第8章 其它典型光電測試技術(shù)

光電測試技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)第七章其它典型光電測試技術(shù)§7-1莫爾測試技術(shù)2/1/20231§7-1莫爾測試技術(shù)引言：莫爾（Moire）一詞在法文中的原意是表示水波紋或波狀花紋。當(dāng)薄的兩層絲綢重疊在一起并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，則形成一種漂動(dòng)的水波型花樣，當(dāng)時(shí)就將這種有趣的花樣叫做莫爾條紋。一般來說，任何兩組（或多組）有一定排列規(guī)律的幾何線族的疊合，均能產(chǎn)生按新規(guī)律分布的莫爾條紋圖案。1874年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測手段，根據(jù)條紋形態(tài)來評價(jià)光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開創(chuàng)了莫爾測試技術(shù)。隨著光刻技術(shù)和光電子技術(shù)水平的提高，莫爾技術(shù)獲得較快發(fā)展，在位移測試、數(shù)字控制、伺服跟蹤、運(yùn)動(dòng)比較等方面有廣泛的應(yīng)用。2/1/20232§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測試技術(shù)中，通常利用兩塊光柵（稱做光柵付）或光柵的兩個(gè)像的重疊產(chǎn)生莫爾條紋，以獲取各種被測量的信息。莫爾條紋的形成，實(shí)質(zhì)是光通過光柵時(shí)光的衍射和干涉的結(jié)果。在不同場合，可以有多種解釋方式。①幾何光學(xué)原理如果所用的光源為非相干光源，光柵為節(jié)距較大的黑白光柵，光柵付柵線面之間間隙較小時(shí)，通?？梢园凑展馐侵本€傳播的幾何光學(xué)原理，利用光柵柵線之間的遮光效應(yīng)來解釋莫爾條紋的形成，并推導(dǎo)出光柵付結(jié)構(gòu)參數(shù)與莫爾條紋幾何圖形的關(guān)系。2/1/20233§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理N=0N=1N=-1N=0N=1a)節(jié)距不同b)柵線方向不同圖7-1兩粗線光柵重疊形成莫爾條紋的原理0N′=4321退出2/1/20234§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理X圖7-2莫爾條紋的幾何關(guān)系P1P2WYa)YθABDCEb)實(shí)際應(yīng)用中，兩柵的節(jié)距往往相同，即P1=P2=P。

光學(xué)放大作用。例如，θ=0.004弧度時(shí)（即14′），W=250P，節(jié)距放大倍率達(dá)250倍。2/1/20235§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)②衍射原理單純利用幾何光學(xué)原理，不可能說明許多在莫爾測量技術(shù)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。例如:在使用相位光柵時(shí)，這種光柵處處透光，它對入射光波的作用僅僅是對其相位進(jìn)行調(diào)制，然而，利用相位光柵亦能產(chǎn)生莫爾條紋，這就不可能用柵線的遮光作用予以說明。當(dāng)使用細(xì)節(jié)距光柵時(shí)，在普通照明條件下就很容易觀察到彩色衍射條紋。兩塊細(xì)節(jié)距光柵疊合形成的莫爾條紋中，往往會(huì)出現(xiàn)暗弱的次級條紋，這些現(xiàn)象必須應(yīng)用衍射原理才能解釋。在莫爾測量技術(shù)中用到的光柵自成像現(xiàn)象也是無法用幾何光學(xué)原理解釋的。2/1/20236§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)②衍射原理1）光柵付的衍射G1G210-1(-1,0)(0,-1)(0,0)(1,-1)(0,1)(1,0)(1,1)(1,2)圖7-3雙光柵的衍射級如圖示2）衍射光的干涉光柵付衍射光有多個(gè)方向，每個(gè)方向又有多個(gè)光束，它們之間相互干涉形成的條紋很復(fù)雜，行成不了清晰的莫爾條紋，可以在光柵付后面加透鏡L，在透鏡的焦點(diǎn)處用一光闌只讓一個(gè)方向的衍射光通過，濾掉其它方向的光束，以提高莫爾條紋的質(zhì)量。如圖示G1f′(-1,0)(-1,1)(0,0)(0,1)(1,0)圖7-4衍射光的干涉G22/1/20237§7-1莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)②衍射原理2）衍射光的干涉由一級組(0，1)和(1，0)兩光束相干所形成的光強(qiáng)分布按余弦規(guī)律變化，其條紋方向和寬度與用幾何光學(xué)原理分析的結(jié)果相同。但是在考慮同一組中各衍射光束干涉相加的一般情況下，莫爾條紋的光強(qiáng)分布不再是簡單的余弦函數(shù)。通常，在其基本周期的最大值和最小值之間出現(xiàn)次最大值和次最小值。即在其主條紋之間出現(xiàn)次條紋、伴線。2/1/20238§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)莫爾形貌（等高線）測試是莫爾技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。表面輪廓的莫爾測定法是通過一塊基準(zhǔn)光柵來檢測輪廓面上的影柵或像柵，并依據(jù)莫爾圖案分布規(guī)律推算出輪廓形狀的全場測量方法。分類：實(shí)體光柵照射法（簡稱照射型）是將試件光柵和基準(zhǔn)光柵合一，測量時(shí)觀察者（或攝像機(jī)）透過光柵觀察其空間陰影；實(shí)體光柵投影法（簡稱投影型）是將空間變形像柵成像在基準(zhǔn)光柵面上，以產(chǎn)生莫爾輪廓條紋。除了照射型和投影型兩種基本型外，又派生出所謂光柵全息型、光柵衍射型和全景莫爾型等。這些方法在原理和光路布局上并無實(shí)質(zhì)性變化，但擴(kuò)大了莫爾法的性能和適用范圍。2/1/20239§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)①照射型莫爾法YLdXlOBC

