第三章-激光衍射測量技術(shù)資料

1、激光測量技術(shù)Laser Measurement Technology第三章 激光衍射測量技術(shù) 光的波長， 對的孔/屏、狹縫/細絲才有明顯的衍射現(xiàn)象；特點：特點：全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動化程度高，精度高菲涅耳和夫瑯禾費衍射一、一、 菲涅耳和夫瑯禾費衍射菲涅耳和夫瑯禾費衍射是本章進行衍射測量的基本原理二、單縫衍射測量二、單縫衍射測量(一一) 單縫衍射測量原理單縫衍射測量原理()202sin bI = I = sin觀察屏上的光強分布：測定任何一個暗條紋的位置測定任何一個暗條紋的位置就可以精確知道被測的尺寸暗條紋位置kbsin(二二) 單縫衍射測量的基本公式單縫衍射測量的基本公式由遠場衍射條件有

2、22sinLxxkk由暗條紋的公式知: Lxktansin當(dāng)不大時則有:kLxbksLxLkbk單逢衍射測量的基本公式0011kkxxkLbb被測物尺寸改變 時，相當(dāng)于狹縫尺寸改變，由下式可求出被測物尺寸或輪廓的變化量(三三) 單縫衍射測量的分辨力、精度和量程單縫衍射測量的分辨力、精度和量程1.測量分辨力衍射測量靈敏度kLbdxdbtk2縫寬b越小，級數(shù)越高，L越大, 波長越長, 分辨力越高靈敏度反映了狹縫衍射對尺寸的放大倍數(shù), 即放大了1/t倍；Xk的測量分辨力,決定了狹縫的測量分辨力250/163. 0, 41 . 01000tmkmmbmmL，可得，取mmmxk04. 001. 0分辨力

3、為，則衍射測量能達到的的測量分辨力是如果2222222kkkkkkkxxLLxkLxxkLLxkLxkLb由儀器的隨機誤差理論，可得到衍射測量誤差為，可忽略激光器，對于910/NeHe2.測量精度考慮環(huán)境因素的影響，一般測量的精度可達0.5m。，此時縫寬則不超過和，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,光強分布減弱,高級次條紋不明顯3)b越大, XK變小,條紋變密, 傳感器不易放置, 靈敏度下降3.測量量程Lb2/, 儀器尺寸限制, b基本確定，L=1000m

4、m，b0.8mmdbdbbkLdxk2一般d的寬度取0.01mm-0.5mm三三 、圓孔衍射測量、圓孔衍射測量屏上接收光強：其中：210)(2xxJIIPsin2 ax Dfa22. 1愛里斑尺寸1、間隙測量法間隙測量法1）尺寸比較測量基于單縫衍射原理2）形貌測量3）傳感器(1) 絕對測量法(2)增量測量法間隙法測量位移，有兩種方法kkkkxxkLxkLxkLbb11sinsinsinsinNkkLkkLbb間隙測量法作為靈敏的光傳感器可用于測定各種物理量的變化，如等2、反射衍射測量法反射衍射測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個暗條紋滿足下列條件:利用試件棱緣和構(gòu)成的狹縫

5、來進行衍射測量的kbb)sin(2sin2有 Lxktansin將上式展開進行三角運算 所以有: kb)2sinsin2sin(cos22Lxk22sinkLxLxbkk)sin2(cos2sin2cos2/LxxkLbkk為任意值， 可以測量某一角度下的兩個xk值求解1、靈敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布置方便表面質(zhì)量評價、直線性測定、間隙測定等3.分離間隙法分離間隙法利用參考物和試件不在一個平面內(nèi)所形成的衍射條紋進行精密測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

6、一平面內(nèi)P2點出現(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時大近的方向，條紋間距增在接收屏棱邊較圖樣出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象中心亮條紋兩邊的衍射紋在同一平面上，會使條所以狹縫的兩個棱邊不故有;,12kkxxLzxbxLzxbxLzxLbxLzxLbxkkkkkkkk2222221122112222 4、互補測量法、互補測量法用平面光照射兩個互補屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光

7、強除光源點的幾何像點之外完全相同，僅復(fù)振幅的位相差為。巴俾涅原理細絲,薄帶可進行衍射測量:互補測量法測量細絲直徑的范圍一般是0.0l0.1mm測量精度可達0.05msfxxfxkdkkk22225.愛里斑測量法愛里斑測量法基于圓孔的夫瑯和費衍射原理，由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，但明暗條紋的強度分布隨孔的變化而急劇改變。設(shè)計使光電探測器5接收衍射圖的全部能量（中心亮斑和前四個亮環(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

