激光测量技术(课堂PPT)课件.ppt

1、1激光测量技术总结2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2hmchvhmccp p22chcm3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4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

2、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? 介质的均匀性介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长谐振腔的类型、腔长 泵浦方泵浦方式式 工作的状态工作的状态四、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5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对称mnq轴向X向暗条纹数Y向暗条纹数纵模数旋转圆周向暗条纹数径向暗条纹数纵模数6第四节 高斯光束一、高斯光束的表达式束腰的定义22220

3、2()( , , )exp()exp()( )( )2 ( )( )AxyxyE x y zkizizzR zz12202022020( )1()( )1()( )()zzR zzzzzarctg7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 才有为透镜前的束腰大小五、高斯光束的准直 倒置望远镜4100122M21011fMf8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 Ze

4、eman效应 双频激光/R2 2()()2 2()()q qc cq qn ncncnq qnnnnn nn n 9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10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

5、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22221122112211112 22cos2cosnmnmiiiiiiiiiiiiIABABIABABnnnnK K 11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：0 00 02 22 2t tt tL LV Vd dt tf fd dt tN N 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)12 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

6、技术实时法二次曝光法时间平均法 13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14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15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

7、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( () )2 2i ii ii iL Lm m 12122121s s 2 2r rL Lfafa 2 22 22sin2sinL LSatSat 16第三章 激光衍射测量技术第一节激光衍射测量原理衍射衍射/绕射定义绕射定义 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 2 20 02 20 0sinsin()sin()sin0 0b bIIIIIl

8、ight strengthIlight strength sinsink kb b k kkLkLb bX X 1.221.22f fd da a 17 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18 第三节 激光衍射测量的应用应用应用: 传感器、孔径测量、形貌、振动、折射率等传感器、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

9、的尺寸或者条纹间隔 否则容易发生误判19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= = 4 4 A A S S t t a a n n 20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PSDc. 光电倍增管

10、d. CCD21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:n机械法n光学法22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23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)激光视觉检测技术激光视

11、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24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:项目直射式斜射式 测量公式接收的光散射光反射光或者散射光, 信号好测量位置同一点不同点(可能有误差)分辨率低较高精度/测量范围/体积低 大 小高 小 大1 11 12 21 12 2 c co os ss si in n( () ) c co os s( () )a ax xx xb bx x sincossincosaxaxx xbxbx 25第二节 激光视觉测量的基本原理激光视觉检测技术激光视觉检测技术: 利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测激光视

12、觉传感器激光视觉传感器: 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？0 01 11 11 12 21 13 30 02 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 10 00 0 0 01 10 00 00 01 10 0 0 00 00 0w wx xx xx xw wy yy yz zu ux xs s d dr rr rr rt tu uf fy yv vv vf fr rr rr rt td dr rr rr rt t 1 1w

13、wz z 26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27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28 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/2f293031323334353637383940414243444546