激光測量技術(shù)-第三章激光衍射測量技術(shù)

1、2006年3月6日星期一第三章 激光衍射測量技術(shù)黨學明合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院2006年3月6日星期一本章的主要內(nèi)容主要內(nèi)容主要內(nèi)容:第一節(jié) 激光衍射測量原理第二節(jié) 激光衍射測量方法第三節(jié) 激光衍射測量的應(yīng)用內(nèi)容提示內(nèi)容提示: 重點: 衍射及衍射現(xiàn)象在測量中的應(yīng)用 學習方法: 衍射測量的思維與方法2006年3月6日星期一第一節(jié) 激光衍射測量原理衍射衍射/繞射繞射:波能夠繞過障礙物而彎曲地向它后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，稱為波的衍射現(xiàn)象 波波: 聲、光、電磁、機械波障礙物：障礙物：大小、形狀對現(xiàn)象均有影響現(xiàn)象：現(xiàn)象：與波的波長、障礙物的大小、光源/觀察的位置有關(guān)2006年3月6日星期一第一節(jié) 激光

2、衍射測量原理光的波長短， 對很小的縫隙/屏才有明顯的衍射現(xiàn)象，激光出現(xiàn)后， 衍射現(xiàn)象才實際應(yīng)用到測量中：1973年 Canada 國家研究所 T.R. Pryer 提出了激光衍射測量的方法衍射測量的特點： 全場， 非接觸， 穩(wěn)定性好，自動化程度高，精度高2006年3月6日星期一一、 菲涅耳和夫瑯和費衍射劃分劃分：按光源、障礙物/衍射物，觀察屏三者之間的距離或位置劃分菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射（1）菲涅耳衍射/近場衍射 光源障礙物接收屏距離為有 限遠 （2）夫瑯和費衍射/遠場衍射 光源障礙物接收屏距離為無 限遠 2222bbbbRorLRorL2222bbbbRandLRandL2006年3月6日

3、星期一一、 菲涅耳和夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射是我們衍射測量的基本原理其常用的光路圖如下：2006年3月6日星期一二、單縫測量原理1. 單縫衍射現(xiàn)象單縫衍射現(xiàn)象其觀察屏的光強分布：有菲涅爾衍射原理有由基爾霍夫條件知：則光強分布：( )( )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、單縫測量原理單縫衍射的特點：1）中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級明紋寬度的兩倍2）次級明紋的光強隨級次的增加而逐漸減小3）若光程差不等于 /2 的整數(shù)倍，亮度介于最明與最暗之間。4）條紋的方向平行于縫的方向5）暗條紋=k 即sinsink kb b 2006年3月6日星期一2. 單縫測量的原理當不大時則有:2222sinsinsinsink kk kk kk kX Xif XLif XLLXLXX XtgtgL L 由暗條紋現(xiàn)的公式知: sinsink kb b k kkLkLb bX X 2006年3月6日星期一2. 單縫測量的原理由此可以得出以

5、下結(jié)論:a.測定L Xk的大小,就能計算狹縫寬度b. 測定b Xk的大小, 就能計算L的大小c.如果Xk變化, L已知, 反映了狹縫的變化,可實現(xiàn)在線測量d. 由公式可知,暗條紋間距為固定值 所以通過測量條紋間距,也可以測量以上各值k kkLkLb bX X 1 1kkkkL LXXXXb b 2006年3月6日星期一3. 單縫測量的能力1)測量分辨力反映了測量最小分辨能力, 級數(shù)越高 L越大, 波長越長, 分辨力越高反映了狹縫對尺寸的放大倍數(shù), 即放大了1/t倍 Xk的測量分辨力,決定了狹縫的測量分辨力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. 單縫測量的能力2)測量精度測量精度由于一般激光頻率穩(wěn)定度可達10-6,可以忽略波長的影響考慮環(huán)境因素的影響,一般測量的精度可達0.5um3)測量量程測量量程b越小,越大,衍射明顯b越小, XK變大,光強分布減弱,高級次條紋不明顯b越大, XK變小,條紋變密, 傳感器不易放置, 靈敏度下降Lb2/, 儀器尺寸限制, b基本確定k kk k L Lb bX X 2 21 1k kkLkLdXdbdbdXdbdbt tb b 2006年3月6日星期一測量量程測量量程一般d的寬度取0.01mm-0.5mm2006年

7、3月6日星期一三 、圓孔衍射測量屏上接受光強：J1為一階貝塞爾函數(shù)X為：愛里斑：第一個暗環(huán)所包括的區(qū)域。常用測試儀器的分辨率2006年3月6日星期一三 、圓孔衍射測量由一階Bessel函數(shù)知，其零點位置分別為：3.83， 7.02，10.17則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日星期一第二節(jié) 激光衍射測量方法衍射測量根據(jù)夫瑯和費狹縫和圓孔衍射原理進行測量：1.221.22f fd da a k kkLkLb bX X 常用的測量方法主要有：1、間隙

