激光扫描相位边缘检测方法的研究讲解

1、第25卷第6期2001年12月激 光 技 术LASERTECHNOLOGYVol.25,No.6December,2001激光扫描相位边缘检测方法的研究张南洋生杨坤涛（华中科技大学光电子工程系，武汉,430074）摘要:在激光扫描检测技术中，。讨论了一种新的边缘检测方法，即对扫描激光束进行调制，信号。关键词:激光扫描相位边缘检测Rmeasureme ntNanyan gshe ng,Ya ngKun taoofOptoelectricalE ngineerin g,HUST,Wuha n,430074）Abstract:Thesystemprecisio nisdirectlyaffected

2、bythesampleedgemeasureme ntprecisio nin lasersca nnin gmeasuri ngtech no logy.A newmethodisproposedtodetecttheedgethroughmod ulat in gsca nnin glaserbeama ndpick in gupthephasereversalofthedetecti on sig nalastheedgesi gn al.Based on themethod,theedgemeasureme ntprecisi oncan beimprovedlesstha non e

3、micro n.Keywords:laserscanning phase edgemeasurement引 言随着工业的飞速发展，高精度工件直径的光电自动测控在许多行业成为关键技术，同时也出现了许多测径方法，大致可分为激光扫描15、衍射干涉条纹68、 激光2CCD成像912等。在国内外这些现有的测量方法中，对于测量范围在 1mm至几十毫米的多采用激光扫描或激光叩量级;而精度在1叩量级的多采用干涉衍射条纹的方 2CCD成像的方法，测量精 度达到10法，但测量范围大多不超过1mm。国外在90年代形成了系列产品，其中美国LaserMike公司和Zygo公司较为著名。国内则以研究单位为使用厂家分别研制

4、为 主。在测径技术中，工件边缘的检测是至关重要的。国内外各种直径检测技术的边 缘检测常采用半光强检测13或者CCD成像检测。但要实现在大的量程内高精度测量,现有的边缘检测方法是难以达到的。故有必要研究一种将激光扫描技术和相 位边缘检测方法相结合的高精度边缘检测方法。1激光扫描相位边缘检测原理 相位边缘检测是以经过调制有一定光斑图形的激光束扫过待测工件的边缘，通过光强的相位突变实现对工件边缘的精确定位，从而实现高精度的测量。可以采用线性 光电效应实现对激光束光强的调制14。应用边缘相位检测方法的激光扫描直径 测量原理如图1所示。图1中经调制后的激光束，先经一个偏振分光镜1分成两束，则这两束光的光

5、强分 别为：(1)lx=i x (1+s?n 如 ly=i (1-sin 2 t)式中，是调制频率,i是未经调制的光强分布函数。由于调制，这两束偏振光具有n的位相差。分别由两个方向相互垂直的条形光阑拦光，形? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.c nki. net422激 光 技 术2001年12月成两个方向相互垂直的矩形光斑 然后再经另一个偏振分光镜3合成形成一个具有十字型光斑图形的调制激光光束。图1中,2所示均为 反射镜。经过调制的十字型光

6、束入射到由同步B透镜后形成扫电机驱动的八面转镜，通过f2描光束匀速扫过被测件。再由接收物镜会聚到Fig.1 Laserscanningphaseedgemeasurementsysteto电探测器上，探测器输出信号 送到处理电路整形、滤波、鉴相后触发计时装置。TFig.2Beammodulati on十字型光斑的3个部分如图2中a,b, c所示。其中a,c同相位且和b具有n的 相位差。其中l为光斑直径。根据高斯光 束的对称性及上述(1)式的光强分部函数可 知，两个条形光斑的中间阴影部分相重叠后 调制相互抵消。设十字型光斑 a,b,c3部分的光强分别为 I1(1-sin g? t),l2(1+F

