第九章光学检测技术.
光学检测技术原理
光学检测技术原理
光学检测技术利用光或电磁波在物体表面与光学元件之间的相互作用原理来检测和分析物体的性质和特征。
该技术广泛应用于工业、医学、环境监测、生物科学等领域。
光学检测技术的原理主要包括以下几个方面：
1. 反射和折射：当光束从一个介质进入另一个介质时，会发生反射和折射现象。
利用光的反射和折射原理，可以通过测量光的入射角度、反射角度和折射角度来确定物体的界面特性，例如表面粗糙度、光学透明度等。
2. 散射：当光束通过一个物体时，会发生散射现象。
利用光的散射原理，可以通过测量散射光的角度、能量分布等信息来分析物体的形状、粒径、浓度等。
3. 吸收和发射：物体对特定波长的光会产生吸收和发射现象。
利用光的吸收和发射原理，可以通过测量光的吸收强度、发射光谱等来确定物体的化学成分、浓度、温度等。
4. 干涉和衍射：当光束通过一组光学元件时，会产生干涉和衍射现象。
利用光的干涉和衍射原理，可以通过测量干涉图样、衍射光的波前形态等来分析物体的形状、厚度、折射率等。
5. 偏振：光束中的光波可以具有不同的偏振状态。
利用光的偏振原理，可以通过测量光的偏振状态来分析物体的晶体结构、应力状态等。
总之，光学检测技术利用光的各种相互作用原理，通过对光的测量和分析，可以实现对物体性质和特征的检测和表征。
光学检测技术及其应用研究
光学检测技术及其应用研究一、光学检测技术概述光学检测技术是指利用光学原理、光学器件以及图像处理方法进行物体的检测和分析的一种方法。
它以光学成像、物体测量、表面缺陷检测、非接触性测量等为基础，应用于各个领域，如电子、石油、医疗等多个领域。
现在光学检测技术越来越成熟，应用也越来越广泛。
二、光学检测技术种类1. 光学成像技术光学成像技术是一种常见的光学检测技术，主要应用于对物体形态、尺寸的检测和分析。
它是利用光学原理，通过光学器件将物体的光学图像旋转成人眼可以识别的二维空间内的图像，来达到检测物体大小、形态、颜色等信息的目的。
在半导体制造、医疗、汽车、工业等领域中得到了广泛应用。
2. 光学测量技术光学测量技术是测量物体特定尺寸等物理量的技术。
通过光路设计，利用光学原理对物体进行快速精准的测量。
相对于传统的测量技术，光学测量技术有很多优势，如高测量精度、速度快、非接触、无磨损等。
在汽车、机器人、电子、医疗等领域中得到了广泛应用，提高了生产的效率及质量。
3. 表面缺陷检测技术表面缺陷检测技术是利用光学原理对物体表面缺陷进行检测和分析的技术。
它主要应用于制造业中的质量控制，保证产品的合格率。
目前已经应用到了机械、印刷、电子、医疗等多个领域中。
相比传统的检测方法，光学检测方法可以进行精细的缺陷检测和统计的分析，大大提高了检测效率和准确度。
三、光学检测技术应用1. 工业制造在工业制造中，光学检测技术已经成为必不可少的工具。
比如，在汽车制造中，通过激光测量Fender等外部元件的形状，可以检查其是否符合设计要求。
同时，光学测量技术也可以用于大规模金属构件的测量，如航空发动机叶盘的制造过程控制、船体、车身等的形状检测。
2. 医疗健康光学检测技术在医疗行业中也有广泛的应用，如，在眼科领域可以利用光学成像技术对眼底、视网膜进行检测；在口腔领域中，可以利用激光测量技术进行口腔牙齿病原菌检测等等。
3. 环境探测光学检测技术也在环境探测中得到了广泛应用。
光学检测技术
衍射条纹间隔 间隙
两种计量方法
W W
nR
1 xn
1 xn
n n sin
（1）绝对法：测量位移前后n 级条纹距中央零级条纹中心位 置xn及xn'就可求出位移量δ 。
（2）计数法：测得条纹计数值 △N（n-n ' ），就可求出试件 的位移或应变值δ 。
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。
第九章
光学检测技术
引言
光学方法的主要优势： 非接触性 高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计量性
主要内容 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。
位置和起始衍射条纹 中心位置（n不变） 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
全息术要求
相干性很高的光源：激光 被摄物均匀照射：扩束镜 获得明显的干涉条纹：参考光与物光的分束 比：2:1—10:1 记录介质要求有较高的分辨本领：溴化银照 相乳胶 曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性
