激光测量技术总结.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2006年3月6日星期一,*,测控教研室,*,激光测量技术总结,1,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,2,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,3,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,4,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,m,n,q,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,5,第四节 高斯光束,一、高斯光束的表达式,束腰的定义,6,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,7,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,8,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,9,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,10,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),11,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,12,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,13,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,14,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,15,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,16,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,17,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,18,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,19,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,20,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,21,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,22,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,23,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,24,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？,25,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,26,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,27,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:,P,L,=c/2f,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,