7、ig.3 Thelaserscanningprocessofsample sin G t),I3(1-sin G t)。其中11,12,13之间关系为:I1=I2=2 l& 由其扫过被测件产 生具有相位突变的光强信号，并由探测器接收，通过检测突变信号以确定被测件边 缘。利用调制激光束沿径向扫过待测工件的过程如图 3所示。图3中,阴影部分为光斑 被被测件挡住的部分。x是光斑中心在坐标系中的横向坐标量,x 1,x是被测件边 缘的坐标。根据图2写出光电探测器接受到的光强表达式。为计算方便，将两个条形光斑分别计算。其中图2中虚线框示的ds为面积元：I=(1-sin G t) k s1ids+(1+si

8、? t)GK s2ids(2) 式中,I为探测器接收的光强，s1和s2是两个条形未被被测件遮挡可被探测器接收 的面积。在图2所示的直角坐标系中计算s1和s2的光强，当两个条形未被挡住时 其光强为：I=(1-sin(? t) ff i(x,y)dxdy+(1+?nt) j i(x,y)dxdJ/6-l/2-l/2-l/6 l/6x-X 1-I/6-I/2I/6I/2I/2I/6在直角坐标系中，光强分布函数i为坐标(x,y)的函数,面积元ds可写为dxdy。当两个条形被被测件挡住一部分时，其光强为:I=(1-sin c?t) ff i(x,y)dxdy+(1+?nt) f f i(x,y)dx2y

9、/6I/2I/6其它过程如图3所示,用同样的方法可求得光斑扫过整个被测件过程中其光强 的变化：? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.c nki. netrannrr drive 禅rd*Trr kra+ io c&iniputrr第25卷第6期I/6I/2张南洋生激光扫描相位边缘检测方法的研究I/2I/642 3(1-sin ? t)-I/6-I/21/6i(x,y)dxdyxlO01 5.56.06*5x(mm)x 10+(1+sin 1?

10、t)i(x,y)dxdy,x- f XT /1-I/2-I/6f fx -x1I/2I/6I/2(1-sin (? t)-I/6-I/2i(x,y)dxdy+(1+sin ? t)j(x,y)dxdy,x -ffff1-I/2-I/6-x l/6x 1-x l/2x 1I/2x x/6 1(1-sin (? t)-I/6-I/2I2/6i(x,y)dxdy+(1+sin ? t)j(x,y)dxdy,x -ffff1-I/2-I/6x -x 1I/6x x 1+I/6(1-sin (? t)-I/6-I/2i(x,y)dxdy,x +I/ ff1x 1+2l=O,x 1+I/2x -2 x I

11、/6(1t)I/6I/6-x 2I/2,dxd,-2I/2x x/6 21/21/6(1-sin (? t)-l/6x -x2l/6l/2i(x,y)dxdy+(1+sin ? t)j(x,y)dxdy,x -ffff2-l/2x -x 2l/2l/6l/6x x 2+1/6(1-sin (? t)-l/6x -x 21/61/2i(x,y)dxdy+(1+sin ? t)j(x,y)dxdy,x +l/6x x +I/2 ffff2-I/2-I/62计算机仿真根据光斑扫过被测件边缘的过程，取一些典型数值，可求得探测器输出边缘检测信 号的计算机仿真结果。仿真得到的曲线示于图4。图中,x轴是光斑

12、中心的位置,y轴是信号的幅值。Fig.4 Thesimulati on curveofdetectoroutputFig.5Thesimulatio ncurvewith3mmsamplediameter当十字型光斑扫过被测件一个边缘时其探测器的信号波形如图5所示，其中光斑直径取为3mm。改变扫描光斑的大小为5mm后的信号波形如图6所示。经过仿真 鉴相,滤波整形过程后信号波形如图7所示。由图7可以看到，无论光斑大小如何 都有明显的相位突变，扫描? 1994-2009 Chi na Academic Journal Electro nic Publish ng House. All rights

13、 reserved http:/www.c nki. net424激 光 技 术2001年12月光斑的大小并不影响相位的检测及边 缘的确定mW*3.0 M2 5.4 S.B 0 6.2 6.4 鼠6 6.8 7K10*OFig.6 Thesimulati on curvewith5mmsamplediameterFig.7simulatio na b 3，而仅考虑光电瞄准误差。在一个n?f (3),s(mn则有：s=2/f v式中,f v (Hz)是透镜的焦距(mm),n是扫描转速(r/s)。考虑到光电瞄准误差 (rad) 后，精度则是一个调制周期内光斑移动的函数。nA s= A s/2(4)

