第六章光技术

1、现代光学测试技现代光学测试技术术第六章 光扫描技术现代光学测试技现代光学测试技术术6-1 概述概述 光扫描技术是光扫描技术是70年代中期以后出现的一种新的动态计量年代中期以后出现的一种新的动态计量测试技术。它主要测试技术。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方法。这种技术适合于作精密自动计量与远距离计量，特别。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。近年来这适宜于对弹性体、柔性体、高温物体作精密测

2、量。近年来这种光导模技术发展很快，其主要原因是：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，）激光器的商品化，即价格大幅度降低，寿命大大增加，在产品上完在产品上完 全可能应用。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）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。生产与应用。 （3）体积下，作业效率高。）体积下，作业效率高。现代光学测试技现代光学测试技术术目前，从高精度的自动定位，面形检测，三维尺寸计量，目前，从高精度的自动定位，面形检测，三维尺寸计量，表面疵病检查一直到超级市场的自动售货都开始应用光扫表

3、面疵病检查一直到超级市场的自动售货都开始应用光扫描技术。随着电视技术，计算机技术的普及，光扫描技术描技术。随着电视技术，计算机技术的普及，光扫描技术有着更广阔的发展前景。有着更广阔的发展前景。本章按实用中的各种光扫描技术，即扫描计量技术、扫描定本章按实用中的各种光扫描技术，即扫描计量技术、扫描定位技术、表面特征扫描、调制扫描以及三维扫描等技术分位技术、表面特征扫描、调制扫描以及三维扫描等技术分别介绍其原理及工作特点。别介绍其原理及工作特点。现代光学测试技现代光学测试技术术 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

4、一种非接触的，动态的，可测定的几何尺寸的技术。这是一种非接触的，动态的，可测定远距（远距（1m1m）物体的光学技术。）物体的光学技术。6-2 激光扫描计量技术激光扫描计量技术激光器激光器扫描反射镜扫描反射镜物镜物镜被测工件被测工件接收物镜接收物镜光电器件光电器件放大器放大器信号处理器信号处理器显示器显示器现代光学测试技现代光学测试技术术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，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。把扫描的时间转换成物体尺寸。当当2 2按一定频率作摆动时，形成激光束的扫描运动，扫描光束按一定频率作摆动时，形成激光束的扫

5、描运动，扫描光束通过物镜通过物镜3 3后形成平行光，扫描被测工件后形成平行光，扫描被测工件4 4，然后由接收物镜，然后由接收物镜5 5，光电器件，光电器件6 6将扫描光信号转变成电信号，经放大器将扫描光信号转变成电信号，经放大器7 7，信，信号处理器号处理器8 8处理后，用显示器处理后，用显示器9 9显示被测物体显示被测物体4 4的尺寸。的尺寸。一、计量原理一、计量原理激光器激光器扫描反射镜扫描反射镜物镜物镜被测工件被测工件接收物镜接收物镜光电器件光电器件放大器放大器信号处理器信号处理器显示器显示器现代光学测试技现代光学测试技术术当扫描反射镜以当扫描反射镜以的角速度转动时，激光束的角扫描运动是

6、的角速度转动时，激光束的角扫描运动是扫描光束通过物镜扫描光束通过物镜3 3后，形成线扫描运动，扫描线速度是后，形成线扫描运动，扫描线速度是设被测件尺寸为设被测件尺寸为d d，则，则当已知当已知，测定，测定t，由式（，由式（6-1）就可求出）就可求出d。这就是光扫描计。这就是光扫描计量的基本关系式。量的基本关系式。tdhvdttftdtdhvtd2222dfdffdtdt一、计量原理一、计量原理现代光学测试技现代光学测试技术术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：求：（1 1）激光束应垂直照射被测表面；）激光束应垂直照射被

7、测表面；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，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。实现困难。所以一般不采用被测物体运动的方式。（3 3）扫描时间必须测得很准确。）扫描时间必须测得很准确。（2 2）光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即）光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即 常数；常数；dhvdt现代光学测试技现代光学测试技术术 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，另一种方法是在激光束的光路中加入旋转的光学元

8、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，如图时，就产生光束的扫描运动，如图6-2a)6-2a)所示。所示。2rtgy 反射镜摆动中心到物面的距离反射镜摆动中心到物面的距离反射镜转角反射镜转角此时，激光束在物面上的扫描长度此时，激光束在物面上的扫描长度y y和反射镜的转角和反射镜的转角成如下关系：成如下关系：现代光学测试技现代光学测试技术术式（式（6-26-2）说明，当反射镜以转速）说明，当反射镜以转速旋转时，激光束在物面上的旋转时，激光束在物面上的转动速度是非均匀的，即转动速度是非均匀的，即vv

9、常数。而且，除常数。而且，除o o点上光垂至于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。光扫描的前两点基本要求。采用图采用图6-2b6-2b）所示的光路，在转动反射镜后放置一个物镜系统，）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物面上各点均保持垂直投射，切使物面上的扫描长度y y与反与反射转角射转角保持线性关系，即保持线性关系，即2rtgy 2

10、fy式中：式中：f f为物镜焦距，为物镜焦距，为反射镜转角为反射镜转角 （6-3）现代光学测试技现代光学测试技术术0102sin2fy （6-4）对摆动式反射镜，设摆动的最大振幅为对摆动式反射镜，设摆动的最大振幅为00，则，则 tsin20式中：式中： 为扫描光束的转角。为扫描光束的转角。满足式（满足式（6-36-3）、（）、（6-46-4）式的物镜，必须保持特定的象差，主）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（要是用负畸变物镜，用象差来补偿而满足式（6-36-3）。）。满足式（满足式（6-36-3）的物镜称为）的物镜称为f-f-物镜；物镜；满足式（满足式（6

