【管理资料】激光衍射测量和莫尔条纹技术汇编
莫尔条纹现象及应用
莫尔条纹现象及应用莫尔条纹现象，即干涉条纹，是由于光的空间干涉而产生的一种光学现象。
当两束具有相干性的光线叠加在一起时，由于光波的干涉，会在光线交叠的地方形成明暗相间的干涉条纹，这就是莫尔条纹。
莫尔条纹是由托马斯·杨德尔·莫尔发现的，在实验中，他将两块玻璃片叠加在一起，在叠加区域内观察到一系列明暗相间的条纹，这便是莫尔条纹。
莫尔条纹的形成是由于两块玻璃片之间存在微小的厚度差异，导致透射光束的相位差，进而产生干涉现象。
莫尔条纹的应用非常广泛。
以下是一些常见的应用领域：1. 光学测量：莫尔条纹可以用于光学测量中，通过测量干涉条纹的间距和位置，可以计算出被测物体的厚度、形状和表面形貌等参数。
例如，用莫尔条纹可以准确测量薄膜的厚度和折射率。
2. 表面质量检测：莫尔条纹可以用来检测材料表面的平整度和光洁度，对于表面质量的测量和检查非常有用。
通过观察干涉条纹的形态和分布情况，可以判断出表面的缺陷和微小凹凸等问题。
3. 材料分析：莫尔条纹可以用于材料的分析和表征。
通过分析干涉条纹的形状和分布，可以了解材料的光学性质、密度差异等参数。
莫尔条纹还可以用于材料的组成分析，例如通过观察光谱中的干涉条纹，可以判断材料中某些元素的存在和含量。
4. 生物医学应用：莫尔条纹在生物医学领域也有一些应用。
例如，在组织工程和生物材料领域中，莫尔条纹可以用来观察和分析细胞和组织的生长情况，对于研究细胞的形态变化、生长速度等具有重要的意义。
5. 教学和科普：莫尔条纹是光学干涉的基本现象，通过莫尔条纹可以直观地展示和解释干涉现象，有助于学生对光学知识的理解和掌握。
莫尔条纹在光学实验室和科学博物馆中也经常被用于光学展示和科普教育。
总之，莫尔条纹是光学中重要的现象之一，具有广泛的应用价值。
它不仅能用来测量物体的厚度、形状和表面质量，还可以用于材料分析、生物医学研究和教学等领域。
随着科技的不断发展，莫尔条纹的应用前景将会更加广阔。
激光衍射测试技术共26页
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
激光衍射测试技术
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
Thank you
莫尔条纹测试技术
D E
C
X
A b)
θ
P W
a)
莫尔条纹的几何关系
莫尔条纹光学放大作用举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与 指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
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莫尔条纹技术基础
②衍射原理 单纯利用几何光学原理，不可能说明许多在莫尔 测量技术中出现的现象。例如:
• 在使用相位光栅时，这种光栅处处透光，它对入射光波的
作用仅仅是对其相位进行调制，然而，利用相位光栅亦能 产生莫尔条纹，这就不可能用栅线的遮光作用予以说明。 • 当使用细节距光栅时，在普通照明条件下就很容易观察到 彩色衍射条纹。两块细节距光栅叠合形成的莫尔条纹中， 往往会出现暗弱的次级条纹，这些现象必须应用衍射原理 才能解释。 • 在莫尔测量技术中用到的光栅自成像现象也是无法用几何 光学原理解释的。
d L2
G2 B′ C′ a
和ΔBCL2 ∽ΔB′C′L2，故 BC：L1L2 = h1：（h1+l）, BC=Pl/a 于是 l Pl
h1 a d Pl a
h2
h1
l
Pl(l f ) h1 fd (l f ) P
投影莫尔法光学系统 与原理图示
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莫尔形貌（等高线）测试技术
•
•
因此
x' x d x' h l
激光衍射法
激光衍射法激光衍射法是一种用激光光束照射样品后，通过观察光束的散射图案来分析样品结构和性质的方法。
它是一种非常重要的实验技术，在材料科学、化学、生物学等领域都有广泛的应用。
一、激光衍射法的原理激光衍射法是利用激光光束照射样品后，观察光束的散射图案来分析样品结构和性质。
光束在照射样品后，会发生散射现象，这种散射现象可以被观察到，并用来分析样品的结构和性质。
激光衍射法的原理是基于光的散射现象。
当光线通过一个物体时，会发生散射现象。
散射光线的方向和强度与物体的形状、大小、密度和折射率等因素有关。
因此，观察散射光线的方向和强度可以了解物体的结构和性质。
二、激光衍射法的应用1. 材料科学领域激光衍射法在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以用来分析材料的晶体结构、纤维结构、表面形貌等。
例如，利用激光衍射法可以研究纳米颗粒的大小和分布、聚合物的分子量和分子量分布、金属表面的形貌和粗糙度等。
2. 化学领域激光衍射法在化学领域的应用也非常广泛。
它可以用来分析分子的大小、形状、结构和分布等。
例如，利用激光衍射法可以研究蛋白质的分子量和分子量分布、聚合物的分子量和分子量分布、胶体粒子的大小和分布等。
3. 生物学领域激光衍射法在生物学领域的应用也非常广泛。
它可以用来分析生物分子的大小、形状、结构和分布等。
例如，利用激光衍射法可以研究细胞的大小、形状和表面结构、蛋白质的分子量和分子量分布、DNA 的大小和分子量等。
三、激光衍射法的优点1. 非接触性激光衍射法是一种非接触性的分析方法。
它不需要接触样品，可以避免样品受损或污染，同时也可以避免影响样品的测量结果。
