《激光技术》PPT课件.ppt

第七章 激光扫描技术,一、按光路布置分类 （一）直接扫描系统（扫描光线不通过物镜），如图7-1所示。设Y为沿着扫描方向的坐标。,7-1 激光扫描系统的分类,图7-1,特点： （1）扫描范围大 （2）工作距离在不断改变： （3）物面扫描速度不均匀： 用途：激光雷达、红外遥感远距离扫描，（ H ） （二）物镜扫描系统（扫描光线通过物镜），如图7-2所示 （1）远心扫描系统： ，出瞳在无究远。,图7-2,特点： 象方主光线/光轴； 采用f透镜时，扫描速度V恒定； 扫描范围小（略小于扫描物镜口径）； 象、物工作距离恒定； 用途： 激光扫描测径 激光扫描衍射对准,图7-3,（2）非远心扫描系统：（如图7-3）,特点： 象方扫描主光线不平行光轴 扫描视场大 用途：激光打印、激光热处理、激光划线,（3）大工作距扫描系统：（如图7-4）,图7-4,一、光学扫描器 1、光学平行平板扫描器（图7-5）,7-2 各类扫描器（使光点在扫描平面内产生位移的器件）,图7-5,将以上式用马克努林级数展开，且角很小时， 设n=1.52，为旋转角度（） 例=5时， 2、单光楔扫描器 （1）直线扫描器：,如图7-6 a）示，光线通过光楔的偏向角： 当i=0（即正入射第一折射面时）， 如图7-6 b）所示 当很小时，,图7-6,（2）圆扫描器 设光楔扫描转速为no，则在离光楔一定距离l处的圆半径R为：,二、光学机械扫描 1、平面反射镜扫描（图7-7）,图7-7,扫描光线偏角为反射镜偏角的2倍：即 特点： （1）无入瞳漂移（当反射面和转轴重合时） （2）扫描频率低（等于电机转速） （3）光能利用率低，若2=30，则仅为15 2、检流统计振镜扫描（图7-8） 利用磁力线方向变化，驱动转轴振动。 例如：某型号振镜 扫描频率fmax=300Hz，精度0.2%，线性度0.2%。,图7-8,3、多面转镜扫描器（图7-9）,特点： （1）高惯性，可减小 的误差； （2）扫描频率高：相对平面镜扫描，扫描频率提高了N倍（N为面数）；,图7-9,（3）光能利用率高； （4）成本较高 （5）存在入瞳漂移 沿轴漂移量为： R为转镜内切圆半径 W扫描全视场角,4、空气棱镜扫描器（图7-10）,图7-10,为旋转角 当wt很小时；H=2dwt 例：d=36mm，H=5mm 则，最大角度： 则，非线性误差：,5、直角棱镜扫描器（图7-11）,图7-11,在入射光线的方向指向旋转转轴O的条件下 其中 式中dBC的长度，旋转角 以上数学模型的特点： 1、每一项具有近似相同量值的非线性变化规律，但符号相反。 2、每一项可变量均不同：L在第一项中出现，但在第二项中没有；d和n在第二项中出现，在第一项中没有。 3、适当控制L、d、n，可得到佳线性控制最佳。,例：设计结果： 1、d=55mm，L=45.669mm，2H=43.74mm n=1.91725mm 2、d=55mm，L=45.671mm，2H=43.74mm n=1.91725mm 两种设计参数，H均在20nm以内。,图7-12,三、声光调制扫描器 1、弹光效应： 声波产生的应变场可能改变某些介质的折射体，当光波通过这些介质时，就会被介质中的弹性波衍射，这种物理现象统称弹光效应（elasto-optic effect）。由于应变场是超声波产生的，故称声光效应。 声光扫描：超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），当其在声光介质中传播时，该介质便产生与超声信号变化相应的弹性形变，从而引起介质局部密度呈疏密交替变化，导致介质折射率也作周期性变化而影响光的传播，（即“弹光效应”）。此时被超声作用的介质可视为一个等效的“相位光栅”，使入射光发生衍射。同时，衍射光的强度，频率，方向也随超声场的频率而变化，声光扫描器就是利用声光衍射性质实现光束的偏转扫描。