光学精密检测技术第八讲
《精密测量技术》PPT课件
圆分度误差：分度要素的实际位置相对于理想位置的偏差，用θi表示。
00 10 20
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2．零起分度误差
以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，
并由此求得的分度误差称为零起分度误差，用 0 , i
表示。零起分度误差的一般表达式为
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一、角度的单位和自然基准
1、角度的单位：
国际单位制：弧度(rad) → 分析、计算 非国际单位：度(°)、分(´)、秒(") → 实际应用（加工、测试） 换算：1°= 60´, 1´= 60", 1rad = 180/π°≈ 57.296°
2、角度的自然基准：
角度自然基准：360°圆周（绝对准确，没有误差）
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正弦规按正弦原理工
作，即在平板工作面
与正弦规一侧的圆柱
之间安放一组尺寸为 H的量块，使正弦规 工作面相对于平板工 作面的倾斜角度0 等于被测角(锥)度的 公称值，(如图所示)。 量块尺寸H由下式决 定
sin0 H/L
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第三节、圆分度误差测量
• 一、圆分度误差的概念
直接测量：测量0～360之间的任意 角度
1、测角仪：精密仪器，最小分辨率可达0.01"
构成：1－工作台：固定被测件 4－自准直光管：对准目标 5－读数装置：瞄准读数
原理：先瞄准被测件的一个平面，读数α1
转动工作台，再次瞄准另一个平面，读数α2，
被测角度： A B 1 C 8 (0 21 )
角度基准：分度盘、圆光栅、码盘
零件光学超精密加工检测技术
零件光学超精密加工检测技术摘要：随着数字数控机床和加工平台的产生与发展，机械零件的加工方式也向着大批量、专一化方向发展。
导致对机械零件的需求也逐渐加大，零件的尺寸和表面加工质量是否符合标准使用要求是影响机械零件正常工作的关键，因此，对机械零件的光学超精密检测成为主要研究任务。
机械零件表面的加工质量和尺寸大小虽然对零件的正常使用影响较低，但直接影响零件的可靠性、质量和使用寿命，而机械零件使用时间决定零件经济效益。
随着光学超精密加工技术的不断发展，零件光学超精密加工检测技术已成为超精密加工迫在眉睫的关键难题。
人工智能技术是一种新兴的用于模拟、延伸和扩展的智能理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
人工智能技术中的机械学习法，使机械零件的光学超精密检测过程大大简化，并将操作结果保存在存储器中，便于后续光学超精密检测过程的快速执行。
关键词：光学检测；现状；发展引言单参数精密测量是精密测量中最简单的问题，近年来在复杂探测等问题中有了重要应用。
多参数精密测量复杂得多，参数之间存在精度制衡。
如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数最优测量，是多参数精密测量的重要问题之一。
为了消除参数之间的精度制衡，研究人员将单参数测量实验中控制增强的次序测量技术应用到多参数测量中，通过调控测量系统动力学演化，完全解决了正演化算法中参数之间的精度制衡问题，实现了最优测量。
1测量系统将四组视觉传感器单元（包括ＣＣＤ相机和激光器）分别竖直放置于精密零件两侧，垂直于精密零件中轴线，安装在精密零件两侧的立柱上；其中两组视觉传感器单元放置于精密零件一侧立柱上，另外两组视觉传感器单元放置于精密零件另一侧立柱上。
首先利用激光跟踪仪建立基坐标系统，然后对每个视觉传感器单元进行相机参数标定、光平面参数方程标定以及全局标定，最终得到相机的内参矩阵、相机到基坐标系下的全局标定矩阵以及激光平面在基坐标系下的平面方程，完成系统使用以及测量前的预处理。
精密光学测量实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解精密光学测量的基本原理和方法。
2. 掌握精密光学仪器（如激光干涉仪、迈克耳孙干涉仪等）的使用方法和调节技巧。
3. 通过实验，掌握光学元件（如透镜、反射镜等）的焦距、曲率半径等参数的测量方法。
4. 培养实验操作能力和数据处理能力。
二、实验原理精密光学测量是利用光学原理和方法对光学元件和系统进行测量的一种技术。
本实验主要涉及以下原理：1. 光的干涉原理：干涉现象是光波相遇时，相互叠加而形成的一种现象。
干涉条纹的形成是干涉原理在精密测量中的应用，通过观察干涉条纹的变化，可以精确测量光学元件的参数。
2. 光的衍射原理：衍射现象是光波遇到障碍物或通过狭缝时，偏离直线传播而形成的一种现象。
本实验中，利用光的衍射原理，可以测量透镜的焦距。