2. 高精度激光衍射法可以实现非常高的精度。
它可以测量非常小的样品，同时也可以测量非常大的样品。
它可以测量样品的大小、形状、结构和分布等，可以提供非常详细的样品信息。
3. 非破坏性激光衍射法是一种非破坏性的分析方法。
它可以在不破坏样品的情况下进行分析，可以保持样品的完整性和稳定性。
莫尔条纹技术
物体上的光强分布为
I1
=
I0
1
2
+
1 2
g[2πlx
/(h
+
l)P]
cosφ
φ 为入射光与表面法线间夹角
由于
(x0 − x) : h = (d − x) : (h + l)
可求出变形光栅返回并透过光栅平面后的透射率分布函数
I2
=
l0
cosφ
4
1 +
g
2π
P
hd + lx + g 2π
h+l P
可实现 1 长度计量 2 长度定位控制 3 角度计量 4 角度定位控制 5 运动比较仪 传动链检查仪 6 物体等高线测定 7 应变测定 8 相位测定 等
用莫尔条纹原理实现的线位移测量系统 光栅尺
用莫尔条纹原理实现的角位移测量系统 光栅编码器
二 序数方程原理 两光栅交点由栅线序数 N M组成 KMN
三 测量系统
三坐标测量机的测量系统的主要部件是测头和标准器 三坐标测量机的精度与工作效率和测头密切相关 没有先进的 测头 就无法发挥测量机的功能 三坐标测头可视为一种传感 器 只是其种类 结构原理 性能较一般的传感器复杂得多 大致可归纳为以下几类
(1)机械接触式测头(硬测头) 包括圆锥形 圆柱形和球形测头 回转式半圆和回转式1/4 柱面测头 盘形测头 凹圆锥测头 点测头 V形块测头及直角 测头等 (2)光学非接触测头 光学非接触测头对于测量软的 薄的 脆性的工件及光学刻 线非常方便 尤其对限定不能用机械测头与电测头的工件 只 能采用光学非接触测头 它不仅可作二坐标测量用 也能用作 三坐标的测量 适合于测量不规则空间型面(涡轮叶片 软质表 面等)
测控技术
我所了解的测控技术摘要：本文介绍了测量与控制技术的基本概念，重点描述了几种常见的测量传感器和两种测量方法以及它们在生产生活中的运用。
关键词：测量、传感器、激光衍射测量技术、莫尔条纹测试技术、自动控制、反馈控制。
1引言测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头，是光学、精密机械、电子、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。
测量是通过使用一个标准仪器或与一个已知大小的标准事物进行的定量的比较。
它包括信息的提取、转换与处理，把已获取的信息进行加工、运算、分析，对系统的工作进行引导与检测。
控制技术是由一些电气元件连接成控制线路所组成的，它可以完成一定的工作顺序，或实现一定的工作状态。
自动控制所用的技术手段是多种多样的，可以用电气技术、计算机控制、可编程控制，也可用机械方法、液压方法等。
测量与控制是密不可分的。
测量是对控制系统的工作进行量化的一种科学手段，控制系统根据测量的结果进行调整与实时控制，使之与设计的技术指标和要求参数相吻合。
测量是为了更好地控制，它们之间相辅相成。
测量与控制都是反映人和工具关系的一个概念。
因此准确的测量与控制必然离不开精密的仪器与仪表和先进的技术手段。
精密的仪器为测量控制提供了极大的帮助，而同时测量与控制的发展也催生出更加先进的仪器。
2测量意义、基本方法和理论以及仪器与技术2.1测量的意义测量的过程或行为包括获取在一个预定标准和一个被测量之间的定量的比较。
测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息，否则的话，这种现实状态则只可能估计。
正因如此，测量便成为对客观世界的新认识的工具，同时也是对任何理论或设计的最终检验。
测量是一切研究、设计和开发的基础，且它的作用在众多的工程活动中是十分显著的。
所有具有任意复杂程度的机械设计均涉及三个要素：经验要素、理性要素和实验要素。
其中实验要素则以测量为基础——亦即基于对被开发的装置或过程的操作和性能方面的不同量的测量。
莫尔条纹现象与应用
莫尔条纹现象与应用一、莫尔条纹现象的定义与原因莫尔条纹是一种由于光的干涉引起的光学现象，被广泛应用于光学研究、材料分析和光学仪器中。
它是由于入射光波与被测物体表面反射光波叠加产生的干涉效应所形成的明暗交替的条纹图案。
莫尔条纹的形成原理是基于反射光的相位差引起的干涉现象。
当光波从一个介质（如空气）射入到另一个介质（如透明薄膜或材料表面）时，由于介质密度的差异，光波会发生折射或反射。
当入射光与反射光经过叠加形成干涉时，会在观察者的视野中出现明暗相间的条纹图案，即莫尔条纹。
二、莫尔条纹的应用1. 表面形貌分析：莫尔条纹可用于表面形貌的分析和测量。
通过观察莫尔条纹的形态和变化，可以推断出被测表面的形状、平整度和微小的凹凸等。
这在材料科学和工程中具有重要的应用，如材料加工的质量检测和表面光学元件的制备等。
2. 光学材料的研究：莫尔条纹经常被用于研究光学材料的厚度和折射率等性质。
通过测量莫尔条纹的间距或变化，可以计算出材料的厚度或折射率，并用于材料的性能评估和选择。
3. 光学仪器的检测与校准：莫尔条纹可以用作光学仪器（如干涉仪、显微镜等）的检测与校准工具。
通过观察莫尔条纹的形态和亮度变化，可以判断光学仪器的性能是否正常，同时也可以进行仪器的校准和调整。
4. 光学薄膜的制备与分析：莫尔条纹在光学薄膜制备中具有重要的应用。
通过观察和分析莫尔条纹的特征，可以评估和优化光学薄膜的制备过程，以达到所需的光学性能，如抗反射、滤波和分光等。
总结：莫尔条纹现象是由光的干涉引起的光学现象，其应用广泛涵盖表面形貌分析、光学材料研究、光学仪器的检测与校准以及光学薄膜的制备与分析等领域。
