第3章 -激光衍射測量技術(shù)-1

上一節(jié)理論課：課程內(nèi)容簡介聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀：聲光調(diào)制器。激光移相干涉測量技術(shù)：被測件面形。激光散斑干涉測量技術(shù)：散斑概念、散斑照相、電子散斑干涉測量（ESPI）、測量表面粗糙度、測量圓柱內(nèi)孔表面質(zhì)量。激光光纖干涉測量技術(shù)：光纖干涉儀的概念、光纖干涉儀結(jié)構(gòu)形式（Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac、Fabry-Perot），用FP光纖干涉儀進行氣體濃度/成分分析、溫度/壓力分析、光纖陀螺。激光多波長干涉測量：半導體激光調(diào)頻干涉測距今天主講內(nèi)容：激光衍射測量技術(shù)回顧第3章激光衍射測量技術(shù)132激光衍射測量原理激光衍射測量方法激光衍射測量的應用激光衍射測量原理1衍射是波在傳輸途中遇到障礙物而發(fā)生偏離直線傳播的現(xiàn)象。波的衍射也叫繞射，顧名思義，波可以繞過障礙物而在某種程度上傳播到障礙物的幾何陰影區(qū)。由于光的波長較短，只有當光通過很小的孔或者狹縫，很小的屏或細絲時才能明顯地觀察到衍射現(xiàn)象。激光出現(xiàn)以后，由于它的單色性好、相干性好、高亮度等優(yōu)點，使光的衍射現(xiàn)象得到了實質(zhì)性的應用。1972年加拿大國家研究所的T.R.Pryer提出了激光衍射測量方法。這是一種利用激光衍射條紋的變化來精密測量長度、角度、輪廓的一種測量方法。具有非接觸、穩(wěn)定性好、自動化程度及精度高等優(yōu)點，廣泛應用于國防、工業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域。概述激光衍射測量原理1光的衍射現(xiàn)象，按光源、衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)三者之間的位置關(guān)系分為兩種類型。1)菲涅耳衍射。它是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即光源和觀察屏(或兩者之一)到衍射物的距離比較小的情況，也稱為近場衍射。2)夫瑯禾費衍射。它是無限距離處的衍射現(xiàn)象，即光源和觀察屏都離衍射物無限遠，也稱為遠場衍射。菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射激光衍射測量原理1單縫衍射測量原理激光衍射測量原理1單縫衍射測量原理激光衍射測量原理1單縫衍射測量的基本公式即即單縫衍射暗條紋的條件由遠場衍射條件，有式中，xk為第K級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離，L為觀察屏距單縫平面的距離。則單縫衍射測量的基本公式激光衍射測量原理1單縫衍射測量的分辨力、精度和量程測量分辨力：指的是激光單縫衍射測量能分辨的最小量值。由衍射測量公式得到衍射測量的靈敏度：上式表明，縫寬b越小，L越大，激光波長λ越長，所選取的衍射級別越高，則t越小，測量分辨力越高，測量就靈敏。這里，b受測量范圍限制，L受儀器尺寸限制，k受激光器功率限制，因此，實際上t只能近似確定。如果取L=1000mm，b=0.1mm，k=4，λ=0.63μm，代入上式得t=1/250。這就是說通過衍射使b的變化量放大了250倍。如果xk的測量分辨力是0.01mm，則衍射測量能達到的分辨力為0.04μm。激光衍射測量原理1單縫衍射測量的分辨力、精度和量程測量精度由公式可知，衍射測量的精度決定于λ、L和xk的精度。對上式進行微分，并由儀器的隨機誤差理論進行處理，可得到衍射測量誤差為：激光衍射測量原理1測量量程由公式變換可得，激光單縫衍射放大倍數(shù)β=klλ/b2,如果取L=1000mm,k=4,λ=0.63μm，取不同縫寬代入上式，經(jīng)計算得到表3-1。激光衍射測量原理1圓孔衍射測量當平面光波照射的開孔是圓孔時，其遠場的夫瑯禾費衍射中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。這種環(huán)形衍射條紋稱為艾里斑(Airy)。激光衍射測量原理1圓孔衍射測量衍射圖中央是亮斑，它集中了84%左右的能量。設(shè)中心斑點(即第一暗環(huán))的直徑為D，f’為透鏡的焦距，圓孔半徑為a，激光波長為λ，有：a=1.22λf/D。因此，測定或研究艾里斑可以精密測量或分析微小內(nèi)孔的尺寸。激光衍射測量方法2在實際應用中，基于單縫衍射的各種測量方法大都是根據(jù)公式b=kLλ/xk,基于圓孔衍射的測量方法是根據(jù)公式a=1.22λf/D，通過測量單縫衍射暗條紋之間的距離或者艾里斑第一暗環(huán)的直徑來確定被測量。