5 个取样长度的评定长度。1.7 评价表面粗糙度的主要参数在国际标准 GB350583 中有关表面粗糙度的评定参数共有 27 个，分为三大类：与微观不平度
24、高度有关的参数、与微观不平度间距有关的参数、与微观不平度形状有关的参数。这里，我们只介绍目前常用的六个参数。1.7.1 与微观不平度高度有关的表面粗糙度参数在被测表面的法向截面上，对实际的轮廓曲线峰谷间的高度(轮廓波形的幅值) 做出定量的评价，是我国和世界各国广泛应用的评定表面粗糙度的主要方法。1轮廓算术平均偏差 Ra2轮廓微观不平度十点高度 Rz3轮廓最大高度 Ry4轮廓均方根偏差 Rq1.7.2 与微观不平度间距有关的参数在一条凹凸不平的表面轮廓曲线上评定表面粗糙度，除了用微观不平度的高度参数反映表面特征的主要因素以外，还应考虑轮廓峰(谷) 间距有关的信息，一般认为加工纹路的细密度对判断一
25、个表面在负荷下受摩擦的特性以及其它一些功能亦有重要意义。为此，产生了反映轮廓在水平方向的间距和轮廓的疏密程度的各种参数。1轮廓微观不平度得平均间距 Sm2.轮廓的单峰平均间距 S1.7.3 与微观不平度形状特性有关的参数轮廓支承长度率按照国家表面粗糙度测量标准 GBl0383 的要求，作为一个标准的表面粗糙度测量仪器，必须能准确地给出以下六项被测零件的表面粗糙度参数值，即三个基本参数：轮廓算术平均偏差 Ra、轮廓最大高度 Ry、轮廓微观不平度十点高度 Rz：三个附加参数：轮廓微观不平度平均间距 sm、轮廓的单峰平均间距 S 以及轮廓的支承长度率 tp。综合地评价被测表面的这六个粗糙度参数，就能
26、从各个不同的角度了解被测零件的表面特性。2 表面粗糙度与散斑测量2 1 散斑的成因当空间相干性和时间相干性都很好的光波照射在光学粗糙的表面(反射型漫射板) 或通过光学粗糙的透射板(透射型漫射板 )之后，在漫射板一定距离处的接收屏上将得到杂散无规则的斑点式光强分布，这种分布就是所谓的散斑。所谓“光学粗糙” 元件，是指这种元件的某些光学参数(表面高度、反射率、折射率等 )在各个与波长九可相比拟或更小的局部区域上作无规则分布，就是说，它们的空间分布函数对于由大量漫反射板构成的系综而言是随机函数，亦即空间坐标的随机过程。从可见光波长这个尺度看，一般物体表面都很粗糙，这样的表面可以看作是由无规则分布的大
27、量面元构成。当相干光照明这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，而整个表面则相当于大量衍射单元构成的“位相光栅” 。对比较粗糙的表面来说，不同衍射单元给入射光引入的附加位相之差可达 27 的若干倍。经由表面上不同面元透射或反射的光振动在空间相遇时将发生干涉。由于诸面元是无规则分布而且数量很大，随着观察点的改变，干涉效果将急剧而无规地变化，从而形成具有无规则分布的颗粒状结构的衍射图样。图 2.1 散斑成因 以上是在光场通过自由空间传播条件下对散斑成因的说明(见图 31a) 。如果物体表面通过光学系统成像，只要成像系统的点扩散函数具有足够的“宽度” ，折射到物平面后能在物体表面覆盖足够多的面元
28、(见图 31b)， 则来自这些面元的光线将在同一像点处相干叠加，从而形成散斑。因此，有光学系统时的散斑与自由空间斑纹形成的原理是类似的。关于这一点，还可以从另一个角度来说明。在自由空间情况下，刚从漫射表面出射的波场是一个随机相幅场，因而接收面上的场可认为是这个随机相幅场通过自由空间的衍射。当存在光学系统时，从系统最后一个表面出射的波场也是一个随机相幅场，从这个随机场到接收面之间就是自由空间传播。因而，与前者不同的只是需要由漫射面上的随机场得出从光学系统最后一面出射的随机场而已。由上面所述散斑的成因可知，物体表面的性质与照明光场的相干性对散斑现象有着决定性的影响。物体表面的性质不同，或照明光场的