莫尔条纹的形态和变化为我们提供了了解和探究材料和光学现象的重要工具，对推动光学科学与技术的发展具有重要作用。
莫尔条纹原理及应用
光学设计实验莫尔条纹原理及应用学生姓名：指导教师：所在学院：物理学院所学专业：物理学中国·长春2014 年6 月一、中文摘要目前，以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速，光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级，测量精度已达 0.1um，已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。
它的应用非常广泛，几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。
本文首先详细阐述了莫尔条纹的形成机理，当计量光栅为粗光栅时，莫尔条纹形成机理用遮光阴影原理解释，当计量光栅为细光栅时，则用衍射干涉原理解释。
然后系统介绍了基于莫尔条纹技术的光电测量仪器的设计原理，它由光栅读数头和对莫尔条纹信号进行处理的电子学部分组成，光栅读数头包括光栅副，光电接收元件，由光源和准直镜组成的照明系统，以及必要的光阑、接收狭缝、调整机构等。
最后提出了基于光栅莫尔条纹干涉计量技术的一种新的应用，即把光栅线性位移传感器应用在数字读数显微镜上，数字读数显微镜包括光学系统、控制与显示系统、CCD 摄像机与显示器四部分，其中，控制与显示系统是设计的核心模块，是基于 FPGA 技术实现的，它包括倍频鉴相模块、可逆计数模块、显示控制和显示接口模块。
经过大量的理论研究和实践测试工作，我们已经把光栅莫尔条纹技术成功地应用在数字读数显微镜上，实现了对被测物体线性位移的精密测量，测量分辨率达到 0.5um，测量精度达到±1um。
设计中用 CCD 摄像头代替目镜可以避免传统的肉眼观察的不便。
关键词：莫尔条纹，光栅读数头，FPGA，数字读数显微镜二、英文摘要At the present time, grating linear movement sensor based on grating Moiré fringe interferometry technology has developed rapidly.Grating movement measurement system has reached the nanometer level resolution, measuring accuracy than 0.1um.It is widely used, almost penetrated into the social sciences in various fields, such as the machine tool industry,test measurement,aerospace navigation,national defense,education and scientific research in all industry sectors.This paper first described in detail the formation mechanism of Moire fringe,when the measurement grating for coarse grating, the moire fringe formation mechanism of the shadow of the principle of using sunscreen to explain, when the measurement grating for fine grating, then explained by diffraction interference principle. And then systematically introduced the principle of design of grating linear movement sensor based on Grating Moire fringe technology, grating linear movement sensor is composed of grating reading-head and Moire fringe signal processing electronics components.Grating reading-head include Grating pair, the lighting system composed of light source, collimation mirror, the essential diaphragm, received slot and adjusted organization, etc. Finally, a new kind of application based on the Moire fringe interferometry technology is proposed, which apply the grating linear movement sensor to the digital reading microscope. The digital reading microscope includes optical system, control and display system,CCD camera and display four parts, among