激光掃描技術

激光掃描技術第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日特點：（1）掃描范圍大（2）工作距離在不斷改變：（3）物面掃描速度不均勻：用途：激光雷達、紅外遙感——遠距離掃描，（H>>）（二）物鏡掃描系統(tǒng)（掃描光線通過物鏡），如圖7-2所示（1）遠心掃描系統(tǒng)：，出瞳在無究遠。第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-2第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日特點：①

象方主光線//光軸；②

采用f—θ透鏡時，掃描速度V恒定；③掃描范圍?。孕∮趻呙栉镧R口徑）；④

象、物工作距離恒定；用途：①

激光掃描測徑②

激光掃描衍射對準第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-3（2）非遠心掃描系統(tǒng)：（如圖7-3）特點：①象方掃描主光線不平行光軸②掃描視場大

用途：激光打印、激光熱處理、激光劃線第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日（3）大工作距掃描系統(tǒng)：（如圖7-4）圖7-4第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日一、光學掃描器

1、光學平行平板掃描器（圖7-5）

§7-2各類掃描器（使光點在掃描平面內產(chǎn)生位移的器件）

圖7-5第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日將以上式用馬克努林級數(shù)展開，且α角很小時，設n=1.52，α為旋轉角度（°）例α=5°時，2、單光楔掃描器（1）直線掃描器：第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日如圖7-6a）示，光線通過光楔的偏向角δ：當i=0（即正入射第一折射面時），如圖7-6b）所示當δ很小時，第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-6（2）圓掃描器

設光楔掃描轉速為no，則在離光楔一定距離l處的圓半徑R為：第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日二、光學機械掃描

1、平面反射鏡掃描（圖7-7）圖7-7第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日掃描光線偏角為反射鏡偏角的2倍：即特點：（1）無入瞳漂移（當反射面和轉軸重合時）（2）掃描頻率低（等于電機轉速）（3）光能利用率低，若2θ=30°，則α僅為15°2、檢流統(tǒng)計振鏡掃描（圖7-8）利用磁力線方向變化，驅動轉軸振動。例如：某型號振鏡掃描頻率fmax=300Hz，精度0.2%，線性度0.2%。第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-8第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日3、多面轉鏡掃描器（圖7-9）特點：（1）高慣性，可減小的誤差；（2）掃描頻率高：相對平面鏡掃描，掃描頻率提高了N倍（N為面數(shù)）；圖7-9第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日（3）光能利用率高；（4）成本較高（5）存在入瞳漂移沿軸漂移量為：R——為轉鏡內切圓半徑W——掃描全視場角

第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日4、空氣棱鏡掃描器（圖7-10）

圖7-10第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日θ——為旋轉角當wt很小時；H=2dwt例：d=36mm，H=5mm則，最大角度：則，非線性誤差：第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日5、直角棱鏡掃描器（圖7-11）

圖7-11第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日在入射光線的方向指向旋轉轉軸O的條件下

其中式中d——BC的長度，θ——旋轉角以上數(shù)學模型的特點：1、每一項具有近似相同量值的非線性變化規(guī)律，但符號相反。2、每一項可變量均不同：L在第一項中出現(xiàn)，但在第二項中沒有；d和n在第二項中出現(xiàn)，在第一項中沒有。3、適當控制L、d、n，可得到佳線性控制最佳。第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日例：設計結果：1、d=55mm，L=45.669mm，2H=43.74mm n=1.91725mm2、d=55mm，L=45.671mm，2H=43.74mm n=1.91725mm兩種設計參數(shù)，ΔH均在20nm以內。第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-12第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日三、聲光調制掃描器1、彈光效應：聲波產(chǎn)生的應變場可能改變某些介質的折射體，當光波通過這些介質時，就會被介質中的彈性波衍射，這種物理現(xiàn)象統(tǒng)稱彈光效應（elasto-opticeffect）。由于應變場是超聲波產(chǎn)生的，故稱聲光效應。聲光掃描：超聲波是一種縱向機械應力波（彈性波），當其在聲光介質中傳播時，該介質便產(chǎn)生與超聲信號變化相應的彈性形變，從而引起介質局部密度呈疏密交替變化，導致介質折射率也作周期性變化而影響光的傳播，（即“彈光效應”）。此時被超聲作用的介質可視為一個等效的“相位光柵”，使入射光發(fā)生衍射。同時，衍射光的強度，頻率，方向也隨超聲場的頻率而變化，聲光掃描器就是利用聲光衍射性質實現(xiàn)光束的偏轉掃描。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日2、聲光調制的兩種類型圖7-13第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日聲光作用的特征長度L0：（當θi很小時，）式中：λS——聲波波長λ——光波波長θi——入射光線與聲波波面的夾角（1）喇曼—奈斯衍射（Raman-Nath；1932年）或Deabye-Sears衍射（1930年）（圖7-13，b）條件：超聲頻率較低；光波平行于聲波入射時（θi=0）則聲光作用長度較短。第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日當聲光相互作用長度為：L≤時，產(chǎn)生Raman-Nath衍射。其衍射花樣類似平面光柵所產(chǎn)生衍射花樣。（2）Bragg衍射（圖7-13，a）條件：超聲頻率較高；光波與聲波波面間有一很小夾角θi；聲光作用長度較長。當聲光作用長度為：時，產(chǎn)生Bragg衍射。衍射特點：（1）聲光柵為體光柵，為多束衍射光相干的結果。（2）衍射條紋分布不對稱，即只出現(xiàn)0級和+1級或0級和-1級衍射條紋。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日（3）合理選擇參數(shù)，（如使λs的強度足夠強），可使入射光能量幾乎全部集中在0級或+1級（或-1級上）。衍射效率高。（4）衍射角與超聲頻率fS成正比：式中VS：聲速，恒定；fS：超聲頻率，可變。由上式可知：若使加在換能器上的電頻率f變化，則超聲頻率fS將發(fā)生變化，可使衍射角改變。第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日3、聲光材料（1）水，玻璃（2）鉬酸鉛（PbMoO4），二氧化碲（TeO2），等

