光学测试技术-第2章-光学准直与自准直技术1

光学测试技术2021年3月12日第二章光学准直与自准直技术第一节激光束的准直与自准直技术在大型设备、管道、高建筑物等的测量、安装、校准（或校直）中，往往需要给出一条直线作为基准线，以此来检查各个零部件位置的准确性，管道、导轨的直线性，高层建筑斜拉桥的竖塔和钻井的垂直度等。过去多利用移动内调焦望远镜（包括经纬仪的内调焦望远镜）的内调焦透镜组来给一条从几十厘米到几十米的瞄准直线。其直线性与内调焦物镜组的设计、装配及移动导轨的制造精度有关，还受望远镜的瞄准准确度的影响，因而直线度不高。准直仪（即平行光管）能给出一条准直光束，但其亮度太低，光束准直性也有限。一、激光准直技术由于激光具有极好的方向性，一个经过准直的连续输出的激光束，可以认为是一条粗细几乎不变的直线。因此可以用激光束作为空间基准线，这样的激光准直仪能够测量直线度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三维空间的基准测量。激光准直仪和平行光管、经纬仪等一般的准直仪相比，具有工作距离长，测量精度高和便于自动控制、操作方便等优点，可以广泛地用于隧道开凿、管道铺设、高层建筑建造、造桥、修路、开矿以及大型设备的安装、定位等。第一节激光束的准直与自准直技术由于激光束有很高的亮度和相当好的方向性，因而是直线性测量的理想光束。当需要进一步提高它的准直性（光束平行性）时，采用放大率不太高的倒置望远镜即可。例如当采用单模稳频He-Ne激光器时，只需用倒置望远镜即可使其光斑直径从位置的Φ15mm传输400m后仅增加到Φ25mm，这是其它光束无法比拟的，如果需要铅垂的准直激光束，可以将激光器和倒置望远镜装在一个重锤机构上，即可用于作为钻井和盖高层建筑时的基准线，以保证钻井等的铅垂度；若将铅垂的激光器通过一个五棱镜，则成为水平的激光束。转动五棱镜，激光束便扫出一个水平面，可用它来标定建筑物的基础面是否水平。30第一节激光束的准直与自准直技术（一）激光准直仪的原理和基本结构激光准直仪一般采用TEM00模的He-Ne激光器，它发出波长为632.8nm的可见光。采用适当的望远镜系统使光束能在不同距离上聚集成截面直径约为10mm左右的近似于平行的光束。它的亮度分布对中心而言是对称的，可用四象限光电探测器寻找光束中心。该中心在光束传播方向上的轨迹为一直线。利用这条可见光束作为准直和测量的基准线，在需要准直的点上用光电探测器接收它。四象限光电探测器固定在被准直的工件上，当激光束照射在四块光电池上时，产生电压。利用两对角象限（1和3）与（2和4）的差值就能决定光束中心的位置。4321,,,VVVV第一节激光束的准直与自准直技术讨论：激光准直仪工作精度的影响因素1、光束稳定性2、光强分布的对称性和中心的稳定性第一节激光束的准直与自准直技术另一种准直仪是利用激光的相干性，一般采用方形菲涅尔波带片来提高激光准直仪的对准精度，如衍射准直仪。当激光束通过发射天线后，均匀地照射在波带片上，使其充满整个波带片。于是在光轴的某个位置会出现一个很细的十字亮线。当用一屏放在该位置上，可以清晰地看到它。若调节望远镜的焦距，则十字亮线就出现在光轴的不同位置上。这些十字亮线焦点的连线为一直线，这条线可作为基准线来进行准直工作。这种方法可提高对准精度。由于在光轴不同位置上的十字亮线是干涉的结果，有较好的抗干扰性。问题：菲涅尔波带片的工作原理、成像特点第一节激光束的准直与自准直技术•当需要准直细光束时，可采用零级贝塞尔激光束。中心光斑直径0.2mm的贝塞尔光束，传输1.7m后仅增至0.25mm。•应用倒置望远镜产生的准直激光束进行装配、校准的典型应用是波音777客机机翼和尾翼的装配。