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光传感与光检测技术
(1) 照射型莫尔等高线技术
d
N级等高线深度：

结论： 最可能出现的强度是接 近于0的，即黑散斑比其它 强度的散斑要多。
9.4.2 散斑计量技术


（1）散斑照相法
物体表面运动与散斑场的运动有 确定关系。 第一次拍摄：底片上记录了物面 的散斑图。 第二次拍摄：物体变形后进行， 同一底片上记录了两个散斑图。 物镜孔径角u没有变，两个散斑 图是相同的。位置因物体表面的 移动而产生了相应的移动。 测量出两个散斑图的移动量，也 就知道了物体表面的移动量。
激光全息术
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
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 光调制扫描法
第九章
光学检测技术
引言
光学方法的主要优势：

主要内容


非接触性
高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计ห้องสมุดไป่ตู้性
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。
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。




（2）散斑干涉法

将另外一束均匀激光束作为参考光束与 散斑图组合在一起，或将两个散斑图组合在 一起，使之产生干涉作用，获得第三个散斑 干涉图，分析处理这第三个散斑干涉图可获 得待测物面的位移。
9.4.3 电子散斑干涉测量技术
（Electronic speckle pattern interferometry，简称ESPI） 优点：

空间结构： 随机分布的颗粒形状，用二相邻亮斑间距 的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。 对圆形照亮区域，散斑的横向平均直径为

T 0.6 sin u

结论： 散斑横向平均直径与照明区域大小有关， 大的照明区域对应大的u值，散斑变小，反 之变大。
（3）散斑的光强分布

散射波的位相是无规则地分布在0～2π范围内，且 同偏振，散斑强度概率分布为
光传感与光检测技术
辐射形莫尔条纹
单击准备演示 播放中……
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光传感与光检测技术
概念
莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒 定的角度和频率发生干涉的视觉结果。
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2018/10/1
光传感与光检测技术
9. 5. 1 莫尔条纹现象
9. 5. 2 条纹形成原理
9. 5. 3 莫尔条纹的应用
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）
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光传感与光检测技术
•遮光阴影理论
光栅间距远大于波长，衍射效应不明显；
•衍射干涉理论
光栅间距小，衍射效应明显。
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光传感与光检测技术
1 遮光阴影理论
亮带：透光面积大 黑带：互相遮挡
(a) 光栅I
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(b) 光栅II
(c) 两个光栅叠加的结果
2018/10/1
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。

记录的曝光时间要大于物 体的振动周期。
光传感与光检测技术
9.5 莫尔技术
光传感与光检测技术
9. 5. 1 莫尔条纹现象
9. 5. 2 条纹形成原理
9. 5. 3 莫尔条纹的应用
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光传感与光检测技术
长光栅莫尔条纹
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光传感与光检测技术
圆弧莫尔条纹
单击准备演示 播放中……
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2018/10/1
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


起初：散斑点——条纹的反差受到影响——噪声 发展：单个斑点的大小和位置随机分布 所有斑点的综合符合统计规律 漫反射表面——散斑场 物体表面上各点的运动——散斑场的运动 启发：散斑运动——物体表面的运动信息——位 移、应变、应力
（2）散斑大小 客观（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干 涉面直接形成。 主观（成像）散斑：在成像光组像面上P点 形成散斑。
1 莫尔条纹的计数原理
光源 主光栅 透镜 指示光栅 透镜 光电元件 放整 大形 微整 分流 数字显示 电子计数器
被测物体位移=栅距×脉冲数
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光传感与光检测技术
2 莫尔形貌（等高线）技术
基本原理 通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形 成莫尔条纹，同级莫尔条纹就是物体表面距主 光栅深度相同的等高线分布，实现三维物体的 形貌测量。
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
光传感与光检测技术
条纹间距的计算
光栅I 光栅II 莫尔条纹
A D C
B
d

d
59
m
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光传感与光检测技术 A
a

B
c
D C
b
d
d
m
m
60
dd
2 d d 2dd cos 2
（9-1）
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光传感与光检测技术
2 衍射干涉理论
G1
-1
0
G2
( -1, 0) ( -1,1) (-1,2) (0,-1) (0,0) (0,1) (1,-2) (1,-1) (1,0)
1 D t 2
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
晰度有所下降。
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。

干涉线投影技术
h 2sin 2
9.4 散斑法
9.4.1散斑概念及统计性质
（1）散斑现象: 当一束激光射到某粗糙表面上时,观察被照区域有许多明暗 相间、杂乱无章的亮斑和暗斑，这种现象称为散斑。 成因： 粗糙表面（或散射介质）的散射光干涉所形成的。
形成散斑的条件：
粗糙表面和相干光照射
-1级群光束 0级群光束 1级群光束

1
所有级次代数和 M i + N i 相同的衍射光束称为 (Mi+Ni)级群光束，它们有相同的传播方向。
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光传感与光检测技术
9. 5. 1 莫尔条纹现象
9. 5. 2 条纹形成原理
9. 5. 3 莫尔条纹的应用