根據(jù)不同的測量對象，測量方法主要有以下幾種。間隙測量法間隙測量法是基于單縫衍射的原理，是衍射測量的基本方法，主要用于以下幾個方面。1)作尺寸的比較測量，如下圖(a)所示，采用相對測量方法，先用標準尺寸的工件相對參考邊的間隙作為零位，然后放上被測工件，測定間隙的變化量而推算出工件尺寸。激光衍射測量方法2間隙測量法2)作工件形狀的輪廓測量，如下圖(b)所示。轉(zhuǎn)動工件，由間隙變化得到工件輪廓相對于標準輪廓的偏差。3)作應變傳感器使用，如下圖(c)所示。當試件上加載力P時，將引起單縫的尺寸變化，從而可以用衍射條紋的變化來得到應變量。激光衍射測量方法2間隙測量法下圖是間隙測量法的基本裝置。激光器1發(fā)出的光束，經(jīng)柱面擴束透鏡組2形成一個激光亮帶，并以平行光的方式照明由工件3和參考物4組成的狹縫；5是成像透鏡；6是觀察屏，在實際應用中用光電探測器代替，如線陣CCD；7是微動機構(gòu)，用于衍射條紋的調(diào)零或定位。激光衍射測量方法2間隙測量法間隙測量法可以按照b=kLλ/xk進行，通過測量xk來計算b。用間隙測量法測量位移時，即測量狹縫寬度b和改變量δ=b’-b，可以采用兩種方法。(1)絕對法在這種情況下，只需將變化前后的兩個縫寬b和b’求出，然后相減(2)增量法：其測量公式表示為：激光衍射測量方法2激光衍射測量方法2間隙測量法激光衍射測量方法2反射衍射測量法反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量。下圖所示為反射衍射法的原理圖。狹縫由棱緣A與反射鏡3組成。反射鏡的作用是以形成A的像A’。這時，相當于以θ入射，縫寬為2b的單縫衍射。顯然，若在P處出現(xiàn)第K級暗條紋，則第K個暗條紋滿足下列條件：激光衍射測量方法2反射衍射測量法將上式展開進行三角運算得到：在上式中，θ一般是任意的，測得某一θ位置的兩個xk值代入后，聯(lián)立解出θ值和b值。反射衍射技術(shù)主要應用在表面質(zhì)量評價、直線性測定、間隙測定等。下圖所示是反射衍射法測量的實例。激光衍射測量方法2反射衍射測量法激光衍射測量方法2分離間隙法在實際測量中，常會遇到組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)，即存在一個間隔z。此時衍射圖形出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。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稱為分離間隙法。激光衍射測量方法2分離間隙法激光衍射測量方法2分離間隙法左圖所示為用分離間隙法測量折射率或液體變化的原理圖。此裝置中，1是玻璃棒(直徑約為2~3mm)，當用一束激光通過其直徑照射時，產(chǎn)生一條狹窄的亮帶照射被測試件2上。3，4是一對狹縫，用分離間隙法形成衍射條紋。衍射條紋由透鏡5成像在光電探測器件6上，并進行測量。當變換試件2或改變2中的液體時，衍射條紋的位置就靈敏地反映了折射率或折射率的變化。激光衍射測量方法2互補測量法激光衍射互補測量法的原理是基于巴俾涅(Babinet)定理。圖3-13中D1和D2是兩個互補衍射屏，用平面光波照射兩個屏時，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強完全相同，僅位相差為π，即亮條紋的位置和暗條紋的位置相反，這就是Babinet互補定理。激光衍射測量方法2互補測量法激光衍射測量方法2艾里斑測量法艾里斑測量法是基于圓孔的夫瑯禾費衍射原理。下圖為用艾里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。測量儀器和被測件作相對運動，以保證每個孔順序通過激光束。通常不同的噴絲頭，其孔的直徑約為10~90μm范圍之內(nèi)。由激光器1發(fā)出的激光束，照射到被測孔2上，通過孔以后的衍射光束由分光鏡3分成兩部分，分別照射到光電接收器5和7上。兩接收器分別將照射在其上的衍射圖案4、6的光信號轉(zhuǎn)換成電信號送到電壓比較器8。激光衍射測量方法2通過微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量，可以認為不隨孔的微小變化而變化，但是明暗條紋的強度分布（分布面積）是隨孔徑的變化而急劇改變的。因而，在衍射圖上任何給定半徑內(nèi)的光強度，即所包含的能量，是隨激光束通過孔的直徑變化而顯著變化的。因此，需設(shè)計使光電接收器5接收被分光鏡反射的衍射圖的全部能量，因而它所產(chǎn)生的電壓幅度可以作為不隨孔徑變化的參考量。在實際上，中心亮斑和前四個亮環(huán)即已基本上包含了全部能量，所以光電接收