第九章 光学检测技术

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1、第九章 光学检测技术,引言 光学方法的主要优势：,非接触性 高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计量性,主要内容 衍射法 扫描法 全息法 散斑法 莫尔法 激光测距 多普勒测速,光传感与光检测技术,9.1 激光衍射法,特点：简单、快速、精密、廉价、性能可靠。 9.1.1 激光衍射传感的基本原理 衍射计量的基本原理：检测单缝的远场衍射，即夫朗和费衍射。,远场衍射条件： 检测面上衍射光强分布：,激光衍射传感器检测的基本原理：,暗条纹位置：,引申：测量物体的尺寸变化,最后缝宽和起始缝宽,x,变动后衍射条纹中心位置和起始衍射条纹中心位置（n不变）,激光衍射测量的基本思想： 把难于测量的微小尺寸W或，通过远

2、场衍射转为大尺寸xn的测量，即利用衍射条纹的精确测量达到精密传感。,对衍射条纹的测量 记录固定的衍射强度 记录衍射分布特征尺寸衍射分布极点之间的距离,9.1.2 激光衍射技术 （一）间隙计量法,应变的感应器,尺寸比较测量,工件形状轮廓测量,衍射条纹间隔 间隙,两种计量方法,（1）绝对法：测量位移前后n级条纹距中央零级条纹中心位置xn及xn就可求出位移量。 （2）计数法：测得条纹计数值N（n-n ），就可求出试件的位移或应变值。,两个例子,（二）爱里圆斑法,第一暗环直径,作用：精确测定微小内孔的尺寸 基本原理：基于圆孔远场衍射,9.2 激光扫描法,一种动态光传感技术 适宜对弹性体、柔性体、高温物

3、体作精密测量,9.2.1 激光光点扫描技术 利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。 特点：非接触、动态、远距离（1m）,为保证测量精度，三点要求 （1）激光束垂直照射被测表面 （2）光束对物面作匀速直线扫描运动 （3）精确测定扫描时间,（a）转镜扫描,光束在物面上的运动速度是非均匀的，而且光束不垂直物面。因此这种扫描方式不能满足基本要求（1）和（2）。,（b）反射镜准直扫描,为保证基本条件（1）和（2）通常采用f-透镜与转镜组合的反射镜准直扫描装置。f-物镜是专用于光扫描系统的物镜，是一种负畸变物镜。可保证y与的线性关系：,光点扫描技术：采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件边缘衍射效应，测量误差

4、大，精度在0.01mm左右； 位相扫描技术 光调制扫描法 外差扫描法：测量微小变形，适用于振动条件下的高精度测量，精度达0.1m。,9.2.2 位相调制扫描技术,一束细的激光束扫描有振动的物体表面 反射光的位相对应于物体表面的形状 设法组合参考光（扫描入射光）与反射的相位调制光 用外差技术检测 z ( x(t) ),外差扫描法,应用：表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形状规则度检查； 1 反射光检测法,9.2.3 表面特征抽取的扫描技术,检测装置,（a）飞点成像式：在y方向上用线光束照明，反射光用旋转多面体沿y方向扫描接收。在被测表面的像面上设置针孔以检测反射光的变化，从而评定表面有否损伤与划

5、痕。,（b）飞点扫描式：直接用激光束扫描表面，扫面方向（y方向）与被检表面行进方向垂直。反射光由列阵光电检测器件检测。,2 散射光检测法 基本原理：漫反射表面的光洁度与散射光的散射角之间有一固定关系。 方法：激光束垂直照射待测表面，检测垂直的反射光强和某一角度下色散射光强，两个光强之比确定表面光洁度。基于边界衍射波理论，衍射波的频谱分布反映的边界图形的特征，可以判定表面瑕疵情况。,9.3 全息法,1948年，Gabor提出的，1960年激光出现后获得发展。 与普通照相的比较： 普通照相：透镜成像，感光胶片上只记录物体的光强分布，平面像，胶片破碎后只能冲洗照片的一部分； 全息照相：不用透镜，借助

