光電測試技術(shù)-n6課件

光電測試技術(shù)

第六章激光衍射測試技術(shù)光電測試技術(shù)-n6引言光波在傳播過程中遇到障礙物時，會偏離原來的傳播方向，繞過障礙物的邊緣而進(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)象在測試技術(shù)中得到了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。激光衍射測試技術(shù)是一種高準(zhǔn)確度、小量程的精密測量技術(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，又稱為近場衍射；2）夫瑯和費(fèi)衍射，光源和觀察屏距離衍射屏都相當(dāng)于無限遠(yuǎn)，因而又稱為遠(yuǎn)場衍射。2光電測試技術(shù)-n6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：沿各個方向。2、菲涅耳原理因惠更斯子波來自同一光源，具有相干性，波陣面外任一點(diǎn)光振動應(yīng)該是波面上所有子波相干疊加的結(jié)果。3光電測試技術(shù)-n6

基爾霍夫(Kirchhoff)從波動方程出發(fā)，用場論得出了比較嚴(yán)格的衍射公式。4光電測試技術(shù)-n6設(shè)有兩個互補(bǔ)屏E1和E2，則有：E1＋E2＝無屏產(chǎn)生的衍射：除中心點(diǎn)P＝0，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’principle)5光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1單縫衍射夫瑯和費(fèi)衍射的計(jì)算比較簡單，特別是對于簡單形狀孔徑的衍射，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。激光衍射測量的基本原理是利用激光的夫瑯和費(fèi)衍射。①夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置bθL1L2SPθP0單縫夫瑯和費(fèi)衍射的實(shí)驗(yàn)裝置7光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1單縫衍射②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。8光電測試技術(shù)-n610.0470.017單縫夫瑯和費(fèi)衍射的相對光強(qiáng)分布9光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1單縫衍射③單縫測量的基本公式易知，衍射條紋平行于單縫方向。當(dāng)，且k取整數(shù)時，出現(xiàn)一系列暗條紋。利用暗條紋作為測量指標(biāo)，就可以進(jìn)行計(jì)量。當(dāng)θ不大時：因此縫寬b可以寫成10光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1單縫衍射③單縫測量的基本公式利用被測物與參考物之間的間隙所形成的遠(yuǎn)場衍射可以實(shí)現(xiàn)測量，如圖示。當(dāng)被測物尺寸改變δb時，相當(dāng)于狹縫尺寸b改變δb，衍射條紋的位置也隨之改變：11光電測試技術(shù)-n6abLxkθ激光b)xkθI0L觀察屏參考物被測物激光ba)衍射測量原理圖12光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1單縫衍射④單縫衍射測量的分辨力、準(zhǔn)確度和量程測量分辨力—能分辨的最小量值：測量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度測量量程一般為0.01~0.05mm。He—Ne激光器波長穩(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，L和xk的相對不確定度不超過0.1%。取L=1m，λ=0.63μm，k=3，xk=10mm，可得到uc(b)=0.3μm。實(shí)際測量中還包括環(huán)境因素的影響，衍射測量可達(dá)到的不確定度一般在0.5μm左右。13光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.2圓孔衍射當(dāng)平面波照射到圓孔時，其遠(yuǎn)場夫瑯和費(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：圓孔會聚透鏡接收屏PI2rfˊ圓孔衍射14光電測試技術(shù)-n6§6-1激光衍射測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1.2圓孔衍射條紋序數(shù)ψsinθ[2J1(ψ

)/ψ

]2或(Ip/I0)