,2、声光调制的两种类型,图7-13,声光作用的特征长度L0： （当i很小时， ） 式中： S声波波长 光波波长 i入射光线与声波波面的夹角 （1）喇曼奈斯衍射（Raman-Nath；1932年）或Deabye-Sears衍射（1930年）（图7-13，b） 条件：超声频率较低；光波平行于声波入射时（i=0）则声光作用长度较短。,当声光相互作用长度为： L 时，产生Raman-Nath衍射。其衍射花样类似平面光栅所产生衍射花样。 （2）Bragg衍射（图7-13，a） 条件：超声频率较高；光波与声波波面间有一很小夹角i；声光作用长度较长。 当声光作用长度为： 时，产生Bragg衍射。 衍射特点： （1）声光栅为体光栅，为多束衍射光相干的结果。 （2）衍射条纹分布不对称，即只出现0级和+1级或0级和-1级衍射条纹。,（3）合理选择参数，（如使s的强度足够强），可使入射光能量几乎全部集中在0级或+1级（或-1级上）。衍射效率高。 （4）衍射角与超声频率fS成正比： 式中VS：声速，恒定；fS：超声频率，可变。 由上式可知： 若使加在换能器上的电频率f变化，则超声频率fS将发生变化，可使衍射角改变。,3、声光材料 （1）水，玻璃 （2）钼酸铅（PbMoO4），二氧化碲（TeO2），等 4、Bragg衍射装置及条件 A、换能器：（超声发生器）它是利用某些压电晶体（如石英，LiNbO3等）或压电半导体（Cds，ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声。 B、吸声或反射装置：放在超声源对面，用以吸收已通过介质的声波以避免返回介质产生干扰。但若要使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。,图7-14,四、电光偏转扫描器 将KDP晶体按图7-14所示的切割成两块直角棱镜，然后将他们胶合在一起，两晶体的z轴平行,但方向相反;外加电场方向与z轴方向相同，入射光为线偏光，振动方向与z轴垂直。,则下面的棱镜折射率： 在上面的棱镜折射率： 式中：（r电光系数），（Ez外加电场强度） 因为 上式说明：两晶体折射率差n与加在z向的电压（或场强）成线性关系，调节Ez的大小，可以使n线性变化，从而使光束偏角发生变化。,常用于条形码、激光打印机、激光防御雷达等。,五、全息扫描器（图7-15）,图7-15,一、测量原理：（图7-16） 计量激光光斑扫描待测物体时所经过的时间T，从而得出被测物的几何尺寸的一种测试技术，即：d=VT,7-3 激光扫描测径系统,图7-16,*对光学系统的要求 1、扫描主光线光轴即采用远心扫描系统 2、在测量面上扫描光点的扫描速度恒定，即V=常数 设转镜角速度为w 上式中：v和t为非线性关系，欲使v与t为线性关系，即满足 ，则可将扫描物镜设计成f-透镜。,此时，测径方程为： 式中：N计数器所计脉冲个数， fT晶振频率，（次/秒）， *采取的措施： （1）设计f-透镜，使物镜产生一负畸变来补偿原扫描系统的非线性。 （2）转镜转速n0恒定 3、时间T计量的准确性： （1）光电瞄准误差（工件边缘提取的准确性）：,图7-17,如图7-17，若用固定电压V0比较，则会因扫描光能量的变化而导致产生光电瞒准误差。解决办法：“浮动阈值法”。,二、激光扫描测径光学系统 1、会聚光斑扫描（图7-18）,图7-18,2、平行光扫描（图7-19）,图7-19,注意两个问题： （1）入瞳漂移问题：图7-18和图7-19所示系统具有较小的入瞳漂移量。 （2）实际相对孔径： 四、设计中几个问题的讨论 1、最小脉冲当量 的确定：一般取测量精度的 , 如测量精度为20，则=42。,由测径公式： 则脉冲当量为： 例：设n=1500秒/分=25转/秒，=145mm 若取=2.510-3 MM 实际中取晶振频率为：fT=18.432MHz， 2、多面转镜的面数m 由确定的电机转速n和测量频率fN定 即fN=nm，设fN=200次/秒，n=25转/秒 则m=fN/n=200/25=8（面体）,3、工件振动对测量精度的影响：（图7-20）,图7-20,设工件振动为简谐振动，振幅为A，振动频率为 则振动方程： 其速度方程为：,扫描光点与振动工件的相对扫描速度为： 其中：V0为光点恒扫描速度， 则此时工件的实际测量尺寸为： 其中D0为工件无振动时所测值，D为工件振动带来的附加测量误差值，其最大测量误差值Dmax发生在Vzmax处。 