光电检测技术课件 第三章

d k f kFD D
(6-29)
式中：f为扫描物镜的焦距；D为扫描物镜的口径；FD为扫描物镜的F数。
由式（6-28）及式（6-29），使d相等，在
k 1.27( D ) d0
d0
§3-2 激光扫描计量技术 D 2 时，则有
实际的扫描系统，更多的是采用多面体的旋转扫描，如图6-9所。这时，扫描长 度为
§3-2
激光扫描计量技术
说明F数大于100，则（R－x）值急剧增大，对应平面波失真越小。因此，对激光 扫描系统，一般取F>100为好。 激光束经过扫描系统后的光斑直径，由式（6-27），即
d 1.27 f 1.27 F0 d0
(6-28)
式中：λ为激光束波长；f为扫描物镜的焦距；FS为扫描物镜的焦距与激光束腰直 径的比数。 另一方面，再从衍射角度，即镜框存在的情况下，衍射光斑 的直径是
1 3 1 5
展开，则式（6-12）可以写成
y' ( Rl ' 1 1 3 1 4 1 1 2 1 4 )tg {1 ( 1)tg 2 [ ( ) ( ) ]tg } l 3 8 0 40 2 0 6 2 0 5
(6-20)
§3-2 激光扫描计量技术 对照式（6-19）与式（6-20），为获得等速扫描，使y’=Y‘，则必须：
y f 2
（6-3）
式中：f为物镜焦距，θ为反射镜转角。 对摆动式反射镜，设摆动的最大振幅为φ 0，则
y 2 0 f sin 1 2 0
（6-4）
式中： 2 0 sin t 为扫描光束的转角。 式（6-4）的来源以后讨论（见式6-12） 满足式（6-3）、（6-4）式的物镜，必须保持特定的象差，主要是用负畸 变物镜，用象差来补偿而满足式（6-3）。满足式（6-3）的物镜称为f-θ 物镜； 满足式（6-4）的物镜称反正弦物镜。f-θ 物镜用于等速旋转的反射镜系统，而 反正弦物镜用于振子式反射镜系统。
dh 常数； dt
§3-2 激光扫描计量技术 另一种方法是在激光束的光路中加入旋转的光学元件，例如，旋转的反射镜，多 面体等。当激光束在摆动的反射镜上反射时，就产生光束的扫描运动，如图6-2a) 所示。此时，激光束在物面上的扫描长度y和反射镜的转角θ成如下关系：
y Rtg 2
式中：R为反射镜摆动中心到物面的距离；θ为反射镜转角。
§3-2
激光扫描计量技术
激光扫描计量技术是指利用激光束的扫描运动来计量物体的几何尺寸的技 术。这是一种非接触的，动态的，可测定远距（>1m）物体的光学技术。
一、计量原理
激光扫描计量的原理主要是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描的 时间转换成物体尺寸。如图3-1所示。
§3-2
激光扫描计量技术
图中1－激光器，2－扫描反射镜。当2按一 定频率作摆动时，形成激光束的扫描运动， 扫描光束通过物镜3后形成平行光，扫描被 测工件4，然后由接收物镜5，光电器件6将 扫描光信号转变成电信号，经放大器7，信 号处理器8处理后，用显示器9显示被测物 体4的尺寸。下面用公式
d 02 2 R x[1 ( ) ] 4x
d0 2 2 4 F u ( NA)
(6-27)
式中：NA为激光束的数值孔径；F为激光束相对孔径的倒数，即F数。 当 λ =0.633μ m(He-Ne激光),x=200mm时有
162 F 4 Rx 2x
对不同的F数，得表6-1.