11、-46-4）的物镜称反正弦物镜。）的物镜称反正弦物镜。f-f-物镜用于等速旋转的反射镜系统，而反正弦物镜用于振子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。式反射镜系统。现代光学测试技现代光学测试技术术tsin0 （6-5） 二、二、f-f-物镜物镜这是与一般物镜设计不同的，专用于光扫描系统的物镜，其作用这是与一般物镜设计不同的，专用于光扫描系统的物镜，其作用是获得等速的光扫描运动，下面讨论是获得等速的光扫描运动，下面讨论f-f-物镜的设计：物镜的设计：（一）扫描物镜的理想像高（一）扫描物镜的理想像高如图如图6-36-3所示，设点光源为所示，设点光源为s s，旋转反射镜为，

12、旋转反射镜为m m，s s点经点经m m反射后的反射后的共轭像为共轭像为ss，s s点经物镜点经物镜l l成像后的像点为成像后的像点为s0s0。当反射镜。当反射镜m m作作旋转摆动，摆动特性是旋转摆动，摆动特性是式中：式中：为反射镜的转角；为反射镜的转角；00为反射镜摆动的最大振幅；为反射镜摆动的最大振幅；为摆动的角速度；为摆动的角速度；t t为摆动时间。为摆动时间。 现代光学测试技现代光学测试技术术 反射镜转动反射镜转动角时，镜像角时，镜像s移动到移动到s1，移动的圆弧半径，移动的圆弧半径为为r，光束相对于光轴的转角是，光束相对于光轴的转角是，则，则当当t0时，设光束的中心线在的扫描透镜时，

13、设光束的中心线在的扫描透镜l的光轴上，的光轴上，s经经扫描物镜扫描物镜l成像为扫描光点成像为扫描光点s0。为保证光扫描的正确性，光。为保证光扫描的正确性，光点点s0应等速移动，像高应等速移动，像高y的关系是的关系是式中：式中：k为与光学系统有关的扫描常数。为与光学系统有关的扫描常数。 将式（将式（6-6）代入式（）代入式（6-7），则），则当光束转角当光束转角很小时，则式（很小时，则式（6-8）可写成）可写成 tsin220tky)2(sin)(01ky)2(00limky (6-6) (6-7) (6-8) (6-9) 现代光学测试技现代光学测试技术术由图由图6-36-3所示的扫描系统，在扫

14、描物镜的成像面上，有所示的扫描系统，在扫描物镜的成像面上，有 )(lim0lrly(6-10) 式中：式中：l为扫描物前主点到镜像为扫描物前主点到镜像s的距离；的距离；l为扫描物镜后主点为扫描物镜后主点到成像面的距离。到成像面的距离。现代光学测试技现代光学测试技术术)(20lrlk)2(sin)(2010lrly)(lrly (6-11) (6-12) (6-13) 对照式（对照式（6-9）与式（）与式（6-10），则光学系统扫描常数），则光学系统扫描常数k为：为：将式（将式（611）代入式（）代入式（6-8），得等速扫描时扫描物镜的理想），得等速扫描时扫描物镜的理想像高像高y：当当很小，很小

15、，0很大时，式（很大时，式（6-12）成为）成为现代光学测试技现代光学测试技术术当采用图当采用图6-4所示的准直光所示的准直光学系统时，使学系统时，使flrl)(式中：式中：f为扫描物镜的焦距。为扫描物镜的焦距。因此，最后有因此，最后有 fy符合式（符合式（6-14）理想像高的物镜称）理想像高的物镜称f-物镜。当物镜。当0为有限值时，符为有限值时，符合式（合式（6-12）理想像高的扫描物镜称反正弦物镜。）理想像高的扫描物镜称反正弦物镜。f-物镜是最物镜是最常用的扫描物镜。常用的扫描物镜。 (6-14)现代光学测试技现代光学测试技术术100)(tgltglydist 畸变 (6-15) （二）扫

16、描物镜的畸变特性（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物镜的畸变这项象差由应用光学定义为式中：式中：yy为实际像高。为实际像高。v由高级象差理论，设由高级象差理论，设v, v, 分别是三级及五级畸变的象差系数，那么分别是三级及五级畸变的象差系数，那么 )(4)(50)(42tgvtgvdist(6-16)将式（将式（6-166-16），用像高），用像高yy来表示，则来表示，则)(81)(211 42tgtgvtgly(6-17)现代光学测试技现代光学测试技术术式中的式中的tg，由图，由图6-3看出，它与光束偏转角看出，它与光束偏转角的关系为的关系为式中式中将式（将式（6-1

17、8）代入式（）代入式（6-17），则），则式（式（6-19）是实际像高公式。如果将理想像高的公式（）是实际像高公式。如果将理想像高的公式（6-12）中的）中的按级数按级数 展开，则式展开，则式（6-12）可以写成）可以写成tgtg1rl)()(81)()(211 )(4422tgvlrtgvlrtglrly53)(51)(31tgtgtg51)21(61)21(403) 181(311)(4204020tgtgtglrly (6-18) (6-19)(6-20)现代光学测试技现代光学测试技术术51)21(61)21(403)(8) 181()(322040422rlvrlv51)21(61)2

