4. 光焦点法
20
像散法原理图
差动像散法测量系统原理图
21
5. 光盘读写
直径1 m 螺旋状凹坑
22
23
6. 激光准直技术
24
25
二、光纤测量技术
光纤测量技术以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输 外界被测信号
(1) 光纤的基本结构 纤芯、包层、涂敷层、护套 主体 ---- 纤芯与包层
特殊场合：没有涂敷层和护套 --- 裸纤
1） 激光扫描测量
激光扫描测量---将激光聚焦成光点或变换成线光、面光等进 行扫描 --- 适合于测量软、脆材料制成的物体，运动物体和高温物体
轧钢时在压轧机上连续进给的钢板宽度、钢棒直径测量、拉 制的玻璃棒直径测量等
18
激光扫描直径测量
19
激光束的角扫描运动
t
扫描速度
被测件直径
D Vt 2 ft
9
2) 激光外差表面微观轮廓仪
分辨力：0.1nm
10
3) 激光外差测振仪
11
4) 激光三角测距技术
（1）组成：
激光器：发射激光束 发射端镜头：准直、汇聚 接收端镜头：成像 接收器：光电转换（CCD, PSD）
（2）工作原理：
“三角测距原理”
光束
光束
光斑
成像
信号
激光器
镜头
目标
镜头
接收器
目标移动
成像位置变化
3
激光干涉测长仪
组成 ---激光光源（稳频）、干涉仪光学系统、基座（安置被测件 及光学系统）、工作台及传动装置，电子信号处理系统
--- 光学、电子、机械、计算机相结合的高精度计量仪器
----干涉图样的亮暗变化决定于相干光束 的光程差
光程差等于光源半波长的偶数倍时，则形 成最大亮度；若是半波长的奇数倍时，则 亮度最小
物体距离
端面跳动
表面不平度
PCB板焊点高度
硬盘表面测试
14
零件计数
测量表面形状、变形
轮胎磨损
槽深检测
15
翘曲检测
测量零件尺寸
测量CD厚度
测量胶合板厚度 测量橡胶带厚度 测量台阶高度
测量胶片厚度
测量塑料板厚度
16
测量橡胶厚度
定位控制
确定电极位置
自动焊接定位控制
27
(2) 光纤原理
全反射：光密介质1 → 光疏介质2 ( n1>n2)
n1 sin 1 n2 sin 2 → θ1<θ2
n2
θ1↑→θ2↑
n1
→θ2=90º →θ2>90º→ 全反射
临界角：θ2=90º→θ1=θC →
sin C n2 / n1
θ2
θ θ1c
28
光纤波导原理：
空气n0 、纤芯n1、包层n2 (n1>n2>n0) 光束 ：空气 → 纤芯n1
第5章 现代光电检测技术
1
1. 激光测量技术 --- 单色性好、方向性好、相干性好、亮度高
激光外差干涉仪--- 纳米测量；激光准直、激光全息、激光扫描、 激光跟踪、激光光谱、激光多普勒技术
2. 光纤测量技术
光纤传感器---灵敏度高、响应速度快、动态范围大、远距离遥 测、体积小、成本低
3. 视觉检测技术
判断有无/到位
机器人手臂控制
17
3. 激光扫描测量、扫描定位、扫描跟踪
激光扫描与扫描定位---用激光作光源，用扫描的方法实现对 被测物的扫描运动，利用幅度检测、相位检测或频差检测法 实现测量 用途---自动测量或远距离测量（非接触的、高效的） 关键技术---扫描运动（扫描器件完成，如光学多面体扫描、 直线电机扫描、振子扫描、声光偏转器扫描、电光器件扫描 和压电器件扫描等）
信号变化
距离信号
12
（3）特点： 1、非接触：测量光斑，无测力，无损害 2、适用广：对材质无要求（颜色、软硬、明暗、冷热） 3、测量范围：1mm ~ 200mm 4、精度高：10m ～ 0.01m 5、响应快：动态测试、实时控制 6、寿命长：工作可靠、无磨损、 7、绝对测距：可中断，可断电
13
（4）典型应用： 测量距离、位移
31
应用--- 水听器; 光栅间距10m
32
微弯---光强损耗; 压力、应变、振动，复合材料
33
不同包层材料吸收损失不同
--- 红外、微波、超声波； 人眼能完成的任务和不能完成的工作；
2
一、激光测量技术
激光测量技术--- 激光干涉测长，激光共路干涉，激光外差干涉， 激光测距，激光测振，激光测速，激光准直，激光全息，激光散 斑测量，激光扫描，激光跟踪，激光光谱技术等
1. 激光干涉测长技术
---精度最高且测量范围最大的一种技术 光源 --- 稳频激光； 基准---光波长； 测量方法---光干涉法（长度尺寸） --- 尺寸传递的最重要的手段 激光光电波长比长仪---检定一米基准线纹尺和其它精密线纹尺 激光量块干涉仪---检定一米以内的一等量块尺寸 激光丝杠检查仪--- 检定精密丝杠
→从一端到另一端
空气→纤芯：n0 sin 0 n1 sin 1 纤芯→包层： n1 sin(90 1) n2 sin 90
1 0 （全反射）
sin 0
1 n0
n12 n22 NA
集光性能
29
测量范围:100m, 标准分辨力0.05 m, 精度最高0.1 m
30
距离1~2m; d=50m时, 位移变化1m,光强变化20%
--- 光外差探测的作用距离比直接探测的距离远，测量精度高
5
1) 双频激光外差干涉仪
分辨力为0.01m，
L）
m
测量范围为61m
测量准确度
(0.0310-7)m
6
双频激光外差干涉仪测角
t
sin 1
sin 1
dt
0
分辨力0.1“;不确定度1"
R
2R 7
8
双频激光外差干涉仪测量直线度 不确定度：0.4m
被测件移动时，两相干光束的光程差将随 之变化，因而干涉图象就依次出现亮暗交 替变化。工作台移动时，交变的光强信号
被测长度 L N
2mn
就被光电器件接收，并输出交变信号。 n--- 测量环境的空气折射率
4
2. 激光外差干涉测量技术
特点 ---高灵敏度、高信噪比、极好的滤波能力（抗干扰能力 强）且检测稳定可靠 应用 ---激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面 有着广泛的应用
26
纤芯 --- 石英玻璃；直径：5~75μm；材料：二氧化硅（主体）， 掺杂其他微量元素 --- 提高折射率 包层 --- 直径：100~200μm；材料：二氧化硅（主体）--- 折射率略 低于纤芯。 涂敷层--- 材料：硅酮或丙烯酸盐--- 隔离杂光。 护套 --- 材料:尼龙/其他有机材料 --- 提高机械强度，保护光纤