目前大多数采用前置扫描的形式。设光束扫描的长度为L，扫描光束的光斑直 径为d，那么，扫描分辨率N的定义是
N L d
(6-25)
§3-2
对激光来说，高斯光束的束腰直径［3］是
2 d 2 d0 [1 (
激光扫描计量技术
4x 2 ) ] d 02
(6-26)
式中：d为距束腰中心x处的光束直径；d0为束腰直径。 式（6-26）其符号意义示于图6-8。可以导出：
（二）扫描物镜的畸变特性
物镜的畸变这项象差由应用光学定义为 Y 'l ' tg 畸变 Dist (％) 100 l ' tg
式中：Y‘为实际像高。
^
(6-15)
由高级象差理论，设V, V分别是三级及五级畸变的象差系数，那么
V Dist (％) 50 [V (tg ) (tg ) 4 ] 4
（6-1）
当已知ω，测定t，由式（6-1）就可求出D。这就是光扫描计量的基本关系式。 为保证测量的高精度，光扫描计量系统，必须满足三点基本要求： （1）激光束应垂直照射被测表面； （2）光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即 v （3）扫描时间必须测得很准确。 为保证激光束扫描时始终垂直于被测表面，可采用物体表面相对激光束作匀速运 动。但这种方法，对机构要求很高，实现困难。所以一般不采用被测物体运动的 方式。
(6-22) 3 1 4 1 1 2 1 V 8[ ( ) ( ) ] 40 2 0 6 2 0 5 ^ 上式中振幅φ0与V, V 的关系，如图6-5所示。当相当大，而且反射镜作等速旋 1 1 2 1 V 2[ ( ) ] 6 2 0 3
转时，f-θ物镜的畸变象差系数V与 V 值应该是
三、光学系统的匹配
在进行高速扫描时，必须研究扫描光束的效率，从分辨率的观点看，扫描 用光学系统的成像光点，其直径必须很小。因此光学系统的匹配就很重要。
§3-2 按光扫描的装置原理，有两种基本形式：
激光扫描计量技术
（1）旋转反射镜置于光学系统的后方，称为后置扫描。光路原理示于图67a） （2）旋转反射镜置于光学系统的前方，称为前置扫描，光路示于图6-7b）。
§ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-2
当采用图6-4所示的准直光学系统时，使
( Rl ' ) f l
激光扫描计量技术
式中：f为扫描物镜的焦距。 因此，最后有
y' f
(6-14)
符合式（6-14）理想像高的物镜称f-θ 物镜。当φ 0为有限值时，符合式（6-12） 理想像高的扫描物镜称反正弦物镜。f-θ 物镜是最常用的扫描物镜。
y' k t
(6-7)
式中：k为与光学系统有关的扫描常数。 将式（6-6）代入式（6-7），则 y ' ( k ) sin 1 ( ) 2 0 当光束转角θ 很小时，则式（6-8）可写成
y ' (k lim
0
(6-8)
2 0 )
(6-9)
由图6-3所示的扫描系统，在扫描物镜的成像面上，有
lim
0
y' ( Rl ' / l )
§3-2
激光扫描计量技术 (6-10)
式中：l为扫描物前主点到镜像S‘的距离；l‘为扫描物镜后主点到成像面的距离。 对照式（6-9）与式（6-10），则光学系统扫描常数k为： Rl ' k 2 0 ( )
l
(6-11)
将式（6－11）代入式（6-8），得等速扫描时扫描物镜的理想像高y‘： Rl ' y ' 2 0 ( ) sin 1 ( ) l 2 0 (6-12) 当θ很小，φ0很大时，式（6-12）成为 Rl' y ' ( ) l (6-13)
L 2 f 0
(6-30)
式中：θ0为多面体的面角；而 2 0
n
式中：n为多面体的面数，一般n＝6～24。 采用多面体扫描的优点是扫描物镜的f可以小， 从而获得小的亮斑，提高扫描分辨率。
§3-2 激光扫描计量技术 表示，当扫描反射镜以ω的角速度转动时，激光束的角扫描运动是
2t
扫描光束通过物镜3后，形成线扫描运动，扫描线速度是
v dh d f d f 2 f dt dt dt
dh t 2 ft dt
设被测件尺寸为D，则
D vt
0 sin t
（6-5）
式中：φ 为反射镜的转角；φ 0为反射镜摆动的最大振幅；ω 为摆动的角速度；t 为摆动时间。
§3-2
激光扫描计量技术
反射镜转动φ角时，镜像S‘移动到S‘1，移动的圆弧半径为R，光束相对于光 轴的转角是θ，则
2 2 0 sin t
(6-6)
当t＝0时，设光束的中心线在的扫描透镜L的光轴上，S’经扫描物镜L成像为扫 描光点S0。为保证光扫描的正确性，光点S0应等速移动，像高y‘的关系是
（6-2）
式（6-2）说明，当反射镜以转速ω旋转时，激光束在物面上的转动速度是非 均匀的，即v≠常数。而且，除o点上光垂至于物体表面外，其余任何一点均是投 射，因此，无法实现上述光扫描的前两点基本要求。
§3-2
激光扫描计量技术
采用图6-2b）所示的光路，在转动反射镜后放置一个物镜系统，让转动镜 上的投射光点位于物镜的焦点上，从而使激光束对物面上各点均保持垂直投射， 切使物面上的扫描长度y与反射转角θ保持线性关系，即
第三章 光学扫描检测技术与系统
§3－1 概述 §3－ 2 激光扫描计量技术 §3－ 3 位相调制扫描技术
§3－ 4 光扫描定位技术
§3－ 5 表面特征检测的扫描技术 §3－ 6 光扫描技术的其他应用
§3-1 概述
光扫描技术是70年代中期以后出现的一种新的动态计量测试技术。 它主要利用白光或激光形成对被测对象的扫描运动，配合光电器件，电 子技术与计算机，构成各种精密测试方法。这种技术适合于作精密自动 计量与远距离计量，特别适宜于对弹性体、柔性体、高温物体作精密测 量。近年来这种光导模技术发展很快，其主要原因是： （1）激光器的商品化，即价格大幅度降低，寿命大大增加，在产品 上完全可能应用。 （2）光电子技术的迅猛发展。数字显示，微计算机的大批量生产与 应用。 （3）体积下，作业效率高。