令速度方程中Cos2t=1（在平恒位置t=0处）,最大测量误差 结论（1）：Dmax与A，D成正比 与n0， 成反比 例： n0=25转/sec， =145mm,结论（2）：当有振动存在时，单次测量精度是不高的，但可以采用取多次测量平均面的方法，提高测量精度。此时平均扫描时间T0为：,其中：N为0.1sec内取各次测量值平均值后，再显示的测量次数。即N: 0.1sec/To 此时显示一次的测量误差为： 以上分析表明，振动是影响动态测量精度的最大原始误差。 措施：加限振器。,工件表面特征：疵病，表面异物，形状不良 测量技术特点：迅速，实时，漏检率低 按原理分三大类： 1、反射光检测法 2、散射光检测法 3、扫描频谱法 一、反射检测法 测量对象： （1）有较强反射特征的物体：如白纸、薄钢板、铜板、铝板 （2）直径0.11mm左右的表面缺陷,7-4 表面特征激光扫描检测技术,2、激光扫描法（图7-21，b） 二、散射光扫描法 对象：漫反射表面，（如激光捉疵机）,图7-21,1、飞点扫描法（图7-21，a）,a）飞点扫描 b）激光扫描,Pretens公式：当激光束垂直入射于被测表面时，在与反射光线成角的方向上，散射光强度为： 式中：（图7-22）,图7-22,R0入射完全光滑表面上的反射光强 入射光波的波长 粗糙度值（平均均方根值），如： L变换长度， m倾斜角方向上，表面光度的平均均方根值 将 代入上式,以上公式的运用条件为。测得IR、R0、则可由上式求得，则可知表面粗糙度。 例英国SIRA（科学仪器研究所）透镜表面检查仪：（图7-23）,图7-23,三、扫描频谱法： 直边衍射原理：当激光束照射在一个障碍物边缘时，产生边界衍射，用衍射波的频谱分布来判定此图形边界的固有特征。 对掩膜中的几种图形和缺陷如图7-24示：,图7-24,一、电摄影概述： 复制技术分为三大类： 第一类：使用涂层纸，纸表面均匀涂上光敏涂料。如工程兰图的复制和胶卷照像法等，称化学法。 第二类：无涂料pp法，即使用普通纸的静电复印法，称物理法。 第三类：电子摄像法，如数码像机。 1938年，CF卡尔逊发明静电荷产生图像的电摄影法。 第一台复印机由美国的施乐（xerox）公司生产，现在世界的复印机为日本的canon公司、美国的xerox公司所垄断。 NP法：日本canon公司1967年获专利。,7-5 激光打印技术,复印机工作过程：曝光显影定影（图7-25） 1、光导鼓充电（如硒鼓表面充上“+”电荷）； 2、曝光：图像在光导鼓上曝光，在亮区（无图形）光导鼓上正电荷消失；在暗区，光导鼓上“+”电荷仍然保留； 3、显影：墨粉带“”电荷，被吸附在光导鼓的正电荷区域； 4、转印：通过挤压转印刻复印纸上； 5、定影：通过热压使墨粉中的胶粒熔化并渗入纸中； 6、消电：消去纸上的静电荷； 7、用消电灯照射光导鼓，使正电荷全部消失； 8、清洁； 缺点：速度慢，分辨率不高，不能作为计算机的输出设备。,图7-25,二、激光打印技术的特点 特点： 1、速度快：如美国xerox9700激光打印机。 打印速度： 打印一张纸所需时间为： 即打印一张B4的纸只需0.43秒，这是一般复印机无法比拟的。 2、分辨率高： 3、非接收：打印头永不磨损，但硒鼓因“疲劳损伤”而需更换。,三、激光打印原理（以IBM3800系统为例） 光学系统如图7-26所示,图7-26,说明： 1、顺置望远镜组：为提高进入声光调制器的能量密度。 2、字符发生器：（可以将一个字分成若干阵列，阵列数愈久则分辨愈高）。 字符编码：57阵列，79阵列，126阵列，1620阵列。 3、振荡器：为了能够产生七个衍射扫描光点，由 可知，对应有七个不同频率的声波波长。（图7-27）