18、1(403 831)21(61 2204020vv(6-21) (6-22)式（式（6-216-21）就是获得等速光扫描时，扫描物镜的理想畸变特性。）就是获得等速光扫描时，扫描物镜的理想畸变特性。当扫描系统如图当扫描系统如图6-46-4所示，用半导体激光器作为光源，用准所示，用半导体激光器作为光源，用准直物镜工作，这时是直物镜工作，这时是r r，l l的情况。对式（的情况。对式（6-216-21）则）则有：有：对照式（对照式（6-196-19）与式（）与式（6-206-20），为获得等速扫描，使），为获得等速扫描，使yy= =yy，则必须：则必须：现代光学测试技现代光学测试技术术上式中振幅上式

19、中振幅00与与v v, , 的关系，如图的关系，如图6-56-5所示。当所示。当00相当大，而且反相当大，而且反射镜作等速旋转时，射镜作等速旋转时，f-f-物镜的物镜的畸变象差系数畸变象差系数v v与与 值应该是值应该是vv5832vv (6-23)将式（将式（6-236-23）代入式（）代入式（6-226-22），就可求得实现等速光扫描），就可求得实现等速光扫描时允许的反射镜振幅为时允许的反射镜振幅为)(2900度（6-24）现代光学测试技现代光学测试技术术 对一般物镜系统，在三级象差情况下，畸变的象差系数对一般物镜系统，在三级象差情况下，畸变的象差系数其理论值应该其理论值应该v v0 0。

20、按上述讨论，为获得等速的光扫。按上述讨论，为获得等速的光扫描，不同的描，不同的00应有不同的畸变值，如图应有不同的畸变值，如图6-66-6所示。而所示。而f-f-物镜相对于物镜相对于00时，畸时，畸变为负值的物镜变为负值的物镜系统。系统。现代光学测试技现代光学测试技术术在进行高速扫描时，必须研究扫描光束的效率，从分辨率的在进行高速扫描时，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。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。因此光学系统的匹配就很重要。三、光学系统的匹配三、光学系统的匹配按光扫描的装置原理，按光扫描的装置

21、原理，有两种基本形式：有两种基本形式： （1 1）旋转反射镜置于光学系统的后方，称为）旋转反射镜置于光学系统的后方，称为后置扫描后置扫描。光。光路原理示于图路原理示于图6-7a6-7a） （2 2）旋转反射镜置于光学系统的前方，称为）旋转反射镜置于光学系统的前方，称为前置扫描前置扫描，光，光路示于图路示于图6-7b6-7b）。）。后置扫描后置扫描前置扫描前置扫描图图6-76-7光扫描的两种基本形式光扫描的两种基本形式现代光学测试技现代光学测试技术术dln (6-25)目前大多数采用前置扫描的形式。设光束扫描的长度为目前大多数采用前置扫描的形式。设光束扫描的长度为l l，扫描光束的光斑直径为扫描

22、光束的光斑直径为d d，那么，扫描分辨率，那么，扫描分辨率n n的定义是的定义是对激光来说，高斯光束的束腰直径是对激光来说，高斯光束的束腰直径是)4(1 220202dxdd (6-26)式中：式中：d d为距束腰中心为距束腰中心x x处的光束直径；处的光束直径；d0d0为初始激光束的束腰直径。为初始激光束的束腰直径。式（式（6-266-26）其符号意义示于图）其符号意义示于图6-86-8。图图6-86-8激光的光斑计算激光的光斑计算现代光学测试技现代光学测试技术术)4(1 220 xdxrfanud4)(220 (6-27)xfxr24216可以导出：可以导出：式中：式中：n.an.a为激光

23、束的数值孔径；为激光束的数值孔径；f f为激光束相对孔径的倒数，为激光束相对孔径的倒数，即即f f数。数。对不同的对不同的f f数，得表数，得表6-1.6-1.当当 =0.633m(he-ne=0.633m(he-ne激光激光),x=200mm),x=200mm时有时有说明说明f f数大于数大于100100，则（，则（r rx x）值急剧增大，对应平面波失真越小。）值急剧增大，对应平面波失真越小。因此，对激光扫描系统，一般取因此，对激光扫描系统，一般取f f100100为好。为好。现代光学测试技现代光学测试技术术激光束经过扫描系统后的光斑直径，由式（激光束经过扫描系统后的光斑直径，由式（6-2

24、76-27），即），即sfdfd27. 127. 10(6-28)式中：式中：为激光束波长；为激光束波长；f f为扫描物镜的焦距；为扫描物镜的焦距； fsfs为扫描物镜的焦距与激光束腰直径的比数。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 的直径是的直径是dfkdfkd (6-29)式中：式中：f f为扫描物镜的焦距；为扫描物镜的焦距；d d为扫描物镜的口径；为扫描物镜的口径； fdfd为扫描物镜的为扫描物镜的f f数。数。 由式（由式（6-286-28）及式（）及式（6-296-29），使），

25、使d d相等，在相等，在 时，则有时，则有2/0dd)(27. 10ddk 现代光学测试技现代光学测试技术术实际的扫描系统，更多的是采用多面体的旋转扫描，如图实际的扫描系统，更多的是采用多面体的旋转扫描，如图6-96-9所。所。这时，扫描长度为这时，扫描长度为02fl 式中：式中：00为多面体的面角；而为多面体的面角；而式中：式中：n n为多面体的面数，一般为多面体的面数，一般n n6 62424。 采用多面体扫描的优点采用多面体扫描的优点扫描物镜的扫描物镜的f f可以小，从而获得小的亮斑，提高扫描分辨率。可以小，从而获得小的亮斑，提高扫描分辨率。n20(6-30)现代光学测试技现代光学测试技