14、 s= A2 n? f 将)(3)式代入 式得:/f v因此,若对光束进行2.5 X07Hz的调制、30r/s的高速扫描，采用80mm焦距的透镜， 相位检测误差为0.087rad。则由(5)式可估计相位边缘检测的理论精度约为:1 X0- 5mm。由于该方法的边缘检测理论精度达到1 X10-5mm,因此,实际测量中要求被测件要有较高的表面光洁度。另外，因为对光束进行了调制，在实际应用中还要考虑到调制 的均匀性及信号处理装置的带宽的影响。应用该方法后，实际测量系统可以忽略边 缘检测的误差，而探测器B透镜的非线性误差及计时装置的光电读数误差还要影响到测量的精度。可以采的噪声、f2B透镜的非线性误差，

15、选用高分辨率的计时装置减小用低噪声放大器，用软件方法修 正减小f2光电读数误差，从而使系统的测量结果达到更高的精度。参1陈本智，陈兴语1计量学报，1995;(3):2212252 李承志1激光技术,1994;(5):3033053张从周，刘兰昊李承志1长春光机学院学报,1997:31354 FotowiczP,JablonskiR1SPIE,LaserTechnolog ,1987;859:2452485 ReichFR1SPIEAdva ncein LaserE ngin eeri ngs,1977;122:2 296 邾继贵，叶声华,陶国智1光电工程,1996;(3):59637 房晓勇，

16、任克勤,曹茂盛1激光杂志,1996;(1):25288 郭 强,白贵儒1光学仪器,1997;(45):93979林棋榕，谢树森,周川钊etal.光学精密工程，1997;(2):10911410陈岳林1计量与测试技术，1998;(3):252811Main sahE,Wo nGCMG,StoutKJ1SPIE,Measureme ntTech nolobya ndl ntellige ntln strumen ts,1993;2101:381 39512 MeggittBT10ptic&Technology,1989;21(5):343 34413吕海宝,谌廷政 周卫红etal1激光杂志,199

17、8;(3):1417考文献? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/www.c nki. net第25卷第6期2001年12月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.25,No.6December,2001Study on gree nproblemofSHG3ZhuCha nghong,L iuBa ining, LiZhe ngjia,Wa ngYi ng,QiuJu nlinLiDehuab,Zha ngZhiguob,VolkerGablerc

18、,Ha nsJoachimEichlerc(aNatio nalLaboratoryofLaserTech nology,HUST,Wuha n,430074)(bI nstituteofPhysics,Ch in eseAcademyof(cOptischesl nstitut,TU2Berli n,Str.d.17.,10623 Abstract:A nexte ndedphysicalmodeltheJ on esmatrixformalismthatgivesthedoubli ngun derCWmulti2lo ngitudi nalforelimi nati ngthe nois

19、eofthef requencyU andtypeI conditionsarepresented.Ageneralcondition2Jonesmatrixhasbeenac hieved.Theeigenvectorsforthephasematchingtypeacaaatype I havebeendeterminedana lytically.Keywords:sum2freque ncyge nerati on (SFG) phasematch in gtyped and I sec on dharm onic gen eratio n(SHG)关于倍频绿光冋题的研究朱长虹a刘百宁c 李正佳a王 英a丘军林a李德华 b 张治国 b VolkerGablerc HansJoachimEichlerc(a华中科技大学国家激光技术重点实验室，武汉,430074)(b中国科学院物理研究所，北京,100080)(cOptischesI nstitute,TU2Berli n, Str.d.17.Ju ni135,10623Berli n,Germa ny)摘要:采用双波片晶体的物理模型和Jones矩阵方法,得到了在连续多纵模腔内倍频 激光器中压缩噪声的必要条件，推导出与U类和I类相位匹配方式相对应的消除和频效应 的公式，并推广为往返Jo