波音777飞机载客380人，最大航程9000公里。该飞机首次使用准直激光系统进行装配，机翼长度约200英尺（约61m），其所有部件，如机翼前缘的对准误差小于0.13mm，整个机翼装配误差约为0.76mm以内。（p41，图2-1）第一节激光束的准直与自准直技术1、发射光学系统----用倒置望远镜准直激光束为了便于理解，先介绍高斯光束传播和变换基本公式。•高斯光束的束腰半径和束腰位置决定了高斯光束的全部特性。为便于处理高斯光束的传播和变换问题，引入复参数,定义为：式中：----距束腰z处光束等相位面的曲率半径；----z处的光斑半径（光强下降到光斑中心光强的处的光斑半径；----激光波长；----传播空间的折射率，在大气中传输时取为1。0qnzizRzq)()(1)(12)(zR)(z2/1en第一节激光束的准直与自准直技术其中（1）束腰处的波阵面为平面，此时（取束腰位于坐标原点），则有：（2）可以证明2202021)(nzz)0(Rniq200202101)(,)(zqzqzqzq1C2C12221R2R第一节激光束的准直与自准直技术对于高斯光束，其传播的波面是各处振幅不均匀的、曲率中心不断变化的球面波，高斯光束通过透镜的变换满足下式：fRR11121高斯光束传至透镜前主点处的球面波曲率半径高斯光束通过透镜后主点处的球面波曲率半径透镜焦距1C2C12221R2R第一节激光束的准直与自准直技术变换前后的透镜处光斑半径应相等，即得211nn2122//1C2C12221R2R23410201z1f2f1L2L第一节激光束的准直与自准直技术因此有：'f1)z(q1)z(q121经一系列推导（见p42公式2-7到2-10），可得（取n=1)2122102110201ffz221021121ffzfzfz第一节激光束的准直与自准直技术高斯光束光斑半径经过单透镜的变换规律•可见，经透镜变换的束腰，不论或者，只要焦距，总有即皆有聚焦作用。并且经透镜变换后的高斯光束的束腰都近似位于透镜的后焦面上。•高斯光束经倒置望远镜的短焦距（）透镜变换后的束腰半径及位置由上两式确定，经第二透镜变换，利用，得2122102110201ffzfzfz11、20fz1/210f10201L/210f202z2L1/12fz1L21030f第一节激光束的准直与自准直技术高斯光束的发散角定义为，入射光束发散角可由下式求得：透镜后主面的光斑半径为：代入的表达式得：dzzdU/)(limtan0U100tanU1L220112tanfUf2120f12230ff偏微分的结果对2202021)(nzz30第一节激光束的准直与自准直技术出射光束发散角由式确定：从而得发散角压缩比：式中为望远镜放大率。可见，倒置望远镜的出射光束发散角的压缩比主要与望远镜视放大率有关，此外还和高斯光束结构参数（）有关。增大（束腰远离望远镜），压缩比也增大，光束准直性将更好些。302tanU2122101110221030201tantanzffUU12/ff110,z1z1L第一节激光束的准直与自准直技术总结：望远镜两透镜的距离为，其中如果有一高斯分布的激光光束，其发散角为，从左方入射到倒置的望远系统，出射后的发散角21ffM123410201z1f2f1L12ff21ffD第一节激光束的准直与自准直技术问题：望远镜，即发射天线放大倍率的选择原则？特殊设计的光学天线武汉大学电子信息学院18高次曲面面型激光光束整形天线（三）零阶贝塞尔光束已知高斯光束经过任何线性光学系统的变换仍然是高斯光束，即其光束截面光强始终保持高斯分布。随着光束的传播高斯光束截面上光强迅速衰减。可以想象：若有一种横截面上的光强几乎不随传播距离而衰减的光束，将会很有用。