6、参考光与来自物体的反射光（散射光）在全息干板上产生干涉，记录物光的振幅和相位，可再现立体像，干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像，只是清晰度有所下降。,9.3.1 激光全息术,为什么一小块全息图能包含物体的整个三维几何信息？,基本出发点：物体都是点的集合体。研究一个物点的记录和再现过程。,记录,一组同心圆的干涉条纹,再现,假如点物放在O点，则O点散射波在a，b，c，f点的相位分布和把再现光照射在全息图上时，全息图上点a，b，c，f的散射波的相位分布是完全相同的。,相干性很高的光源：激光 被摄物均匀照射：扩束镜 获得明显的干涉条纹：参考光与物光的分束比：2:110:1 记录介质要求有较高的分辨本

7、领：溴化银照相乳胶 曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性,全息术要求,（a）透明物透射光作为物光； （b）非透明物反射光作为物光,9.3.2 全息干涉技术,应用：高精度传感测量物体的位移或形变。 基本原理： 将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在拍摄时间间隔内发生的变化。 拍摄方法： 静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法,再现像中光强分布 受到物体位移后产生的位相差的调制，形成干涉条纹,静态二次曝光法,全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像是各个再现波前的复振幅之和。 产生的干涉条纹将反映振动

8、物体的极限位置。,动态时间平均法，又称长时间一次曝光法。用来研究物体振动。 记录的曝光时间要大于物体的振动周期。,曝光一次，曝光时间短。 再现时，再现像叠加在原物体上。 如果物体稍有位移或形变，即能观察到干涉条纹。 适合于测试透明物体中的一些现象。,实时法,9.3.3 全息等高线技术,应用：物体表面三维形貌测量。 主要包括： 线投影等高技术 双频全息技术 变折射率全息技术 视频和散斑技术,线投影等高技术,等高线是一系列等间隔的平行平面与被检测表面的交线。 线投影等高技术是用光学方法产生一组等间隔的平行平面来照明物体，当沿着垂直于照明平面的方向去观察物体，就不难看到待测物体的等高线图。,干涉线投

9、影技术,9.4 散斑法,（1）散斑现象: 当一束激光射到某粗糙表面上时,观察被照区域有许多明暗相间、杂乱无章的亮斑和暗斑，这种现象称为散斑。 成因： 粗糙表面（或散射介质）的散射光干涉所形成的。,9.4.1散斑概念及统计性质,起初：散斑点条纹的反差受到影响噪声 发展：单个斑点的大小和位置随机分布 所有斑点的综合符合统计规律 漫反射表面散斑场 物体表面上各点的运动散斑场的运动 启发：散斑运动物体表面的运动信息位移、应变、应力,形成散斑的条件： 粗糙表面和相干光照射,客观（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干涉面直接形成。 主观（成像）散斑：在成像光组像面上P点形成散斑。,（2）散斑大小,空间结构：

10、随机分布的颗粒形状，用二相邻亮斑间距的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。 对圆形照亮区域，散斑的横向平均直径为 结论： 散斑横向平均直径与照明区域大小有关，大的照明区域对应大的u值，散斑变小，反之变大。,（3）散斑的光强分布,散射波的位相是无规则地分布在02范围内，且同偏振，散斑强度概率分布为,结论： 最可能出现的强度是接近于0的，即黑散斑比其它强度的散斑要多。,9.4.2 散斑计量技术,（1）散斑照相法 物体表面运动与散斑场的运动有确定关系。 第一次拍摄：底片上记录了物面的散斑图。 第二次拍摄：物体变形后进行，同一底片上记录了两个散斑图。 物镜孔径角u没有变，两个散斑图是相同的。位置因物体表面

