《激光扫描技术》PPT课件.ppt

第七章激光扫描技术一、按光路布置分类（一）直接扫描系统（扫描光线不通过物镜），如图7-1所示。设Y为沿着扫描方向的坐标。7-1 激光扫描系统的分类激光扫描系统的分类 图7-1特点：（1）扫描范围大（2）工作距离在不断改变：（3）物面扫描速度不均匀：用途：激光雷达、红外遥感远距离扫描，（H）（二）物镜扫描系统（扫描光线通过物镜），如图7-2所示（1）远心扫描系统：，出瞳在无究远。图7-2特点：象方主光线/光轴；采用f透镜时，扫描速度V恒定；扫描范围小（略小于扫描物镜口径）；象、物工作距离恒定；用途：激光扫描测径 激光扫描衍射对准图7-3（2）非远心扫描系统：（如图7-3）特点：象方扫描主光线不平行光轴 扫描视场大用途：激光打印、激光热处理、激光划线（3）大工作距扫描系统：（如图7-4）图7-4一、光学扫描器1、光学平行平板扫描器（图7-5）7-2 各类扫描器各类扫描器（使光点在扫描平面内产生位移的器件）（使光点在扫描平面内产生位移的器件）图7-5将以上式用马克努林级数展开，且角很小时，设n=1.52，为旋转角度（）例=5时，2、单光楔扫描器（1）直线扫描器：如图7-6a）示，光线通过光楔的偏向角：当i=0（即正入射第一折射面时），如图7-6b）所示当很小时，图7-6（2）圆扫描器设光楔扫描转速为no，则在离光楔一定距离l处的圆半径R为：二、光学机械扫描1、平面反射镜扫描（图7-7）图7-7扫描光线偏角为反射镜偏角的2倍：即特点：（1）无入瞳漂移（当反射面和转轴重合时）（2）扫描频率低（等于电机转速）（3）光能利用率低，若2=30，则仅为152、检流统计振镜扫描（图7-8）利用磁力线方向变化，驱动转轴振动。例如：某型号振镜扫描频率fmax=300Hz，精度0.2%，线性度0.2%。图7-83、多面转镜扫描器（图7-9）特点：（1）高惯性，可减小的误差；（2）扫描频率高：相对平面镜扫描，扫描频率提高了N倍（N为面数）；图7-9（3）光能利用率高；（4）成本较高（5）存在入瞳漂移沿轴漂移量为：R为转镜内切圆半径W扫描全视场角4、空气棱镜扫描器（图7-10）图7-10为旋转角当wt很小时；H=2dwt例：d=36mm，H=5mm则，最大角度：则，非线性误差：5、直角棱镜扫描器（图7-11）图7-11在入射光线的方向指向旋转转轴O的条件下其中式中dBC的长度，旋转角以上数学模型的特点：1、每一项具有近似相同量值的非线性变化规律，但符号相反。2、每一项可变量均不同：L在第一项中出现，但在第二项中没有；d和n在第二项中出现，在第一项中没有。3、适当控制L、d、n，可得到佳线性控制最佳。例：设计结果：1、d=55mm，L=45.669mm，2H=43.74mmn=1.91725mm2、d=55mm，L=45.671mm，2H=43.74mmn=1.91725mm两种设计参数，H均在20nm以内。图7-12三、声光调制扫描器1、弹光效应：声波产生的应变场可能改变某些介质的折射体，当光波通过这些介质时，就会被介质中的弹性波衍射，这种物理现象统称弹光效应（elasto-opticeffect）。由于应变场是超声波产生的，故称声光效应。声光扫描：超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），当其在声光介质中传播时，该介质便产生与超声信号变化相应的弹性形变，从而引起介质局部密度呈疏密交替变化，导致介质折射率也作周期性变化而影响光的传播，（即“弹光效应”）。此时被超声作用的介质可视为一个等效的“相位光栅”，使入射光发生衍射。同时，衍射光的强度，频率，方向也随超声场的频率而变化，声光扫描器就是利用声光衍射性质实现光束的偏转扫描。2、声光调制的两种类型图7-13声光作用的特征长度L0：（当i很小时，）式中：S声波波长光波波长i入射光线与声波波面的夹角（1）喇曼奈斯衍射（Raman-Nath；1932年）或Deabye-Sears衍射（1930年）（图7-13，b）条件：超声频率较低；光波平行于声波入射时（i=0）则声光作用长度较短。