激光测量技术-归纳.ppt
2006年3月6日星期一,激光测量技术总结,2006年3月6日星期一,第一章 激光原理及技术,第一节 辐射理论概要 1. 什么是光的波粒二象性 光电效应 光量子学说 原子能级、简并度及玻尔兹曼分布 光与物质之间的作用,2006年3月6日星期一,第二节 激光产生的原理及条件,1、 由光与物质之间的相互作用出发， 引申产生超强激光的可能 2、 粒子数反转分布及泵浦过程 什么是泵浦，泵浦的种类有哪些 3、 什么是增益介质？ 其应满足什么样的条件才能成为增益介质 4、谐振腔的作用有哪些？ 结合激光的纵模 5、激光产生的条件:泵浦、增益介质、谐振腔、阀值条件 6、激光器结构及分类,2006年3月6日星期一,第三节 激光的基本物理性质,一、激光的方向性, 度量方向的指标有哪些:发散角 空间立体角 二、激光的高亮度 三、激光的单色性 线宽的定义是什么? 影响因素有哪些? 介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方式 工作的状态 四、激光的时间相干性和空间相干性 什么是时间相干性和空间相干性 相干长度 Lc=C t tc=1 横向相干长度,2006年3月6日星期一,第三节 激光的基本物理性质,五、激光的纵模与横模物理性质 每一个谐振频率的振荡,成为一个模式 沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模或者纵模 如何形成单模激光? 横模 TEMmnq,2006年3月6日星期一,第四节 高斯光束,一、高斯光束的表达式 束腰的定义 ,2006年3月6日星期一,第四节 高斯光束,二、高斯光束的特性 什么时候是平面波？ 什么时候汇聚/发散？ 三、高斯光束的聚焦 条件Lf 才有=f/， 为透镜前的束腰大小 五、高斯光束的准直 倒置望远镜,2006年3月6日星期一,第五节 激光的稳频技术,激光频率变化的原因? 温度变化 振动 大气影响 其他物理原因，如磁场、电场，力 2 为什么要稳频? 波长基准 3 如何度量频率稳定? 频率稳定度 频率再现性 4 稳频的种类: 主动 被动 lamb下陷 Zeeman效应 双频激光,2006年3月6日星期一,第六节 激光调制技术,一、光调制的基本概念 幅值调制、强度调制、 频率调制、 相位调制 内/外调制 二、电光调制 电光效应 pockels效应 用途 三、声光调制 弹光效应， Bragg 四、磁光调制: 法拉第旋光效应 特点 五、电源调制 电源调制成直接调制 六、干涉调制,2006年3月6日星期一,第二章 激光干涉测量技术,第一节 激光干涉测量长度和位移 、干涉测长的基本原理 激光干涉的条件： 频率相同、相位差初始恒定、振动方向相同（非正交）、小于波列长度（1/） 二、测量系统组成:激光干涉系统、条纹计数计数和处理结果的电子机械系统 光路布置原则 条纹计数与判向原理 三、干涉条纹对比度,2006年3月6日星期一,第三节 激光外差干涉测量技术,外差干涉仪的定义及原理： 优点： 能力：,电路静态频率：V1-V2 动态频率： (V1-V2）f 为不失真, f 1/3(V1-V2) 所以对于一个双频激光干涉仪其最大的测量速度为: v /6(V1-V2),2006年3月6日星期一,第四节 激光全息干涉测量技术,一、全息干涉基本原理 记录波前信息 二、全息干涉测量技术 实时法 二次曝光法 时间平均法,2006年3月6日星期一,第五节 激光散斑干涉测量技术,什么散斑？ 散斑产生的条件： 1）粗糙表面， h产生均匀散斑 2）必须有高相干光 激光散斑干涉的特点 ESPI定义及特点,2006年3月6日星期一,第六节 激光光纤干涉测量技术,其优点是什么？ 分类及各自特点,迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪 马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪 萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪 法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪,2006年3月6日星期一,第七节 激光多波长干涉测长技术,无导轨绝对测量技术 传统技术的缺点: 需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允许掉电. 