29、相干性不同，都会使散斑具有不同的特点。因此，根据两个因素可以区分散斑的不同类型。此外，人们还常常按照光场的传播方式，把散斑分成远场散斑(与夫琅和费衍射对应 )、近场散斑 (与菲涅耳衍射对应)和像面散斑二种类型，这种分类方式在理论研究和应用研究中也都是有意义的。也可按照观察条件将散斑分成主观散斑与客观散斑两种类型，前者实质上是像面散斑，后者则是通过自由空间传播形成的近场和远场散斑。通常人们最感兴趣的是在成像面即夫朗和费衍射面上的散斑。2.2 散斑的描述方法按照光场衍射的标量理论，一个单色光场的传播过程可由一个简单的叠加积分表征。积分域 S 在光场通过自由空间传播条件下由平面上光场分布范围决定，在
30、成像条件下由成像系统点扩散函数的宽度决定。这一叠加积分可用来描述散斑现象。2.3 散斑的统计特性由于照明光波是相干的，因而就漫散板系统而言把散斑场的统计性质视为空间的随机过程。描写散斑的物理量有两个：一个是复振幅，另一个是光强。从实验的角度看，对一个光场来说，光强是更有实际意义的物理量，这是因为我们通过实验能够直接检测的是光强而不是复振幅，因此，在复振幅统计性质的基础上导出相应光强的统计性质是有必要的。在散斑场内任一给定点(x，y)处考察散斑复振幅和光强在散射屏系统内的起伏变化情况，即所谓散斑复振幅和光强的一阶统计特性。散斑复振幅和光强都是空间随机过程，随着参量(x， y)的变化，该随机过程对
31、应着一族随机变量一散斑场内不同点处的复振幅或光强。为了描述随机过程，不仅需要了解诸随机变量各自的统计特性一随机过程的一阶特性，还需要讨论诸随机变量之间的联合统计特性一散斑场内任意两个给定点(x，y)和(x，y)处的复振幅或光强，即随机过程的二阶统计。2.3.1 散斑的一阶统计特性经自由空间传播形成散斑的结构如图 32 ，在与散射屏出射平面极邻近的平面上的光场Ao(xo，yo)对散斑的形成有决定性的影响，随着光场性质的不同，可以出现不同类型的散斑。2.2 自由空间传播形成光斑由于散射屏表面轮廓无规则起伏，光波经过散射屏散射后，波面将出现无规则变形，这样的波面通过散射屏出射平面时，将在其上形成无规
32、则的位相分布。即使散射屏材料光学性质均匀，它的菲涅耳系数也将无规则变化，从而对任一给定的散射屏来说，其出射平面光场振幅也将呈现无规则分布。因此两个实函数是与散射屏系综联系着的空间随机过程。散斑光强的均值和均方值，它们都是散斑允强在系综平均意义下的数字特征。2.3.2 散斑的二阶统计特性散斑的一阶统计特性足以描述强度的起伏，但不足以描述散斑的另一个基本特性一它的空间结构的变化。散斑的二阶统计特性，即在空间两点处散斑的联合统计特性，如散斑的相关函数等，足以描述散斑强度的起伏和空间结构的变化。实际散斑的光强是连续分布的，不过由于它起伏变化很快，通常显示一种颗粒状结构。这种表现颗粒的粗细程度，实质上反
33、映了散斑图样内光强起伏变化的快慢(对空间而言) 。因此，可以用适当定义的散斑光强自相关函数的“宽度”来度量这种表现颗粒的粗细程度。这种估计方法是在空间域内考虑的。因此，可以作为对散斑横向表现颗粒结构的粗细程度估计。2.4 散斑测量表面粗糙度方法自从激光问世以来，由相干激光产生的散斑受到了极大的重视，许多学者研究了散斑图样的统计特性，并提出了相应的测量表面粗糙度的技术。当表面粗糙度值是照明光波波长数量级的或者更粗糙一些时，从任一适当远处的点发出的光波照到被测表面，表面单元都会引起许多相干子波，这些子波两两之间的光程可以有几个波长的差别。带有相差并且相干的二次球面子波相遇产生了强度分布为粒状的斑纹
