光电检测技术91共96页
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理是什么？
激光测量技术
1 激光干涉测长技术 2 共光路激光干涉测量技术 3 激光外差干涉测量 4 激光扫描测量、扫描定位和扫描跟踪
激光器
20 世纪激光、光纤、全息、光存储、光记录、光显示等的发明，给我 们带来光通信、因特网、光盘等技术，使我们在21世纪迈向光子时代。 如果没有20世纪光学的巨大进步，也就没有今天信息社会的到来。 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是继原子能、半导体、
从而消除“闭锁” 产生的根源； 6) 属有源谐振型激光陀螺，具有气体激光陀螺精度高的优点。
气体激光陀螺环型谐振腔
合光棱镜
五镜腔环形固体激光器
LD泵浦的激光陀螺的方案
D BS
O M3
LD
P1
C
ห้องสมุดไป่ตู้
M2
L1
M1
G
E1 E2
P2 L2
LD—激光二极管 C—制冷器 P1、P2—整形棱镜 L1—扩束镜 L2—聚焦透镜 M1、M2—球面镜反射镜 M3—平面反射镜 O—光学延时器 BS—分束片 G—增益介质( Nd:YVO4晶体) D—光电探测器 E1—LD驱动电路 E2—制冷器电路
激光干涉测量系统
单频激光干涉系统
激光干涉仪
斐索干涉仪检验表面缺陷
球面曲率半径测量
等倾
等厚
条纹
条纹
1、激光干涉测长技术
双频激光干涉测量系统
2、共光路激光干涉测量技术
什么是”共光路干涉仪?” 干涉仪中测量光束和参考光束经过同一光路! 1)斐索共路干涉仪 2)米勒干涉仪 3)散射板干涉仪 4)错位式干涉仪
t tCW tCC W c R c R c2
图1
Sagnac原理图
由于环路面积
AR2
，则
t
4A
c2
亦即有光程差：L 4A c
在光学干涉型陀螺中，与 L
相应的非互易相移（相位差）
为：2L8cA（1）
在光学谐振型陀螺中，与 L
相应的非互易相移（频率差）
为： LL4LA （2）
即顺时针行波和逆时针行波的频率差
(a) 参考表面：两传感器同向 --- 减小偏心误差 (b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面
--- 克服钢板本身上下起伏造成的误差
测量范围：16mm左右；相对测量精度：0.1% ~ 0.2% 适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感
不能测量镜面 --- 漫反射原理
B E [W/c( m 2s)r] S t
激光测距系统 --- 大范围远距离测距（几千/几十千米）
1）脉冲测距法 激光短脉冲信号（激光器 被测目标）
距离 dct/2
测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）
远距离 --- 固体/二氧化碳；近距离 --- 半导体 巨脉冲激光器 --- 地球—月球距离（分辨力：1m）
激光测距
地—月距离测量
激光陀螺——角速度传感器 1、光学陀螺的工作原理（Sagnac效应）
在圆形环路（周长 L2R）中
光程差 LLCWLCCW （或时间差 t tCWtCCW）
LCW 2RR tCW LCC W2RR tCCW
因
LCWctCW LCCWctCCW
有时间差 t
2R 2R 4R 2
计算机后的又一重大发明 计算机延伸了人的大脑
而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
激光开始了光学一场新的革命
它使近代光学和电子学联姻，诞生了光电子学，使传统光学、近代光学 进入现代光学和光子学的新世纪；激光已经改变和正在改变我们的生活。
激光的基本物理性质
激光的方向性 激光的高亮度 激光的单色性 激光的相干性
——简单视觉的机器人系统
芯片定位 (2) 零件尺寸的在线测量
钢板厚度的在线测量 (3) 零件外观及内部缺陷检测
例：木料检测：缺陷、体积 (4) 产品分类、分组
苹果分级、分色、配色 (5) 产品标识、编码识别
2）相位差测距法 激光束调制 --- 相位差 --- 时间 --- 距离 特点：测量精度高、分辨力强
c c
D
20 4f0
3）激光三角法
原理：
y = f (x)
x y
激光测距产品 Keyence 激光测距传感器
§7-2 三角法测试技术
2.1 三角法测试技术基础
在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需 要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值， 或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。 实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示
主要内容
一、视觉检测技术 二、光纤测量技术 三、激光测量技术 ** 四、衍射测量技术 **
视觉检测技术
1、什么是视觉检测技术? 2、视觉检测系统的组成? 3、视觉检测系统的应用? 4、视觉检测系统涉及的技术? 5、视觉检测技术的现状和发展前景?