光学检测技术
光学检测技术引言光学检测技术是一种基于光学原理的检测方法，通过利用光的传播特性和相互作用来实现对物体性质和参数的测量。
在许多领域中，光学检测技术被广泛应用于材料分析、生物医学、环境监测等。
本文将介绍光学检测技术的原理及其在不同领域中的应用。
光学检测技术的原理光学检测技术基于光与物质的相互作用，利用光的传播特性和信息传递能力进行测量和分析。
其原理主要包括光的散射、吸收、反射和透射等。
光的散射光的散射是光在物质中发生偏转和扩散的现象。
当光线遇到物体表面或介质内部的不均匀性时，会发生散射现象。
根据散射颗粒的尺寸和波长的比值，可以将散射分为Rayleigh散射、Mie散射和非弹性散射等。
光的吸收光的吸收是指光线在物质中被吸收一部分能量而丧失其原有的能量和强度。
当光通过物质时，被物质中的原子、分子或团簇吸收，产生热能或激发电子跃迁等。
光的反射光的反射是光线遇到物体表面时发生反射的现象。
根据物体表面的特性，反射光可以分为镜面反射、漫反射和散射反射等。
反射光的强度和角度与入射光的强度和角度之间存在一定的关系。
光的透射光的透射是光线穿过物体而传播的现象。
在透射过程中，光的强度和频率会发生变化，与物体的性质和结构有关。
透射光的特性可以用于材料分析、透射成像等应用。
光学检测技术的应用光学检测技术在各个领域中具有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：材料分析光学检测技术在材料分析中扮演着重要的角色。
通过测量和分析样品吸收、散射、透射等光学特性，可以获取样品的成分、结构和性质等信息。
例如，荧光光谱分析、拉曼光谱分析、红外光谱分析等都是常见的光学检测技术在材料分析中的应用。
生物医学光学检测技术在生物医学领域中有着广泛的应用。
例如，蛋白质分析、细胞成像、荧光探针检测等都是基于光学原理的技术。
光学显微镜、光学相干断层扫描等器械也是常见的光学检测技术在生物医学中的应用。
环境监测光学检测技术在环境监测领域中发挥着重要的作用。
通过测量环境中的光线散射、吸收、反射等参数，可以对大气、水质等环境参数进行监测。
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。
光学测试技术光学干涉测量技术
W h
Hn
13
§3.1 干涉测量基础
对于非轴对称的情况，则需要绘出二维的波面偏差分布图。 在获取整个表面的波面偏差后，可以用以下几种综合指标描述波 面分布：
必要的。
9
§4.1 干涉测量基础
(3)光源非单色性影响与时间相干性
能够发生干涉现象的最大光程差与光源的谱线宽度成反比。
若干涉测量中用到的光源本身有一定的谱线宽度 ，对应波长为
/2 和λ-Δλ/2两组干涉条纹的强度分布，其他波长的光对应的干
涉条纹强度分布介于两根曲线之间。干涉场中最终形成的干涉条
干涉技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。近年来，随 着数字图像处理技术的不断发展，使干涉测量这种以光波长作为 测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用。 在光学材料特性参数测试方面，用干涉法测量材料折射率精度
可达10-6；对材料光学均匀性的测量精度则可达10-7； 用干涉法可测量光学元件特征参数，用球面干涉仪测量球面曲
采样结束后即完成了对数字化干涉图像的图像处理过程，获得了 离散的、采样点基本均布的波面数据集合（x,y,p）。在经过后续的波 面拟合计算等可以得到波面数字分布。
25
§4.1 干涉测量基础
2、移相干涉提高干涉条纹稳定性 移相干涉法采用光电定量探测方法，在横向以CCD像素构成
高密度点阵，在纵向通过标准镜的移动获得多幅干涉图，通过多 幅干涉图的平均处理降低随机噪声，提高干涉条纹稳定性。其数 学模型如下：
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光学测量技术及应用
光学测量技术及应用
光学测量技术是一种利用光学仪器测量物体大小、形状、位置、速度、色彩等特征的
技术。
光学测量技术具有高精度、高速度、无接触、非破坏等特点，被广泛应用于机械制造、航空航天、医疗保健、环境监测等领域。
本文将对光学测量技术的原理和应用进行介绍。
光学测量技术的原理主要是利用光的散射、反射、折射、干涉、衍射等现象来测量物
