03 第三章 激光衍射测量技术.ppt

1、激光测量技术,Laser Measurement Technology,第三章 激光衍射测量技术, 3.1 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,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,2,2,一、 菲涅耳和夫琅

2、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,R ,b 2 ,or,L ,b 2 ,（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,R ,b ,and,L ,b ,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：,p,二、单缝衍射测量,(一) 单缝衍射测量原理 其观察屏的光强分布：,由菲涅尔衍射原理有,E %,= c a,E q,e ikr r,K ( )dr,由基尔霍夫条件知：,K ( ) =,1 + cos 2 i,E %,p,=,A i, a,E q

3、,e ikr 1 + cos r 2,dr,则光强分布：,I = I 0 (,sin 2 2,), =, b ,sin ,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 /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=k 即 b sin = k ,2,=,(二) 单缝衍射测量的基本公式,sin =,x k x k + L 2,当不大时则有:,sin tan =,x k L,由暗条纹现的公式知:,b,x k L,= k ,b =,kL L x k s, 1

4、1 ,结论 a. 测定L X k 的大小,就能计算狭缝 宽度 b. 测定b X k 的大小, 就能计算L的大 小 c. 如果X k 变化, L已知, 反映了狭缝 的变化,可实现在线测量 = b b 0 = kL x k x k 0 d.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,x k +1 x k =,L b,=,(三) 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程,1.测量分辨力 衍射测量灵敏度,t =,db b 2 dx k kL ,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 X k 的测量分

5、辨力,决定了狭缝的测量分辨力, kL kL kL , x, x,2,kL ,b,2.测量精度,2 2, b = + L + 2 x k , k k x k ,考虑环境因素的影响,一般测量的精度可达0.5um,3.测量量程,dx k = 2 db = db,1)b越小,越大,衍射明显,2)b越小, X K 变大,光强分布减弱,高级次条纹不,明显,3)b越大, X K 变小,条纹变密, 传感器不易放置,灵敏度下降,Lb 2 /, 仪器尺寸限制, b基本确定,一般d的宽度取0.01mm-0.5mm,三 、圆孔衍射测量,屏上接受光强：,J 1 为一阶贝塞尔函数,x为：,爱里斑：第一个暗环所包,括的区域

6、。,常用测试仪器的分辨率,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：,sin =,D 2 f ,=,3 . 83 2 a,a = 1 . 22, f D,Airy集中了84%的能量以上, 3.1 激光衍射测量方法,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,1、间隙测量法 基于单缝衍射原理,1）尺寸比较测量,2）形貌测量,3）传感器,间隙法测量位移，有两种方法,(1) 绝对测量法 (2)增量测量法 测量应变装置:,2、反射衍射测量法,反射衍射法是

7、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:, = 2 b sin 2 b sin( ),根据衍射条件知: 光程差为 波长整数倍,出现暗条纹,即,2 b sin 2 b sin( ) = k ,x, x , , ,2 L,将上式展开进行三角运算,2 b (cos sin + 2 sin sin 2, 2,) = k ,有,sin tan =,x k L,sin, 2,x k 2 L,所以有:,2 b,x k L,(cos + k sin ) = k 2 L,b = kL / 2 x k cos + k sin 为任意

8、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,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,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,P1出现暗条纹的条件:,P2出现暗条纹的条件:,当k 1 =k 2 时,所以,Xk2Xk1,应用举例:,4、互补测量法 巴俾涅原理 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 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

9、几何像点之,所以:,外的所有区域相同,细丝,薄带可进行衍射测量:,互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0l0.1mm 测量精度可达0.05um,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,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,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

10、分析和处理、然后判 定是否有缺陷,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。, 3.1 激光衍射测量的应用,一、构成各种物理量的传感器,二、涂层厚度/表面形状/位移测量,三、全长剖量测量,四、位移和间隔的远离测量,五、振动的测量,六、直径和薄带宽度测量,1.漆包线激光动态测径仪,2.薄带宽度测量,3.转镜扫描式激光到径仪,4.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x k 值来求直径,七、红细胞激光衍射测量,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,本章,注意事项,1. 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PSD CCD（二维或线阵） 2. 防止振动/跳动,隔振,扩束,透镜成像,3. 测量方法,直接测量: CCD 转镜/狭缝扫描式(测量时间) 一般测量X k 或者S, 由d=kL/