激光衍射测量技术

激光衍射测量技术2006年3月6日星期一第1页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一本章的主要内容主要内容: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:

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第2页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一第一节激光衍射测量原理衍射/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:

声、光、电磁、机械波障碍物：大小、形状对现象均有影响现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/观察的位置有关第3页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一第一节激光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，精度高第4页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一一、菲涅耳和夫琅和费衍射划分：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

第5页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一一、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：第6页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一二、单缝测量原理1.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：第7页，共46页，2023年，2月20日，星期日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λ/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β=kπ即第8页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一2.单缝测量的原理当θ不大时则有:由暗条纹现的公式知:第9页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一2.单缝测量的原理由此可以得出以下结论:测定LXk的大小,就能计算狭缝宽度测定bXk的大小,就能计算L的大小如果Xk变化,L已知,反映了狭缝的变化,可实现在线测量由公式可知,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第10页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一3.单缝测量的能力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第11页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一3.单缝测量的能力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±0.5um测量量程b越小,β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L>>b2/λ,仪器尺寸限制,b基本确定第12页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一测量量程一般d的宽度取0.01mm-0.5mm第13页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年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第14页，共46页，2023年，2月20日，星期日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%的能量以上第15页，共46页，2023年，2月20日，星期日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：常用的测量方法主要有：1、间隙测量法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、衍射频谱检测法第16页，共46页，2023年，2月20日，星期日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：尺寸比较形貌测量c.传感器可以测量应力/应变，温度，压力，加速度等第17页，共46页，2023年，2月20日，星期日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,为绝对测量法第二种为增量测量法第18页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一1、间隙测量法基本的间隙法测量装置:测量应变装置:第19页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一2、反射衍射测量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:根据衍射条件知:光程差为波长整数倍,出现暗条纹,即第20页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006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:θ为任意值，可以测量某角度下的不同级数暗条纹的位置X，连立方程求解第21页，共46页，2023年，2月20日，星期日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、间隙测定等第22页，共46页，2023年，2月20日，星期日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原理图:P1出现暗条纹的条件:第23页，共46页，2023年，2月20日，星期日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Xk2>Xk1第24页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一3、分离间隙法应用举例:第25页，共46页，2023年，2月20日，星期日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第26页，共46页，2023年，2月20日，星期日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0.0l—O．1mm，测量精度可达0.05um第27页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一5、爱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第28页，共46页，2023年，2月20日，星期日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

第29页，共46页，2023年，2月20日，星期日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。第30页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一6、衍射频谱检测法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。第31页，共46页，2023年，2月20日，星期日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)折射率第32页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量第33页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量第34页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量第35页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一二、涂层厚度/表面形状/位移测量第36页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一三、振动测量第37页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量第38页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量CCD第39页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一四、直径和薄带宽度测量第40页，共46页，2023年，2月20日，星期日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ω第41页，共46页，2023年，2月20日，星期日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转镜扫描式测径仪是由测量条纹间距s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Xk值来求直径第42页，共46页，2023年，2月20日，星期日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第43页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一本章注意事项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PSDCCD（二维或线阵）防止振动/跳动隔振 扩束透镜成像第44页，共46页，2023年，2月20日，星期日2006年3月6日星期一本章注意事项测量方法直接测量:CCD转镜/狭缝扫描式(测量时间)一般测量Xk或者S,由d=kLλ/Xk=Lλ/s求出间接测量:PD 二分型的硅