体的各种特性。
其中，散射对于粗糙的表面、均匀介质等进行检测；反射用于光滑的表面
检测，如平面、曲面、球面等形状；折射则可以测量透明物体的各种特性；干涉与衍射用
于精密测量，如形状、位置、波长等。
光学测量技术的应用十分广泛。
机械制造领域常常使用光学测量技术来检测零件的几
何形状、尺寸误差和表面质量等，以确保生产零部件的精度和质量。
航空航天领域利用光
学测量技术测量飞行器及卫星的姿态、速度、位置等参数，评估其稳定性、安全性和性能。
医疗保健领域则使用光学测量技术测量人体特征，如血液压力、血流速度、视力等。
环境
监测方面使用光学测量技术测量空气质量、水质污染、地震预警等。
总之，光学测量技术的现代化发展已经成为推动产业升级和技术进步的重要支撑力量，带动了许多领域的发展和改革。
未来，随着技术的不断革新和创新，光学测量技术将会有
更加广泛和深入的应用，为人类的生产和生活带来更多的便利和福利。
光学测试技术实验报告
一、实验目的1. 熟悉光学测试技术的基本原理和实验方法。
2. 掌握光学测试仪器的操作技巧和数据处理方法。
3. 通过实验，验证光学测试技术在光学系统中的应用效果。
二、实验原理光学测试技术是利用光学原理和方法对光学系统进行测试和检测的技术。
其主要内容包括：光学元件的测量、光学系统的成像质量测试、光学系统的性能测试等。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 光学测试台- 光学元件（透镜、棱镜等）- 全息干涉仪- 激光器- 光学显微镜- 照相机- 计算机- 数据采集卡2. 实验材料：- 光学元件- 光学系统- 样品四、实验内容及步骤1. 光学元件测量（1）测量透镜的焦距将透镜放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过透镜后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的光斑直径，计算出透镜的焦距。
（2）测量透镜的球差将透镜放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过透镜后产生球差。
通过测量光屏上的球差曲线，计算出透镜的球差。
2. 光学系统成像质量测试（1）测试光学系统的像差将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的像差曲线，计算出光学系统的像差。
（2）测试光学系统的分辨率将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的衍射图样，计算出光学系统的分辨率。
3. 光学系统性能测试（1）测试光学系统的光通量将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光屏上。
通过测量光屏上的光强分布，计算出光学系统的光通量。
（2）测试光学系统的光谱特性将光学系统放置在光学测试台上，调整光路，使激光束通过系统后聚焦到光谱仪上。
通过测量光谱仪输出的光谱曲线，计算出光学系统的光谱特性。
五、实验结果与分析1. 光学元件测量结果（1）透镜焦距：f = 200mm（2）透镜球差：C = 0.02mm2. 光学系统成像质量测试结果（1）像差：RMS = 0.01mm（2）分辨率：R = 50lp/mm3. 光学系统性能测试结果（1）光通量：Φ = 80%（2）光谱特性：在可见光范围内，光学系统具有较好的光谱透过率。
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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
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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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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
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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