3. 光的折射原理：光在两种介质之间传播时，由于介质的折射率不同，光的传播方向会发生改变。
本实验中，利用光的折射原理，可以测量透镜的曲率半径。
三、实验仪器1. 激光干涉仪：用于测量光学元件的焦距、曲率半径等参数。
2. 迈克耳孙干涉仪：用于测量光的波长。
3. 平行光管：用于产生平行光束，用于透镜焦距的测量。
4. 牛顿环装置：用于测量透镜的曲率半径。
5. 读数显微镜：用于观察干涉条纹，测量参数。
四、实验步骤1. 激光干涉仪测量透镜焦距：（1）调节激光干涉仪，使激光束聚焦于透镜上。
（2）观察干涉条纹，记录干涉条纹的位置。
（3）移动透镜，使干涉条纹发生移动，记录移动距离。
（4）根据干涉条纹移动距离，计算透镜焦距。
2. 迈克耳孙干涉仪测量光的波长：（1）调节迈克耳孙干涉仪，使干涉条纹清晰可见。
（2）观察干涉条纹，记录条纹间距。
（3）改变光源，使干涉条纹发生移动，记录移动距离。
（4）根据干涉条纹移动距离，计算光的波长。
3. 平行光管测量透镜焦距：（1）调节平行光管，使光束聚焦于透镜上。
（2）观察干涉条纹，记录干涉条纹的位置。
（3）移动透镜，使干涉条纹发生移动，记录移动距离。
光学测量原理和技术
光学测量原理和技术光学测量是利用光的特性进行测量的一种方法，广泛应用于工程领域、科学研究和医学等领域。
它通过利用光的传播速度、衍射、干涉、折射等原理，获得被测物体的各种参数，如尺寸、形状、速度、光学性质等。
本文将对光学测量的原理和常用的技术进行详细介绍。
光学测量的原理主要包括光的传播速度、干涉、衍射和折射等。
首先是光的传播速度原理。
光的传播速度是一个常数，通常在空气中为光速的近似值。
利用这一特性，可以通过测量光的传播时间来求得被测物体的距离。
这种方法常用于测量地理位置、道路长度等。
其次是干涉原理。
干涉是指两束或多束光相遇而产生干涉条纹的现象，常用于测量光的波长、被测物体的薄膜厚度等。
例如，杨氏干涉仪利用光的干涉原理测量光的波长。
Michelson干涉仪可以测量被测物体的位移。
再次是衍射原理。
衍射是指光通过物体边缘或孔隙时发生弯曲和散射的现象。
利用衍射原理，可以测量光的孔径、散斑、物体的形状等。
例如，通过测量衍射现象的图案特征可以推断物体的形状和大小。
最后是折射原理。
折射是指光从一种介质进入另一种介质时发生的方向变化。
利用折射原理，可以测量介质的折射率、曲率半径等。
例如，通过测量光经过透镜、棱镜等光学元件后的光线偏折角度可以计算出介质的折射率。
光学测量的技术主要包括激光测距、光栅测量、干涉测量、像散测量和光学断层扫描等。
激光测距技术是一种利用激光测量距离的方法。
利用激光器发射一束高度聚焦的激光束，测量激光束从发射到接收的时间差来计算出距离。
激光测距技术具有高精度、快速的特点，广泛应用于建筑测量、工业制造等领域。
光栅测量技术是利用光栅来测量物体位置和尺寸的方法。
光栅是一种具有规则周期结构的透明介质，在光线的照射下会产生明暗间断交替的光斑。
通过测量光栅上的光斑变化的位置和间距，可以计算出被测物体的位置和尺寸。
干涉测量技术是利用干涉现象进行测量的方法。
常见的干涉测量技术包括干涉仪、干涉计、Michelson干涉仪等。
无损检测技术中的光学检测方法详解
无损检测技术中的光学检测方法详解光学检测在无损检测技术中占据着重要的地位，它不仅能够快速准确地检测材料表面的缺陷，而且具有非破坏性的特点。
本文将详细介绍光学检测在无损检测中的应用及其原理。
光学检测方法主要包括视觉检测、红外热像检测和激光检测等。
其中，视觉检测是最常用的一种方法，通过人眼观察材料表面的变化来判断是否存在缺陷。
这种方法简单直观，适用于对表面缺陷进行初步检测，但对于微小缺陷的检测效果有限。
红外热像检测则利用物体发出的热能辐射来探测其表面的温度变化。
通过红外热像仪，可以将物体的表面温度转化为可见的图像，从而判断是否存在缺陷。
由于热像检测可以实时观测到物体的温度分布，因此可以非常准确地检测到潜在的缺陷。
激光检测是一种利用激光光源和光学传感器对材料进行扫描的方法。
通过测量激光的反射或散射，可以判断材料表面是否有缺陷。
激光检测具有高分辨率、高灵敏度和快速检测的特点，可以对微小缺陷进行准确的定位和识别。
除了以上几种方法，还有一些高级的光学检测技术，如照相测距法、摄影测距法、干扰法等。
这些方法利用光学原理和成像技术，对材料进行更加细致和精确的检测。
例如，照相测距法通过测量物体在两张照片上的位置差异来计算出物体的大小和形状。
摄影测距法则通过测量摄影图像中物体的像素大小来推测物体的实际大小。
干扰法则利用干涉现象来观察材料表面的微小变化，从而判断是否存在缺陷。
光学检测技术在无损检测中的应用非常广泛。
在制造业中，光学检测可以用来检测产品的外观缺陷、尺寸偏差和形状变化等。
在航空航天领域，光学检测可以用来检测飞机表面的裂纹和疲劳损伤。
在医学领域，光学检测可以用来检测人体表面的皮肤病变和眼睛疾病等。
在光学检测技术的发展过程中，还出现了一些新的技术和方法，如数字图像处理、光学成像和机器视觉等。
这些技术的应用使得光学检测更加智能化和自动化，大大提高了检测的准确性和效率。