光能分布中央亮紋第一暗紋第一亮紋第二暗紋第二亮紋第三暗紋第三亮紋01.22π=3.8321.635π=5.1362.233π=7.0162.679π=8.4173.283π=10.1743.699π=11.62001.22λ/2r1.635λ/2r2.233λ/2r2.679λ/2r3.283λ/2r3.699λ/2r100.017500.004200.001683.78%07.22%02.77%01.46%圓孔夫瑯和費(fèi)衍射條紋的極值位置及光強(qiáng)分布15光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法16光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.1間隙測量法間隙測量法是基于單縫衍射原理。a)比較測量b）測量輪廓c）測量應(yīng)變間隙測量法的應(yīng)用參考邊b參考邊工件激光b參考物試件b激光激光P17光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.1間隙測量法間隙測量法的基本裝置示例(P207圖5.8)。絕對法分別是第k個暗條紋在縫寬變化前后距中央零級條紋中心的距離增量法是通過某一固定的衍射角來記錄條紋的變化數(shù)目18光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.2反射衍射測量法反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測量的。θPAA′L2bb棱緣鏡像棱緣反射表面接收屏反射衍射法原理圖xkφ19光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.2反射衍射測量法θ角一般是任意的，測得某一入射角θ位置的兩個xk值代入公式，聯(lián)立解出θ值和b值。從實(shí)例可見，該法易于實(shí)現(xiàn)檢測自動化，其檢測靈敏度可達(dá)2.5～0.025μm。光電器件磁盤磁頭θb)測量磁盤系統(tǒng)的間隙c)直線性偏差θ試件標(biāo)準(zhǔn)反射面θ試件標(biāo)準(zhǔn)刃邊a)評價表面質(zhì)量反射衍射法應(yīng)用實(shí)例20光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.3分離間隙法在實(shí)際測量中，常會遇到組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)，即存在一個間隔z。此時衍射圖形出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。測兩次，聯(lián)立求解。1θ132A’1θ2A1LbzAPxk1

xk2P2分離間隙法原理圖21光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.4互補(bǔ)測量法激光衍射互補(bǔ)測量法的原理是基于巴比涅原理，當(dāng)用平面光波照射兩個互補(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)確度的非接觸測量。dL2平行光束互補(bǔ)法測量細(xì)絲直徑原理圖22光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.5艾里斑測量法艾里斑測量法是基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，可進(jìn)行微小孔徑的測量。顯示器電壓比較器光電接收器2光電接收器1被測件激光器L衍射圖噴絲頭孔徑的艾里斑測量原理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，其電壓幅度隨孔徑大小和艾里斑面積改變而變化23光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.5衍射頻譜檢測法激光衍射頻譜檢測法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對工件表面缺陷進(jìn)行檢測，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。其主要檢測方法有兩種：傅立葉變換檢測法和二次傅立葉變換檢測法。二次傅立葉變換檢測法舉例：24光電測試技術(shù)-n6§6-2激光衍射測試方法6.2.6衍射頻譜檢測法檢測過程如下：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方法的關(guān)鍵。檢測時，將這張濾波器置于圖中6的位置上，把被檢測件置于4的位置上。如果試件上有缺陷，通過逆傅里葉變換（透鏡）后就能在觀察屏8上看到亮點(diǎn)。亮點(diǎn)表示試件在這個對應(yīng)位置上存在缺陷。檢測大規(guī)模集成電路掩膜缺陷時，可以達(dá)到0.8μm的檢測分辨力。25光電測試技術(shù)-n612345678fFTfFTf1FTf1FT缺陷光1-激光器2-可調(diào)衰減器3-帶小孔的擴(kuò)束器4-被測件5-傅里葉變換透鏡6-空間濾波器7-逆傅里葉變換透鏡8-觀察屏或光電檢測面二次傅里葉變換檢測法原理圖26光電測試技術(shù)-n6§6-3衍射光柵27光電測試技術(shù)-n6§6-3衍射光柵

能夠使入射光的振幅或位相，或者兩者同時產(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。28光電測試技術(shù)-n66.3.1衍射光柵的基本特性光柵方程

色散本領(lǐng)分辨本領(lǐng)29光電測試技術(shù)-n6§6-3衍射光柵6.3.2衍射光柵應(yīng)用例1．光譜儀球面反射鏡接收部分譜面閃耀光柵轉(zhuǎn)臺準(zhǔn)直部分反射鏡狹縫聚光鏡光源利特羅自準(zhǔn)直光譜儀30光電測試技術(shù)-n6§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6.2o自聚焦透鏡輸出光纖輸入光纖λ1~λ5

光柵玻璃楔125μm光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖λ1λ531光電測試技術(shù)-n6§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源器件之一。光纖光柵利用光纖材料的光敏性（外界入射光和