26、术术四、球面镜扫描系统四、球面镜扫描系统最近研究了在激光扫描系统中加一个与入射光束成倾斜角度的球最近研究了在激光扫描系统中加一个与入射光束成倾斜角度的球面反射镜，可获得最佳面反射镜，可获得最佳f-f-线性及光斑尺寸线性及光斑尺寸 在光扫描系统中光学象差造成扫描速度的变动以及光斑大小的在光扫描系统中光学象差造成扫描速度的变动以及光斑大小的变化。扫描速度改变是尺寸计量的主要误差因素，而光斑尺变化。扫描速度改变是尺寸计量的主要误差因素，而光斑尺寸变化造成光强偏差，这是检测物体表面造成不可靠的主要寸变化造成光强偏差，这是检测物体表面造成不可靠的主要原因。原因。利用利用f-f-物镜来修正补偿扫描速度的变

27、动物镜来修正补偿扫描速度的变动，以及选择，以及选择f-f-透镜的参数来改善光斑尺寸的偏差透镜的参数来改善光斑尺寸的偏差是一种方法，但是一种方法，但f-f-物镜结构比较复杂，为简化结构可采用反射球面或非球面的物镜结构比较复杂，为简化结构可采用反射球面或非球面的扫描系统。扫描系统。现代光学测试技现代光学测试技术术 图图6-106-10是球面反射是球面反射扫描方式的光路扫描方式的光路原理图。图中原理图。图中a a）是抛物反射镜扫是抛物反射镜扫描方式。当反射描方式。当反射镜与扫描反射镜镜与扫描反射镜之 间 距 离 为之 间 距 离 为0.6650.665f f（f f是抛物是抛物反射镜的焦距）反射镜的

28、焦距）时，得到很好的时，得到很好的f-f-线性。线性。同时，在扫描面上得到补偿，使弥散斑直径趋近于零。同时，在扫描面上得到补偿，使弥散斑直径趋近于零。现代光学测试技现代光学测试技术术更通常的是图更通常的是图6-106-10b b）及）及c c）的凹面）的凹面反射镜扫描系统。这时的反射镜扫描系统。这时的f-f-线线性最佳条件是扫描反射镜与球面性最佳条件是扫描反射镜与球面反射镜之间距离为反射镜之间距离为0.50.5f f。f f为球面为球面镜的焦距。要光斑的弥散圆最小，镜的焦距。要光斑的弥散圆最小，则扫描反射镜与球面镜之间距离则扫描反射镜与球面镜之间距离应为应为0.80.8f f。图图6-10b6

29、-10b）是利用球面反射镜的边缘）是利用球面反射镜的边缘部分来工作，而图部分来工作，而图c c）是用球面镜）是用球面镜中心部分工作的方案。中心部分工作的方案。下面介绍球面镜扫描系统的基本特性，即扫描光点位置与下面介绍球面镜扫描系统的基本特性，即扫描光点位置与f-f-的线性关系以及弥散斑直径的计算方法。的线性关系以及弥散斑直径的计算方法。现代光学测试技现代光学测试技术术首先讨论球面为对称时的情况，如图首先讨论球面为对称时的情况，如图6-11a6-11a）所示。）所示。1 1、扫描光点位置与、扫描光点位置与f-f-的线性的线性现代光学测试技现代光学测试技术术2rrrz56342512644frfr

30、frz(6-31)(6-32)设球面半径为设球面半径为r r，则圆方程式是，则圆方程式是式中：式中：r r为扫描光点在球面镜上的位置距球面镜顶点为扫描光点在球面镜上的位置距球面镜顶点（图中（图中o o点）的记录。点）的记录。设球面镜焦距为设球面镜焦距为f,f,则则r=2fr=2f，代入式，代入式(6-31)(6-31)后再展开，则有后再展开，则有式（式（6-326-32）右边第一项是焦距为）右边第一项是焦距为f f的抛物面方程式，加上第二的抛物面方程式，加上第二项以下就是球面镜方程式。当项以下就是球面镜方程式。当f f350mm350mm，r r=70mm=70mm，1111时，第二项与第一项

31、比较仅占第一项的时，第二项与第一项比较仅占第一项的0.250.25，约，约83m83m。而第三项与第一项比，占而第三项与第一项比，占0.001250.00125，约，约0.04m0.04m左右。因此，左右。因此，在在r/fr/f=0.2=0.2时，第三项完全可以略去。时，第三项完全可以略去。现代光学测试技现代光学测试技术术对球面镜就可使用下式对球面镜就可使用下式ctgrkfzpp(6-33)图图6-11b6-11b）是扫描时的情况，）是扫描时的情况，p p点点是扫描光点的球面镜上的位置，是扫描光点的球面镜上的位置，q q点是经球面反射镜反射后在点是经球面反射镜反射后在扫描平面上的光点。在平面扫

32、描平面上的光点。在平面aoraor内，内，p p点的坐标点的坐标zpzp可写成可写成(6-34)式中：式中： k k为比例系数，为比例系数， ，是球面反射镜距旋转反，是球面反射镜距旋转反射镜中心的距离。射镜中心的距离。;oakf 10 k)161 (4222frfrz现代光学测试技现代光学测试技术术 (6-35)q q点的坐标点的坐标rqrq，由下式给出，由下式给出式中：式中：pp为切线角，即球面镜上为切线角，即球面镜上p p点在点在r r方向上的切线与方向上的切线与r r轴的轴的夹角；（夹角；（2p2p）为反射角，是反射光与）为反射角，是反射光与z z轴的夹角。轴的夹角。)2()(pppqt