4、Bragg衍射裝置及條件A、換能器：（超聲發(fā)生器）它是利用某些壓電晶體（如石英，LiNbO3等）或壓電半導體（Cds，ZnO等）的反壓電效應，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲。B、吸聲或反射裝置：放在超聲源對面，用以吸收已通過介質的聲波以避免返回介質產(chǎn)生干擾。但若要使超聲場工作在駐波狀態(tài)，則需要將吸聲裝置換成聲反射裝置。第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-14四、電光偏轉掃描器將KDP晶體按圖7-14所示的切割成兩塊直角棱鏡，然后將他們膠合在一起，兩晶體的z軸平行,但方向相反;外加電場方向與z軸方向相同，入射光為線偏光，振動方向與z軸垂直。

第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日則下面的棱鏡折射率：在上面的棱鏡折射率：式中：（r——電光系數(shù)），（Ez——外加電場強度）因為

上式說明：兩晶體折射率差Δn與加在z向的電壓（或場強）成線性關系，調節(jié)Ez的大小，可以使Δn線性變化，從而使光束偏角發(fā)生變化。

第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日常用于條形碼、激光打印機、激光防御雷達等。五、全息掃描器（圖7-15）圖7-15第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日一、測量原理：（圖7-16）

計量激光光斑掃描待測物體時所經(jīng)過的時間T，從而得出被測物的幾何尺寸的一種測試技術，即：d=VT§7-3激光掃描測徑系統(tǒng)

圖7-16第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日*對光學系統(tǒng)的要求1、掃描主光線∥光軸——即采用遠心掃描系統(tǒng)2、在測量面上掃描光點的掃描速度恒定，即V=常數(shù)設轉鏡角速度為w上式中：v和t為非線性關系，欲使v與t為線性關系，即滿足，則可將掃描物鏡設計成f-θ透鏡。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日此時，測徑方程為：式中：N——計數(shù)器所計脈沖個數(shù)，fT——晶振頻率，（次/秒），*采取的措施：（1）設計f-θ透鏡，使物鏡產(chǎn)生一負畸變來補償原掃描系統(tǒng)的非線性。（2）轉鏡轉速n0恒定3、時間T計量的準確性：（1）光電瞄準誤差（工件邊緣提取的準確性）：第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-17如圖7-17，若用固定電壓V0比較，則會因掃描光能量的變化而導致產(chǎn)生光電瞞準誤差。解決辦法：“浮動閾值法”。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日二、激光掃描測徑光學系統(tǒng)

1、會聚光斑掃描（圖7-18）圖7-18第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日2、平行光掃描（圖7-19）圖7-19第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日注意兩個問題：