D(x’,y’)FE(x,y)hPααββ圖7-8照射型莫爾法幾何原理圖K所得莫爾條紋為試件離光柵高度h的等高線族，但相鄰條紋間高差不等。2/1/202310§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)①照射型莫爾法由于視線斜對光柵而莫爾條紋在光柵平面形成，這就造成對試件表面各點(diǎn)坐標(biāo)的透視差。相機(jī)所攝莫爾條紋在D點(diǎn)，坐標(biāo)為（x‘，y’），而實(shí)際上此條紋應(yīng)代表試件表面上E點(diǎn)的高度，E點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）。因此，應(yīng)對坐標(biāo)的視差進(jìn)行修正。由圖示因此獲得莫爾條紋圖后，應(yīng)根據(jù)該式進(jìn)行坐標(biāo)修正。2/1/202311§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)②投影型莫爾法照射型莫爾法雖然具有測定裝置簡單、使用方便、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但要求光柵面積較大、而且必須緊靠著被測面，這是該方法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)。于是發(fā)展了一種投影型的方法。如圖示。L1G1C1L2G2C2SobG1G2L1L2dalh2h1B′C′A2A1BCD圖7-9投影莫爾法光學(xué)系統(tǒng)與原理圖示由于ΔA1BC∽ΔA1L1L2和ΔBCL2∽ΔB′C′L2，故BC：L1L2=h1：（h1+l）,BC=Pl/a于是ΔA1BCΔA1L1L2ΔBCL2ΔB′C′L22/1/202312§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)②投影型莫爾法一般情況下，從基準(zhǔn)面到莫爾條紋的深度可推廣：該方法有下列特點(diǎn)：采用小面積基準(zhǔn)光柵(通常象手掌那樣大即可)，透鏡可以調(diào)換倍率；同其它方法相比，可以測較大的三維物體；對微小物體，采用縮小投影方法，這樣就不受光柵衍射現(xiàn)象的影響；投影的莫爾圖形可在物體上直接觀察；能取出變形光柵。2/1/202313§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)③莫爾條紋級次與凹凸判斷實(shí)際測量時(shí)條紋的絕對級數(shù)不易確定，只能定出條紋的相對級數(shù)。判定凹凸的方法是:當(dāng)使光柵離開物體時(shí)，如果條紋向內(nèi)收縮，表明該處表面是凸的，反之是凹的；照射型中還可通過移動(dòng)光源來確定凹凸問題，如果光源同接受器之間的距離d增加，條紋向外擴(kuò)張，且條紋數(shù)增加，則是凸的。也可采用彩色光柵的方法來判斷凹與凸。物體表面的凹凸一旦確定，就可用確定干涉條紋級次的方法來確定莫爾條紋的級次。2/1/202314§7-1莫爾測試技術(shù)1.2莫爾形貌（等高線）測試技術(shù)④幾何可測深度實(shí)際光源總有一定寬度。設(shè)光源橫向?qū)挾葹閎，由于光源線寬的影響，光柵透光區(qū)擴(kuò)大而陰影區(qū)縮小，陰影區(qū)（圖中斜線部分為陰影區(qū)）與透光區(qū)之間則為半影，這使影柵沒有明確的亮暗界限，甚至不能分辨。blHmaxG圖7-10幾何可測深度αP要增加幾何可測深度：可以壓縮光源橫向線寬；加大柵距；增加光源至參考柵的距離加大柵線遮光部分寬度與節(jié)距之比2/1/202315§7-1莫爾測試技術(shù)1.3莫爾測試技術(shù)應(yīng)用例隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，莫爾技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在長度計(jì)量、角度計(jì)量、運(yùn)動(dòng)比較、物體等高線測試、應(yīng)變測試、速度測試以及光學(xué)量的測試（如焦距、像差測試等）等方面獲得廣泛應(yīng)用。下面介紹一種利用莫爾條紋技術(shù)測量光學(xué)系統(tǒng)焦距例子。莫爾偏折技術(shù)的原理是，把相隔一定距離的兩塊光柵放在單色平行光路中，柵距取為自成像距離。由于光柵自成像效應(yīng)，第一塊光柵將成像于第二塊光柵上面，由兩光柵的疊合產(chǎn)生莫爾條紋。如果在第一塊光柵前或后放一相位物體，由于相位物體的作用，使光線方向發(fā)生變化，其結(jié)果是第一塊光柵自成像的柵線疏密發(fā)生變化，導(dǎo)致莫爾條紋的方向和寬度就相應(yīng)地發(fā)生變化，從而反映了相位物體的信息。2/1/202316§7-1莫爾測試技術(shù)1.3莫爾測試技術(shù)應(yīng)用例He-Ne激光器G1G2He-Ne激光器G1G2被檢透鏡zLf′a)未加被檢透鏡時(shí)b)加上被檢透鏡時(shí)圖7-12莫爾偏折法測量透鏡焦距光路原理圖兩光柵間距Z滿足Talbot自成像距離柵線交角