8、器5和7的電壓信號進行比較從而得出被測孔徑。6.衍射頻譜檢測法衍射頻譜檢測法由傅里葉光學(xué)知: 平面光波射向衍射屏后在遠場發(fā)生夫瑯和費衍射,衍射光強分布由衍射屏復(fù)振幅的傅里葉變換所決定。激光衍射頻譜檢測法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對工件表面缺陷進行檢測，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。1.傅里葉變換檢測法 直接利用透鏡的傅里葉變換特性，用光電探器探測物體的頻譜，對信號進行分析和處理、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

9、、構(gòu)成各種物理量的傳感器激光衍射測量是一種的精密測量技術(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)進行測量。二、薄膜材料表面涂層厚度測量二、薄膜材料表面涂層厚度測量的變化可分辨出m3 . 0此類微小間隔測量裝置還可以用于等的靜態(tài)和動態(tài)測量三、全長剖量測量三、全長剖量測量要求棱緣全長都同時被激光束照亮，通常用于測量，也可以測定。四、位移和間隔的遠離測量四、位移和間隔的遠離測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。檢測器可以離傳感器很遠，對在需要遙測或有害環(huán)境下觀察特別有利。五、振動的測量五、振動的測量懸

10、板相對于基準(zhǔn)棱緣在半個周期中不斷改變縫寬b,于是引起衍射條紋沿一個方向掃過探測器，當(dāng)振幅達到極限位置后，條紋即向相反方向移動；方波a和a對應(yīng)于待測物體在改變振動方向時的轉(zhuǎn)折點，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、直徑和薄帶寬度測量六、直徑和薄帶寬度測量1.漆包線激光動態(tài)測徑儀漆層厚度變化造成漆包線外徑的變化將顯示在測量儀的顯示器上，從而實現(xiàn)人工調(diào)整涂漆參數(shù)，保證涂漆質(zhì)量。為避免CCD探測器飽和，擴大CCD動態(tài)范圍，將零級條紋擋去。在保證信號不失真前提下盡可能降低截止頻率若CCD像素2048，數(shù)據(jù)時鐘1MHz，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時保證CCD能接收24個條紋，則每個條紋

11、周期T=2048/4=512s?？紤]到CCD接收的信號是非周期的，實際應(yīng)用中采用二階巴特沃思低通濾波，截止頻率取101/T。為得到精確的測量結(jié)果必須對信號衍射圖樣進行精確的識別，包括以下兩方面：( 1) 能自動識別出一幀CCD 信號衍射圖樣中暗點的個數(shù);( 2) 能精確地定位每個暗點對應(yīng)的位置;存在困難：因為被測細絲的直徑有一定的分布范圍, 衍射圖樣變化很大, 且衍射圖樣中暗點銳度很小。衍射圖樣中暗點數(shù)的識別：一般地, 采用掃描法逐點掃描衍射圖樣來識別暗點數(shù)。理論上, 在順序掃描時如果某一點滿足下面兩個條件就可認為是一個暗點:( 1) 當(dāng)前點的值比前一點值小;( 2) 后一點值比當(dāng)前點值大由于

12、很多不確定因素的存在, 使得待識別的信號在局部區(qū)域內(nèi)不是光滑連續(xù)的。直接采用上面的算法將導(dǎo)致識別失敗, 為此改進算法如下:( 1) 采用中值濾波對信號作平滑處理;( 2) 用滑動窗口內(nèi)信號的平均值來代替單點值掃描衍射圖樣;采用非線性中值濾波的目的在于消除信號中尖峰干擾(主要由量化引入) , 保證局部范圍內(nèi)信號的平滑, 但必須合理選擇濾波器的寬度否則達不到目的。用滑動窗口內(nèi)信號的平均值來代替單點值掃描識別衍射圖樣, 可以消除信號小范圍波動對識別的影響，增強暗點識別的可靠性。識別暗點數(shù)同時可以得到暗點的粗略位置( 掃描到一個暗點時記下它的位置) 。由于識別時對信號作了非線性處理, 而且掃描是由滑動