总之，光学检测技术在无损检测中具备独特的优势，它能够快速准确地检测材料表面的缺陷，为生产和生活中的各个领域提供了重要的支持。
光学测量技术详解
光学测量技术详解(图文)光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。
它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。
光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量；还可以在线进行，即工件无须离开产线；此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。
人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。
当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。
在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。
这个距离通常为10英寸（250毫米）。
在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。
举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。
如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。
本部分设定了隐藏，您已回复过了，以下是隐藏的内容人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。
本图显示了人眼成像的原理图。
人眼之外的测量系统光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。
大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。
光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。
在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。
无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。
当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。
光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。
最基本的光学测量系统就是单镜头放大镜。
这种装置一般包含一个较大的镜头，安装在连接到工作台的控制臂上。
操作者调整好镜头的位置，然后双手拿住工件，同时通过镜头观察。
先进光学元件微纳制造与精密检测技术
文章标题：先进光学元件微纳制造与精密检测技术探析一、引言在现代科技领域，先进光学元件微纳制造与精密检测技术一直是一个备受关注的研究方向。
光学元件的微纳制造和精密检测技术不仅在通信、医疗、材料等领域有着广泛的应用，而且在推动科学技术的发展和创新方面也起到了至关重要的作用。
本文将从深度和广度的角度，对先进光学元件微纳制造与精密检测技术进行全面评估，以便读者可以更深入地理解这一领域的相关知识。
二、先进光学元件微纳制造技术1. 激光直写技术先进光学元件微纳制造技术的一个重要方向是激光直写技术。
激光直写技术通过光刻和衍射光束的照射，可以实现微纳米级别的精准加工，包括微型光子晶体、微透镜阵列等光学元件的制造。
这种技术具有加工速度快、成本低、加工精度高等优点，已经成为光学元件微纳制造领域的主流技术之一。
2. 离子束刻蚀技术另外一个重要的微纳制造技术是离子束刻蚀技术。
离子束刻蚀技术可以通过对材料表面进行离子轰击和刻蚀，实现微米级别的加工和雕刻。
这种技术可以制备出具有微纳米结构的光学元件，包括微型光栅、光纤光栅等。
离子束刻蚀技术具有加工分辨率高、加工速度快等优点，逐渐成为了微纳制造中的重要技术手段。
3. 三维打印技术随着三维打印技术的不断发展，它也逐渐应用于先进光学元件微纳制造。
通过使用光固化树脂等材料，可以利用三维打印技术在微纳米尺度下制造出各种复杂的光学元件结构，如微型透镜、微型光子晶体等。
三维打印技术具有制造自由度高、制造速度快等优点，为光学元件微纳制造带来了新的可能性。
三、先进光学元件精密检测技术1. 光学干涉检测技术在先进光学元件的精密检测中，光学干涉检测技术发挥着极其重要的作用。
光学干涉检测技术可以通过测量干涉光场的相位变化，实现对光学元件表面形貌、光学性能等参数的高精度测量。
这种技术具有测量精度高、非接触式测量等优点，已经成为光学元件精密检测领域的研究热点。
2. 纳米光学表征技术另外一个重要的精密检测技术是纳米光学表征技术。
精密检测技术
SJU PIE Lab.
