激光測(cè)量技術(shù)第三章激光衍射測(cè)量技術(shù)

1、激光測(cè)量技術(shù)Laser Measurement Technology,第三章 激光衍射測(cè)量技術(shù),3.1 激光衍射測(cè)量原理,光的波長(zhǎng)短， 對(duì)很小的孔/屏、狹縫/細(xì)絲才有明顯的衍射現(xiàn)象；,特點(diǎn)：全場(chǎng)，非接觸，穩(wěn)定性好，自動(dòng)化程度高，精度高,菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射,一、 菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射,夫瑯禾費(fèi)衍射是本章進(jìn)行衍射測(cè)量的基本原理,二、單縫衍射測(cè)量,(一) 單縫衍射測(cè)量原理,觀察屏上的光強(qiáng)分布：,測(cè)定任何一個(gè)暗條紋的位置就可以精確知道被測(cè)間隙的尺寸,暗條紋位置,(二) 單縫衍射測(cè)量的基本公式,由遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條件有,由暗條紋的公式知:,當(dāng)不大時(shí)則有:,可求出被測(cè)物尺寸或輪廓的變化量,(三) 單縫衍射測(cè)量的

2、分辨力、精度和量程,1.測(cè)量分辨力,衍射測(cè)量靈敏度,縫寬b越小，級(jí)數(shù)越高，L越大, 波長(zhǎng)越長(zhǎng), 分辨力越高,靈敏度反映了狹縫衍射對(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,例：,由儀器的隨機(jī)誤差理論，可得到衍射測(cè)量誤差為,2.測(cè)量精度,考慮環(huán)境因素的影響，一般測(cè)量的精度可達(dá)0.5m,例：,1)b越小,越大,衍射明顯 2)b越小, XK變大,光強(qiáng)分布減弱,高級(jí)次條紋不明顯 3)b越大, XK變小,條紋變密, 傳感器不易放置, 靈敏度下降,3.測(cè)量量程,Lb2/, 儀器尺寸限制, b基本確定，L=1000mm，b0.8mm,一般d的寬度取0.01mm-0.5mm

3、,三 、圓孔衍射測(cè)量,屏上接收光強(qiáng)：,其中：,愛(ài)里斑尺寸,1、間隙測(cè)量法,1）尺寸比較測(cè)量,基于單縫衍射原理,2）形貌測(cè)量,3）傳感器,應(yīng)用：,3.2 激光衍射測(cè)量方法,(1) 絕對(duì)測(cè)量法,(2)增量測(cè)量法,間隙法測(cè)量位移，有兩種方法,基本裝置：,測(cè)量應(yīng)變裝置:,間隙測(cè)量法作為靈敏的光傳感器可用于測(cè)定各種物理量的變化，如應(yīng)力、壓力、溫度、流量、加速度等,2、反射衍射測(cè)量法,由于平面鏡作用，相當(dāng)于縫寬為2b的單逢衍射，則第k個(gè)暗條紋滿足下列條件:,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,有,將上式展開進(jìn)行三角運(yùn)算,所以有:,為任意值， 可以測(cè)量某一角度下的兩個(gè)xk值求解,特點(diǎn)：,1、靈敏

4、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,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,P1出現(xiàn)暗條紋的條件：,問(wèn)題：組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi),P2點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋的條件：,可得：,由,可得,分離間隙衍射的縫寬公式為,當(dāng)k1=k2時(shí),應(yīng)用舉例:,4、互補(bǔ)測(cè)量法,用平面光照射兩個(gè)互補(bǔ)屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強(qiáng)除光源點(diǎn)的幾何像點(diǎn)之外完全相同，僅復(fù)振幅的位相差為。,巴俾涅原理,細(xì)絲,薄帶可進(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0.0l0.1mm 測(cè)量精度可達(dá)0.05m,5

5、.愛(ài)里斑測(cè)量法,基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗環(huán)沒(méi)有十分明顯的邊界，因此采用能量比較法間接測(cè)量,測(cè)量對(duì)象：直徑約在1090 m范圍之間的噴絲頭,假設(shè)：通過(guò)微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量不隨孔的微小變化而變化，但明暗條紋的強(qiáng)度分布隨孔的變化而急劇改變。,方案：設(shè)計(jì)使光電探測(cè)器5接收衍射圖的全部能量（中心亮斑和前四個(gè)亮環(huán)即可），光電接收器7只接收艾里圓的部分光能量，通常選取艾里圓面積的一半。電壓比較器將光電接收器5和7的電壓信號(hào)進(jìn)行比較從而得出被測(cè)孔徑。,6.衍射頻譜檢測(cè)法,由傅里葉光學(xué)知: 平面光波射向衍射屏后在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射,衍射光強(qiáng)分布由衍射屏復(fù)振幅的傅里葉變換所

