激光掃描相位邊緣檢測方法的研究

1、第25卷第6期2001年12月激光技術(shù)LASERTECHNOLOGYVol.25,No.6December,2001激光掃描相位邊緣檢測方法的研究張南洋生楊坤濤(華中科技大學(xué)光電子工程系,武漢,430074)摘要:在激光掃描檢測技術(shù)中,。討論了一種新的邊緣檢測方法,即對(duì)掃描激光束進(jìn)行調(diào)制,信號(hào)。關(guān)鍵詞:激光掃描相位邊緣檢測RmeasurementNanyangsheng,YangKuntaoofOptoelectricalEngineering,HUST,Wuhan,430074)Abstract:Thesystemprecisionisdirectlyaffectedbythesamplee

2、dgemeasurementprecisioninlaserscanningmeasuringtechnology.Anewmethodisproposedtodetecttheedgethroughmodulatingscanninglaserbeamandpickingupthephasereversalofthedetectionsignalastheedgesignal.Basedonthemethod,theedgemeasurementprecisioncanbeimprovedlessthanonemicron.Keywords:laserscanningphaseedgemea

3、surement引言隨著工業(yè)的飛速發(fā)展,高精度工件直徑的光電自動(dòng)測控在許多行業(yè)成為關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)也出現(xiàn)了許多測徑方法,大致可分為激光掃描15、衍射干涉條紋68、激光2CCD成像912等。在國內(nèi)外這些現(xiàn)有的測量方法中,對(duì)于測量范圍在1mm至幾十毫米的多采用激光掃描或激光m量級(jí);而精度在1m量級(jí)的多采用干涉衍射條紋的方2CCD成像的方法,測量精度達(dá)到10法,但測量范圍大多不超過1mm。國外在90年代形成了系列產(chǎn)品,其中美國LaserMike公司和Zygo公司較為著名。國內(nèi)則以研究單位為使用廠家分別研制為主。在測徑技術(shù)中,工件邊緣的檢測是至關(guān)重要的。國內(nèi)外各種直徑檢測技術(shù)的邊緣檢測常采用半光強(qiáng)檢測1

4、3或者CCD成像檢測。但要實(shí)現(xiàn)在大的量程內(nèi)高精度測量,現(xiàn)有的邊緣檢測方法是難以達(dá)到的。故有必要研究一種將激光掃描技術(shù)和相位邊緣檢測方法相結(jié)合的高精度邊緣檢測方法。1激光掃描相位邊緣檢測原理相位邊緣檢測是以經(jīng)過調(diào)制有一定光斑圖形的激光束掃過待測工件的邊緣,通過光強(qiáng)的相位突變實(shí)現(xiàn)對(duì)工件邊緣的精確定位,從而實(shí)現(xiàn)高精度的測量。可以采用線性光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束光強(qiáng)的調(diào)制14。應(yīng)用邊緣相位檢測方法的激光掃描直徑測量原理如圖1所示。圖1中經(jīng)調(diào)制后的激光束,先經(jīng)一個(gè)偏振分光鏡1分成兩束,則這兩束光的光強(qiáng)分別為:(1)Ix=i×(1+sint)Iy=i×(1-sint)式中,是調(diào)制頻率,i是

5、未經(jīng)調(diào)制的光強(qiáng)分布函數(shù)。由于調(diào)制,這兩束偏振光具有的位相差。分別由兩個(gè)方向相互垂直的條形光闌攔光,形© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 422激光技術(shù)2001年12月成兩個(gè)方向相互垂直的矩形光斑,然后再經(jīng)另一個(gè)偏振分光鏡3合成形成一個(gè)具有十字型光斑圖形的調(diào)制激光光束。圖1中,2所示均為反射鏡。經(jīng)過調(diào)制的十字型光束入射到由同步透鏡后形成掃電機(jī)驅(qū)動(dòng)的八面轉(zhuǎn)鏡,通過f2描光束勻速掃過被測件。再由接收物鏡會(huì)聚到Fig.1Laserscanningphaseed