光纤测量技术
1、什么是光纤? 2、光纤传输光的原理和主要特性？ 3、光纤有哪些主要的应用？ 4、光纤在测量方面有哪些主要的技术？其基本的操作原
3、激光外差干涉测量技术
4、激光扫描测量、扫描定位与扫描跟踪
视觉检测技术
相对运动
视觉检测技术
一、应用 领域：工业、农业、 航天、军事等
1、工业检测 (1) 零件的识别与定位 • 自动连接引线、对准 芯片和封装； • 自动安装部件，自动 焊接或自动切割加工、 自动浇注系统等。
例：双目立体视觉检测系统
光学陀螺的优势
1) 性能稳定，抗干扰能力强，不受载体运动加速度的影响； 2) 测量动态范围（比机械陀螺仪）宽； 3) 标定因数线性度和稳定性高； 4) 输出信号数字化，与计算机结合方便； 5) 无高速转动部件，可直接附着于运动载体上。
气体激光陀螺
LD泵浦的固体激光陀螺的优点
1) 增益大，易小型化； 2) LD工艺成熟，性能稳定，电光转化效率高； 3) 全固态陀螺，宜长期贮存，温度效应弱； 4) 对反射镜的镀膜工艺要求低，生产成本低； 5) 激光谐振腔内可以加入锁模光学元件，工作于短脉冲模式，
有下列关系:
zbtan
tanf'/x' zbf'/x'
z
β
激光器
f′
b
x′
图7-16 三角法原理示意图
特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高
精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直 径大小以及被测物体的表面特征
应用：
厚度测量
激光测量技术
1 激光干涉测长技术 2 共光路激光干涉测量技术 3 激光外差干涉测量 4 激光扫描测量、扫描定位和扫描跟踪
激光器
20 世纪激光、光纤、全息、光存储、光记录、光显示等的发明，给我 们带来光通信、因特网、光盘等技术，使我们在21世纪迈向光子时代。 如果没有20世纪光学的巨大进步，也就没有今天信息社会的到来。 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是继原子能、半导体、
从而消除“闭锁” 产生的根源； 6) 属有源谐振型激光陀螺，具有气体激光陀螺精度高的优点。
气体激光陀螺环型谐振腔
合光棱镜
五镜腔环形固体激光器
LD泵浦的激光陀螺的方案
D BS
O M3
LD
P1
C
ห้องสมุดไป่ตู้
M2
L1
M1
G
E1 E2
P2 L2
LD—激光二极管 C—制冷器 P1、P2—整形棱镜 L1—扩束镜 L2—聚焦透镜 M1、M2—球面镜反射镜 M3—平面反射镜 O—光学延时器 BS—分束片 G—增益介质( Nd:YVO4晶体) D—光电探测器 E1—LD驱动电路 E2—制冷器电路
激光干涉测量系统
单频激光干涉系统
激光干涉仪
斐索干涉仪检验表面缺陷
球面曲率半径测量
等倾
等厚
条纹
条纹
1、激光干涉测长技术
双频激光干涉测量系统
2、共光路激光干涉测量技术
什么是”共光路干涉仪?” 干涉仪中测量光束和参考光束经过同一光路! 1)斐索共路干涉仪 2)米勒干涉仪 3)散射板干涉仪 4)错位式干涉仪
t tCW tCC W c R c R c2
图1
Sagnac原理图
由于环路面积
AR2
，则
t
4A
c2
亦即有光程差：L 4A c
在光学干涉型陀螺中，与 L
相应的非互易相移（相位差）
为：2L8cA（1）
在光学谐振型陀螺中，与 L
相应的非互易相移（频率差）
为： LL4LA （2）
即顺时针行波和逆时针行波的频率差
(a) 参考表面：两传感器同向 --- 减小偏心误差 (b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面
--- 克服钢板本身上下起伏造成的误差
测量范围：16mm左右；相对测量精度：0.1% ~ 0.2% 适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感
不能测量镜面 --- 漫反射原理
B E [W/c( m 2s)r] S t
激光测距系统 --- 大范围远距离测距（几千/几十千米）