林守仪
0-1-13
精密检测技术课程概述 续 精密检测技术课程概述(续)
表一：精密检测异步远距教学进度表 周次 课程单元名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 精密检测技术概述 量测基本导论 三次元检测设备 三次元检测设备 基本几何量测 表面形貌量测 雷射检测技术(光学原理、各种干涉仪、全像术) 雷射检测技术(光学原理、各种干涉仪、全像术) 期中课程评值 视觉检测技术(A.O.I) 雷射位移计 奈米级振动分析 扫描探针显微镜 次表面特性量测 精密梁测之环境要求 精密检测设备设计 精密检测设备设计 期末课程评值 (以上课程进度视实际情况作弹性调整) 个人作业 期中检查点 个人作业 个人作业 个人作业 个人作业 个人作业 个人作业 专题演讲 期末成果发表 期末考 个人作业 个人作业 个人作业 主要教学活动及作业 教学计划介绍 分组、个人作业 备注 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 期中考 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 面授及网络教学 期末考
精密检测技术
林守仪
圣约翰科技大学 机械与计算机辅助工程系、自动化与机电研究 所
SJU PIE Lab. 林守儀 0-1-1
精密检测技术课程概述
课程目标：培育具有应用 设计 制作 机光电整合 应用、设计 制作、机光电整合 应用 设计、制作 与控制之精密检测人才 授课教师：林守仪 必备基础：精密量测 程序设计 精密量测、程序设计 精密量测 程序设计、光机电设计、自动 控制 教科书、参考书： (1).Mitutoyo，「精密量测便览」，松禄文化事业。 (2).胡锦标，「精密光电技术」，高立图书。 (3).钟国亮，「图像处理与计算机视觉」，东华书局 (4).「基础光电实验」，宏惠光电公司。 (5).林三宝，「雷射原理与应用」，全华图书公司。
运动控制系统 第八讲 运动对象
• 2、激光雷达的现状及应用
• 激光技术从它的问世到现在，虽然时间不 长，但是由于它有：高亮度性、高方向性 、高单色性和高相干性等几个极有价值的 特点，因而在国防军事、工农业生产、医 学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用 。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已 经投入商业运行的激光雷达系统（主要指 机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys （法国）和Leica（美国）等公司的产品。
• 除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到 的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就 是精确测量目标的位置（距离与角度）、 形状（大小）及状态（速度、姿态），从 而达到探测、识别、跟踪目标的目的。
图8-1图中符号说明：Servo motor伺服电机，Objects目标，Optical
rotary encoder光学旋转编码器，Laser Source 激光源，Receiver接收器 ，Tilting mirror转镜
• 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，并让它
们的刻线之间有较小的夹角，这时光栅上会出现
若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹沿着与光栅刻线几乎垂直的方向排列， 如图8-5所示。光线透过两块光栅非重合部分而形 成亮带，亮带由一系列四棱形图案组成，如图85(a)中的d—d线区所示；f— f线区则是由两块光 栅的遮光效应形成的。由此可见，标尺光栅和指 示光栅的组合产生了莫尔条纹。图8-5(b)是d—d 线区的放大图，其中菱形的两条对边平行线的距 离是W/2，即栅距的一半；菱形长对角线的长度 是B，即莫尔条纹的间距。
