光電測(cè)試技術(shù)-n6

1、光電測(cè)試技術(shù),第六章 激光衍射測(cè)試技術(shù),2,引 言,光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向，繞過(guò)障礙物的邊緣而進(jìn)入幾何陰影區(qū)，并在障礙物后的觀察屏上呈現(xiàn)光強(qiáng)的不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為光的衍射。使光波發(fā)生衍射的障礙物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布發(fā)生某種變化的光屏稱為衍射屏。 激光出現(xiàn)后，由于它具有高亮度、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，使光的衍射現(xiàn)象在測(cè)試技術(shù)中得到了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。 激光衍射測(cè)試技術(shù)是一種高準(zhǔn)確度、小量程的精密測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用比較廣泛。 通常把衍射現(xiàn)象分為二類： 1）菲涅耳衍射，光源和觀察屏（或二者之一）離開衍射屏距離有限，又稱為近場(chǎng)衍射； 2）夫瑯和費(fèi)衍射，光源和觀察屏距離衍射

2、屏都相當(dāng)于無(wú)限遠(yuǎn)，因而又稱為遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。,3,惠更斯菲涅耳原理,1、惠更斯原理 (huygens principle)： （1）波陣面的形成， （2）波面的傳播方向：沿各個(gè)方向。,2、菲涅耳原理 因惠更斯子波來(lái)自同一光源，具有相干性，波陣面外任一點(diǎn)光振動(dòng)應(yīng)該是波面上所有子波相干疊加的結(jié)果。,4,基爾霍夫 (kirchhoff) 從波動(dòng)方程出發(fā)，用場(chǎng)論得出了比較嚴(yán)格的衍射公式。,5,設(shè)有兩個(gè)互補(bǔ)屏e1和e2，則有：,e1e2無(wú)屏,產(chǎn)生的衍射：,除中心點(diǎn)p0，,則,光強(qiáng)：,所以形狀大小一樣的屏和孔產(chǎn)生的衍射圖樣是一樣的，一個(gè)形狀相等的狹縫和細(xì)絲的衍射圖形也是一樣。,巴比涅原理(babinet pri

3、nciple),6,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),7,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.1 單縫衍射 夫瑯和費(fèi)衍射的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，特別是對(duì)于簡(jiǎn)單形狀孔徑的衍射，通常能夠以解析形式求出積分，并且夫瑯和費(fèi)衍射是光學(xué)儀器中最常見的衍射現(xiàn)象。激光衍射測(cè)量的基本原理是利用激光的夫瑯和費(fèi)衍射。 夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置,8,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.1 單縫衍射 單縫夫瑯和費(fèi)衍射強(qiáng)度分布 用振幅矢量法或衍射積分法都可以得到縫寬為b的單縫夫瑯和費(fèi)衍射光強(qiáng)分布表達(dá)式： 其中 其分布如圖示。,9,10,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.1 單縫衍射 單縫測(cè)量的基本公式 易知，衍射條紋平行于單縫方

4、向。當(dāng) ，且k取整數(shù)時(shí)，出現(xiàn)一系列暗條紋。利用暗條紋作為測(cè)量指標(biāo)，就可以進(jìn)行計(jì)量。 當(dāng)不大時(shí)： 因此縫寬b可以寫成,11,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.1 單縫衍射 單縫測(cè)量的基本公式 利用被測(cè)物與參考物之間的間隙所形成的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，如圖示。 當(dāng)被測(cè)物尺寸改變b時(shí)，相當(dāng)于狹縫尺寸b改變b，衍射條紋的位置也隨之改變：,12,13,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.1 單縫衍射 單縫衍射測(cè)量的分辨力、準(zhǔn)確度和量程 測(cè)量分辨力能分辨的最小量值： 測(cè)量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 測(cè)量量程一般為0.010.05mm。,hene激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-6，這項(xiàng)誤差可不予考慮。 一般情況下

5、，l和xk的相對(duì)不確定度不超過(guò)0.1%。 取l=1m，=0.63m，k=3，xk=10mm，可得到uc(b)=0.3m。 實(shí)際測(cè)量中還包括環(huán)境因素的影響，衍射測(cè)量可達(dá)到的不確定度一般在0.5m左右。,14,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.2 圓孔衍射 當(dāng)平面波照射到圓孔時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯和費(fèi)衍射像是中心為圓形亮斑、外面繞著明暗相間的環(huán)行條紋艾里斑：,15,6-1 激光衍射測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),6.1.2 圓孔衍射,圓孔夫瑯和費(fèi)衍射條紋的極值位置及光強(qiáng)分布,16,6-2 激光衍射測(cè)試方法,17,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.1 間隙測(cè)量法 間隙測(cè)量法是基于單縫衍射原理。,18,6-2 激光衍射測(cè)試