33、gzfrr由式（由式（6-336-33）可求）可求pp角：角：33162frfrdrdztgppp(6-36)由以上的基本关系式（由以上的基本关系式（6-336-33）、式（）、式（6-346-34）、式（）、式（6-356-35）可看出）可看出 影响影响f-f-线性的参数关系，线性的参数关系，现代光学测试技现代光学测试技术术 为获得与参数值为获得与参数值f无关的计算公式，我们用歪曲量无关的计算公式，我们用歪曲量，的定的定义是义是式中：式中：xq（1）表示）表示1时的时的xq值，式（值，式（6-37）表示线性）表示线性畸变量是以畸变量是以xq（1）的直线作为基准而定义的。用的直线作为基准而定义

34、的。用f350mm的参数来计算，得到如下结论：的参数来计算，得到如下结论： )(100)1 ()1 ()(qqqxxx(6-37)(1) -k(1) -k特性特性 当当k k为变数时，为变数时，001010，1212，2020时，时，00的条件是：，对球面的条件是：，对球面镜镜k0.50k0.50，对抛物面，对抛物面k k0.660.66。如图。如图6-6-12a)12a)所示。所示。球面反射镜球面反射镜抛物面反射镜抛物面反射镜现代光学测试技现代光学测试技术术(2)-0(2)-0特性特性 当当0015015015时的球面镜或抛时的球面镜或抛物面反射镜其物面反射镜其f-f-线性急线性急剧剧 恶化

35、不能使用。如图恶化不能使用。如图6-12b6-12b）所示。）所示。扫描特征曲线扫描特征曲线现代光学测试技现代光学测试技术术(3) -(3) -特性特性 如图如图6-12c6-12c）所示，对）所示，对称球面镜称球面镜k k0.660.66，0.850.85，对，对抛面镜抛面镜k k0.850.85，1.01.0时时-急剧增加，急剧增加，f-f-线性变坏，所线性变坏，所以对球面镜以对球面镜k k0.500.50，1616时为最佳，这时的线性保时为最佳，这时的线性保持在持在 0.0010.001。 归纳上述，对球面镜归纳上述，对球面镜f-f-线性良好的使用条件是：线性良好的使用条件是：k k0.

36、50.5，015015。 20202020。现代光学测试技现代光学测试技术术由于扫描时镜面对入射光轴中有相对倾斜，这样像散等象差就产由于扫描时镜面对入射光轴中有相对倾斜，这样像散等象差就产生椭圆这种非圆形的弥散斑。其半径和方向随球面镜的位置参数生椭圆这种非圆形的弥散斑。其半径和方向随球面镜的位置参数而变化。图而变化。图6-136-13是求弥散斑的坐标图。是求弥散斑的坐标图。 2 2、弥散斑直径、弥散斑直径现代光学测试技现代光学测试技术术光束直径的光束直径的d,扫描反射镜的中心扫描反射镜的中心a的坐标是的坐标是kf（0fzp.f。r r为负，表示为负，表示j j点点在扫描平面之前，即在扫描平面之

37、前，即zpzp f f。qqrrr(6-39)式式(6-38)(6-39)说明，弥散斑直径与球面镜的说明，弥散斑直径与球面镜的f以及光束直径以及光束直径d有关。有关。表表6-2是当球面反射镜系统参数为是当球面反射镜系统参数为k0.81，010，12，d7mm时的计算结果。时的计算结果。现代光学测试技现代光学测试技术术图图6-14是弥散斑大小是弥散斑大小r与扫描系统参数的关系曲线。从图中与扫描系统参数的关系曲线。从图中a）的曲线上看出：的曲线上看出：r0的最佳扫描条件是的最佳扫描条件是0时时k.82。所以所以k0.81不可能获得不可能获得r接近于零的扫描系统，这时弥散接近于零的扫描系统，这时弥散

38、斑直径约为斑直径约为510m左右。从图中左右。从图中b）的曲线看出，）的曲线看出，r0的最佳扫描条件是的最佳扫描条件是k0.83。现代光学测试技现代光学测试技术术 图图6-15是一个实际是一个实际的球面镜扫描系统，用的球面镜扫描系统，用于测定铁路电气机车架于测定铁路电气机车架空电缆线直径的装置。空电缆线直径的装置。根据实验，实测的扫描光根据实验，实测的扫描光点尺寸要比理论计算大点尺寸要比理论计算大1.31.3倍左右。由于扫描光倍左右。由于扫描光点在激光下呈高斯分布，点在激光下呈高斯分布，如果遮去外围的如果遮去外围的1010左左右的能量，即光点尺寸右的能量，即光点尺寸缩小缩小.78.78倍时，还

39、有倍时，还有9090的光能留在光点上。的光能留在光点上。现代光学测试技现代光学测试技术术光扫描系统的关键部件是扫描器件。目前用于光扫描系统的光扫描系统的关键部件是扫描器件。目前用于光扫描系统的扫描器，主要有如下四种形式：扫描器，主要有如下四种形式：五、扫描器件五、扫描器件1.1.多面体扫描器多面体扫描器利用多面体（利用多面体（6 61212面）的转动来形成扫描，面）的转动来形成扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；2.2.振子扫描器振子扫描器利用振子在磁场下的摆动来形成扫描，扫描角利用振子在磁场下的摆动来形成扫描，扫描角1515。