1．光栅的结构
• 在透明的玻璃板上均匀地刻出许多明暗相 间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻出许 多间隔相等的条纹，就形成了光栅。通常， 这些条纹的间隙和宽度是相等的。以透光 的玻璃为载体的光栅，称为透射光栅；以 不透光的金属为载体的光栅，称为反射光 栅。根据光栅外形的不同，还可分为直线 光栅和圆光栅。
精密光学技术
精密光学技术精密光学技术是指在精密加工技术的基础上，应用光学原理和技术，设计、制造用于精确测量、检验和生产的精密光学元件、仪器和系统的技术。
精密光学技术具有高精度、快速、简洁、非接触等特点，在汽车、制造业、医疗等领域得到广泛应用。
1. 光路原理光线是沿着一定方向传播的电磁波。
在光通过空气或透明介质时，都会发生折射现象。
通过空气和玻璃的光线路径有很大区别，当光从低折射率的介质进入高折射率的介质时，发生折射弯曲，如果角度足够大，就发生全反射，折射率表示了介质对光的阻碍程度，不同材质的介质折射率不同。
2. 光学检测技术（1）显微镜检测技术显微镜检测技术通常用于检测小孔、小凹槽和小尺寸的工件表面。
其主要优点是分辨率高，精度高。
（2）投影仪检测技术投影仪检测技术通常用于检测规则的图形和径向对称的工件。
其主要优点是良好的分辨率和快速的检测速度。
（3）数字图像处理技术数字图像处理技术可以通过特定的软件来对数字图像进行分析和处理，以得到与工件特征、尺寸和质量相关的参数。
1. 商业自动化商业自动化广泛应用于生产流水线中的自动检测，其中精密光学元件的应用越来越广泛，如透镜、反射镜和光电池。
在纺织、车身和汽车生产中，光学检测系统可检测材料的尺寸、肌理和形状。
制造业自动化是与生产自动化技术相关的一种细分领域。
利用计算机技术、机器视觉和人工智能等技术，可实现工厂装配、机器人控制、输送系统的管理和自动化生产线的控制。
3. 医疗器械精密光学技术应用于医疗器械的生产中，例如运用激光切割器、聚焦光斑和整合成像技术的医疗成像设备。
具有高分辨率、高画质和高安全性等优点。
4. 环境保护环境保护领域常用的精密光学技术包括光谱测量仪、气体分析仪和红外成像技术。
这些技术常用于检测大气污染、水质污染和垃圾中的有害物质。
通过检测，可以及时采取针对性的措施来避免环境污染。
三、精密光学技术的未来发展方向光刻技术主要用于制造微电子器件，但由于其高精度、高效率的特点，可望成为其他领域的生产工具，如电子流片和生物微芯片等。
机械工程中的精密测量技术
机械工程中的精密测量技术机械工程领域中，精密测量技术在产品设计、制造和质量控制等方面起着至关重要的作用。
精密测量技术通过准确测量和分析来确保产品的精度和质量，从而提高产品性能，满足市场需求。
本文将介绍几种常见的精密测量技术，并探讨其应用。
一、光学测量技术光学测量技术是机械工程中广泛使用的一种精密测量技术。
它利用光的干涉、散射和反射原理来测量物体的尺寸、形状和表面质量。
光学测量技术具有非接触、高精度、快速测量等特点，适用于各种材料和形状的工件。
例如，在制造汽车发动机零件时，光学测量技术可以精确测量零件的几何尺寸和表面质量，确保零件的精密配合和高效工作。
二、激光干涉测量技术激光干涉测量技术是一种基于激光光束干涉原理的精密测量技术。
它利用两束相干激光光束的干涉，通过测量干涉光的波长差或相位差来确定被测量物体的形状和尺寸。
激光干涉测量技术具有高精度、高稳定性、高灵敏度等特点，广泛应用于微机电系统、半导体制造和精密加工等领域。
例如，在半导体芯片制造中，激光干涉测量技术可以实时测量芯片表面的平整度和厚度，保证芯片质量和性能。
三、光纤传感技术光纤传感技术是一种基于光纤材料构建传感器进行测量的方法。
它利用光信号在光纤中传播的特性，通过测量光纤中的光强、频率、相位等参数来实现对被测量物理量的测量。
光纤传感技术具有高灵敏度、抗干扰性好、体积小等特点，适用于在狭小空间或恶劣环境中进行精密测量。
