激光衍射测量和莫尔条纹技术演示文稿

激光衍射测量和莫尔条纹技术演示文稿本文档共40页；当前第1页；编辑于星期六\7点32分菲涅耳衍射：当光源和衍射屛都离障碍物有限远时，也称近场衍射。夫琅和费衍射：当光源和衍射屛都离障碍物无限远时，也称远场衍射。夫琅和费衍射计算简单，用处较多，以后所讨论的均为此类衍射。2本文档共40页；当前第2页；编辑于星期六\7点32分3

单缝衍射测量a.单缝衍射测量原理3本文档共40页；当前第3页；编辑于星期六\7点32分4衍射强度分布为:式中

,是衍射角,是衍射角

时的衍射强度。

由上可知:1.衍射条纹平行于被测狭缝。

2.当时，衍射为暗条纹。4本文档共40页；当前第4页；编辑于星期六\7点32分5b.测量微小尺寸原理只要能精确地测出第K级暗条纹的，就能计算出狭缝宽度b。第K级暗条纹：零级条纹中心到第K暗条纹的距离，L：衍射屛到狭缝的距离。5本文档共40页；当前第5页；编辑于星期六\7点32分6当狭缝的尺寸微小变化b时，第K级暗条纹的位置将移动

分别是第k个暗条纹在缝宽变化前和变化后距中央零级条纹中心的距离c.单缝衍射测量方法与应用

间隙测量法条纹的变化数目N6本文档共40页；当前第6页；编辑于星期六\7点32分7间隙测量法的应用：可用于测定各种物理量的变化，如应变、压力、温度、流量、加速度等。7本文档共40页；当前第7页；编辑于星期六\7点32分8参考物和试件不在同一平面内

分离间隙测量法8本文档共40页；当前第8页；编辑于星期六\7点32分9在P1处出现暗条纹的条件在P2处出现暗条纹的条件9本文档共40页；当前第9页；编辑于星期六\7点32分1010本文档共40页；当前第10页；编辑于星期六\7点32分11基于巴俾涅原理

互补测量法光波照射两个互补屏（一个衍射屏的开孔部分正好与另一个衍射屏的不透明部分对应，反之亦然。），所产生的衍射图样的形状和光强完全相同，仅相位差为。S为暗条纹间距；xk为k级暗条纹位置本文档共40页；当前第11页；编辑于星期六\7点32分12b值越小，波长越大，级次k越大，值越大。假设:那么:1.灵敏度：d.单缝衍射测量的技术特性如果的测量分辨率是12本文档共40页；当前第12页；编辑于星期六\7点32分13狭缝b的测量误差为：2222)()()(kkkkxxkffxkxkfbdldldld++±=2.测量精度：假设测量,f和的测量误差分别为、f、

考虑到环境干扰的影响,13本文档共40页；当前第13页；编辑于星期六\7点32分14

这意味着db的变化量可放大250倍。但随着b的增大，放大倍数将急剧地减小。f的增大将受到仪器尺寸的限制。所以衍射测量的高测量精度只有在测量微小尺寸时才能够得到保证。这就决定了衍射测量的测量范围很小。

3.测量范围：14本文档共40页；当前第14页；编辑于星期六\7点32分15

如果狭缝宽度太小(例如b=1m),光学透镜成象的近轴条件得不到满足，所以b不能太小。当b的范围为:15本文档共40页；当前第15页；编辑于星期六\7点32分1616圆孔半径aL衍射屏观察屏焦距f中央亮斑(爱里斑)1

圆孔衍射装置示意图1.22(/D)sin01I/I0

圆孔衍射的相对光强曲线衍射强度分布为：

圆孔衍射测量16本文档共40页；当前第16页；编辑于星期六\7点32分1717夫琅和费圆孔（或圆屏）衍射决定了决定了望远镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能力。圆孔衍射图样

光学仪器的分辨率17本文档共40页；当前第17页；编辑于星期六\7点32分18

光栅衍射测量具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏统称为光栅。光栅刻线也称为栅线，栅线间的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。光栅分类：

粗光栅（光栅常数d远大于照明光波长）和细光栅（d接近或稍大于照明光波长）；透射光栅和反射光栅；平面光栅和凹面光栅；黑白光栅和正弦光栅；一维光栅、二维光栅和三维光栅；直线光栅和圆光栅；物理光栅和计量光栅等。18本文档共40页；当前第18页；编辑于星期六\7点32分19物理光栅：光栅刻线细密，工作原理是建立在衍射分光现象基础上，主要用途为光谱分析、波长测定，广泛应用于光谱仪和光通信中。