40、3.3.声光偏转器声光偏转器利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大一般描，声光偏转器的扫描角不大一般3 3左右。左右。4.4.压电扫描器压电扫描器这时利用最新发展起来的利用逆压电效应产生这时利用最新发展起来的利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器，具有无擦、无磨损。无间隙的特点，特摆动的新型扫描器，具有无擦、无磨损。无间隙的特点，特别适合于冷环境（别适合于冷环境（100k100k）下实现扫描，浙江大学光科学可）下实现扫描，浙江大学光科学可提供此种器件。提供此种器件。现代光学测试技现代光学测试技术术 六、应用六、应用激光扫描计量技术

41、的主要应用是对弹性体、运动体以及高温物激光扫描计量技术的主要应用是对弹性体、运动体以及高温物体进行精密的非接触测量，同时对其他各种自动生产线上的体进行精密的非接触测量，同时对其他各种自动生产线上的工件或远距离目标也可作快速的自动测量。工件或远距离目标也可作快速的自动测量。( (一一) )光点扫描式光点扫描式 光点扫描式是利用光点扫描式是利用光能很集中的光点，光能很集中的光点，高速扫描工件，用填高速扫描工件，用填脉冲的方法来测定物脉冲的方法来测定物体尺寸，其原理示于体尺寸，其原理示于图图6-166-16。现代光学测试技现代光学测试技术术15mw左右的左右的he-ne激光器经两个反射镜激光器经两个

42、反射镜m1，m2后以锐角入射后以锐角入射到多面体上。用锐角入射是为了减少多面体反射点变动带来的到多面体上。用锐角入射是为了减少多面体反射点变动带来的误差。误差。图中图中1激光器，激光器，2同步马达，它带动多面体同步马达，它带动多面体3作旋转，形成作旋转，形成光束的扫描。光束的扫描。多面体一般采用多面体一般采用8面体面体 ，这样与同步马达一转，得到，这样与同步马达一转，得到8次光扫次光扫描。描。f-透镜是透镜是4，形成等速扫描运动。当，形成等速扫描运动。当f85mm时光点大小时光点大小约为约为0.05mm。5是被测工件，扫描的平行光经会聚透镜是被测工件，扫描的平行光经会聚透镜6会聚，在其焦点上会

43、聚，在其焦点上放置针孔二极管或其他光电器件放置针孔二极管或其他光电器件7，得到扫描讯号的输出。在，得到扫描讯号的输出。在这种参数条件下输出的电讯号，最大幅值约这种参数条件下输出的电讯号，最大幅值约80mw。经前置放大器经前置放大器8增幅增幅100倍左右，就可以送到比较器倍左右，就可以送到比较器9上，用数上，用数字电路完成测量与显示。字电路完成测量与显示。现代光学测试技现代光学测试技术术图中图中1010门电路，门电路，1111计数电路，计数电路，1212数字显示器，数字显示器，1313时时钟脉冲发生器，钟脉冲发生器，1414同周期正弦讯号发生器，同周期正弦讯号发生器，1515功率放功率放大器，用

44、于控制同步马达的旋转。大器，用于控制同步马达的旋转。为保证测量精度，克服激光扫描为保证测量精度，克服激光扫描时由于光束直径时由于光束直径d d所产生的半所产生的半影影响，如图影影响，如图6-176-17所示。所示。现代光学测试技现代光学测试技术术由于半影而形成由于半影而形成tftf及及tr,tr,当激光束光强有强弱变化时，由于当激光束光强有强弱变化时，由于比较器比较器9 9的比较电平恒定，这样脉冲宽度的比较电平恒定，这样脉冲宽度t0t0就因半影位置就因半影位置而发生变动，引入测量误差。图而发生变动，引入测量误差。图6-176-17表示激光束光强变弱表示激光束光强变弱时，由于半影现央，则可避免象

45、被测尺寸将变为时，由于半影现央，则可避免象被测尺寸将变为t0t0。如。如果在存储器中加入一个峰值电压电路，使比较器中比较电果在存储器中加入一个峰值电压电路，使比较器中比较电平自动保持在比较器振幅的中央，则可避免引入误差。平自动保持在比较器振幅的中央，则可避免引入误差。此装置实践证明，当激光输出衰减此装置实践证明，当激光输出衰减1/3,1/3,仍能保持对扫描测量仍能保持对扫描测量没有影响。测定时间约没有影响。测定时间约0.2s0.2s。 现代光学测试技现代光学测试技术术表表6-3列出三种光点扫描测径仪的主要技术特性，供参考。列出三种光点扫描测径仪的主要技术特性，供参考。表表6-4列出了光点扫描计

46、量的主要用途列出了光点扫描计量的主要用途.现代光学测试技现代光学测试技术术这是一种低成本的光扫描计量方法，主要原理是利用反射镜这是一种低成本的光扫描计量方法，主要原理是利用反射镜的摆动来形成光束的扫描。反射镜的摆动可以通过振子、音的摆动来形成光束的扫描。反射镜的摆动可以通过振子、音叉振动等形成。图叉振动等形成。图6-18是音叉振动式的光路原理。是音叉振动式的光路原理。 ( (二二) ) 摆动反射式摆动反射式激光器（激光器（he-nehe-ne）扩束系统扩束系统音叉音叉反正弦物镜反正弦物镜会聚透镜会聚透镜光电器件光电器件振动频率为振动频率为5khz5khz刀口装置刀口装置固定线径固定线径现代光学