例如，在石油钻井中，光纤传感技术可以实时测量井下的温度、压力和振动等参数，保证钻井作业的安全和效率。
四、电子显微镜技术电子显微镜技术是一种利用电子束来观察和测量微观物体的技术。
它使用电子束取代了传统光学显微镜的光束，可获得更高分辨率和更丰富的细节。
电子显微镜可以用于观察和测量微小零件、薄膜、纳米颗粒等微观结构。
其高分辨率和精密测量能力使其在材料科学、生物医学和纳米技术等领域得到广泛应用。
例如，在生命科学研究中，电子显微镜技术可以测量和观察生物细胞的微观结构，帮助科学家了解细胞的功能和机制。
精密检测技术
林守仪
圣约翰科技大学 机械与计算机辅助工程系、自动化与机电研究 所
SJU PIE Lab. 林守儀 0-1-1
精密检测技术课程概述
课程目标：培育具有应用 设计 制作 机光电整合 应用、设计 制作、机光电整合 应用 设计、制作 与控制之精密检测人才 授课教师：林守仪 必备基础：精密量测 程序设计 精密量测、程序设计 精密量测 程序设计、光机电设计、自动 控制 教科书、参考书： (1).Mitutoyo，「精密量测便览」，松禄文化事业。 (2).胡锦标，「精密光电技术」，高立图书。 (3).钟国亮，「图像处理与计算机视觉」，东华书局 (4).「基础光电实验」，宏惠光电公司。 (5).林三宝，「雷射原理与应用」，全华图书公司。
SJU PIE Lab. 林守仪 0-1-3
精密检测技术课程概述(续)
授课主要内容： (1).接触式检测设备 (2).非接触式检测设备 (3).图像处理与视觉检测 (4).精密检测系统设计
SJU PIE Lab.
林守仪
0-1-4
精密检测技术课程概述(续)
授课方式： (1).教师面授 (2).网络教学、实验、Paper Review (3).专家学者讲演 (4).校外教学
林守仪
0-1-11
精密检测技术课程概述(续)
成绩评定项目及百分比： 1.个人作业：40％ 每单元授课完成后，请选择与该单元相关之精密检测系统，进行系 统评估、文献查证，完成个人作业报告。 2.专题设计：30% 请自行选定精密检测设备相关题目，完成精密检测设备设计书，内 容包括理论分析、光机电与控制设计、总工程图与各零组件设计图、 参考文献及专题报告。 3.测验： 期中考(30%)：第九周(PIE实验室集中考试) 专题设计期末报告(30%)：第十八周(PIE实验室集中考试)
光学检测技术如何提高工艺制造精度
光学检测技术如何提高工艺制造精度在当今的工业制造领域，精度和质量是决定产品竞争力的关键因素。
为了满足市场对高精度、高质量产品的需求，制造企业不断寻求创新的技术和方法。
光学检测技术作为一种非接触式、高精度的检测手段，正逐渐成为提高工艺制造精度的重要利器。
光学检测技术是利用光学原理对物体进行测量、检测和分析的技术手段。
它涵盖了多种具体的技术方法，如机器视觉、激光测量、干涉测量等。
这些技术在不同的应用场景中发挥着独特的作用，共同为提高工艺制造精度贡献力量。
机器视觉是光学检测技术中的重要组成部分。
它通过摄像头获取物体的图像，然后利用图像处理算法对图像进行分析和处理，以提取出有用的信息，如物体的尺寸、形状、位置等。
在工业生产线上，机器视觉可以对零部件进行快速、准确的检测，及时发现缺陷和误差。
例如，在汽车制造中，机器视觉可以检测车身的焊接质量、零部件的装配精度等，确保每一辆汽车都符合严格的质量标准。
激光测量技术具有高精度、高分辨率的特点。
它利用激光的特性，如方向性好、单色性强等，对物体进行距离、位移、速度等参数的测量。
在航空航天领域，激光测量技术可以用于测量飞机零部件的尺寸和形状精度，保证飞机的安全性和可靠性。
在模具制造中，激光测量可以精确地测量模具的型腔尺寸，为模具的加工和修整提供准确的数据支持。
干涉测量技术则是基于光的干涉原理来实现高精度测量的。
通过将两束或多束相干光进行干涉，形成干涉条纹，然后根据干涉条纹的变化来测量物体的微小位移、表面形貌等。
这种技术在光学元件制造、半导体加工等领域有着广泛的应用。
比如，在制造高精度光学镜片时，干涉测量技术可以检测镜片表面的平整度和曲率半径，确保镜片的光学性能达到设计要求。
