光学检测技术

远场衍射条件：R W 2 检测面上衍射光强分布：
I I0 sin2 2
W sin
暗条纹位置：
W sin n
W sin n
激光衍射传感器检测的 基本原理：
W Rn xn
引申：测量物体的尺寸变化
x 最后缝宽和起始缝宽 变动后衍射条纹中心
2 散射光检测法
基本原理：漫反射表面的光洁 度与散射光的散射角之间有一 固定关系。 方法：激光束垂直照射待测表 面，检测垂直的反射光强和某 一角度下色散射光强，两个光 强之比确定表面光洁度。基于 边界衍射波理论，衍射波的频 谱分布反映的边界图形的特征， 可以判定表面瑕疵情况。
9.3 全息法
9.3.1 激光全息术
全息术要求
相干性很高的光源：激光 被摄物均匀照射：扩束镜 获得明显的干涉条纹：参考光与物光的分束 比：2:1—10:1 记录介质要求有较高的分辨本领：溴化银照 相乳胶 曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性
（a）透明物透射光作为物光； （b）非透明物反射光作为物光
9.3.2 全息干涉技术
应用：高精度传感测量物体的位移或形变。 基本原理：
检测装置
（a）飞点成像式：在y 方向上用线光束照明， 反射光用旋转多面体沿y 方向扫描接收。在被测 表面的像面上设置针孔 以检测反射光的变化， 从而评定表面有否损伤 与划痕。
（b）飞点扫描式：直接 用激光束扫描表面，扫 面方向（y方向）与被检 表面行进方向垂直。反 射光由列阵光电检测器 件检测。
1948年，Gabor提出的，1960年激光出现后获得发展。
与普通照相的比较：
普通照相：透镜成像，感光胶片上只记录物体的光强分布， 平面像，胶片破碎后只能冲洗照片的一部分；
全息照相：不用透镜，借助参考光与来自物体的反射光（散 射光）在全息干板上产生干涉，记录物光的振幅和相位，可再 现立体像，干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像，只是清 晰度有所下降。
D 1 t
2Fra Baidu bibliotek
为保证测量精度，三点要求
（1）激光束垂直照射被测表面 （2）光束对物面作匀速直线扫描运动 （3）精确测定扫描时间
（a）转镜扫描
y R tan 2
光束在物面上的运动速 度是非均匀的，而且光 束不垂直物面。因此这 种扫描方式不能满足基 本要求（1）和（2）。
（b）反射镜准直扫描
光调制扫描法 外差扫描法：测量微小变形，适用于振动条件下的高精 度测量，精度达0.1μm。
外差扫描法
一束细的激光束扫描有振动的物体表面 反射光的位相对应于物体表面的形状 设法组合参考光（扫描入射光）与反射的相位调制光
用外差技术检测 z ( x(t) )
9.2.3 表面特征抽取的扫描技术
应用：表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形 状规则度检查； 1 反射光检测法
为什么一小块全息图能包含物体的整个三维 几何信息？
基本出发点：物体都是点的集合体。研究一个物点 的记录和再现过程。
记录
一组 同心 圆的 干涉 条纹
再现
假如点物放在O点，则O点散射波在a，b，c，……，f 点的相位分布和把再现光照射在全息图上时，全息图 上点a，b，c，……，f的散射波的相位分布是完全相 同的。
记录的曝光时间要大于物 体的振动周期。
全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像 是各个再现波前的复振幅之和。
产生的干涉条纹将反映振动物体的极限位置。
实时法
曝光一次，曝光时间 短。
再现时，再现像叠加 在原物体上。
如果物体稍有位移或 形变，即能观察到干 涉条纹。
适合于测试透明物体 中的一些现象。
第九章
光学检测技术
引言
光学方法的主要优势： 非接触性 高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计量性
主要内容 衍射法 扫描法 全息法 散斑法 莫尔法 激光测距 多普勒测速
光传感与光检测技术
9.1 激光衍射法
特点：简单、快速、精密、廉价、性能可靠。
9.1.1 激光衍射传感的基本原理 衍射计量的基本原理：检测单缝的远场衍射，即夫 朗和费衍射。
两个例子
（二）爱里圆斑法
作用：精确测定微小内孔的尺 寸 基本原理：基于圆孔远场衍射
第一暗环直径 d 1.22 f a
9.2 激光扫描法
一种动态光传感技术 适宜对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量
9.2.1 激光光点扫描技术
利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。 特点：非接触、动态、远距离（>1m）
为保证基本条件（1） 和（2）通常采用f-θ透 镜与转镜组合的反射镜 准直扫描装置。f-θ物镜 是专用于光扫描系统的 物镜，是一种负畸变物 镜。可保证y与θ的线性 关系：
y f 2
9.2.2 位相调制扫描技术
光点扫描技术：采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件 边缘衍射效应，测量误差大，精度在0.01mm左右； 位相扫描技术
位置和起始衍射条纹 中心位置（n不变） 激光衍射测量的基本思想： 把难于测量的微小尺寸W或δ，通过远场衍射转为 大尺寸xn的测量，即利用衍射条纹的精确测量达到 精密传感。
对衍射条纹的测量 记录固定的衍射强度 记录衍射分布特征尺寸——衍射分布极 点之间的距离
9.1.2 激光衍射技术 （一）间隙计量法
尺寸比较测量 工件形状轮廓测量 应变的感应器
衍射条纹间隔 间隙
两种计量方法
W W


nR


1 xn

1 xn

n n sin
（1）绝对法：测量位移前后n 级条纹距中央零级条纹中心位 置xn及xn'就可求出位移量δ 。
（2）计数法：测得条纹计数值 △N（n-n ' ），就可求出试件 的位移或应变值δ 。
将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张 全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生 干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在 拍摄时间间隔内发生的变化。 拍摄方法：
静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法
静态二次曝光法
再现像中光强分布 受到物体位移后产生的位相差的调制，形成干涉条纹
动态时间平均法，又称长 时间一次曝光法。用来研 究物体振动。