6、決定。,激光衍射頻譜檢測(cè)法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用于金屬篩孔、集成電路掩模、纖維、線材及硅片等的表面檢測(cè)。,1.傅里葉變換檢測(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。,應(yīng)用方法:,2. 二次傅里葉變換檢測(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。,一、構(gòu)成各種物理量的傳感器,3.3 激光衍射測(cè)量的應(yīng)用,激光衍射測(cè)量是一種高精度、小量程的精密測(cè)量技術(shù),許多物理量，如壓力、溫度、流量、折射率、電場(chǎng)或磁場(chǎng)等，都可通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)

7、成直線性的位移，然后利用激光衍射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。,二、薄膜材料表面涂層厚度測(cè)量,此類微小間隔測(cè)量裝置還可以用于旋轉(zhuǎn)軸的徑向跳動(dòng)、圓棒直徑的變化和圓柱度等的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量,三、全長(zhǎng)剖量測(cè)量,要求棱緣全長(zhǎng)都同時(shí)被激光束照亮，通常用于測(cè)量線狀邊緣的物體，也可以測(cè)定曲率較小的弧形或一些不規(guī)則的構(gòu)件。,四、位移和間隔的遠(yuǎn)離測(cè)量,還可用于研究封閉容器中（如真空中）彈性物體的變形情況，以便作為傳感器監(jiān)視地震或重力加速度的變化。,特點(diǎn)：檢測(cè)器可以離傳感器很遠(yuǎn)，對(duì)在需要遙測(cè)或有害環(huán)境下觀察特別有利。,五、振動(dòng)的測(cè)量,懸板相對(duì)于基準(zhǔn)棱緣在半個(gè)周期中不斷改變縫寬b,于是引起衍射條紋沿一個(gè)方向掃過(guò)探測(cè)器，當(dāng)振幅達(dá)到極限

8、位置后，條紋即向相反方向移動(dòng)；方波a和a對(duì)應(yīng)于待測(cè)物體在改變振動(dòng)方向時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，a和a之間整數(shù)和小數(shù)部分的條紋數(shù)，相當(dāng)于峰間振幅，是懸板振幅的兩倍。,六、直徑和薄帶寬度測(cè)量,1.漆包線激光動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀,作用：漆層厚度變化造成漆包線外徑的變化將顯示在測(cè)量?jī)x的顯示器上，從而實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整涂漆參數(shù)，保證涂漆質(zhì)量。,為避免CCD探測(cè)器飽和，擴(kuò)大CCD動(dòng)態(tài)范圍，將零級(jí)條紋擋去。,CCD輸出信號(hào)處理,低通濾波：在保證信號(hào)不失真前提下盡可能降低截止頻率,例：若CCD像素2048，數(shù)據(jù)時(shí)鐘1MHz，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)保證CCD能接收24個(gè)條紋，則每個(gè)條紋周期T=2048/4=512s?？紤]到CCD接收的信號(hào)是非周期的，

9、實(shí)際應(yīng)用中采用二階巴特沃思低通濾波，截止頻率取101/T。,暗點(diǎn)識(shí)別：為得到精確的測(cè)量結(jié)果必須對(duì)信號(hào)衍射圖樣進(jìn)行精確的識(shí)別，包括以下兩方面： ( 1) 能自動(dòng)識(shí)別出一幀CCD 信號(hào)衍射圖樣中暗點(diǎn)的個(gè)數(shù); ( 2) 能精確地定位每個(gè)暗點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置;,存在困難：因?yàn)楸粶y(cè)細(xì)絲的直徑有一定的分布范圍, 衍射圖樣變化很大, 且衍射圖樣中暗點(diǎn)銳度很小。,衍射圖樣中暗點(diǎn)數(shù)的識(shí)別：一般地, 采用掃描法逐點(diǎn)掃描衍射圖樣來(lái)識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)。理論上, 在順序掃描時(shí)如果某一點(diǎn)滿足下面兩個(gè)條件就可認(rèn)為是一個(gè)暗點(diǎn): ( 1) 當(dāng)前點(diǎn)的值比前一點(diǎn)值小; ( 2) 后一點(diǎn)值比當(dāng)前點(diǎn)值大,由于很多不確定因素的存在, 使得待識(shí)別的信號(hào)