当声光相互作用长度为：L时，产生Raman-Nath衍射。其衍射花样类似平面光栅所产生衍射花样。（2）Bragg衍射（图7-13，a）条件：超声频率较高；光波与声波波面间有一很小夹角i；声光作用长度较长。当声光作用长度为：时，产生Bragg衍射。衍射特点：（1）声光栅为体光栅，为多束衍射光相干的结果。（2）衍射条纹分布不对称，即只出现0级和+1级或0级和-1级衍射条纹。（3）合理选择参数，（如使s的强度足够强），可使入射光能量几乎全部集中在0级或+1级（或-1级上）。衍射效率高。（4）衍射角与超声频率fS成正比：式中VS：声速，恒定；fS：超声频率，可变。由上式可知：若使加在换能器上的电频率f变化，则超声频率fS将发生变化，可使衍射角改变。3、声光材料（1）水，玻璃（2）钼酸铅（PbMoO4），二氧化碲（TeO2），等4、Bragg衍射装置及条件A、换能器：（超声发生器）它是利用某些压电晶体（如石英，LiNbO3等）或压电半导体（Cds，ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声。B、吸声或反射装置：放在超声源对面，用以吸收已通过介质的声波以避免返回介质产生干扰。但若要使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。图7-14四、电光偏转扫描器将KDP晶体按图7-14所示的切割成两块直角棱镜，然后将他们胶合在一起，两晶体的z轴平行,但方向相反;外加电场方向与z轴方向相同，入射光为线偏光，振动方向与z轴垂直。则下面的棱镜折射率：在上面的棱镜折射率：式中：（r电光系数），（Ez外加电场强度）因为上式说明：两晶体折射率差n与加在z向的电压（或场强）成线性关系，调节Ez的大小，可以使n线性变化，从而使光束偏角发生变化。常用于条形码、激光打印机、激光防御雷达等。五、全息扫描器（图7-15）图7-15一、测量原理：（图7-16）计量激光光斑扫描待测物体时所经过的时间T，从而得出被测物的几何尺寸的一种测试技术，即：d=VT7-3 激光扫描测径系统激光扫描测径系统 图7-16*对光学系统的要求1、扫描主光线光轴即采用远心扫描系统2、在测量面上扫描光点的扫描速度恒定，即V=常数设转镜角速度为w上式中：v和t为非线性关系，欲使v与t为线性关系，即满足，则可将扫描物镜设计成f-透镜。此时，测径方程为：式中：N计数器所计脉冲个数，fT晶振频率，（次/秒），*采取的措施：（1）设计f-透镜，使物镜产生一负畸变来补偿原扫描系统的非线性。（2）转镜转速n0恒定3、时间T计量的准确性：（1）光电瞄准误差（工件边缘提取的准确性）：图7-17如图7-17，若用固定电压V0比较，则会因扫描光能量的变化而导致产生光电瞒准误差。解决办法：“浮动阈值法”。二、激光扫描测径光学系统 1、会聚光斑扫描（图7-18）图7-182、平行光扫描（图7-19）图7-19注意两个问题：（1）入瞳漂移问题：图7-18和图7-19所示系统具有较小的入瞳漂移量。（2）实际相对孔径：四、设计中几个问题的讨论1、最小脉冲当量的确定：一般取测量精度的,如测量精度为20，则=42。由测径公式：则脉冲当量为：例：设n=1500秒/分=25转/秒，=145mm若取=2.510-3MM实际中取晶振频率为：fT=18.432MHz，2、多面转镜的面数m由确定的电机转速n和测量频率fN定即fN=nm，设fN=200次/秒，n=25转/秒则m=fN/n=200/25=8（面体）3、工件振动对测量精度的影响：（图7-20）图7-20设工件振动为简谐振动，振幅为A，振动频率为则振动方程：其速度方程为：扫描光点与振动工件的相对扫描速度为：其中：V0为光点恒扫描速度，则此时工件的实际测量尺寸为：其中D0为工件无振动时所测值，D为工件振动带来的附加测量误差值，其最大测量误差值Dmax发生在Vzmax处。