计数时间长,测量长度较大时耗时时间长,易受环境因素的影响 无零位,增量式测量, 不能测量绝对位移 小数重合法 合成波长 半导体激光线性调频绝对距离干涉测量 正弦调制半导体激光干涉测距,2006年3月6日星期一,第三章 激光衍射测量技术,第一节激光衍射测量原理 衍射/绕射定义 一、菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 两者的区别:按光源、障碍物/衍射物，观察屏三者之间的距离或位置 二、单缝衍射测量 单缝衍射特点及应用 三、圆孔衍射测量 Airy斑,2006年3月6日星期一,第二节 激光衍射测量方法,常用的测量方法主要有： 1、间隙测量法 2、反射衍射测量法 3、分离间隙法 4、互补测屏法 5、爱里斑测量法 6、衍射频谱检测法,2006年3月6日星期一,第三节 激光衍射测量的应用,应用: 传感器、孔径测量、形貌、振动、折射率等 光学接收器件的选择与布置 衍射级数的选择一般2,3级 条纹计数越大(相对测量),越灵敏, 但是强度变弱 光电器件尺寸一般不要超过条纹间距 条纹移动量不应该超过器件的尺寸或者条纹间隔 否则容易发生误判,2006年3月6日星期一,第四章 激光准直及多自由度测量,第一节 准直测量原理 1）振幅/光强测量法:a菲涅耳波带片法b. 位相板法c. 双光束法 干涉测量法:1楔形板干涉法2. 双频激光干涉法 3. 光栅干涉法 偏振测量法,2006年3月6日星期一,第二节 激光准直仪的组成,主要组成(三部分): 激光器 光束准直扩束系统 光电接收系统及处理电路部分 激光器的选型及补偿措施 扩束装置的种类及特点:1）开普勒式望远镜2）伽利略式望远镜3）组合式倒置望远镜 光电接收器件 : a. 硅光电池 二分型 四象限器(四分型) b. PSD 一维PSD 二维PSD c. 光电倍增管 d. CCD,2006年3月6日星期一,第三节 大气扰动及激光束漂移,大气如何影响准直测量? 克服大气挠动的方法主要有: 机械法 光学法,2006年3月6日星期一,第五节 激光多自由度测量技术,一般根据测量的自由度的数量划分： 两自由度测量系统 四自由度测量系统 五/六自由度测量系统 测量滚转角 测量系统的结构及特点,2006年3月6日星期一,第五章 激光视觉三维测量技术,视觉检测(Vision Inspection)技术: 在计算机视觉理论基础上发展起来的, 利用光学成像特性,应用测量领域. 特点: 非接触、速度快、精度适中、可实现在线,全场 应用: 工业产品的在线检测。 分类:主动视觉检测(Active Vision)被动视觉检测(passive Vision) 激光视觉检测技术: 利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测,2006年3月6日星期一,第一节 激光三角法测量原理,激光三角法的结构: 1. 直射式 2. 斜射式 各自特点:,2006年3月6日星期一,第二节 激光视觉测量的基本原理,激光视觉检测技术: 利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测 激光视觉传感器: 由结构光和CCD摄像机组成的测量装置. 结构光的类型: 点 线 多线 视觉传感器的核心： 其数学模型 理想摄像机模型 实际摄像机模型 存在的畸变及种类 为什么CCD取中心附近进行测量？,2006年3月6日星期一,第六章 激光的其他测量技术,第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术 一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 激光器、光学系统、信号处理系统 特点 三、多普勒全场测速技术DGV DGV原理 鉴频器 注意事项: 等光程, CCD参数一致,恒温,2006年3月6日星期一,第二节 激光扫描测径技术,原理, 特点 影响其分辨率的主要因素是什么? 一、转镜扫描测径 A=d/ = d V /4 n f 所以: d=4 n f A/ V 从公式上看: V越大,分辨率越高, f越小分辨率越高 二、音叉扫描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术,2006年3月6日星期一,第三节 激光测距技术,一、激光相位测距 原理 二、脉冲激光测距 L=ct/2 L=cN/2f 所以脉冲激光测距的分辨率: PL=c/2f,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,2006年3月6日星期一,