47、测试技现代光学测试技术术测量框图如图测量框图如图6-196-19所示。图所示。图6-186-18中中7 7是固定线径。是固定线径。8 8是刀口装置，是刀口装置，用于形成参考讯号。这部分除作为扫描中心的基准，获得被用于形成参考讯号。这部分除作为扫描中心的基准，获得被测件的位置讯号外，固定线径测件的位置讯号外，固定线径7 7的作用还是一个连续的反馈，的作用还是一个连续的反馈，用于校正反正弦物镜的球差，改正参考讯号的波形。用这种用于校正反正弦物镜的球差，改正参考讯号的波形。用这种原理设计的激光测径仪，测量范围是原理设计的激光测径仪，测量范围是1 15mm5mm，扫描频率，扫描频率1000r/s100

48、0r/s，重复性达到，重复性达到0.010.01，即稳定度在，即稳定度在0.005mm0.005mm左右。左右。如果利用电流计或示波器中的振子来形成反射镜的摆动扫描，如果利用电流计或示波器中的振子来形成反射镜的摆动扫描，更适合于生产，精度在更适合于生产，精度在1 1以内。以内。现代光学测试技现代光学测试技术术 图图6-20是利用反射镜摆动扫描设计的断面自动测量仪原是利用反射镜摆动扫描设计的断面自动测量仪原理图，用于轧钢时在压延机上测量轴向连续给进的圆棒直径。理图，用于轧钢时在压延机上测量轴向连续给进的圆棒直径。这种断面自动测量仪在测定这种断面自动测量仪在测定110180的直径时，测定误差的直径

49、时，测定误差为为3040m。现代光学测试技现代光学测试技术术takd(6-40)图中图中a)la)l是激光器，是激光器，m m是摆动的反射镜，它绕是摆动的反射镜，它绕f f点作垂直纸面的等点作垂直纸面的等速摆动速摆动,f,f点是平行光管物镜点是平行光管物镜cl1,cl2cl1,cl2的焦点位置，的焦点位置，p1p1，p2p2是是光电元件，它们处在聚光透镜光电元件，它们处在聚光透镜cl1,cl2cl1,cl2的焦点上。的焦点上。cl1cl1与与cl2cl2的光轴保持平行，被测件为的光轴保持平行，被测件为，当扫描时，当扫描时，p1p1与与p2p2就获就获得两个输出信号得两个输出信号s1s1与与s2

50、s2（图（图6-20b6-20b），），s1s1是断面上顶点的时是断面上顶点的时间信号，间信号，s2s2是断面下顶点的时间信号，用时间脉冲来计数，是断面下顶点的时间信号，用时间脉冲来计数，测量脉冲的总数，并用测量脉冲的总数，并用t t表示，则断面直径表示，则断面直径dd可用下式表可用下式表示示式中：式中：k k为两光轴间隔；为两光轴间隔；a a为光束扫描速度与时间脉冲频率间为光束扫描速度与时间脉冲频率间的比数。的比数。现代光学测试技现代光学测试技术术式（式（6-406-40）中）中a a前面的符号由前面的符号由t2t2，t3t3的顺序来决定，的顺序来决定，t2t3t2t3为正，相反则取负号。为

51、消除被检工件在光束中的移动影为正，相反则取负号。为消除被检工件在光束中的移动影响，测定是在响，测定是在1 1秒内作秒内作25253030次扫描，生产线上轴向连续次扫描，生产线上轴向连续给进后，处理数据由平均结果显示，以提高精度。这种方给进后，处理数据由平均结果显示，以提高精度。这种方法的特点是被测物即使在光束中移动也不会影响测定值。法的特点是被测物即使在光束中移动也不会影响测定值。现代光学测试技现代光学测试技术术这是利用激光照射单缝或细丝形成的衍射条纹，然后用同步这是利用激光照射单缝或细丝形成的衍射条纹，然后用同步马达带动转镜得到光扫描，按式（马达带动转镜得到光扫描，按式（5-275-27）或

52、式（）或式（5-295-29）来）来自动获得尺寸的计量方法。其原理示于图自动获得尺寸的计量方法。其原理示于图6-216-21。( (三三) )衍射扫描式衍射扫描式激光器激光器被测工件被测工件转动反射镜转动反射镜马达马达狭缝光阑狭缝光阑光电器件光电器件信号处理及显示器信号处理及显示器限制接收光束宽度，限制接收光束宽度，用于确定衍射条用于确定衍射条纹的中心位置。纹的中心位置。现代光学测试技现代光学测试技术术trd当亮条纹通过狭缝时，光电器件产生相应的脉冲信号，两个当亮条纹通过狭缝时，光电器件产生相应的脉冲信号，两个脉冲信号之间的时间就代表衍射条纹的间隔脉冲信号之间的时间就代表衍射条纹的间隔t t，

53、因此，转镜，因此，转镜的光扫描就将衍射条纹的间隔转换为时间信号，用高频时的光扫描就将衍射条纹的间隔转换为时间信号，用高频时钟脉冲来计量时间间隔，按式（钟脉冲来计量时间间隔，按式（5-275-27），则工件尺寸为），则工件尺寸为式中：式中：r=r1+r2,r=r1+r2,即被测件到即被测件到狭缝面的距离。狭缝面的距离。当用转镜扫描衍射条纹，则工件尺当用转镜扫描衍射条纹，则工件尺寸计算公式是寸计算公式是(6-41)1dkt仪器常数仪器常数脉冲的计数值脉冲的计数值仪器常数仪器常数k k可按下可按下列方法推导出来。列方法推导出来。现代光学测试技现代光学测试技术术由图由图6-22a6-22a）所示，设狭