34、，称为散斑。由于散斑是由反射光的相位差受到表面微观形貌的调制而出现的，所以散斑的亮度、分布、形状、对比度等都与表面粗糙度密切相关。激光束与被测工件表面成一定角度照射时，在观察屏上可以看到由反射散斑和散射光带组成的散斑图像。2.4.1 散斑对比度法为了定量的说明散斑强度变化，用观察面上散斑强度变化的规范化标准差来定义平均对比度，观察面上散斑强度与被测物体表面粗糙度和系统传播函数有关，因此对比度可以表征不同的粗糙面。对于完全相干的单色光照射。比九大得多的表面，光斑对比度是 l。这样，子波的相位在 O27【范围内为均匀分布。相应地，当反射表面变得更光滑和发生更小的完全相消干涉时，对比度向零靠近。通常
35、人们感兴趣的是在成像面和衍射面上的散斑。不同的光学系统可以形成被测物体的像散斑图像和衍射散斑图像。利用像散斑图像测量表面粗糙度的基本方法由光学成像系统使从物体表面透射或反射的相干光在成像平面中叠加，然后测量合成象的散斑强度变化的平均对比度，图 33 为双透镜成像系统图。而利用衍射散斑图像测量表面粗糙度由光学成像系统使从物体表面透射或反射的相干光在衍射平面叠加，图 34 为衍射散斑图像对比度的实验装置。图 2.3 双透镜成像系统图 2.4 散斑图像对比的实验装置激光输出光束经平面镜反射一次，又经反转的望远镜扩展，几乎均匀的照射到孔径，由孔径透射的光经透镜聚焦平面，焦点的大小很容易通过改变孔径的尺
36、寸或透镜的焦距来控制。被测试的金属样品的表面位于焦平面并且慢慢横移通过照明光斑。在被照明表面的远场区，由金属的散射光产生一幅散斑图样，这些散斑的强度分布随着金属表面的横移在空间和时间上随机的变化。强度变化通过固定在远场衍射平面中心的小孔径之后的光电倍增管来检测。针孔的尺寸要比散斑图像的平均斑点小的多。光电倍增管的输出被送到信号分析系统，以便计算散斑强度的平均对比度。除了上述由单色相干光入射被测物体外，还可以采用多色光或有限带宽的光产生入射，产生的多色散斑图像也包含散射介质的特性和光源谱分布的信息。因此也可利用多色光产生的散斑图像对比度测量表面粗糙度，其测量范围比单色光对比度大。2.4.2 散斑
37、相关法散斑图样相关测量法的原理是在两种不同条件下得到的两个散斑图像，在同一照像底板上二次曝光记录这两幅图像或用光电检测两幅图像后研究二个散斑图像的相关特性。对于形成部分显现散斑的被测物体，可以采用对比度的方法测量。而对于形成全部显现散斑的强散射体采用散斑相关的方法。通常获得两幅散斑图像的方法：一是通过改变入射角度或被测表面旋转微小角度，记录改变前后两幅散斑图样，这种方法称为角度散斑相关。另一种是采用不同波长的相于光照射被测表面，记录不同波长产生的散斑图样，这种方法称为光谱散斑相关。在两个这样相关的散斑图样间所得到的干涉条纹或条纹的相关程度能给出表面粗糙度的某种信息。图 2.5 角度散斑相关粗糙
38、度测量原理示意图图 35 是角度散斑相关的原理示意图。对于一个被测粗糙表面，首先以一定角入射一波长为九的激光束 1。再用一焦距为 f 的透镜实现对粗糙表面散射光的远场观测。在透镜的后焦面上设置 CCD 相机测量近轴区域内的散斑场强度分布，并将散斑场强度分布的数字图像信号传递到计算机以备后续处理。然后将入射激光束改变一个微小角度，以另一角入射粗糙表面，依上述方式得到第二幅散斑场数字图像信号。对所得到的两幅散斑数字图像计算相关系数，运用理论模型即可从散斑相关系数反演出被测表面的粗糙度参量。散斑相关法测量范围大，因此该方法适合比较粗糙表面的测量。光谱散斑相关法两套光路体系间的差异会影响两幅散斑图之间
39、的相关性，该方法的缺点是它对于偏心和震动很敏感。2.4.3 色散斑图像测量方法多色光的散斑图像载有光源谱分布以及散射介质特性的信息，其测量范围是 O25 0m。为了使粗糙表面产生的散斑图像具有高对比度，应满足：1在散斑图像的任何一点，干涉波必须有足够的相位差，以产生完整的相消干涉。2干涉波互相之间必须是时间相干的。这里第一个条件指明当表面变的光滑时，散斑对比度要减小。第二个条件如果使用激光照明，则总是满足的，但如果使用宽频带的部分相间相干光，为满足第一个条件而照明一个足够粗糙的表面，则第二个条件就成为部分有效的，其结果引起散斑对比度减小，并且如果照明的时间相干长度与物体表面粗糙度相当，散斑对比
