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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2006,年,3,月,6,日星期一,#,测控教研室,#,第一,节 激光衍射测量原理,第二节 激光衍射测量方法,第三节 激光衍射测量的应用,内容提示,:,重点,:,衍射及衍射现象在测量中的应用,学习方法,:,衍射测量的思维与方法,激光衍射测量技术,1,第一节 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,2,第一节 激光衍射测量原理,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,3,一、 菲涅耳和夫琅和费衍射,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,（,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,4,一、 菲涅耳和夫琅和费衍射,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：,5,二、单缝测量原理,1.,单缝衍射现象,其观察屏的光强分布：,有菲涅尔衍射原理有,由基尔霍夫条件知：,则光强分布：,6,二、单缝测量原理,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,7,2.,单缝测量的原理,当,不大时则有,:,由暗条纹现的公式知,:,8,2.,单缝测量的原理,由此可以得出以下结论,:,测定,L X,k,的大小,就能计算狭缝宽度,测定,b,X,k,的大小,就能计算,L,的大小,如果,X,k,变化, L,已知,反映了狭缝的变化,可实现在线测量,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,9,3.,单缝测量的能力,测量分辨力,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,的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力,10,3.,单缝测量的能力,测量精度,由于一般激光频率稳定度可达,10,-6,可以忽略波长的影响,考虑环境因素的影响,一般测量的精度可达,0.5um,测量量程,b,越小,越大,衍射明显,b,越小, X,K,变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显,b,越大, XK,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,11,测量量程,一般,d,的宽度取,0.01mm-0.5mm,12,三 、圆孔衍射测量,屏上接受光强：,J1,为一阶贝塞尔函数,X,为：,爱里斑：,第一个暗环所包括的区域。,常用测试仪器的分辨率,13,三 、圆孔衍射测量,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：,Airy,集中了,84%,的能量以上,14,第二节 激光衍射测量方法,衍射测量根据夫琅和费狭缝和圆孔衍射原理进行测量：,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,15,1,、间隙测量法,间隙法主要运用单缝衍射原理，通过测量某一暗条纹的距离， 通过公式，计算出被测量的大小。,主要分：,尺寸比较,形貌测量,c.,传感器,可以测量应力,/,应变，温度，压力，加速度等,16,1,、间隙测量法,测量出某一暗条纹的位置后,利用衍射公式,计算出变化量的多少,.,也可以通过计数某一位置,(,衍射角度固定,),衍射条纹数的变化条数计算,第一种,为,绝对测量法,第二种为,增量测量法,17,1,、间隙测量法,基本,的间隙法测量装置,:,测量应变装置,:,18,2,、反射衍射测量法,反射衍射法,是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,:,根据衍射条件知,:,光程差为波长整数倍,出现暗条纹,即,19,2,、反射衍射测量法,将右式展开,:,则有,带入,所以有,:,为,任意值， 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,20,2,、反射衍射测量法,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,21,3,、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,原理图,:,P1,出现暗条纹的条件,:,22,3,、分离间隙法,P2,出现暗条纹的条件,:,当,K1=k2,时,所以,X,k2,X,k1,23,3,、分离间隙法,应用举例,:,24,4,、互补测屏法,巴俾涅（,A.babinet,）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,所以,:,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几何像点之外的所有区域相同,25,4,、互补测屏法,因此,细丝,薄带进行衍射测量,:,互补测量法测量细丝直径的范围一般是,0.0lO,1mm,，测量精度可达,0.05um,26,5,、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,27,6,、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,28,6,、衍射频谱检测法,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分析和处理、然后判定是否有缺陷。,29,6,、衍射频谱检测法,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。,30,第三节 激光衍射测量的应用,一、构成各种物理量的传感器,1),流量,2),压力,/,形变,3),温度,4),电场,/,磁场,5),折射率,31,二、涂层厚度,/,表面形状,/,位移测量,32,二、涂层厚度,/,表面形状,/,位移测量,33,二、涂层厚度,/,表面形状,/,位移测量,34,二、涂层厚度,/,表面形状,/,位移测量,35,三、振动测量,36,四、直径和薄带宽度测量,37,四、直径和薄带宽度测量,CCD,38,四、直径和薄带宽度测量,39,四、直径和薄带宽度测量,转镜扫描式激光到径仪,准确测量,X,k,，,S,难度大，转角法，把测量位移转化为测量时间，设转速为,40,四、直径和薄带宽度测量,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,Xk,值来求直径,41,五、生物医学应用,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,42,本章 注意事项,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）,防止振动,/,跳动,隔振,扩束,透镜成像,43,本章 注意事项,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,/X,k,=,L,/s,求出,间接测量,:,PD,二分型的硅光电池,四分型的硅光电池,一维,/,二维,PSD,测量明,/,暗条纹的移动量的大小,44,本章 注意事项,4.,光学接收器件的选择与布置,衍射级数的选择一般,2,3,级,条纹计数越大,(,相对测量,),越灵敏,但是强度变弱,光电器件尺寸一般不要超过条纹间距,条纹移动量不应该超过器件的尺寸或者条纹间隔,否则容易发生误判,45,
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