令速度方程中Cos2t=1（在平恒位置t=0处）最大测量误差结论（1）：Dmax与A，D成正比与n0，成反比例：n0=25转/sec，=145mm结论（2）：当有振动存在时，单次测量精度是不高的，但可以采用取多次测量平均面的方法，提高测量精度。此时平均扫描时间T0为：其中：N为0.1sec内取各次测量值平均值后，再显示的测量次数。即N:0.1sec/To此时显示一次的测量误差为：以上分析表明，振动是影响动态测量精度的最大原始误差。措施：加限振器。工件表面特征：疵病，表面异物，形状不良测量技术特点：迅速，实时，漏检率低按原理分三大类：1、反射光检测法2、散射光检测法3、扫描频谱法一、反射检测法测量对象：（1）有较强反射特征的物体：如白纸、薄钢板、铜板、铝板（2）直径0.11mm左右的表面缺陷7-4 表面特征激光扫描检测技术表面特征激光扫描检测技术 2、激光扫描法（图7-21，b）二、散射光扫描法对象：漫反射表面，（如激光捉疵机）图7-211、飞点扫描法（图7-21，a）a）飞点扫描b）激光扫描Pretens公式：当激光束垂直入射于被测表面时，在与反射光线成角的方向上，散射光强度为：式中：（图7-22）图7-22R0入射完全光滑表面上的反射光强入射光波的波长粗糙度值（平均均方根值），如：L变换长度，m倾斜角方向上，表面光度的平均均方根值将代入上式1.6以上公式的运用条件为。测得IR、R0、则可由上式求得，则可知表面粗糙度。例英国SIRA（科学仪器研究所）透镜表面检查仪：（图7-23）图7-23三、扫描频谱法：直边衍射原理：当激光束照射在一个障碍物边缘时，产生边界衍射，用衍射波的频谱分布来判定此图形边界的固有特征。对掩膜中的几种图形和缺陷如图7-24示：图7-24一、电摄影概述：复制技术分为三大类：第一类：使用涂层纸，纸表面均匀涂上光敏涂料。如工程兰图的复制和胶卷照像法等，称化学法。第二类：无涂料pp法，即使用普通纸的静电复印法，称物理法。第三类：电子摄像法，如数码像机。1938年，CF卡尔逊发明静电荷产生图像的电摄影法。第一台复印机由美国的施乐（xerox）公司生产，现在世界的复印机为日本的canon公司、美国的xerox公司所垄断。NP法：日本canon公司1967年获专利。7-5 激光打印技术激光打印技术 复印机工作过程：曝光显影定影（图7-25）1、光导鼓充电（如硒鼓表面充上“+”电荷）；2、曝光：图像在光导鼓上曝光，在亮区（无图形）光导鼓上正电荷消失；在暗区，光导鼓上“+”电荷仍然保留；3、显影：墨粉带“”电荷，被吸附在光导鼓的正电荷区域；4、转印：通过挤压转印刻复印纸上；5、定影：通过热压使墨粉中的胶粒熔化并渗入纸中；6、消电：消去纸上的静电荷；7、用消电灯照射光导鼓，使正电荷全部消失；8、清洁；缺点：速度慢，分辨率不高，不能作为计算机的输出设备。图7-25二、激光打印技术的特点特点：1、速度快：如美国xerox9700激光打印机。打印速度：打印一张纸所需时间为：即打印一张B4的纸只需0.43秒，这是一般复印机无法比拟的。2、分辨率高：3、非接收：打印头永不磨损，但硒鼓因“疲劳损伤”而需更换。三、激光打印原理（以IBM3800系统为例）光学系统如图7-26所示图7-26说明：1、顺置望远镜组：为提高进入声光调制器的能量密度。2、字符发生器：（可以将一个字分成若干阵列，阵列数愈久则分辨愈高）。字符编码：57阵列，79阵列，126阵列，1620阵列。3、振荡器：为了能够产生七个衍射扫描光点，由可知，对应有七个不同频率的声波波长。（图7-27）如对57字符，超声波中心频率为40MHz，频率间隔为0.5MHz，则7个频率：为38.5MHz，39MHz，39.5MHz，40MHz，40.5MHz，41MHz，41.5MHz。图7-274、扩束系统：（图7-28）（1）压缩发散角（2）去掉0级衍射光（在焦点位置放置刀口）图7-285、柱面望远系统（图7-29）物镜场曲和转镜塔差的影响。A、场曲：初级场曲系数SIV与孔径的平方和视场的平方成正比（加一月形透镜，可减小SIV）。图7-29B、转镜塔差的影响（图7-30）图7-30