54、缝到被测工件的距离为）所示，设狭缝到被测工件的距离为21rrr转镜转动转镜转动角时，在狭缝位置上对应一个条纹移动量是角时，在狭缝位置上对应一个条纹移动量是22 rt现代光学测试技现代光学测试技术术一个衍射条纹对应的工件尺寸是一个衍射条纹对应的工件尺寸是设同步马达的转速为设同步马达的转速为n n（r/sr/s），则转动），则转动角所需时间为角所需时间为将式（将式（6-43）的）的2n代入式（代入式（6-42），则），则故仪器常数：故仪器常数：tktnrrrd14)(221nt2(6-43)2214)(nrrrk(6-44)2212)(rrrtrd(6-42)现代光学测试技现代光学测试技术术激光器

55、激光器低倍扩束物镜低倍扩束物镜透镜透镜焦平面焦平面物镜物镜光阑光阑光电列阵光电列阵运算处理电路运算处理电路数字显示器数字显示器同步马达同步马达圆板圆板衍射扫描的另一种方案是衍射扫描的另一种方案是狭缝扫描调制式狭缝扫描调制式，其原理示于图，其原理示于图6-236-232 2是低倍扩束物镜，用平行光照射被测细丝或薄片是低倍扩束物镜，用平行光照射被测细丝或薄片3 3，通过透镜，通过透镜4 4，在焦平面，在焦平面5 5上形成远场条纹。此衍射图由物镜上形成远场条纹。此衍射图由物镜6 6放大，经放大，经固定光阑固定光阑8 8成像于光电列阵成像于光电列阵9 9上，光讯号经运算处理电路上，光讯号经运算处理电路

56、1010后后由数字显示器由数字显示器1111显示。显示。现代光学测试技现代光学测试技术术同步马达同步马达1212带动圆板带动圆板7 7转动，圆板上缝宽为转动，圆板上缝宽为50m50m的狭缝，狭缝的狭缝，狭缝位置对称于固定光阑的开孔，经物镜位置对称于固定光阑的开孔，经物镜6 6放大后的中心亮条纹放大后的中心亮条纹和特定级次的亮条纹通过旋转圆板的狭缝和固定光阑开孔和特定级次的亮条纹通过旋转圆板的狭缝和固定光阑开孔而照射到光电列阵而照射到光电列阵9 9上。因此，得到一定时间间隔的信号调上。因此，得到一定时间间隔的信号调制，狭缝扫描的距离相应于衍射图象的距离制，狭缝扫描的距离相应于衍射图象的距离xnx

57、n。用标准尺。用标准尺寸的计数脉冲来固定寸的计数脉冲来固定xn,xn,当工件当工件3 3的尺寸有变化，变化，计的尺寸有变化，变化，计数脉冲位置变化，这就可以挑选合格品。利用运算电路数脉冲位置变化，这就可以挑选合格品。利用运算电路1010还可以确定尺寸的偏差值。还可以确定尺寸的偏差值。固定光阑只允许特定级次的衍射亮条纹通过，一般取二级固定光阑只允许特定级次的衍射亮条纹通过，一般取二级或三级亮条纹。或三级亮条纹。现代光学测试技现代光学测试技术术测量时由于中心零级亮条纹光强过大，必须在中心亮条纹光测量时由于中心零级亮条纹光强过大，必须在中心亮条纹光路中加入减光器，使两个信号大小接近相等。此方案由于采

58、路中加入减光器，使两个信号大小接近相等。此方案由于采用望远镜系统扩束并通过透镜聚焦，因此，生产线上工件用望远镜系统扩束并通过透镜聚焦，因此，生产线上工件3上上下摆动下摆动0.3mm时，衍射条纹不会移动，同时在光轴方向上，时，衍射条纹不会移动，同时在光轴方向上，即使有即使有23mm的移动，衍射条纹也不会移动，也就是说工件的移动，衍射条纹也不会移动，也就是说工件位置变动不导入测量误差。实际证明对位置变动不导入测量误差。实际证明对30m的线径测量时，的线径测量时，可达可达0.05m的精度。的精度。 对尺寸大于对尺寸大于5mm以上的工件，要提高光扫描的计量精度，以上的工件，要提高光扫描的计量精度，就必

59、须采用位相调制扫描技术。就必须采用位相调制扫描技术。现代光学测试技现代光学测试技术术6-3 6-3 相位调制扫描技术相位调制扫描技术 提高激光扫描测量的精度到微米级时，必须把扫描的时间测量提高激光扫描测量的精度到微米级时，必须把扫描的时间测量改变成扫描的位相测量，位相扫描法是提高测量精度的主要改变成扫描的位相测量，位相扫描法是提高测量精度的主要方法。归纳起来，从位相测量的角度，光扫描方法主要分两方法。归纳起来，从位相测量的角度，光扫描方法主要分两种：种：二、外差扫描法二、外差扫描法2. 2. 扫描外差装置扫描外差装置1. 1. 外差扫描原理外差扫描原理一、光调制扫描法一、光调制扫描法1. 1.

60、 空间调制光束的产生空间调制光束的产生2. 2. 测量信号的产生测量信号的产生现代光学测试技现代光学测试技术术 提高激光扫描计量精度的主要方法是克服工件边缘的衍提高激光扫描计量精度的主要方法是克服工件边缘的衍射线性。衍射在工件尺寸大于射线性。衍射在工件尺寸大于2mm以上时，使被测边界模以上时，使被测边界模糊，用时间脉冲计数时，必须引入误差，使光点扫描法的精糊，用时间脉冲计数时，必须引入误差，使光点扫描法的精度限制在度限制在0.01mm左右。所谓光调制法，就是不测时间而左右。所谓光调制法，就是不测时间而测位相，即不用光点来扫描工件，而用空间调制光束来扫描测位相，即不用光点来扫描工件，而用空间调制