40、度将显著变坏。因此，表面粗糙度可望通过对由一定带宽的部分时间相干光所形成的散斑图像的平均对比度来测量取得。3 表面粗糙度与纹理分析的研究3.1 计算机纹理分析我们将激光敝斑图像看作纹理图像运用计算机纹理分析的方法提取澈光散斑用像的纹理特征用之表示租糙度。纹理图像分析是计算机视觉界一个非常活跃的领域，由于它应用广泛，实现方法多样涉及到模式识别、统计学、心理学等众多学科基本的问题，因此关于纹理分类的研究从八十年代以来就已蓬勃发展，取得了很多成果。但如何建立个统一的框架，从根本上解决纹理图像的特征描述、提取、分类仍然i；要大量的工作和新理论的创建。可以说，人们对于纹理分析的认识将髓着诸多相关学科的发
41、展而不断深化和发展。3.2 纹理的定义及其基本特征纹理是一种昔追存在的视觉现象，我们可以去感受纹理却很难对纹理的精确定义形成统一的认识，目前多根据应用需要做出不同定义。两种较常采用的定义：定义 l：按一定规则对元素(elements)或基元(primitives)进行排列所形成的重复模式。定义 2：如果图像函数的一组局部属性是恒定的或者是缓变的或者是近似周期性的，则图象中的对应区域具有恒定的纹理。一般来讲，纹理图像中灰度分布具有某种周期性即便扶度变化是随机的，它也具有一定的统计特性。纹理不同于诸如灰度和颜色等图像特征，它所包古的信息不仅仅来源于单个像索，还与该像索周围空间邻域的灰度分布状况有着
42、密切的联系，是一种由大量或多或少相似的纹理基元或模式组成的结构。纹理尺度与图像分辨率密切相关，它具有重复性、规则性、方向性等。纹理是一种有组织的区域现象，它的基本特征是移不变性即对纹理的视觉感知基本上与其在图像中的位置无关。移不变性可被描还成是确定性的(规则的或结构的)或是随机的(不规则的) 但也有可能存在着介于这两者之间的类别。人为的图案通常是确定性的，一般由线条、三角形、矩形、圆和多边形等图形有规律的排列组成3.3 计算机纹理分析的方法根据纹理的基本特征，描述一块图像区域的纹理目前已出现了许多纹理分析的方法，主要有统计分析方法、结构分析方法、频谱分析方法和信号处理方法等。这几种纹理分析方法
43、在分析纹理过程中，各自有着不同的特点。3.3.1 基于统计的纹理分析方法这种方法考虑的是纹理中灰度级的空间分布，其主要统计指标包括标准偏差、方差、倾斜度和峰度，属于这一类纹理分析的方法有很多，其中 Haralick elall2提出的荻度麸生矩阵(GLCM) 被广泛应用到提取图像纹理特征的过程中这也是本文算法的基础。所谓扶度共生矩阵，是用两个位置的象素的联合概率密度来定义，由位移矢蠡(d，o)控制构成的，d 为两个像素的间隔，0 为两像素连线与水平线的夹角。对于具有 G 个灰度级的图像。它所对应的灰度共生矩阵是 G*G 的二维方阵。矩阵行列表示各个灰度级，矩阵元素反映两种灰度在相距一定距离的位
44、置上同时出现的次数。灰度共生矩阵是定义一组纹理特征的基础。其具体定义为：由于灰度共生矩阵的计算量很大，为简便起见，一般采用下面四个最常用的特征来提取影像的纹理特征：(1)能量(角二阶矩)(2)对比度(3)相关性(4)熵对于纹理特征图像的提取，我们需要对灰度共生矩阵的计算结果作适当处理。最简单的方法是取不同方向(Oo 、450、900、1 350)的偏移参数，作其灰度共生矩阵，分别求取其特征指标，然后对这些特征指标计算其均值和方差。这样处理就抑制了方向分量，使得到的纹理特征与方向无关。3.3.2 基于结构的纹理分析方法结构方法研究基元及其空间关系。基元一般定义为具有某中属性而彼此相连的单元的集合
