激光測(cè)量技術(shù)-第三章激光衍射測(cè)量技術(shù)

1、2006年3月6日星期一第三章 激光衍射測(cè)量技術(shù)黨學(xué)明合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)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(cè)量原理第二節(jié) 激光衍射測(cè)量方法第三節(jié) 激光衍射測(cè)量的應(yīng)用內(nèi)容提示內(nèi)容提示: 重點(diǎn): 衍射及衍射現(xiàn)象在測(cè)量中的應(yīng)用 學(xué)習(xí)方法: 衍射測(cè)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(cè)量原理衍射衍射/繞射繞射:波能夠繞過(guò)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(jī)械波障礙物：障礙物：大小、形狀對(duì)現(xiàn)象均有影響現(xiàn)象：現(xiàn)象：與波的波長(zhǎng)、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(cè)量原理光的波長(zhǎng)短， 對(duì)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(shí)際應(yīng)用到測(cè)量中：1973年 Canada 國(guó)家研究所 T.R. Pryer 提出了激光衍射測(cè)量的方法衍射測(cè)量的特點(diǎn)： 全場(chǎng)， 非接觸， 穩(wěn)定性好，自動(dòng)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(fèi)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(fèi)衍射（1）菲涅耳衍射/近場(chǎng)衍射 光源障礙物接收屏距離為有 限遠(yuǎn) （2）夫瑯和費(fèi)衍射/遠(yuǎn)場(chǎng)衍射 光源障礙物接收屏距離為無(wú) 限遠(yuǎn) 2222bbbbRorLRorL2222bbbbRandLRandL2006年3月6日

3、星期一一、 菲涅耳和夫瑯和費(fèi)衍射夫瑯和費(fèi)衍射是我們衍射測(cè)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(cè)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(qiáng)分布：有菲涅爾衍射原理有由基爾霍夫條件知：則光強(qiáng)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(cè)量原理單縫衍射的特點(diǎn)：1）中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級(jí)明紋寬度的兩倍2）次級(jí)明紋的光強(qiáng)隨級(jí)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(cè)量的原理當(dāng)不大時(shí)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(cè)量的原理由此可以得出以

5、下結(jié)論:a.測(cè)定L Xk的大小,就能計(jì)算狹縫寬度b. 測(cè)定b Xk的大小, 就能計(jì)算L的大小c.如果Xk變化, L已知, 反映了狹縫的變化,可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量d. 由公式可知,暗條紋間距為固定值 所以通過(guò)測(cè)量條紋間距,也可以測(cè)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(cè)量的能力1)測(cè)量分辨力反映了測(cè)量最小分辨能力, 級(jí)數(shù)越高 L越大, 波長(zhǎng)越長(zhǎng), 分辨力越高反映了狹縫對(duì)尺寸的放大倍數(shù), 即放大了1/t倍 Xk的測(cè)量分辨力,決定了狹縫的測(cè)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(cè)量的能力2)測(cè)量精度測(cè)量精度由于一般激光頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-6,可以忽略波長(zhǎng)的影響考慮環(huán)境因素的影響,一般測(cè)量的精度可達(dá)0.5um3)測(cè)量量程測(cè)量量程b越小,越大,衍射明顯b越小, XK變大,光強(qiáng)分布減弱,高級(jí)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(cè)量量程測(cè)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(cè)量屏上接受光強(qiáng)：J1為一階貝塞爾函數(shù)X為：愛(ài)里斑：第一個(gè)暗環(huán)所包括的區(qū)域。常用測(cè)試儀器的分辨率2006年3月6日星期一三 、圓孔衍射測(cè)量由一階Bessel函數(shù)知，其零點(diǎn)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(cè)量方法衍射測(cè)量根據(jù)夫瑯和費(fèi)狹縫和圓孔衍射原理進(jìn)行測(cè)量：1.221.22f fd da a k kkLkLb bX X 常用的測(cè)量方法主要有：1、間隙

8、測(cè)量法2、反射衍射測(cè)量法3、分離間隙法4、互補(bǔ)測(cè)屏法5、愛(ài)里斑測(cè)量法6、衍射頻譜檢測(cè)法2006年3月6日星期一1、間隙測(cè)量法間隙法主要運(yùn)用單縫衍射原理，通過(guò)測(cè)量某一暗條紋的距離， 通過(guò)公式，計(jì)算出被測(cè)量的大小。主要分：a.尺寸比較b.形貌測(cè)量c. 傳感器 可以測(cè)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(cè)量法測(cè)量出某一暗條紋的位置后,利用衍射公式,計(jì)算出變化量的多少.也可以通過(guò)計(jì)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(jì)算 第一種,為絕對(duì)測(cè)量法絕對(duì)測(cè)量法 第二種為第二種為增量測(cè)量法增量測(cè)量法k kkLkLb bX X 2006年3月6日星期一1、間隙測(cè)量法基本