零阶贝塞尔光束就是这样的光束之一。当光源用激光器时，经过特殊的会聚元件（或元件组）而形成的零阶贝塞尔光束是一条亮而细的光束，可以看成是会聚角很小而聚焦深度很大的会聚光束，也可以认为是直径很小的准直光束。第一节激光束的准直与自准直技术•零阶贝塞尔光束是波动方程在无界空间的一个特解，这个解的形式是：式中：--复数表示的电场强度；--自变量为（）的零阶贝塞尔函数，光束由此而得名。•由零阶贝塞尔函数表达式可知，这是一个在垂直于z的横截面上具有相同光强分布的光束，即光强分布不随z而变，因而具有无发散角传输的性质。必须指出，在有界空间中，零阶贝塞尔光束是波动方程的一个近似解，即在某一传输距离内延缓光束的衍射发散，其在横截面上的光强分布近似不变，所以又称为无衍光束。这种特点导致其在纵向无法定位。)()z(0rJeEziE)(0rJr)(02rJ第一节激光束的准直与自准直技术最早实现零阶贝塞尔光束的实验装置如图所示。带有一个直径，宽度的环形狭缝的屏置于，半径的薄透镜的前焦面上，环形狭缝上每一点发出的光，经透镜变换为平行光，环缝所有点产生的平行光的波矢位于一个锥面上。mmd5.2md10mmf305mm5.3dfmaxZ第一节激光束的准直与自准直技术当照明环缝的波长为时，得参数的贝塞尔光束，其中。当环缝宽时，可以忽略衍射的调制效应（即宽的光源经透镜衍射的光强分布与点光源经透镜衍射相同）。零阶贝塞尔光束无发散传输的最长距离为：2tanmaxZd/sin2fd2/tan1)2/(2fFFddfmaxZ第一节激光束的准直与自准直技术贝塞尔光束的光强分布如图中的实线所示。在平面上，有相同光斑半径的贝塞尔光束与高斯光束，在传播距离（此处）时，贝塞尔光束光强分布几乎不变（图中实线），而高斯光束光强迅速衰减，图中二虚线表示在和处高斯光束的光强分布。20J0zmaxZzmmZ800maxmmz100mmz10001.00.5)(归化强度I第一节激光束的准直与自准直技术利用零阶贝塞尔光束中心斑直径，并保持较长传播距离不变（例如中心斑直径,保持约1m范围内光强分布基本不变）这一特点，在测量上可有许多用途。图示为用于测量物体表面轮廓的一个例子。准直激光束通过轴锥镜成为近似的零阶贝塞尔光束，经扫描反射镜。光束在被测表面扫一条细亮线。m70扫描反射镜CCD相机轴锥镜轮廓激光h第一节激光束的准直与自准直技术与入射光成较大的角（一般）方向上，用CCD相机摄得细亮线在物面上的轨迹。由于角较大，可使小的纵向（深度）变化转变为大的横向位于，即以高于观测装置分辨率的灵敏度求出表面某截面的轮廓。tanhl扫描反射镜CCD相机轴锥镜轮廓激光h45h第一节激光束的准直与自准直技术（四）产生超细光束的新光源近年美国密执安大学的科研人员研制出可产生超细光束的技术，其光束的直径可小至1nm。这项技术，包括在一支内径仅100nm或更小的微小滴管的肩头内，生长一颗分子态晶体，通过用激光或其它手段对这颗晶体进行激发，光以分子态激子形式经晶体传播，并激发晶体，在滴管尖端产生细光束。使用不同晶体可以产生不同波长的光，这种新装置是一种可产生极细光束的主动光源，而不是以某种小孔径形式将光压缩变窄、被动限制地产生细光束，并且由于晶体可以放大信号，因此其亮度要大得多，这项技术最重要的特点是它能实现对极小区域成像（即实现分子成像）并可进行观察。第一节激光束的准直与自准直技术二、激光束的自准直技术激光束自准直技术是指实现反射波面与入射波面完全重合的技术。目前有两种实现方法：•波阵面是平面的激光束经平面反射镜反射的自准直；•波阵面为任意形状的激光束经相位共轭镜反射的自准直。激光器发出的光束经扩束望远镜后成为发散角更小的准直激光束，经