莫爾條紋的斜率

2/1/202317光電測試技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)第七章其它典型光電測試技術(shù)§7-2三角法測試技術(shù)2/1/202318§7-2三角法測試技術(shù)引言：激光三角法是激光測試技術(shù)的一種，也是激光技術(shù)在工業(yè)測試中的一種較為典型的測試方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等特點(diǎn)，在長度、距離以及三維形貌等的測試中有廣泛地應(yīng)用。2/1/202319§7-2三角法測試技術(shù)2.1三角法測試技術(shù)基礎(chǔ)激光器會(huì)聚透鏡θa接收透鏡光電探測器xx′ba）直射式結(jié)構(gòu)單點(diǎn)直射式結(jié)構(gòu):2/1/202320§7-2三角法測試技術(shù)2.1三角法測試技術(shù)基礎(chǔ)單點(diǎn)斜射式結(jié)構(gòu):激光器會(huì)聚透鏡θ2a接收透鏡光電探測器xx′bθ1b）斜射式結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，斜射式入射光的光點(diǎn)照射在被測面的不同點(diǎn)上，無法知道被測面中某點(diǎn)的位移情況，而直射式卻可以。因此，當(dāng)被測面的法線無法確定或被測面面形復(fù)雜時(shí)，只能采用直射式結(jié)構(gòu)。2/1/202321§7-2三角法測試技術(shù)2.1三角法測試技術(shù)基礎(chǔ)在上述的三角法測量原理中，要計(jì)算被測面的位移量，需要知道距離a，而在實(shí)際應(yīng)用中，一般很難知道a的具體值，或者知道其值但準(zhǔn)確度也不高，影響系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確度。實(shí)際應(yīng)用中可以采用另一種表述方式，如圖所示有下列關(guān)系:zbβ圖7-16三角法原理示意圖激光器f′x′2/1/202322§7-2三角法測試技術(shù)2.1三角法測試技術(shù)基礎(chǔ)激光三角法測量技術(shù)的測量準(zhǔn)確度受傳感器自身因素和外部因素的影響。傳感器自身影響因素主要包括:光學(xué)系統(tǒng)的像差;光點(diǎn)大小和形狀;探測器固有的位置檢測不確定度和分辨力;探測器暗電流和外界雜散光的影響;探測器檢測電路的測量準(zhǔn)確度和噪聲;電路和光學(xué)系統(tǒng)的溫度漂移等等。測量準(zhǔn)確度的外部影響因素主要有:被測表面傾斜;被測表面光澤、粗糙度、表面顏色等。在使用之前必須通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。2/1/202323§7-2三角法測試技術(shù)2.1三角法測試技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)三角法原理制成的儀器被稱為激光三角位移傳感器。一般采用半導(dǎo)體激光器（LD）作光源，功率在5mW左右，光電探測器可采用PSD或CCD。商品化的三角位移傳感器比較常見的有，日本Keyence公司斜射式的LD系列、直射式的LC系列和LB系列；Renishaw公司的OP2型；美國MEDAR公司的2101型等。廠家型號工作距離（mm）測量范圍（mm）分辨力（μm）線性（μm

）MEDAR210125±2.5215KEYENCELC-222030±3.00.23KEYENCELB7240±102±1%RENISHAWOP220±2.0110PANASONIC3ALA7575±2550±1%2/1/202324§7-2三角法測試技術(shù)2.2三角法測試技術(shù)的應(yīng)用例例1．測距儀及其在自動(dòng)測焦照相機(jī)中的應(yīng)用M2