光学检测技术之所以能够显著提高工艺制造精度，主要得益于其以下几个方面的优势。
首先，光学检测技术是非接触式的测量方法，不会对被测物体造成损伤或干扰。
这对于一些易损、高精度的零部件来说尤为重要。
传统的接触式测量方法可能会由于测量力的作用导致零部件变形，从而影响测量结果的准确性。
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cos 2 J sin cos sin cos sin 2
1 2 1 2
=45 时
1 2 J 1 2
=135 时
1 2 J 1 2
1 2 1 2
I (t ) I1 I 2 =I1a I 2 a cos （2ft ) cos[2(f +fV )t ] 1 1 I1a I 2 a cos[2 (2f fV )t 2 ] I1a I 2 a cos(2 fV t ) 2 2 1 I (t ) I1a I 2 a cos(2 fV t ) 2
1 2 E3 1 2 1 2 E4 1 2
i 5i 1 i 4 4 4 Es 2 e Ep 1 e Ep e i 3i i 1 4 2 4 4 e E p e Es e Es 2
↓气流对干涉图的影响
影响测量结果的外界因素
气流
影响测量结果的外界因素
振动
振动可能由很多原因产生：支撑不够刚性的地板、 声波、其它设备(风扇、空调或远处的车床、马路上的 汽车等)、人的活动等等。振动是最难控制的环境问题。 理论上，最好是将仪器放在一块混凝土浇注的地 基上使用，这样会大大衰减大幅的振动。小幅的振动， 例如由人员活动造成的震动，可以通过防震系统隔离。 环境震动对干涉仪的影响，在于它在两相干波面 之间引入了随机的位相变化，主要表现为干涉条纹出 现抖动现象，从而造成条纹模糊。
重复测量精度RMS: 2λ/10000
全视场外差干涉仪
点衍射干涉仪
重复测量精度
RMS: 4λ/10000
全视场外差点衍射干涉干涉仪
全视场外差干涉仪
动态干涉仪
双频测距仪干涉仪
单频测距干涉仪
直流测量系统，具有直流光平和电平零漂的弊端。
双频测距仪干涉仪
基本光路
M 3 M 1
s
M 4
p
f测=(f1±△f)-f2 f参=f1-f2 f1f2
1 ( N 2 ) 4
I 2 (t ) I 2 a cos(2 ( f1 f 2 )t I 2 a cos[2 ( f1 f 2 )t 2
2
1
2( L1 L1 ) 2
2
2
2 L2 0 )
1
2( L1 L1 )
1 2 E1 1 2 1 2 E2 1 2
i i 1 i 4 4 4 2 e E p 1 e E p e Es i i i 1 4 2 4 4 e E p e Es e Es 2
1 2 E p 1 E p Es 1 Es 2 E p Es 2
1 i 2 E p 1 E p Es e i e E E 1 Es 2 p s 2
sin 2 2 1 i tan cos 2 2 i tan
1/ 4波片， =45 时
2 E1 2 2 i 2
2 i Ep 2 Ep i 2 0 Epe 2 2
i 2 E p Es 2 E E1 E2 i 2 2 E Es p
移相干涉仪
偏振调制——4D动态干涉仪
波片琼斯矩阵
1 i tan cos 2 2 J cos 2 i tan sin 2 2
技术指标 稳定拍频频率 频率稳定度
谐波 相位噪声 设计拍频
国外厂家 100Hz 10ppm
-40dB -实测拍频频率
国内厂家 1kHz 30ppm
-15dB -实测相噪
自研 3Hz 0.1ppm
-70dB -110dBc 实测三次谐波
3Hz
10Hz
2.987±0.004Hz
9.963±0.003Hz
4. 声光移频双频激光器
全视场外差干涉仪
高性能低差频移频技术
移频器的基频：20M-200M 稳定差频最小：10KHz
CCD帧频：<10KHz
频差高
帧频低
全视场外差干涉仪
高性能低差频移频技术 光电院研制出高性能低差频声光移频器，各项技术指标远优
于现有技术水平，能够满足各类全视场外差探测需求。