光栅光谱仪装置图光栅型波分复用器的结构示意图计量光栅：光栅刻线较粗，工作原理是莫尔条纹现象，主要用于位移的精密测量和控制。19本文档共40页；当前第19页；编辑于星期六\7点32分20本文档共40页；当前第20页；编辑于星期六\7点32分211、莫尔条纹起源2、1874年，英国物理学家瑞利首次将莫尔条纹作为一种计量测试手段，开创了莫尔测试技术。3、光栅莫尔条纹法：利用计量光栅元件产生莫尔条纹的计测方法。4、可测量角度、长度、振动等。5、在自动跟踪、轨迹控制、变形测试、三维物体表面轮廓测量等方面有广阔的应用。4.2莫尔条纹测试技术21本文档共40页；当前第21页；编辑于星期六\7点32分221、遮光原理：一块光栅的不透光线纹对另一光栅缝隙的遮挡作用。2、衍射干涉原理：衍射波之间的干涉结果3、傅里叶变换原理：光栅副透射光场分解为不同空间频率的离散分量，莫尔条纹由低于光栅频率的空间频率项所组成。光栅条纹较疏的可直接用遮光原理来解释；而光栅条纹较密的用衍射干涉原理来解释更为恰当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。

莫尔条纹的形成22本文档共40页；当前第22页；编辑于星期六\7点32分231、遮光原理：几何法--莫尔条纹宽度公式23本文档共40页；当前第23页；编辑于星期六\7点32分24两块光栅的交角很小：以莫尔条纹对于Y轴的夹角表示其方位：两块光栅节距相等时，莫尔条纹垂直于栅线交角的角平分线。24本文档共40页；当前第24页；编辑于星期六\7点32分25序数方程法A光栅的栅线序列为i＝0，1，…,B光栅的栅线序列为j＝0，1，…,两光栅的栅线交点用[i,j]来表示K=j-i:莫尔条纹。A光栅的栅线方程B光栅栅线的斜率25本文档共40页；当前第25页；编辑于星期六\7点32分26B光栅任意一栅线j与x轴交点（0，j）的坐标:由点斜式求出B光栅栅线方程:对应于某一k值的莫尔条纹方程:26本文档共40页；当前第26页；编辑于星期六\7点32分27莫尔条纹的宽度w及其对y轴的夹角：27本文档共40页；当前第27页；编辑于星期六\7点32分28（a）

横向莫尔条纹（b）与纵向莫尔条纹28本文档共40页；当前第28页；编辑于星期六\7点32分292、衍射干涉原理：光栅副的衍射级次光栅副衍射光的干涉29本文档共40页；当前第29页；编辑于星期六\7点32分30

莫尔条纹的基本性质1、放大性栅距放大了1/θ倍微小位移变化放大提高了测量的灵敏度2、同步性光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度w3、准确性当光栅有局部误差时，由于平均效应，使光栅缺陷或局部误差对测量精度的影响大大减少。

30本文档共40页；当前第30页；编辑于星期六\7点32分31

莫尔条纹测试技术1、莫尔条纹测量位移将被测几何量转换为莫尔条纹的变化将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换为电信号光栅传感器示意图1-灯；2-聚光镜；3-标尺光栅；4-指示光栅；5-硅光电池长度测量---长光栅31本文档共40页；当前第31页；编辑于星期六\7点32分a、测量原理b、零位光栅记录波形变化周期数（条纹移动数）N，光栅的位移量x=Nwc、辨向与细分a)标尺光栅b)指示光栅c)零位脉冲32本文档共40页；当前第32页；编辑于星期六\7点32分角度测量---圆光栅d)径向圆光栅；e)形成的条纹；f)径向光栅条纹解析图a)切向圆光栅；b)形成的环形条纹；c)切向光栅条纹解析图；33本文档共40页；当前第33页；编辑于星期六\7点32分切向圆光栅径向圆盘光栅条纹宽度不是一个定值，随条纹所处位置的不同而有所变化。条纹宽度上等距分布的各点并不对应于一个节距角内光栅的等距位移。R为圆光栅上某点的刻划半径；α为圆光栅角节距；r为小圆半径；2s为两光栅中心距。34本文档共40页；当前第34页；编辑于星期六\7点32分光栅式位移测量特点：①精度高：可达0.1微米②大量程测量兼有高分辨力③可实现动态测量④具有较强的抗干扰能力35本文档共40页；当前第35页；编辑于星期六\7点32分2、莫尔偏折法测量光学系统焦距

-------Talbot距离泰伯效应（Talbot）：平面波照明一个具有周期性透过率函数的物体时，会在该物体后某些特定距离上重现该周期函数的图像36本文档共40页；当前第36页；编辑于星期六\7点32分莫尔偏折法是泰伯效应与莫尔条纹技术的结合利用第一块光栅的Talbot像受相位物体影响的变形与第二块光栅形成的莫尔条纹发生倾斜来表示被测物体的信息。S为待测透镜与光栅G1之间的距离；为莫尔条纹偏转的角度，Z为Talbot距离。37本文档共40页；当前第37页；编辑于星期六\7点32分3、莫尔轮廓术测量三维物体形貌

利用一个基准光栅与投影到三维物体表面上并受表面高度调制的变形光栅叠合形成