10、在局部區(qū)域內(nèi)不是光滑連續(xù)的。直接采用上面的算法將導(dǎo)致識(shí)別失敗, 為此改進(jìn)算法如下: ( 1) 采用中值濾波對(duì)信號(hào)作平滑處理; ( 2) 用滑動(dòng)窗口內(nèi)信號(hào)的平均值來(lái)代替單點(diǎn)值掃描衍射圖樣; 采用非線性中值濾波的目的在于消除信號(hào)中尖峰干擾(主要由量化引入) , 保證局部范圍內(nèi)信號(hào)的平滑, 但必須合理選擇濾波器的寬度否則達(dá)不到目的。用滑動(dòng)窗口內(nèi)信號(hào)的平均值來(lái)代替單點(diǎn)值掃描識(shí)別衍射圖樣, 可以消除信號(hào)小范圍波動(dòng)對(duì)識(shí)別的影響，增強(qiáng)暗點(diǎn)識(shí)別的可靠性。,識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)同時(shí)可以得到暗點(diǎn)的粗略位置( 掃描到一個(gè)暗點(diǎn)時(shí)記下它的位置) 。由于識(shí)別時(shí)對(duì)信號(hào)作了非線性處理, 而且掃描是由滑動(dòng)窗口完成的, 因而此時(shí)得到的暗點(diǎn)

11、位置是很粗糙的, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測(cè)量精度要求, 必須進(jìn)一步精確指定暗點(diǎn)位置。對(duì)暗點(diǎn)的精確定位是基于下面三個(gè)前提:,( 1) 衍射圖樣的分布符合一定的數(shù)學(xué)關(guān)系; ( 2) 精確的暗點(diǎn)位置必定在已得到的粗略暗點(diǎn)位置附近; ( 3) 粗略暗點(diǎn)附近的原始數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上包含著暗點(diǎn)真正位置的信息;,( 1) 在識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)的同時(shí)記錄粗略的暗點(diǎn)位置; ( 2) 在粗略暗點(diǎn)位置附近取一定數(shù)目的原始數(shù)據(jù), 運(yùn)用最小二乘法來(lái)擬合原始數(shù)據(jù), 得到一條光滑的曲線; ( 3) 以一定的步長(zhǎng)搜索擬合后的曲線, 得到曲線上暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置, 如果步長(zhǎng)小于象素尺寸就具有細(xì)分效果;,基于這樣的前提, 可以在已知粗略暗點(diǎn)位置附近, 充

12、分利用原始數(shù)據(jù)中的信息來(lái)尋找暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。這部分算法可以描述如下:,2.薄帶寬度測(cè)量,要求：薄帶相對(duì)激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則引起測(cè)量誤差,3.轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測(cè)徑儀,4.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s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xk值來(lái)求直徑,七、紅細(xì)胞激光衍射測(cè)量,通過(guò)細(xì)胞的衍射圖樣來(lái)分析病變,通過(guò)面陣CCD接收衍射圖樣，求出紅細(xì)胞的變形指數(shù)和取向的變化、衍射光強(qiáng)的徑向分布曲線等，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷病變情況。,39,激光粒度儀,【補(bǔ)】,傳統(tǒng)粒度測(cè)量方法：沉降儀、篩分法、顯微鏡,最流行的粒度測(cè)量?jī)x器：激光粒度儀,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量速度快、重復(fù)性

13、好、動(dòng)態(tài)范圍大、操作方便,一、工作原理,利用顆粒對(duì)光的散射（衍射）現(xiàn)象測(cè)量顆粒大小的，即光在行進(jìn)過(guò)程中遇到顆粒（障礙物）時(shí)，會(huì)有一部分偏離原來(lái)的傳播方向；顆粒尺寸越小，偏離量越大；顆粒尺寸越大，偏離量越小。,當(dāng)顆粒尺寸較大（至少大于 2 倍波長(zhǎng)）， 并且只考慮小角散射 （散射角小于 5）時(shí)，散射光場(chǎng)也可用較簡(jiǎn)單的夫瑯禾費(fèi)衍射理論近似描述。,由發(fā)射、接收和測(cè)量窗口等三部分組成,發(fā)射部分由光源和光束處理器件組成，主要是為儀器提供單色的平行光作為照明光；接收器是儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵；測(cè)量窗口主要是讓被測(cè)樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過(guò)測(cè)量區(qū)，以便儀器獲得樣品的粒度信息。,接收器由傅立葉透鏡和光電探測(cè)器陣

14、列組成,激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦、低通濾波和準(zhǔn)直后，變成直徑為825mm 的平行光，照到測(cè)量窗口內(nèi)的顆粒后，發(fā)生散射。散射光經(jīng)過(guò)傅立葉透鏡后，同樣散射角的光被聚焦到探測(cè)器的同一半徑上。一個(gè)探測(cè)單元輸出的光電信號(hào)就代表一個(gè)角度范圍（大小由探測(cè)器的內(nèi)、外半徑之差及透鏡的焦距決定）內(nèi)的散射光能量，各單元輸出的信號(hào)就組成了散射光能的分布。,盡管散射光的強(qiáng)度分布總是中心大，邊緣小，但是由于探測(cè)單元的面積總是里面小外面大，所以測(cè)得的光能分布的峰值一般是在中心和邊緣之間的某個(gè)單元上。當(dāng)顆粒直徑變小時(shí)，散射光的分布范圍變大，光能分布的峰值也隨之外移。所以不同大小的顆粒對(duì)應(yīng)于不同的光能分布，反之由測(cè)得的光能分布