2 2 i 2 2 1/ 4波片， =90 时J 0 2 2 i 2 2 E 0 0 E p 2 2 Es i 2 2
移相干涉仪
偏振调制——4D动态干涉仪
-110dBc
-117dBc
-70dB
-73dB
全视场外差干涉仪
传统干涉仪
Twyman-Green干涉仪
Fizeau干涉仪
机械高精度移相技术难度大； 离焦误差 环境适应性差，应用领域受到限制；
点衍射干涉仪
全视场外差干涉仪
马赫曾德干涉仪
实测干涉数据立方体
全视场外差马赫曾德干涉仪
影响测量结果的外界因素
振动 从下图可以看出，将干涉图调到三根条纹(下图左)，当没有 环境震动时，测得的波面是连续光滑的(下图中)；当引入环境震 动时，测得的波面中出现与干涉条纹方向一致的波动，且波动的 频率正好是干涉条纹频率的2倍(下图右)。如果将干涉图尽量调整 到零条纹时，则波面将不出现波动。所以，为了抑制环境震动的 影响，在移相干涉测量时，应尽量将干涉图调整到零条纹再进行 测量。
A C A C A C
B D B D B D
A A B B B C C
C A
C
D B
D
( x, y ) arctan
C
C C D
I4 I2 I1 I 3
A
B
C
D
C
D D D
C
D
D D
D
D
移相干涉仪 动态干涉测量——空间移相干涉仪
优点： 瞬时测量能够有效抑制震动对测量结果 的影响； 能够对大口径、长焦距的系统进行测量。 缺点： 没有抑制大气湍流对测量结果的影响； 空间相移用四个相邻点的偏振移相表示
2 i 0 2 1 2 E i p i 2 2 2 e 2
Ep
2 2 i 2 2 2 2 i 2 2
2 2 i 2 0 2 2 Es 2 i 2 2
0 2 2 i 2 2 2 2 i 4 i e E 2 2 E p 0 i 2 2 e 4 E i s 2 2
sin 2 2 1 i tan cos 2 2 i tan
f1±△f
M 2
f测=(f1±△f)-f2
双频测距仪干涉仪
原理框图
光学精密检测技术与检测仪器系列八
光学精密检测技术与 检测仪器
移相干涉仪
偏振调制——4D动态干涉仪
M1 1/4波片
M2
1/2波片
PBS棱镜
激光
1/4波片 检偏器
1/4波片
成像镜 滤波孔 像面
移相干涉仪
偏振调制——4D动态干涉仪
1 i tan cos 2 2 J cos 波片琼斯矩阵 2 i tan sin 2 2 2 2 i 2 J 2 1/ 4波片， =45 时 2 2 i 2 2
2 2 i 2 2 2 2 i 2 2
sin 2 2 1 i tan cos 2 2 i tan
2 E1 2 2 i 2 2 E2 2 2 i 2
2 2 i 2 Ep 2 2 0 2 i 2 2
A B
C
D
一个点的加工精度，数据可信度低，特
别对大孔径光学镜面。
移相干涉仪
ESDI斐索干涉仪
影响测量结果的外界因素
气流 风扇及送风机可以用来减小操作环 境中的局部温差。然而，设置不当 的风扇会造成气流干扰以及震动干 扰。气流干扰会使局部区域内空气 密度不均匀，对测量光束引起局部 偏折，改变了测量波面，影响了测 量结果。必须避免气流造成的干涉 条纹不规则扰动。如果温度的空间 梯度大，也会产生明显的气流影响。 有条件最好在恒温室内再布置 一个小房间，以减少外界温度的变 化影响。
L2
f 2 L1
V
探测器
I1 (t ) I1a cos(2 ( f1 f 2 )t I1a cos[2 ( f1 f 2 )t 2 2 2 L1 2 2 2 L2 0 )
1
2
距离 L1
1
2 L1
2
2 L2 0 ]
影响测量结果的外界因素
振动
减振一般可以使用气垫光学 平台，另外还有多种方法:地 基隔离减震、橡胶剪切减震脚、 软垫与大理石联合减震、干涉 腔刚性固化减震等都可以使用， 如右图。根据不同的环境条件 可以使用其中一种或两种以上 组合。
双频干涉测量基础
距离干涉测量
f1、f 2
光源 L1’
参考面
f1
2 i i 2 i 2 2 Es Es e 0 2 1 2 2
移相干涉仪
偏振调制——4D动态干涉仪
波片琼斯矩阵
1 i tan cos 2 2 J cos 2 i tan sin 2 2