无衍射结构光理论研究

无衍射结构光理论研究随着机械、电子及光学工业的飞速发展，几何量测量作为加工工业发展的技术基础与保证已受到越来越高的重视。对表面形貌测量的研究也已经渗透到各个领域，测量要求不断提高，不仅要求测量范围大，分辨率高，在线测量还要求测量速度快。而现有的表面形貌测量技术无论是接触式还是非接触式，都不能同时满足这些测量要求。无衍射光束是现代物理光学的新发现，因其具有很多优良的传播性能，人们已将其应用到的各种几何量的测量包括表面形貌测量。但现有的无衍射光均为点光束，点扫描速度慢，不能满足在线测量的要求。无衍射结构光是一种新型的无衍射光源，光斑具有线性结构。它兼具无衍射光和线结构光的优良特性。这将为表面形貌测量提供一种优良的光源，使测量系统能同时满足测量范围大，分辨率高和测量速度快的要求。该光源将为表面形貌测量技术注入新的生命力，应用前景广阔，是一个值得研究的新方向。无衍射光束的发展:衍射是一种常见的光学现象，它对所有的传统光波场都有影响。例如：一束准直单色光束在自由空间传播的瑞利距离 ZR为：其中 是波长，r0 是光束初始半径。瑞利距离 ZR后光束就明显的衍射扩散。为了找到无衍射光束，人们做了许多努力。1983 年，J.N.Brittingham发现了一簇新的麦克斯韦波动方程的解，这簇解对应的波以光速传播，并且始终处于聚焦状态。这些解对应的波具有无限能量，只有理论意义而不能具体实现。1985 年，R.W.Ziolkowskl导出了另一组新的解，并证明该组解对应的波可以以有限能量用天线发出，后来在水中用声波演示了近似的无衍射波的传播。1987 年，J.Durnin等人发现了麦克斯韦波动方程的零阶贝塞尔(Bessel)函数形式的严格解，并在实验室中用简单光学系统和常规光学元件证明了此解所对应的波具有无衍射特性。至此，“无衍射”光束的概念正式提出。由于无衍射光的这些新颖的特性有着十分诱人的应用前景，国内外迅速掀起了对无衍射贝塞尔光束的研究热潮。许多学者对无衍射光束的物理性质、传输理论及其实现方法进行了深入研究。为了找到更好的无衍射光实现方法，人们付出了很多的努力。至今为止，无衍射光束的实现方法主要有：1985 年 J.Durnin提出的环缝法；1989年 A.Vasara提出的全息法；1992 年 A.Jcox等人提出的谐振腔法；1992 年G.Scott等人提出的 axicon（圆锥透镜）法；1992 年至 1994 年 R.M.Herman提出的球面像差法；2002 年李虎等人提出的偏转抛物镜法等。无衍射光束传播距离远且强度及尺寸稳定等特点与传统的高斯光束大为不同，可将其应用于激光大气通讯、宇宙飞船间能量传输和通讯、电磁波炮弹与子弹的实现、激光精密机械加工、精密测量等领域。无衍射光与激光三角法结合实现高精表面形貌测量，不仅测量范围大, 横向分辨率高，且结构简单，不需调焦。近期，国外还有将无衍射光发展为无衍射光阵列应用于光通信，以及将其应用于微粒操作方面的研究。但迄今为止，国内外还没有关于线性无衍射结构光的理论及实现方法方面的研究报道，更没有其应用研究的报道，因此我们必须加紧对这种新型无衍射光进行理论及应用研究。激光三角测量法中存在的问题:在长度、位移及表面形貌等几何量的非接触精密测量中，激光三角测量是一种常用的方法。其原理是，将激光束投射到被测物上，所形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像原理将收集到的漫反射光会聚到光接收器上形成像点。当入射光斑随被测物面移动时，像点在光接收器上作相应的移动，根据像移大小和系统结构参数可以确定被测物面的位移量或表面形貌等。激光三角测量按光接收器件分，可分为 PSD 模拟型和 CCD 数字型两类。若按入射光与被测物体间的角度分，可分为垂直型（只有漫反射，如图 1.1 所示）和正反射型（也含漫反射，如图 1.2 所示）两类。但无论那种方式，都存在共同的问题入射光束的焦深和测量速度的限制。 一般激光器输出的高斯光束准直范围（瑞利距离的2倍）较短，对表面形貌测量，横向分辨率与纵向测量范围无法同时满足测量要求。为扩展纵向测量范围，一般采用两种方法。一是用非离散位置传感器(PSD)作为光接收器以估计光斑中心位置，按此方法测量与光斑尺寸相对独立，可得到较好的纵向测量范围，但它只能得到较低的横向分辨率及测量精度，且被测表面细节的突变会导致错误的测量信息，因为光斑成像的中心已不是物体表面光斑的中心了。二是对入射光束精确调焦，如下图1.3中的聚焦器，即采用一套精密调焦机构，以保证在测量过程中被测物始终处于焦深范围内。这不仅使结构复杂化，而且影响了测量精度与速度。其次，现有的激光三角测量都是采用的点光束作为入射光，采用的是点扫描，测量速度很慢，无法满足大型工件表面形貌在线