8、測量法2、反射衍射測量法3、分離間隙法4、互補測屏法5、愛里斑測量法6、衍射頻譜檢測法2006年3月6日星期一1、間隙測量法間隙法主要運用單縫衍射原理，通過測量某一暗條紋的距離， 通過公式，計算出被測量的大小。主要分：a.尺寸比較b.形貌測量c. 傳感器 可以測量應(yīng)力/應(yīng)變，溫度，壓力，加速度等2006年3月6日星期一1、間隙測量法測量出某一暗條紋的位置后,利用衍射公式,計算出變化量的多少.也可以通過計數(shù)某一位置(衍射角度固定), 衍射條紋數(shù)的變化條數(shù)計算 第一種,為絕對測量法絕對測量法 第二種為第二種為增量測量法增量測量法k kkLkLb bX X 2006年3月6日星期一1、間隙測量法基本

9、的間隙法測量裝置:測量應(yīng)變裝置:2006年3月6日星期一2、反射衍射測量法反射衍射法反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的。由于平面鏡作用,相當于虛線的光源發(fā)出的光照射, 則兩端線光程差為:2sin2sin()2sin2sin()dddd 根據(jù)衍射條件知: 光程差為波長整數(shù)倍,出現(xiàn)暗條紋,即2sin2sin()2sin2sin()ddkddk2006年3月6日星期一2、反射衍射測量法將右式展開: 則有帶入 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 為任意值， 可以測量某角度下的不同級數(shù)暗條紋的位置X，連立方程求解2006年3月6日星期一2、反射衍射測量法特點： 1、靈敏度提高一倍 2、入射光可以以一定角度入射，布置方便應(yīng)用：表面質(zhì)量評價、直線性測定、間隙測定等2006年3月6日星期一3、分離間隙法利用參考物和試件不在一個平面內(nèi)所形成的衍射條紋進行精密測量的方法被稱為分離間隙法分離間隙法原理圖:P1出現(xiàn)暗條紋的條

11、件: 2006年3月6日星期一3、分離間隙法P2出現(xiàn)暗條紋的條件:當K1=k2時 所以 Xk2Xk12006年3月6日星期一3、分離間隙法應(yīng)用舉例: 2006年3月6日星期一4、互補測屏法巴俾涅（A.babinet）原理一對互補屏各自在衍射場中某點所產(chǎn)生的復振幅之和等于自由傳播時該點的復振幅所以: 兩互補屏不存在時，光場中強度為零處互補屏產(chǎn)生的光強相等一對互補屏所形成的衍射圖樣光強分布除光源點的幾何像點之外的所有區(qū)域相同2006年3月6日星期一4、互補測屏法因此, 細絲,薄帶進行衍射測量:互補測量法測量細絲直徑的范圍一般是0.0lO1mm，測量精度可達0.05um2006年3月6日星期一5、愛

12、里斑測量法 愛里斑測量法是基于圓孔的夫瑯和費衍射原理可以直接測量第一個暗環(huán)的直徑也可用能量法間接測量1.221.22f fd da a 2006年3月6日星期一6、衍射頻譜檢測法由傅里葉光學知: 平面波射向任意周期性的物體,會在遠場發(fā)生夫瑯和費衍射,衍射光強中的各級光的角度頻譜強度由衍射屏的傅里葉變換所決定在透鏡像方焦面上的復振幅分布(衍射圖樣)是物面的復振幅分布（透射率）的傅里葉變換 2006年3月6日星期一6、衍射頻譜檢測法應(yīng)用方法: 1. 博里葉變換檢測法 直接利用透鏡的傅里葉變換特性，用光電探器探測物體的頻譜對信號進行分析和處理、然后判定是否有缺陷。2006年3月6日星期一6、衍射頻譜

13、檢測法2. 二次博里葉變換檢測法 利用透鏡衍射的二次傅里葉變換獲得被檢缺陷的像，用目視或光電檢測直接判定缺陷大小以及缺陷的位置。2006年3月6日星期一第三節(jié) 激光衍射測量的應(yīng)用一、構(gòu)成各種物理量的傳感器1)流量2)壓力/形變3)溫度4)電場/磁場5)折射率2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測量2006年3月6日星期一三、振動測量2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測量2006年3月6日星期一四、直徑和薄

14、帶寬度測量CCD2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測量2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測量轉(zhuǎn)鏡掃描式激光到徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式激光到徑儀準確測量Xk，S難度大，轉(zhuǎn)角法，把測量位移轉(zhuǎn)化為測量時間，設(shè)轉(zhuǎn)速為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、直徑和薄帶寬度測量狹縫掃描式激光測徑儀狹縫掃描式激光測徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式測徑儀是由測量條紋間距轉(zhuǎn)鏡掃描式測徑儀是由測量條紋間距s值求得細絲直徑值求得細絲直徑狹縫掃描式測徑儀是通過測量特定級條紋的狹縫掃描式測徑儀是通過測量特定級條紋的Xk值來求直徑值來求直徑2006年3月6日星期一五、生物醫(yī)學應(yīng)用測量細胞的平均直徑通過測量衍射頻譜的光強分布計算出平均粒徑的大小2006年3月6日星期一本章 注意事項1.常用衍射測量的器件 PD 二分型的硅光電池 四分型的硅光電池 一維/二維PSD CCD（二維或線陣）2.防止振動/跳動 隔振擴束 透鏡成像2006年3月6日星期一本章 注意事項3.測量方法