9、的間隙法測(cè)量裝置:測(cè)量應(yīng)變裝置:2006年3月6日星期一2、反射衍射測(cè)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(lái)進(jìn)行衍射測(cè)量的。由于平面鏡作用,相當(dāng)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(zhǎng)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(cè)量法將右式展開(kāi): 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(cè)量某角度下的不同級(jí)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(cè)量法特點(diǎn)： 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(píng)價(jià)、直線性測(cè)定、間隙測(cè)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(gè)平面內(nèi)所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測(cè)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(dāng)K1=k2時(shí) 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(bǔ)測(cè)屏法巴俾涅（A.babinet）原理一對(duì)互補(bǔ)屏各自在衍射場(chǎng)中某點(diǎn)所產(chǎn)生的復(fù)振幅之和等于自由傳播時(shí)該點(diǎn)的復(fù)振幅所以: 兩互補(bǔ)屏不存在時(shí)，光場(chǎng)中強(qiáng)度為零處互補(bǔ)屏產(chǎn)生的光強(qiáng)相等一對(duì)互補(bǔ)屏所形成的衍射圖樣光強(qiáng)分布除光源點(diǎn)的幾何像點(diǎn)之外的所有區(qū)域相同2006年3月6日星期一4、互補(bǔ)測(cè)屏法因此, 細(xì)絲,薄帶進(jìn)行衍射測(cè)量:互補(bǔ)測(cè)量法測(cè)量細(xì)絲直徑的范圍一般是0.0lO1mm，測(cè)量精度可達(dá)0.05um2006年3月6日星期一5、愛(ài)

12、里斑測(cè)量法 愛(ài)里斑測(cè)量法是基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理可以直接測(cè)量第一個(gè)暗環(huán)的直徑也可用能量法間接測(cè)量1.221.22f fd da a 2006年3月6日星期一6、衍射頻譜檢測(cè)法由傅里葉光學(xué)知: 平面波射向任意周期性的物體,會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射,衍射光強(qiáng)中的各級(jí)光的角度頻譜強(qiáng)度由衍射屏的傅里葉變換所決定在透鏡像方焦面上的復(fù)振幅分布(衍射圖樣)是物面的復(fù)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(cè)法應(yīng)用方法: 1. 博里葉變換檢測(cè)法 直接利用透鏡的傅里葉變換特性，用光電探器探測(cè)物體的頻譜對(duì)信號(hào)進(jìn)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(cè)法2. 二次博里葉變換檢測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)/磁場(chǎng)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(cè)量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測(cè)量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測(cè)量2006年3月6日星期一二、涂層厚度/表面形狀/位移測(cè)量2006年3月6日星期一三、振動(dòng)測(cè)量2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測(cè)量2006年3月6日星期一四、直徑和薄

14、帶寬度測(cè)量CCD2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測(cè)量2006年3月6日星期一四、直徑和薄帶寬度測(cè)量轉(zhuǎn)鏡掃描式激光到徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式激光到徑儀準(zhǔn)確測(cè)量Xk，S難度大，轉(zhuǎn)角法，把測(cè)量位移轉(zhuǎn)化為測(cè)量時(shí)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(cè)量狹縫掃描式激光測(cè)徑儀狹縫掃描式激光測(cè)徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式測(cè)徑儀是由測(cè)量條紋間距轉(zhuǎn)鏡掃描式測(cè)徑儀是由測(cè)量條紋間距s值求得細(xì)絲直徑值求得細(xì)絲直徑狹縫掃描式測(cè)徑儀是通過(guò)測(cè)量特定級(jí)條紋的狹縫掃描式測(cè)徑儀是通過(guò)測(cè)量特定級(jí)條紋的Xk值來(lái)求直徑值來(lái)求直徑2006年3月6日星期一五、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用測(cè)量細(xì)胞的平均直徑通過(guò)測(cè)量衍射頻譜的光強(qiáng)分布計(jì)算出平均粒徑的大小2006年3月6日星期一本章 注意事項(xiàng)1.常用衍射測(cè)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(dòng)/跳動(dòng) 隔振擴(kuò)束 透鏡成像2006年3月6日星期一本章 注意事項(xiàng)3.測(cè)量方法