2013全國高校微課教學比賽教學設(shè)計

2013年度全國高校微課教學比賽教學設(shè)計莫爾技術(shù)天津工業(yè)大學

與信息工程

王莎莎第九章光學檢測技術(shù)9.5第九章光學檢測技術(shù)9.5莫爾技術(shù)章節(jié)名稱：第九章光學檢測技術(shù)9.5莫爾技術(shù)（1學時）一、教學目的及要求1.掌握莫爾條紋的概念及現(xiàn)象；2.熟悉莫爾條紋的形成原理——遮光陰影理論和衍射干涉理論；3.掌握莫爾條紋現(xiàn)象的應(yīng)用——計數(shù)技術(shù)和莫爾形貌技術(shù)。二、教學重點及難點重點：莫爾條紋的概念，遮光陰影理論和衍射干涉理論對莫爾條紋形成的解釋。難點：條紋間距表達式m的推導(dǎo)。三、教學方法啟發(fā)式教學，通過課堂講解，以直接感知為主，采取多媒體課件演示、提問方式，引導(dǎo)學生獨立思考，最終掌握教學內(nèi)容。四、教學手段板書與多媒體課件相結(jié)合。五、作業(yè)6-4（參考資料1）。六、參考資料1．安毓英等編.光學傳感與測量.北京：電子工業(yè)出版社，2001，第六章；2．姚建銓等編.光電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2010，第十三章；3．馮其波.光學測量技術(shù)與應(yīng)用：清華大學出版社，2008，第四章。七、教學內(nèi)容與教學設(shè)計教學內(nèi)容教學設(shè)計時間分配引入回顧光學檢測技術(shù)的定義以及學習過的幾種檢測技術(shù)，借以［提問］:還有哪些2引入回顧光學檢測技術(shù)的定義以及學習過的幾種檢測技術(shù)，借以［提問］:還有哪些2分鐘【引入】光學檢測技術(shù)?［課件演示］:光程。柵對形成特定莫光學檢測技術(shù)?［課件演示］:光程。柵對形成特定莫引出這節(jié)課的主要內(nèi)容?！局v授新課】一、莫爾條紋現(xiàn)象長光柵莫爾條紋、圓弧莫爾條紋和輻射形莫爾條紋的形成過爾條紋的動畫。10爾條紋的動畫。10分鐘［重點］根據(jù)莫爾條紋動畫"啟發(fā)”得到莫爾條紋特點。概念：莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果。啟發(fā):光柵間距的量變導(dǎo)致條紋形成發(fā)生了質(zhì)變。［重點］［課件演示］啟發(fā):光柵間距的量變導(dǎo)致條紋形成發(fā)生了質(zhì)變。［重點］［課件演示］(a)光柵I(b)光柵II18分鐘二、條紋形成原理條紋形成原理由光柵間距決定：遮光陰影理論：光柵間距遠大于波長，衍射效應(yīng)不明顯;衍射干涉理論：光柵間距小，衍射效應(yīng)明顯。1.遮光陰影理論(1)條紋形成

(c)兩個光柵疊加的結(jié)果

(c)兩個光柵疊加的結(jié)果

圖1莫爾條紋的形成原理(2)條紋間距的計算光柵I光柵II莫爾條紋［難點］［課件演示］［提問］:光柵I和II形成的莫爾條紋在哪個區(qū)域？圖2條紋間距的計算示意圖d光柵I光柵II莫爾條紋［難點］［課件演示］［提問］:光柵I和II形成的莫爾條紋在哪個區(qū)域？［板書推導(dǎo)］:光柵I和II之間的夾角。

［板書推導(dǎo)］Ap——-——B圖3平行四邊形Ap——-——B計算平行四邊形ABCD的面積S：S=a-d二b-d，二c-m(9-1)在三角形ABC中，根據(jù)余弦定理有：［重點］［課件演示］:光束發(fā)生衍射的過程。(9-2)c2=a2+b2-2a-b-cos0［重點］［課件演示］:光束發(fā)生衍射的過程。(9-2)Vd'丿-cos0(9-3)將式(9-1)代入Vd'丿-cos0(9-3)(-1,0)(-1,1)(U)(0,-1)(0,0)-(-1,0)(-1,1)(U)(0,-1)(0,0)-(0,1)/a辺二(1,-1)(1,0)Gi-10［課件演示］:具有相同傳播方向的級次代數(shù)和相同莫爾條紋間距的表達式為:(9-4)m=—(9-4)<d2+d，2一2dd，cos0根據(jù)這個表達式就可以得到莫爾條紋相應(yīng)的一些性質(zhì)。2.衍射干涉理論-1級群光束0級群光束1級群光束圖4光線經(jīng)過G］和G2衍射的示意圖一條光線以Q角照射在光柵G1上,由于衍射的作用，被衍射為M條光線，圖中只畫出其中三條。對這三條光線的衍射級數(shù)