6、gemeasurementsystem光電探測器上,探測器輸出信號(hào)送到處理電路整形、濾波、鑒相后觸發(fā)計(jì)時(shí)裝置。Fig.2Beammodulation十字型光斑的3個(gè)部分如圖2中a,b,c所示。其中a,c同相位且和b具有的相位差。其中l(wèi)為光斑直徑。根據(jù)高斯光束的對(duì)稱性及上述(1)式的光強(qiáng)分部函數(shù)可知,兩個(gè)條形光斑的中間陰影部分相重疊后調(diào)制相互抵消。設(shè)十字型光斑a,b,c3部分的光強(qiáng)分別為I1(1-sint),I2(1+Fig.3Thelaserscanningprocessofsamplesint),I3(1-sint)。其中I1,I2,I3之間關(guān)系為:I1=I2=2×I3。由其掃過被

7、測件產(chǎn)生具有相位突變的光強(qiáng)信號(hào),并由探測器接收,通過檢測突變信號(hào)以確定被測件邊緣。利用調(diào)制激光束沿徑向掃過待測工件的過程如圖3所示。圖3中,陰影部分為光斑被被測件擋住的部分。x是光斑中心在坐標(biāo)系中的橫向坐標(biāo)量,x1,x2是被測件邊緣的坐標(biāo)。根據(jù)圖2寫出光電探測器接受到的光強(qiáng)表達(dá)式。為計(jì)算方便,將兩個(gè)條形光斑分別計(jì)算。其中圖2中虛線框示的ds為面積元:I=(1-sint)s1ids+(1+sint)s2ids(2)式中,I為探測器接收的光強(qiáng),s1和s2是兩個(gè)條形未被被測件遮擋可被探測器接收的面積。在圖2所示的直角坐標(biāo)系中計(jì)算s1和s2的光強(qiáng),當(dāng)兩個(gè)條形未被擋住時(shí)其光強(qiáng)為:I=(1-sint)i(

8、x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy。-l/6-l/2-l/2-l/6l/6x-x1-l/6-l/2l/6l/2l/2l/6在直角坐標(biāo)系中,光強(qiáng)分布函數(shù)i為坐標(biāo)(x,y)的函數(shù),面積元ds可寫為dxdy。當(dāng)兩個(gè)條形被被測件擋住一部分時(shí),其光強(qiáng)為:I=(1-sint)i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy-l/2-l/6l/2l/6其它過程如圖3所示,用同樣的方法可求得光斑掃過整個(gè)被測件過程中其光強(qiáng)的變化:© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All righ

9、ts reserved. 第25卷第6期l/6l/2張南洋生激光掃描相位邊緣檢測方法的研究l/2l/6423(1-sint)-l/6-l/2l/6i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x<x-1-l/2-l/6x-x1l/2l/6l/2(1-sint)-l/6-l/2i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x-1-l/2-l/6-xl/6x1-xl/2x1l/2<x<x1-l/6(1-sint)-l/6-l/2l2/6i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x-1-l/2-l/6x-x1l/6<x<x1

10、+l/6(1-sint)-l/6-l/2i(x,y)dxdy,x+l/1x1+2I=0,x1+l/2<x<x-2l/6(1t)l/6l/6-x2l/2,dxd,-2l/2<x<x2-l/6l/2l/6(1-sint)-l/6x-x2l/6l/2i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x-2-l/2x-x2l/2l/6l/6<x<x2+l/6(1-sint)-l/6x-x2l/6l/2i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x+l/6<x<x+l/222-l/2x-x2l/2l/6(1-sint)-l/6-l

11、/2i(x,y)dxdy+(1+sint)i(x,y)dxdy,x>x+l/22-l/2-l/62計(jì)算機(jī)仿真根據(jù)光斑掃過被測件邊緣的過程,取一些典型數(shù)值,可求得探測器輸出邊緣檢測信號(hào)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。仿真得到的曲線示于圖4。圖中,x軸是光斑中心的位置,y軸是信號(hào)的幅值。Fig.4ThesimulationcurveofdetectoroutputFig.5Thesimulationcurvewith3mmsamplediameter當(dāng)十字型光斑掃過被測件一個(gè)邊緣時(shí)其探測器的信號(hào)波形如圖5所示,其中光斑直徑取為3mm。改變掃描光斑的大小為5mm后的信號(hào)波形如圖6所示。經(jīng)過仿真鑒相,濾波整形

12、過程后信號(hào)波形如圖7所示。由圖7可以看到,無論光斑大小如何都有明顯的相位突變,掃描© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 424激光技術(shù)2001年12月光斑的大小并不影響相位的檢測及邊緣的確定。Fig.6Thesimulationcurvewith5mmsamplediameterFig.7simulationab3,而僅考慮光電瞄準(zhǔn)誤差。在一個(gè)nf(3),s(mm),則有:s=2/f式中,f(Hz),f是透鏡的焦距(mm),n是掃描轉(zhuǎn)速(r/s)。考慮到