45、，属性包括灰度、连通区域的形状、局部一致性等。空间关系包括基元的相邻性、在一定角度范围内的最近距离等等。根据基元间的空间关系，纹理可分为弱纹理和强纹理。进一步细分，可以根据基元的空间共生频率来划分，也可以根据单位面积内的边缘数来区分。结构方法认为纹理基元的规则排列构成纹理。也就是说，该方法认为复杂的纹理可由一些简单的纹理基元基本纹理元素)以一定的有规律的形式重复排列组合而成。所以基于结构的方法将研究重点放在纹理基元之间的相互关系和排列规则上。该方法首先确定基元的形状和性质，然后，再确定控制这些基元位置的规则，最终形成宏纹理。它包括两种方法：(1)计算各个基元的统计特征，作为纹理特征，如平均强度
46、、面积、周长、方向、离心率?；(2)基于基元组合规则分析与合成纹理：图模型、树文法等等。基于结构的纹理分析方法的优点是它可提供图像的符号描述，这就使纹理合成很简单。这种方法很适合于具有明确纹理基元的规则纹理，但对于自然界中遇到的那些纹理就不太合适，特别是这种为法只适用于纹理识别，而难以应用于纹理分割。3.3.3 基于模型的纹理分析方法基于模型的方法假设纹理按某种模型分布，通过求模型参数来提取纹理特征，进行纹理分析。这种方法是一种自底而上的纹理特性分析方法，首先假定一个纹理模型，然后通过图像区域估计模型参数。如果模型估计得正确，则表明这一模型合成的图像纹理与输入的图像纹理相一致。(1)随机场分析
47、法(2)(2)分形3.3.4 基于信号处理的纹理分析方法物理心理学的研究表明，人类大脑会对图像作频率分析，对纹理图像自然也不例外，所以，使用信号处理进行纹理分析是一种常用的方法。信号处理方法是适合于纹理特性的，人类在分析纹理图像时，将图像分解为不同的频率和方向成分，基本方法是对图像作频率和方向选择性滤波，得到相应特征，也称多分辨率(multiresolution) 处理。(1)空间域滤波器空间域滤波器是进行纹理分析最直接的方法之一。早期的方法致力于单位面积的边缘密度，用到的算子主要有罗伯特算子和拉普拉斯算子等。(2)傅立叶域滤波傅立叶变换是纹理频率分析的首选，物理心理学的研究成果显示，人的视觉
48、系统会把图像分解成频率和方向进行处理，所以傅立叶域滤波是纹理分析中的一种十分重要的分析手段。其常用的三个性质是：1、傅立叶频谱中突起的峰值对应纹理模式的主方向； 2、这些峰值在频域平面的位置对应纹理模式的基本周期；3、如果用滤波方法把周期性成分去除，剩下的非周期性部分将可用统计方法描述。用二维空间傅立叶变换来描述纹理的优点是，这种方法容易发现图像在空间域中的特性，例如，可检测纹理基元的大致大小和基元的空间组织。但缺点是对 EPQ 这样的线性变换来说，傅立叶变换不能保持不变性。而更为严重的困难是，为了正确地检测纹理的特性，在作变换时要求足够大的图像矩阵。而在行纹理分割时，这是难以实现的。3.4
49、利用纹理分析测量表面粗糙度3.4.1 从计算机纹理分析角度处理散斑图像的可行性上述测量方法虽然发展时间较长，但是它们均有这样或那样的缺点这些缺点导致它们不便用于在线测量领域。如敞斑对比度法的测量范围较小一般只适用于测量Rai，指针是用来遍历整个链表的，链表构建完成后将整个链表中的 P 归一化，利用它来计算纹理特征。链表构建方法如下，初始为空链表，当出现一个新的像素对儿时，便创建一个新结点，插入到链表中，对于已经出现过的像素对儿，当再出现时，其对应结点中的 P 自加 l。链表分为有序无序两种，若采用无序链表，对于每一个共生的像素对儿，在判断它是否已经出现过，或查找它所对应的相应的结点时，都需要从头遍历已构建的灰度共生链表，工作量相当大，很有可能有许多次在判断时都要遍历整个已创建的链表，最后发现相应的共生像素对儿并没出现过，此时便需要先创建相应结点再在尾部插入，这显然相当麻烦。鉴于无序链表的缺点，我们采用有序链表，所谓有序，就是链表上的所有结点中的元素 ij 都是从小到大排列的，对于每一个共生的像素对JL(io，jo)，从链表头结点开始查找，先判断是否有结点中的 i_