13、窗口完成的, 因而此時得到的暗點位置是很粗糙的, 遠遠達不到測量精度要求, 必須進一步精確指定暗點位置。對暗點的精確定位是基于下面三個前提:( 1) 衍射圖樣的分布符合一定的數(shù)學(xué)關(guān)系;( 2) 精確的暗點位置必定在已得到的粗略暗點位置附近;( 3) 粗略暗點附近的原始數(shù)據(jù)在統(tǒng)計意義上包含著暗點真正位置的信息;( 1) 在識別暗點數(shù)的同時記錄粗略的暗點位置;( 2) 在粗略暗點位置附近取一定數(shù)目的原始數(shù)據(jù), 運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, 得到曲線上暗點的準(zhǔn)確位置, 如果步長小于象素尺寸就具有細分效果;mm1 . 05010，精度為測

14、量范圍基于這樣的前提, 可以在已知粗略暗點位置附近, 充分利用原始數(shù)據(jù)中的信息來尋找暗點的準(zhǔn)確位置。這部分算法可以描述如下:2.薄帶寬度測量薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則引起測量誤差XLb2帶寬計算公式：3.轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測徑儀s動一個條紋間隔，相應(yīng)光電接收器上移當(dāng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過某一角度22Ls 所需時間，則轉(zhuǎn)過設(shè)同步電機轉(zhuǎn)速為)/(srnnt2根據(jù)細絲直徑測量公式tKtnLLLsLd14)(2212214)(nLLLK則以下的細絲直徑適合測量小于轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測徑儀m1004.狹縫掃描式激光測徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式測徑儀是由測量條紋間距s值求得細絲直徑狹縫掃描式測徑儀是通過測量

15、特定級條紋的xk值來求直徑七、紅細胞激光衍射測量七、紅細胞激光衍射測量通過細胞的衍射圖樣來分析病變通過面陣CCD接收衍射圖樣，求出紅細胞的變形指數(shù)和取向的變化、衍射光強的徑向分布曲線等，根據(jù)計算結(jié)果來判斷病變情況。39激光粒度儀【補補】傳統(tǒng)粒度測量方法：最流行的粒度測量儀器：測量速度快、重復(fù)性好、動態(tài)范圍大、操作方便一、工作原理一、工作原理利用顆粒對光的散射（衍射）現(xiàn)象測量顆粒大小的，即光在行進過程中遇到顆粒（障礙物）時，會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，散射光場

16、也可用較簡單的夫瑯禾費衍射理論近似描述。 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；測量窗口主要是讓被測樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測量區(qū)被測樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測量區(qū)，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器的同一半徑上。一個探測單元輸出的光電信號就代表一個角度范圍（大小由探測器的內(nèi)、外半徑之差及透鏡的焦距決定）內(nèi)

17、的散射光能量，各單元輸出的信號就組成了散射光能的分布。盡管散射光的強度分布總是中心大，邊緣小，但是由于探測單元的面積總是里面小外面大，所以測得的光能分布的峰值一般是在中心和邊緣之間的某個單元上。當(dāng)顆粒直徑變小時，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應(yīng)于不同的光能分布，反之由測得的光能分布就可推算樣品的粒度分布。二、光路結(jié)構(gòu)的改進二、光路結(jié)構(gòu)的改進激光粒度儀重要的技術(shù)指標(biāo)是重要的技術(shù)指標(biāo)是測量下限測量下限激光粒度儀光學(xué)結(jié)構(gòu)的改進基本上都是為了擴展其測量擴展其測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量范圍、測量精度或

18、者減少照明光的波長測量范圍、測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。由于探測器的半徑不變，因此焦距越小，對應(yīng)的散射角越大，即能測量的粒徑越小。不同焦距的透鏡對應(yīng)于不同的測量范圍。增加輔助探頭用以彌補環(huán)形探測器陣列最大外徑的不足，從而擴大儀器對散射光的接收角，擴展儀器的測量下限。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）接收機構(gòu)的透鏡后傅立葉結(jié)構(gòu)。擴展了散射角接收范圍，以擴展粒度測試下限。增加一束斜入射、短波長（藍光）的照明光束在只有正入射光束的情況下，散射光從測量窗口往空氣中出射時由于受全反射現(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器接收。照明光斜入射使得上述角范圍內(nèi)的散射光相對于測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，對應(yīng)的粒徑越小。因此用短波長的照明光斜入射到測量窗口上，能有效地擴大測量下限。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)