第三激光衍射測(cè)量技術(shù)

1、衍射衍射: :波在傳播途中遇到障礙物而偏離直線傳播的現(xiàn)象第三章 激光衍射測(cè)量技術(shù) 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、障礙物的大小、光源/觀察的位置有關(guān)光的波長， 對(duì)的孔/屏、狹縫/細(xì)絲才有明顯的衍射現(xiàn)象；激光出現(xiàn)后，衍射現(xiàn)象才實(shí)際應(yīng)用到測(cè)量；1973年，Canada國家研究所T. R. Pryer 提出了激光衍射測(cè)量的方法。特點(diǎn)：特點(diǎn)：全場(chǎng)，非接觸，穩(wěn)定性好，自動(dòng)化程度高，精度高一、一、 菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射按三者之間的位置關(guān)系劃分為菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射22bbR or L and L （2）夫瑯禾費(fèi)衍射/遠(yuǎn)場(chǎng)

2、衍射 光源障礙物接收屏距離為無限遠(yuǎn) （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)是本章進(jìn)行衍射測(cè)量的基本原理菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射常用光路：二、單縫衍射測(cè)量二、單縫衍射測(cè)量(一一) 單縫衍射測(cè)量原理單縫衍射測(cè)量原理()202sin bI = I = sin觀察屏上的光強(qiáng)分布：單縫衍射的測(cè)定任何一個(gè)暗條紋的位置就可以精確知道被測(cè)的尺寸1）中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級(jí)亮紋寬度的兩倍；2）次級(jí)亮紋的光強(qiáng)隨級(jí)次的增加而逐漸減??；3）若光程差不等于/2 的整數(shù)倍時(shí)，亮度介于最明與最暗之間；4）衍射條紋平行于單縫方向；5）暗條紋=k即kbsin由遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條件有sLxkLbk由暗條紋現(xiàn)的公

3、式知: (二二) 單縫衍射測(cè)量的基本公式單縫衍射測(cè)量的基本公式22sinLxxkkLxktansinb = sin由，對(duì)第k個(gè)衍射暗條紋有b sin = k當(dāng)不大時(shí)則有:kLxbksLxLkbk單逢衍射測(cè)量的基本公式0011kkxxkLbb被測(cè)物尺寸改變 時(shí)，相當(dāng)于狹縫尺寸改變，由下式可求出被測(cè)物尺寸或輪廓的變化量(三三) 單縫衍射測(cè)量的分辨力、精度和量程單縫衍射測(cè)量的分辨力、精度和量程縫寬b越小，級(jí)數(shù)越高，L越大, 波長越長, 分辨力越高1.測(cè)量分辨力衍射測(cè)量kLbdxdbtk2250/163. 0, 41 . 01000tmkmmbmmL，可得，取測(cè)量分辨力是指激光單逢衍射能分辨的量值反映

4、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mmmxk04. 001. 0分辨力為，則衍射測(cè)量能達(dá)到的的測(cè)量分辨力是如果考慮環(huán)境因素的影響，一一般測(cè)量的精度可達(dá)般測(cè)量的精度可達(dá)0.5m2222222kkkkkkkxxLLxkLxxkLLxkLxkLb2.測(cè)量精度由儀器的隨機(jī)誤差理論，可得到衍射測(cè)量誤差為，可忽略激光器，對(duì)于910/NeHe。，此時(shí)縫寬則不超過和，取3106 . 1/19. 0,3 . 0%1 . 063. 0, 31 . 01000bbmmbmbxLmkmmbmmLk1)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)

5、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，b0.8mmdbdbbkLdxk2一般d的寬度取0.01mm-0.5mm三三 、圓孔衍射測(cè)量、圓孔衍射測(cè)量屏上接收光強(qiáng)：其中：210)(2xxJIIPsin2 ax Dfa22. 1愛里斑尺寸常用的測(cè)量方法主要有：1、間隙測(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、愛里斑測(cè)量法6、衍射頻譜檢測(cè)法1、間隙測(cè)量法間隙測(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(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kkkk

6、xxkLxkLxkLbb11sinsinsinsinkkbbkkN 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，如等2、反射衍射測(cè)量法反射衍射測(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:利用試件棱緣和構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測(cè)量的kbb)sin(2sin2有 Lxktansin將上式展開進(jìn)行三角運(yùn)算 所以有: kb)2sinsin2sin(cos22Lxk22sinkLxLxbkk)sin2(cos2sin2cos2/LxxkLbkk為任意值， 可以測(cè)量某一角度下的兩個(gè)xk值求解1、靈敏度提高一倍、靈敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布置方便、

7、入射光可以以一定角度入射，布置方便表面質(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P1出現(xiàn)暗條紋的條件： 1111111111111)cos(sinkzzbPAAPAAPPAAPAPA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： 11212sin2sinkzb22222sin2sinkzbLxLxkk2121sin,sin由可得222122222211kLzxLbxkLzxLbxkkkk分離間隙衍射的縫寬公式為LzxxLkLzxxLkbkkkk22221121當(dāng)k1=k2時(shí)大