11、的移动而产生了相应的移动。 测量出两个散斑图的移动量，也就知道了物体表面的移动量。,（2）散斑干涉法,将另外一束均匀激光束作为参考光束与散斑图组合在一起，或将两个散斑图组合在一起，使之产生干涉作用，获得第三个散斑干涉图，分析处理这第三个散斑干涉图可获得待测物面的位移。,9.4.3 电子散斑干涉测量技术,优点： 采用CCD记录物面散斑场的光强信息，实时显示干涉条纹，快速方便； 可以在明室下操作，这给工作人员带来了方便； 使用图像采集卡高帧速采集散斑场信息，对工作环境的防震要求大大降低。 条纹图以数字形式存储，便于条纹后处理，结合计算机技术自动分析条纹。,（Electronic speckle p

12、attern interferometry，简称ESPI）,应用：测取物体的位移、应变，无损检测,（1）测量离面位移的电子散斑干涉系统,R点与成像透镜的光束共轭，参考光束好像从O点射出一样，这样，参考光束就与物光束一致，产生干涉作用。电视摄像机记录并存储散斑图样。,（2）测量面内位移的电子散斑干涉系统,两束相干平面波激光束以相同入射角i在法线两侧平行入射到粗糙物面上。被物面散射的光通过物镜成像在电视摄像机摄像管平面上。摄像管平面垂直于物面法线，记录并存储散斑图。,光传感与光检测技术,9.5 莫尔技术,2019/10/19,51,光传感与光检测技术,2019/10/19,52,光传感与光检测技术

13、,播放中,单击准备演示,2019/10/19,53,光传感与光检测技术,单击准备演示,播放中,2019/10/19,54,光传感与光检测技术,莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。,概念,2019/10/19,55,光传感与光检测技术,2019/10/19,56,光传感与光检测技术,2019/10/19,57,光传感与光检测技术,亮带：透光面积大,黑带：互相遮挡,(a) 光栅I,(b) 光栅II,(c) 两个光栅叠加的结果,2019/10/19,58,光传感与光检测技术,d,m,A,B,C,D,光栅I,光栅II,莫尔条纹,2019/10/19,59,光传感与光检测

14、技术,d,m,A,B,C,D,a,b,c,2019/10/19,60,光传感与光检测技术,所有级次代数和Mi+Ni相同的衍射光束称为(Mi+Ni)级群光束，它们有相同的传播方向。,G1,G2,-1,0,( , ),( ,1),( ,2),(0,-1),(0,0),(0,1),(1,-2),(1,-1),(1,0),-1级群光束,0级群光束,1级群光束,1,-1,0,-1,-1,2019/10/19,61,光传感与光检测技术,2019/10/19,62,光传感与光检测技术,2019/10/19,63,光传感与光检测技术,基本原理,通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形成莫尔条纹，同级莫尔条纹就是物

15、体表面距主光栅深度相同的等高线分布，实现三维物体的形貌测量。,2019/10/19,64,光传感与光检测技术,N级等高线深度：,d,l,P,1,2,N,光栅,hN,d：观察者到光源之间距离。,P：光栅常数；,l：光源与光栅之间距离；,65,光传感与光检测技术,接收器,光源,C1,G1,L1,C2,G2,L2,b,l,h1,h2,b：L1到L2之间的距离。,l：透镜L1和L2到物体表面的距离；,f：透镜L1和L2的焦距；,P：光栅G1和G2的光栅间距；,2019/10/19,66,N级等高线深度：,光传感与光检测技术,2019/10/19,67,光传感与光检测技术,9.6 激光测距,引言 应用：激光雷达、精确制导、目标指示、火控系 统、飞机防撞系统、大地勘测、天体测量 两类： 脉冲测距法：军事用途等非合作目标（反射能力差，必须使用能量高度集中地窄脉冲来测距） 连续波测距（调频法、相位法）：合作目标,9.6.1 脉冲测距原理,原理: 关键：准确测量渡越时间T，即精确确定发射和接收时刻t1和t2。,测距机,光电系统：光转换、放大整形电路 计数部分：电子门、时钟发生器、计数器,所测脉冲渡越时间,计时脉冲数 时钟周期,接收脉冲和时钟是异步的，有一个周期的测