第3章激光衍射测量技术

1、2006年3月6日星期一第三章 激光衍射测量技术党学明合肥工业大学仪器科学与光电工程学院2006年3月6日星期一本章的主要内容主要内容主要内容:第一节 激光衍射测量原理第二节 激光衍射测量方法第三节 激光衍射测量的应用内容提示内容提示: 重点: 衍射及衍射现象在测量中的应用 学习方法: 衍射测量的思维与方法2006年3月6日星期一第一节 激光衍射测量原理衍射衍射/绕射绕射:波能够绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象 波波: 声、光、电磁、机械波障碍物：障碍物：大小、形状对现象均有影响现象：现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/观察的位置有关2006年3月6日星期一第一节 激光

2、衍射测量原理光的波长短， 对很小的缝隙/屏才有明显的衍射现象，激光出现后， 衍射现象才实际应用到测量中：1973年 Canada 国家研究所 T.R. Pryer 提出了激光衍射测量的方法衍射测量的特点： 全场， 非接触， 稳定性好，自动化程度高，精度高2006年3月6日星期一一、 菲涅耳和夫琅和费衍射划分划分：按光源、障碍物/衍射物，观察屏三者之间的距离或位置划分菲涅耳衍射和夫琅和费衍射（1）菲涅耳衍射/近场衍射 光源障碍物接收屏距离为有 限远 （2）夫琅和费衍射/远场衍射 光源障碍物接收屏距离为无 限远 2222bbbbRorLRorL2222bbbbRandLRandL2006年3月6日

3、星期一一、 菲涅耳和夫琅和费衍射夫琅和费衍射是我们衍射测量的基本原理其常用的光路图如下：2006年3月6日星期一二、单缝测量原理1. 单缝衍射现象单缝衍射现象其观察屏的光强分布：有菲涅尔衍射原理有由基尔霍夫条件知：则光强分布：( )( )ikrikrpqpqa ae eEcEKdrEcEKdrr r 1 1c co os s( ( ) )2 21 1c co os s2 2i ik kr rp pq qa aK Ki iA Ae eE EE Ed dr ri ir r 2 20 02 20 0sinsin()sin()sin0 0b bIIIIIlight strengthIlight str

4、ength 2006年3月6日星期一二、单缝测量原理单缝衍射的特点：1）中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍2）次级明纹的光强随级次的增加而逐渐减小3）若光程差不等于 /2 的整数倍，亮度介于最明与最暗之间。4）条纹的方向平行于缝的方向5）暗条纹=k 即sinsink kb b 2006年3月6日星期一2. 单缝测量的原理当不大时则有:2222sinsinsinsink kk kk kk kX Xif XLif XLLXLXX XtgtgL L 由暗条纹现的公式知: sinsink kb b k kkLkLb bX X 2006年3月6日星期一2. 单缝测量的原理由此可以得出以

5、下结论:a.测定L Xk的大小,就能计算狭缝宽度b. 测定b Xk的大小, 就能计算L的大小c.如果Xk变化, L已知, 反映了狭缝的变化,可实现在线测量d. 由公式可知,暗条纹间距为固定值 所以通过测量条纹间距,也可以测量以上各值k kkLkLb bX X 1 1kkkkL LXXXXb b 2006年3月6日星期一3. 单缝测量的能力1)测量分辨力反映了测量最小分辨能力, 级数越高 L越大, 波长越长, 分辨力越高反映了狭缝对尺寸的放大倍数, 即放大了1/t倍 Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力2 22 22 2k kk kk kkLkLb bX XdbkLbdbkLbdXkLdXk

6、LX Xb bt tkLkL k kkLkLX Xb b 2006年3月6日星期一3. 单缝测量的能力2)测量精度测量精度由于一般激光频率稳定度可达10-6,可以忽略波长的影响考虑环境因素的影响,一般测量的精度可达0.5um3)测量量程测量量程b越小,越大,衍射明显b越小, XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显b越大, XK变小,条纹变密, 传感器不易放置, 灵敏度下降Lb2/, 仪器尺寸限制, b基本确定k kk k L Lb bX X 2 21 1k kkLkLdXdbdbdXdbdbt tb b 2006年3月6日星期一测量量程测量量程一般d的宽度取0.01mm-0.5mm2006年

7、3月6日星期一三 、圆孔衍射测量屏上接受光强：J1为一阶贝塞尔函数X为：爱里斑：第一个暗环所包括的区域。常用测试仪器的分辨率2006年3月6日星期一三 、圆孔衍射测量由一阶Bessel函数知，其零点位置分别为：3.83， 7.02，10.17则Airy斑的大小有：Airy集中了84%的能量以上2 23.83sin3.83sina a sinsin2 2d dtgtgf f1.221.22f fd da a 2006年3月6日星期一第二节 激光衍射测量方法衍射测量根据夫琅和费狭缝和圆孔衍射原理进行测量：1.221.22f fd da a k kkLkLb bX X 常用的测量方法主要有：1、间隙