8、近的方向，條紋間距增在接收屏棱邊較圖樣出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象中心亮條紋兩邊的衍射紋在同一平面上，會(huì)使條所以狹縫的兩個(gè)棱邊不故有;,12kkxxLzxbxLzxbxLzxLbxLzxLbxkkkkkkkk2222221122112222 4、互補(bǔ)測(cè)量法、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)測(cè)量精度可達(dá)0.05msfxxfxkdkkk22225.愛里斑測(cè)量法愛里斑測(cè)量法基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，由

9、于艾里斑中心亮斑和暗環(huán)沒有十分明顯的邊界，因此采用間接測(cè)量直徑約在1090 m范圍之間的噴絲頭通過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。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

10、面的復(fù)振幅分布（透射率）的傅里葉變換 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。 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一、構(gòu)成各種物理量的傳感器激光衍射測(cè)量是一種的精密測(cè)量技術(shù) 許多物理量，如等，都可通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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)量二、薄膜材料表面涂層厚度測(cè)量的變化可分辨出m3 . 0此類微小間隔測(cè)量裝置還可以用于等的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量三、全長剖量測(cè)

11、量三、全長剖量測(cè)量要求棱緣全長都同時(shí)被激光束照亮，通常用于測(cè)量，也可以測(cè)定。四、位移和間隔的遠(yuǎn)離測(cè)量四、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。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)方向掃過探測(cè)器，當(dāng)振幅達(dá)到極限位置后，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)量六、直徑和薄帶寬度測(cè)量

12、1.漆包線激光動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀漆層厚度變化造成漆包線外徑的變化將顯示在測(cè)量儀的顯示器上，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。在保證信號(hào)不失真前提下盡可能降低截止頻率若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，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。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)

13、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)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)

14、, 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)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

15、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)用最小二乘法來擬合原始數(shù)據(jù), 得到一條光滑的曲線;( 3) 以一定的步長搜索擬合后的曲線, 得到曲線上暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置, 如果步長小于象素尺寸就具有細(xì)分效果;mm1 . 05010，精度為測(cè)量范圍基于這樣的前提, 可以在已知粗略暗點(diǎn)位置附近, 充分利用原始數(shù)據(jù)中的信息來尋找暗點(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XLb2帶寬計(jì)算公式：3.轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測(cè)徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測(cè)徑儀s動(dòng)一個(gè)條紋間隔，相應(yīng)光電接收器

16、上移當(dāng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過某一角度22Ls 所需時(shí)間，則轉(zhuǎn)過設(shè)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速為)/(srnnt2根據(jù)細(xì)絲直徑測(cè)量公式tKtnLLLsLd14)(2212214)(nLLLK則以下的細(xì)絲直徑適合測(cè)量小于轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測(cè)徑儀m1004.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)徑儀是通過測(cè)量特定級(jí)條紋的xk值來求直徑七、紅細(xì)胞激光衍射測(cè)量七、紅細(xì)胞激光衍射測(cè)量通過細(xì)胞的衍射圖樣來分析病變通過面陣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)果來判斷病變情況。42激光粒度儀【補(bǔ)補(bǔ)】傳統(tǒng)粒度測(cè)量方法：最流行的粒度測(cè)量儀器：測(cè)量速度快、

17、重復(fù)性好、動(dòng)態(tài)范圍大、操作方便一、工作原理一、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)過程中遇到顆粒（障礙物）時(shí)，會(huì)有一部分偏離原來的傳播方向；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）， 并且只考慮小角散射 （散射角小于 5）時(shí)，散射光場(chǎng)也可用較簡單的夫瑯禾費(fèi)衍射理論近似描述。 由等三部分組成發(fā)射部分由組成，主要是為儀器提供單提供單色的平行光作為照明光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)下通過測(cè)量區(qū)被測(cè)樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測(cè)量區(qū)

18、，以便儀器獲得樣品的粒度信息。接收器由組成激光器發(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

19、的光能分布，反之由測(cè)得的光能分布就可推算樣品的粒度分布。二、光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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)是重要的技術(shù)指標(biāo)是測(cè)量下限測(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)量擴(kuò)展其測(cè)量下限或是小顆粒段的分辨率下限或是小顆粒段的分辨率；基本思路是增大散射光的增大散射光的測(cè)量范圍、測(cè)量精度或者減少照明光的波長測(cè)量范圍、測(cè)量精度或者減少照明光的波長。德國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

20、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。最大接收角不受傅立葉鏡頭口徑限制只在較小散射角（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。增加一束斜入射、短波長（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的比值。在相同的散射角下，照明光波長越短，對(duì)應(yīng)的粒徑越小。因此用短波長的照明光斜入射到測(cè)量窗口上，能有效地