13、光電瞄準(zhǔn)誤差<(rad)后,精度s則是一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)光斑移動(dòng)的函數(shù)。s=<s/2(4)s=<nf(5)將(3)式代入(4)式得:/f因此,若對(duì)光束進(jìn)行2.5×107Hz的調(diào)制、30r/s的高速掃描,采用80mm焦距的透鏡,相位檢測誤差為0.087rad。則由(5)式可估計(jì)相位邊緣檢測的理論精度約為:1×10-5mm。由于該方法的邊緣檢測理論精度達(dá)到1×10-5mm,因此,實(shí)際測量中要求被測件要有較高的表面光潔度。另外,因?yàn)閷?duì)光束進(jìn)行了調(diào)制,在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮到調(diào)制的均勻性及信號(hào)處理裝置的帶寬的影響。應(yīng)用該方法后,實(shí)際測量系統(tǒng)可以忽略邊緣檢測的誤

14、差,而探測器透鏡的非線性誤差及計(jì)時(shí)裝置的光電讀數(shù)誤差還要影響到測量的精度?？梢圆傻脑肼暋2透鏡的非線性誤差,選用高分辨率的計(jì)時(shí)裝置減小用低噪聲放大器,用軟件方法修正減小f2光電讀數(shù)誤差,從而使系統(tǒng)的測量結(jié)果達(dá)到更高的精度。參1陳本智,陳興語1計(jì)量學(xué)報(bào),1995;(3):2212252李承志1激光技術(shù),1994;(5):3033053張從周,劉蘭昊,李承志1長春光機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),1997;(4):31354FotowiczP,JablonskiR1SPIE,LaserTechnology,1987;859:2452485ReichFR1SPIEAdvanceinLaserEngineerings,

15、1977;122:22296邾繼貴,葉聲華,陶國智1光電工程,1996;(3):59637房曉勇,任克勤,曹茂盛1激光雜志,1996;(1):25288郭強(qiáng),白貴儒1光學(xué)儀器,1997;(45):93979林棋榕,謝樹森,周川釗etal.光學(xué)精密工程,1997;(2):10911410陳岳林1計(jì)量與測試技術(shù),1998;(3):252811MainsahE,WonGCMG,StoutKJ1SPIE,MeasurementTechnolobyandIntelligentInstruments,1993;2101:38139512MeggittBT1Optic&Technology,1989

16、;21(5):34334413呂海寶,諶廷政,周衛(wèi)紅etal1激光雜志,1998;(3):1417考文獻(xiàn)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第25卷第6期2001年12月激光技術(shù)LASERTECHNOLOGYVol.25,No.6December,2001StudyongreenproblemofSHG3ZhuChanghong,LiuBaining,LiZhengjia,WangYing,QiuJunlinLiDehuab,ZhangZhiguob,

17、VolkerGablerc,HansJoachimEichlerc(aNationalLaboratoryofLaserTechnology,HUST,Wuhan,430074)(bInstituteofPhysics,ChineseAcademyof(cOptischesInstitut,TU2Berlin,Str.d.17.,10623Abstract:AnextendedphysicalmodeltheJonesmatrixformalismthatgivesthedoublingunderCWmulti2longitudinalforeliminatingthenoiseofthefr

18、equencyandtypeconditionsarepresented.Ageneralcondition2Jonesmatrixhasbeenachieved.Theeigenvectorsforthephasematchingtypeacaaatypehavebeendeterminedanalytically.Keywords:sum2frequencygeneration(SFG)phasematchingtypeandsecondharmonicgeneration(SHG)關(guān)于倍頻綠光問題的研究朱長虹a劉百寧c李正佳a(bǔ)王英a丘軍林a李德華b張治國bVolkerGablercHansJoachimEichlerc(a華中科技大學(xué)國家激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢,430074)(b中國科學(xué)院物理研究所,北京,100080)(cOptischesInstitute,TU2Berlin,Str.d.17.Juni135,10623Berlin,Germany)摘要:采用雙波片晶體的物理模型和Jones矩陣方法,得到了在連續(xù)多縱模腔內(nèi)倍頻激光器中壓縮噪聲的必要條件,推導(dǎo)出與類和類相位匹配方式相對(duì)應(yīng)的