6、方法,6.2.1 間隙測(cè)量法 間隙測(cè)量法的基本裝置示例(p207圖5.8)。,絕對(duì)法,分別是第k個(gè)暗條紋在縫寬變化前后距中央零級(jí)條紋中心的距離,增量法,是通過(guò)某一固定的衍射角來(lái)記錄條紋的變化數(shù)目,19,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.2 反射衍射測(cè)量法 反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來(lái)進(jìn)行衍射測(cè)量的。,20,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.2 反射衍射測(cè)量法 角一般是任意的，測(cè)得某一入射角位置的兩個(gè)xk值代入公式，聯(lián)立解出值和b值。 從實(shí)例可見，該法易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化，其檢測(cè)靈敏度可達(dá)2.50.025m。,21,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.3 分離間隙法 在實(shí)際測(cè)量中，常

7、會(huì)遇到組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)，即存在一個(gè)間隔z。此時(shí)衍射圖形出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。測(cè)兩次，聯(lián)立求解。,22,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.4 互補(bǔ)測(cè)量法 激光衍射互補(bǔ)測(cè)量法的原理是基于巴比涅原理，當(dāng)用平面光波照射兩個(gè)互補(bǔ)屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強(qiáng)完全相同，僅位相差為。利用此原理可對(duì)各種細(xì)金屬絲和薄帶的尺寸進(jìn)行高準(zhǔn)確度的非接觸測(cè)量。,d,l2,平行光束,互補(bǔ)法測(cè)量細(xì)絲直徑原理圖,23,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.5 艾里斑測(cè)量法 艾里斑測(cè)量法是基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，可進(jìn)行微小孔徑的測(cè)量。,1接收全部能量，其電壓幅度不隨孔徑變化而變化,2只接收艾里斑中心的部分能量，其電

8、壓幅度隨孔徑大小和艾里斑面積改變而變化,24,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.5 衍射頻譜檢測(cè)法 激光衍射頻譜檢測(cè)法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，可應(yīng)用于金屬篩孔、集成電路掩膜、纖維、線材以及硅片等表面檢測(cè)。 其主要檢測(cè)方法有兩種：傅立葉變換檢測(cè)法和二次傅立葉變換檢測(cè)法。 二次傅立葉變換檢測(cè)法舉例：,25,6-2 激光衍射測(cè)試方法,6.2.6 衍射頻譜檢測(cè)法 檢測(cè)過(guò)程如下：首先將一塊標(biāo)準(zhǔn)試樣（或合格品）放在圖示的4的位置上，獲得傅里葉變換圖，攝取在照片上，其負(fù)片是一張空間濾波器。這種濾波器的制作是這種檢測(cè)方法的關(guān)鍵。檢測(cè)時(shí)，將這張濾波器置于圖中6的位置上，把

9、被檢測(cè)件置于4的位置上。如果試件上有缺陷，通過(guò)逆傅里葉變換（透鏡）后就能在觀察屏8上看到亮點(diǎn)。亮點(diǎn)表示試件在這個(gè)對(duì)應(yīng)位置上存在缺陷。 檢測(cè)大規(guī)模集成電路掩膜缺陷時(shí)，可以達(dá)到0.8m的檢測(cè)分辨力。,26,27,6-3 衍射光柵,28,6-3 衍射光柵,能夠使入射光的振幅或位相，或者兩者同時(shí)產(chǎn)生周期性空間調(diào)制的光學(xué)元件叫做衍射光柵。 分類：根據(jù)利用反射光還是透射光，衍射光柵可分為反射光柵和透射光柵兩類；按它對(duì)入射光的調(diào)制方式又可分為振幅光柵和位相光柵；此外，還有矩形光柵和余弦光柵，一維、二維、三維光柵等。 光柵種類雖然較多，但其主要應(yīng)用是作為分光元件，在光譜測(cè)試、光通信系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 這里僅介紹幾種應(yīng)用。,29,6.3.1 衍射光柵的基本特性 光柵方程,色散本領(lǐng),分辨本領(lǐng),30,6-3 衍射光柵,6.3.2 衍射光柵應(yīng)用例 1光譜儀,31,6-3 衍射光柵,6.3.2 衍射光柵應(yīng)用例 2光波分復(fù)用器,32,6-3 衍射光柵,6.3.2 衍射光柵應(yīng)用例 3光纖光柵 光纖光柵是最近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件之一。光纖光柵