15、就可推算樣品的粒度分布。,二、光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn),激光粒度儀重要的技術(shù)指標(biāo)是測(cè)量下限,激光粒度儀光學(xué)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)基本上都是為了擴(kuò)展其測(cè)量下限或是小顆粒段的分辨率；基本思路是增大散射光的測(cè)量范圍、測(cè)量精度或者減少照明光的波長(zhǎng)。,德國(guó)Sympatec采用了8 組不同焦距的傅立葉鏡頭。由于探測(cè)器的半徑不變，因此焦距越小，對(duì)應(yīng)的散射角越大，即能測(cè)量的粒徑越小。不同焦距的透鏡對(duì)應(yīng)于不同的測(cè)量范圍。,增加輔助探頭用以彌補(bǔ)環(huán)形探測(cè)器陣列最大外徑的不足，從而擴(kuò)大儀器對(duì)散射光的接收角，擴(kuò)展儀器的測(cè)量下限。但受到傅立葉透鏡光瞳的制約。,優(yōu)點(diǎn)：最大接收角不受傅立葉鏡頭口徑限制,缺點(diǎn)：只在較小散射角（5）上能實(shí)現(xiàn)精確聚焦。

16、隨著散射角增大，聚焦誤差會(huì)越來(lái)越大。聚焦有誤差意味著探測(cè)器上的一個(gè)確定位置并不對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的散射角，從而使儀器的分辨率降低。,優(yōu)點(diǎn)：將大角探測(cè)器分布在以測(cè)量窗口和環(huán)形探測(cè)器中心之間的光軸為直徑的球面上，從而極大地改進(jìn)了大角探測(cè)器上散射光的聚焦精度。,優(yōu)點(diǎn)：增加了后向散射光（90的散射光）接收機(jī)構(gòu)的透鏡后傅立葉結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展了散射角接收范圍，以擴(kuò)展粒度測(cè)試下限。,改動(dòng)：增加一束斜入射、短波長(zhǎng)（藍(lán)光）的照明光束,在只有正入射光束的情況下，散射光從測(cè)量窗口往空氣中出射時(shí)由于受全反射現(xiàn)象的限制，假設(shè)懸浮介質(zhì)為水，則48138范圍內(nèi)的散射光不能被探測(cè)器接收。,照明光斜入射使得上述角范圍內(nèi)的散射光相對(duì)于測(cè)量窗

17、口玻璃有較小的入射角，得以避開全反射的制約。此外，散射光的分布范圍取決于粒徑與光波長(zhǎng)的比值。在相同的散射角下，照明光波長(zhǎng)越短，對(duì)應(yīng)的粒徑越小。因此用短波長(zhǎng)的照明光斜入射到測(cè)量窗口上，能有效地?cái)U(kuò)大測(cè)量下限。,雙鏡頭結(jié)構(gòu)的作用和傳統(tǒng)的雙鏡頭一樣。三光束中光束 1 為主入射光，作用如同傳統(tǒng)的照明光，光束 2 用以擴(kuò)大前向散射光的出射角，光束 3 用以擴(kuò)大后向散射光的出射角盲區(qū)。,改進(jìn)：增加PIDS測(cè)量技術(shù),缺點(diǎn)：只能用在亞微米顆粒的低端。當(dāng)一個(gè)分布較寬的樣品需要測(cè)量時(shí)，只能是細(xì)顆粒用 PIDS 系統(tǒng)測(cè)量，粗顆粒還是要用傳統(tǒng)的激光散射原理測(cè)量，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。而這兩種測(cè)量原理有本質(zhì)的差異，數(shù)據(jù)拼接需要很高的技巧和經(jīng)驗(yàn)。,措施：為了提高對(duì)小粒徑的分辨率，PIDS 中用了 3 種不同的波長(zhǎng)。所用光源是白色自然光，通過(guò)濾波和起偏器獲得不同波長(zhǎng)和偏振態(tài)的照明光。,PIDS：Polarization Intensity Differential Scattering, 散射的偏振強(qiáng)度差”。利用亞微米顆粒對(duì)水平偏振光和垂直偏振光有不同的散射光場(chǎng)分布；與此相對(duì)，大顆粒在兩個(gè)偏振態(tài)上則沒(méi)有什么差異。,優(yōu)點(diǎn)：能有效補(bǔ)償由于激光內(nèi)