1）脉冲测距法 激光短脉冲信号（激光器 被测目标）
距离 dct/2
测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）
远距离 --- 固体/二氧化碳；近距离 --- 半导体 巨脉冲激光器 --- 地球—月球距离（分辨力：1m）
激光测距
地—月距离测量
激光陀螺——角速度传感器 1、光学陀螺的工作原理（Sagnac效应）
在圆形环路（周长 L2R）中
光程差 LLCWLCCW （或时间差 t tCWtCCW）
LCW 2RR tCW LCC W2RR tCCW
因
LCWctCW LCCWctCCW
有时间差 t
2R 2R 4R 2
计算机后的又一重大发明 计算机延伸了人的大脑
而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
激光开始了光学一场新的革命
它使近代光学和电子学联姻，诞生了光电子学，使传统光学、近代光学 进入现代光学和光子学的新世纪；激光已经改变和正在改变我们的生活。
激光的基本物理性质
激光的方向性 激光的高亮度 激光的单色性 激光的相干性
——简单视觉的机器人系统
芯片定位 (2) 零件尺寸的在线测量
钢板厚度的在线测量 (3) 零件外观及内部缺陷检测
例：木料检测：缺陷、体积 (4) 产品分类、分组
苹果分级、分色、配色 (5) 产品标识、编码识别
2）相位差测距法 激光束调制 --- 相位差 --- 时间 --- 距离 特点：测量精度高、分辨力强
c c
D
20 4f0
3）激光三角法
原理：
y = f (x)
x y
激光测距产品 Keyence 激光测距传感器
§7-2 三角法测试技术
2.1 三角法测试技术基础
在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需 要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值， 或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。 实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示
主要内容
一、视觉检测技术 二、光纤测量技术 三、激光测量技术 ** 四、衍射测量技术 **
视觉检测技术
1、什么是视觉检测技术? 2、视觉检测系统的组成? 3、视觉检测系统的应用? 4、视觉检测系统涉及的技术? 5、视觉检测技术的现状和发展前景?
光纤测量技术
1、什么是光纤? 2、光纤传输光的原理和主要特性？ 3、光纤有哪些主要的应用？ 4、光纤在测量方面有哪些主要的技术？其基本的操作原
3、激光外差干涉测量技术
4、激光扫描测量、扫描定位与扫描跟踪
视觉检测技术
相对运动
视觉检测技术
一、应用 领域：工业、农业、 航天、军事等
1、工业检测 (1) 零件的识别与定位 • 自动连接引线、对准 芯片和封装； • 自动安装部件，自动 焊接或自动切割加工、 自动浇注系统等。
例：双目立体视觉检测系统
光学陀螺的优势
1) 性能稳定，抗干扰能力强，不受载体运动加速度的影响； 2) 测量动态范围（比机械陀螺仪）宽； 3) 标定因数线性度和稳定性高； 4) 输出信号数字化，与计算机结合方便； 5) 无高速转动部件，可直接附着于运动载体上。
气体激光陀螺
LD泵浦的固体激光陀螺的优点
1) 增益大，易小型化； 2) LD工艺成熟，性能稳定，电光转化效率高； 3) 全固态陀螺，宜长期贮存，温度效应弱； 4) 对反射镜的镀膜工艺要求低，生产成本低； 5) 激光谐振腔内可以加入锁模光学元件，工作于短脉冲模式，
有下列关系:
zbtan
tanf'/x' zbf'/x'
z
β
激光器
f′
b
x′
图7-16 三角法原理示意图
特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高
精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直 径大小以及被测物体的表面特征
应用：
厚度测量