8、测量法2、反射衍射测量法3、分离间隙法4、互补测屏法5、爱里斑测量法6、衍射频谱检测法2006年3月6日星期一1、间隙测量法间隙法主要运用单缝衍射原理，通过测量某一暗条纹的距离， 通过公式，计算出被测量的大小。主要分：a.尺寸比较b.形貌测量c. 传感器 可以测量应力/应变，温度，压力，加速度等2006年3月6日星期一1、间隙测量法测量出某一暗条纹的位置后,利用衍射公式,计算出变化量的多少.也可以通过计数某一位置(衍射角度固定), 衍射条纹数的变化条数计算 第一种,为绝对测量法绝对测量法 第二种为第二种为增量测量法增量测量法k kkLkLb bX X 2006年3月6日星期一1、间隙测量法基本

9、的间隙法测量装置:测量应变装置:2006年3月6日星期一2、反射衍射测量法反射衍射法反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。由于平面镜作用,相当于虚线的光源发出的光照射, 则两端线光程差为:2sin2sin()2sin2sin()dddd 根据衍射条件知: 光程差为波长整数倍,出现暗条纹,即2sin2sin()2sin2sin()ddkddk2006年3月6日星期一2、反射衍射测量法将右式展开: 则有带入 所以有: 2sin2sin()2sin2sin()ddkddk2 22 (sinsin2 cossin)2 (sinsin2 cossin)2 2dkdk sinsins

10、insin2222k kk kX XtgtgL LX XL L 2 2(cossin)(cossin)2 22(cossin)2(cossin)2 2kkkkk kk kbXXbXXk kLLLLkLkLb bX XX XL L 为任意值， 可以测量某角度下的不同级数暗条纹的位置X，连立方程求解2006年3月6日星期一2、反射衍射测量法特点： 1、灵敏度提高一倍 2、入射光可以以一定角度入射，布置方便应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等2006年3月6日星期一3、分离间隙法利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行精密测量的方法被称为分离间隙法分离间隙法原理图:P1出现暗条纹的条

11、件: 2006年3月6日星期一3、分离间隙法P2出现暗条纹的条件:当K1=k2时 所以 Xk2Xk12006年3月6日星期一3、分离间隙法应用举例: 2006年3月6日星期一4、互补测屏法巴俾涅（A.babinet）原理一对互补屏各自在衍射场中某点所产生的复振幅之和等于自由传播时该点的复振幅所以: 两互补屏不存在时，光场中强度为零处互补屏产生的光强相等一对互补屏所形成的衍射图样光强分布除光源点的几何像点之外的所有区域相同2006年3月6日星期一4、互补测屏法因此, 细丝,薄带进行衍射测量:互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0lO1mm，测量精度可达0.05um2006年3月6日星期一5、爱

12、里斑测量法 爱里斑测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理可以直接测量第一个暗环的直径也可用能量法间接测量1.221.22f fd da a 2006年3月6日星期一6、衍射频谱检测法由傅里叶光学知: 平面波射向任意周期性的物体,会在远场发生夫琅和费衍射,衍射光强中的各级光的角度频谱强度由衍射屏的傅里叶变换所决定在透镜像方焦面上的复振幅分布(衍射图样)是物面的复振幅分布（透射率）的傅里叶变换 2006年3月6日星期一6、衍射频谱检测法应用方法: 1. 博里叶变换检测法 直接利用透镜的傅里叶变换特性，用光电探器探测物体的频谱对信号进行分析和处理、然后判定是否有缺陷。2006年3月6日星期一6、衍射频谱

13、检测法2. 二次博里叶变换检测法 利用透镜衍射的二次傅里叶变换获得被检缺陷的像，用目视或光电检测直接判定缺陷大小以及缺陷的位置。2006年3月6日星期一第三节 激光衍射测量的应用一、构成各种物理量的传感器1)流量2)压力/形变3)温度4)电场/磁场5)折射率2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量2006年3月6日星期一三、振动测量2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量2006年3月6日星期一四、直径和薄

14、带宽度测量CCD2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量转镜扫描式激光到径仪转镜扫描式激光到径仪准确测量Xk，S难度大，转角法，把测量位移转化为测量时间，设转速为1212121212122 2222212122 212122 2()()()()()()2 22424()()1 14 4()()4 4LLLLL LS SddddLLLLLLLLS SVLtVLtVdLndLVdLndLLLLLdkdkntLtntLtLLLLk knLnL 2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量狭缝扫描式激光测径仪狭缝扫描式激光测径仪转镜扫描式测径仪是由测量条纹间距转镜扫描式测径仪是由测量条纹间距s值求得细丝直径值求得细丝直径狭缝扫描式测径仪是通过测量特定级条纹的狭缝扫描式测径仪是通过测量特定级条纹的Xk值来求直径值来求直径2006年3月6日星期一五、生物医学应用测量细胞的平均直径通过测量衍射频谱的光强分布计算出平均粒径的大小2006年3月6日星期一本章 注意事项1.常用衍射测量的器件 PD 二分型的硅光电池 四分型的硅光电池 一维/二维PSD CCD（二维或线阵）2.防止振动/跳动 隔振扩束 透镜成像2006年3月6日星期一本章 注意事项3.测量方法