（1）入瞳漂移問題：圖7-18和圖7-19所示系統(tǒng)具有較小的入瞳漂移量。（2）實際相對孔徑：四、設計中幾個問題的討論1、最小脈沖當量δδ的確定：一般取測量精度的,如測量精度為20μ，則δ=4~2μ。第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日由測徑公式：則脈沖當量為：例：設n=1500秒/分=25轉/秒，?′=145mm若取δ=2.5×10-3MM實際中取晶振頻率為：fT=18.432MHz，2、多面轉鏡的面數(shù)m由確定的電機轉速n和測量頻率fN定即fN=n·m，設fN=200次/秒，n=25轉/秒則m=fN/n=200/25=8（面體）第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日3、工件振動對測量精度的影響：（圖7-20）

圖7-20設工件振動為簡諧振動，振幅為A，振動頻率為ν則振動方程：

其速度方程為：第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日掃描光點與振動工件的相對掃描速度為：其中：V0為光點恒掃描速度，則此時工件的實際測量尺寸為：其中D0為工件無振動時所測值，ΔD為工件振動帶來的附加測量誤差值，其最大測量誤差值ΔDmax發(fā)生在Vzmax處。令速度方程中Cos2πυt=1（在平恒位置t=0處）第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日最大測量誤差結論（1）：ΔDmax與A，ν，D成正比與n0，?′成反比例：n0=25轉/sec，?′=145mm第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日結論（2）：當有振動存在時，單次測量精度是不高的，但可以采用取多次測量平均面的方法，提高測量精度。此時平均掃描時間T0為：其中：N為0.1sec內取各次測量值平均值后，再顯示的測量次數(shù)。即N:0.1sec/To此時顯示一次的測量誤差為：以上分析表明，振動是影響動態(tài)測量精度的最大原始誤差。措施：加限振器。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日工件表面特征：疵病，表面異物，形狀不良測量技術特點：迅速，實時，漏檢率低按原理分三大類：1、反射光檢測法2、散射光檢測法3、掃描頻譜法一、反射檢測法

測量對象：

（1）有較強反射特征的物體：如白紙、薄鋼板、銅板、鋁板

（2）直徑0.1~1mm左右的表面缺陷§7-4表面特征激光掃描檢測技術

第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日2、激光掃描法（圖7-21，b）二、散射光掃描法

對象：漫反射表面，（如激光捉疵機）圖7-211、飛點掃描法（圖7-21，a）a）飛點掃描b）激光掃描第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日Pretens公式：當激光束垂直入射于被測表面時，在與反射光線成α角的方向上，散射光強度為：式中：（圖7-22）

圖7-22第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日R0——⊥入射完全光滑表面上的反射光強λ——入射光波的波長δ——粗糙度值（平均均方根值），如：L——變換長度，m——傾斜α角方向上，表面光度的平均均方根值將代入上式1.6第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日

以上公式的運用條件為。測得IR、R0、α則可由上式求得δ，則可知表面粗糙度。例英國SIRA（科學儀器研究所）透鏡表面檢查儀：（圖7-23）

圖7-23第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日三、掃描頻譜法：

直邊衍射原理：當激光束照射在一個障礙物邊緣時，產(chǎn)生邊界衍射，用衍射波的頻譜分布來判定此圖形邊界的固有特征。對掩膜中的幾種圖形和缺陷如圖7-24示：圖7-24第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日一、電攝影概述：復制技術分為三大類：第一類：使用涂層紙，紙表面均勻涂上光敏涂料。如工程蘭圖的復制和膠卷照像法等，稱化學法。第二類：無涂料pp法，即使用普通紙的靜電復印法，稱物理法。第三類：電子攝像法，如數(shù)碼像機。1938年，C·F·卡爾遜發(fā)明靜電荷產(chǎn)生圖像的電攝影法。第一臺復印機由美國的施樂（xerox）公司生產(chǎn)，現(xiàn)在世界的復印機為日本的canon公司、美國的xerox公司所壟斷。NP法：日本canon公司1967年獲專利。§7-5激光打印技術

第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日復印機工作過程：曝光→顯影→定影（圖7-25）1、光導鼓充電（如硒鼓表面充上“+”電荷）；2、曝光：圖像在光導鼓上曝光，在亮區(qū)（無圖形）光導鼓上正電荷消失；在暗區(qū)，光導鼓上“+”電荷仍然保留；3、顯影：墨粉帶“—”電荷，被吸附在光導鼓的正電荷區(qū)域；4、轉印：通過擠壓轉印刻復印紙上；5、定影：通過熱壓使墨粉中的膠粒熔化并滲入紙中；6、消電：消去紙上的靜電荷；7、用消電燈照射光導鼓，使正電荷全部消失；8、清潔；缺點：速度慢，分辨率不高，不能作為計算機的輸出設備。

第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日圖7-25第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期日二、激光打印技術的特點

特點：1、速度快：如美國xerox9700