的光束的聚焦過程。進行標注：傳播方向不變的光線用0級標注，上下兩條分別用-1和1對其進行標注;的光束的聚焦過程。當這M條光線中的每一條傳播到光柵G2上時，由于衍射效應(yīng)，每一條又被衍射為N條光線，同樣只畫出其中的三條;那么，一條光線經(jīng)過G］和G2之后就會被衍射成為M0條光線，用衍射級數(shù)組（M.N?對其進行標注。M|和N|分別表示第i條光線被光柵G］和G2衍射的級數(shù)。級群光束0級群光束0級群光束1級群光束圖5級次代數(shù)和相同的光線的聚焦特性定理：所有級次代數(shù)和M+Ni相同的衍射光束稱為（M|+兒）級群光束，它們有相同的傳播方向。級次代數(shù)和相同的這些光線由于具有相同的傳播方向，經(jīng)過聚焦透鏡之后就會聚焦到焦平面上的同一點，從而形成相應(yīng)的衍射紋路，這就是衍射干涉理論對莫爾條紋形成原理的解釋。三、莫爾條紋的應(yīng)用1.莫爾條紋的計數(shù)原理光源主光柵透鏡frn指示光柵透鏡Jj二光電元件光源主光柵透鏡frn指示光柵透鏡Jj二光電元件數(shù)字顯示［課件演示］:計數(shù)技術(shù)測量物體位移的過程。13分鐘?微整圖6計數(shù)原理圖如圖6所示：光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡照射在兩組光柵的組合上，兩組光柵形成的莫爾條紋再經(jīng)過透鏡成像在光電元件上；當物體帶動主光柵移動一定的距離，主光柵與指示光柵之間的莫爾條紋會發(fā)生周期性的變化，從而使得光電元件輸出相應(yīng)的正弦信號；對該信號進行放大、整形得到方形波，在對其進行微分、整流后得到上升沿的尖脈沖，最后到達電子計數(shù)器，在數(shù)字顯示器上面顯示出來。那么有：被測物體位移=柵距X脈沖數(shù)（9-5）2.莫爾形貌（等高線）技術(shù)基本原理：通過光柵及光柵在物體表面的投影疊加形成莫爾條紋，同級莫爾條紋就是物體表面距主光柵深度相同的等高線分布，實現(xiàn)三維物體的形貌測量。（1）照射型莫爾等高線技術(shù)［課件演示］:照射型莫爾等高線技術(shù)的形貌測量過程。

（1）照射型莫爾等高線技術(shù)［課件演示］:照射型莫爾等高線技術(shù)的形貌測量過程。圖7照射型莫爾等高線技術(shù)原理圖原理：光柵與光柵在物體表面陰影之間疊加形成的莫爾條紋。根據(jù)幾何推導(dǎo)，可以得到N級莫爾條紋(即等高線)的深度hN為：hNNPl；d(9-6)N：莫爾條紋級數(shù)；P：光柵常數(shù)；l：光源與光柵之間距離；d觀察者到光源之間距離。缺點：啟發(fā)：引出投影型莫爾等高線技術(shù)。啟發(fā)：引出投影型莫爾等高線技術(shù)。(2)投影型莫爾等高線技術(shù)"2"1"2"1［課件演示］:投影型莫爾等高線技術(shù)的形貌測量過程。圖8投影型莫爾等高線技術(shù)原理圖原理:光柵g2與光柵G］的陰影在光柵g2位置所成的像之間疊加形成莫爾條紋。根據(jù)幾何推導(dǎo)，可以得到N級莫爾條紋(即等高線)深度hN為：7l(l-f)NPN—fb-(l-f)NP(9-7)l：透鏡L］和L2到物體表面的距離；f：透鏡L］和L2的焦距；P：光柵G］和G2的光柵間距；b：L］到L2之間的距離?！拘〗Y(jié)】莫爾條紋現(xiàn)象；莫爾條紋的原理：遮光陰影理論和衍射干涉理論；莫爾條紋的應(yīng)用：莫爾計數(shù)技術(shù)和莫爾形貌技術(shù)。