激光测量技术-总结

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2. 光 电 效 应3. 光 量 子 学 说4. 原 子 能 级 、 简 并 度 及 玻 尔 兹曼 分 布5. 光 与 物 质 之 间 的 作 用 2h mc hv hm c c p 22 chcm 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 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 2 2 2 20 2( )( , , ) exp( )exp( ( ) ( )( ) 2 ( )( )A x y x yE x y z ki z i zz R zz 12 20 202 2020( ) 1 ( )( ) 1 ( )( ) ( )zzR z z zzz arctg 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 为 透 镜 前 的 束 腰 大 小五 、 高 斯 光 束 的 准 直 倒 置 望 远 镜 4 100 122 M 2 10 11f Mf 2006年 3月 6日 星 期 一 第 五 节 激 光 的 稳 频 技 术1 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 /R 2 ( )2( )q cq n c nq n nnn 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 2 21 1 2 21 1 22 cosn mi i i ii iI A B ABn nK 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 ： 0 02 2t tL Vdt fdt 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) 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1. 实 时 法2. 二 次 曝 光 法3. 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 :1) 需 要 导 轨 ,计 时 从 始 态 到 终 态 全 部 过 程 ,中 间 不 允 许 掉 电 .2) 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3) 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( )2i i iL m 1 22 1s 2rLf a 222 sinLS a t 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 20 20 sin( ) sin0 bI II light strength sinkb kkLb X 1.22 fd a 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2) 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3) 偏 振 测 量 法 =4AStan 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 PSDc. 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 :n机 械 法n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 ：1. 两 自 由 度 测 量 系 统2. 四 自 由 度 测 量 系 统3. 五 /六 自 由 度 测 量 系 统4. 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 :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 1 2 1 2cossin( ) cos( )axx b x sin cosaxx b x 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 ？ 0 11 12 130 21 22 2331 32 331 0 0 010 0 01 0 00 0 wx x x wyy zu xs d r r r tu f yv v f r r r td r r r t 1wz 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