them, it is the key module that is designed to control with the display system, which is based on FPGA technology and mainly concludes four fold-frequency and direction-judgment module，reversible counter module,displaying control module and displaying interface module.After a lot of theoretical research and practical testing,we have already applied grating Moire fringe technology to the digital reading microscope successfully,which has made the accurate measurement of linear displacement of the testee become true, and the measured resolution has reached 0.5um, the measurement accuracy has reached ± 1um. CCD camera instead of eyepiece can avoid the inconvenience of traditional visual observation.Keywords: Moire Fringe, Grating Reading Head, FPGA, Digital Reading Microscope三、正文1、问题提出光栅莫尔条纹技术是一门既古老又现代的测量技术。
激光衍射测量技术
1980年代
随着计算机技术的发展，激光 衍射测量技术逐渐成熟，并广
泛应用于各个领域。
1990年代至今
激光衍射测量技术不断创新和 完善，成为一种高精度、高效
率的测量技术。
激光衍射测量技术的应用领域
微纳测量
用于测量微小尺寸和纳 米级结构，如微电子器
件、纳米材料等。
生物医学
用于测量生物细胞、蛋 白质等生物分子的结构
光电探测器接收衍射光信号，并将其转换为电信号，信号处理和控制系统对电信号 进行分析和处理，最终得到测量结果。
03
激光衍射测量技术
的实验方法
实验前的准备
选择合适的测量仪器
确定测量参数
根据实验需求选择合适的激光器、光路系 统、探测器等设备，确保测量精度和稳定 性。
根据被测物体特性，确定合适的测量距离 、角度、波长等参数，确保测量结果的准 确性。
激光衍射测量技术
目录
CONTENTS
• 激光衍射测量技术概述 • 激光衍射测量技术的基本原理 • 激光衍射测量技术的实验方法 • 激光衍射测量技术的应用实例 • 激光衍射测量技术的优缺点
01
激光衍射测量技术
概述
定义与原理
定义
激光衍射测量技术是一种利用激光束 的衍射效应进行测量和检测的技术。
原理
快速测量
激光衍射测量技术具有快速测量的特点，能够实现快速、实时的测量， 提高了测量效率。
高分辨率
激光衍射测量技术具有高分辨率的成像能力，能够清晰地呈现出被测 物体的细节和结构。
缺点
对环境要求高
激光衍射测量技术对环境条件 要求较高，需要在恒温、恒湿 、无尘的环境中进行测量，以 确保测量结果的准确性和稳定 性。
光电测试技术激光衍射测试技术资料重点
▪ 测➢量实分际辨测力量—中能还分包辨括的环最境小因量素值的：影响，衍射测量可达
到的不确定度一般在0.5μm左右。db b2
▪ 测量合成标准不确定度
dxk kL
2
2
2
uc (b)
kL xk
u
k
xk
uL
kL
xk2
uxk
▪ 测量量程一般为0.01~0.5mm。
§4-1 激光衍射测试技术基础
4.1.2 圆孔衍射 ▪ 当平面波照射到圆孔时，其远场夫琅和费衍射像是中心
光电测试技术 第四章 激光衍射测试技术
引言
▪ 光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向， 绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观 察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。 使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或 位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。
▪ 激光出现后，由于它具有高亮度、相干性好等优点，使光 的衍射现象在测试技术中得到了实质性应用。
b k1L zxk1
xk1 2L
k2L zxk2
xk21
2L
L
1
A
b
θ1
A1
θ2
A’1
3
z
2
分离间隙法原理图
P1
xk1 xk2 P2
§4-2 激光衍射测试方法
4.2.4 艾里斑测量法
▪ 艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行 微小孔径的测量。
§4-2 激光衍射测试方法
4.2.1 间隙测量法 ▪ 间隙测量法是基于单缝衍射原理。
激光
参考边 激光
b
参考物
激光
b
参考边 b
莫尔条纹测试技术
➢ 但是在考虑同一组中各衍射光束干涉相加的一般情况下， 莫尔条纹的光强分布不再是简单的余弦函数。通常，在其 基本周期的最大值和最小值之间出现次最大值和次最小值。 即在其主条纹之间出现次条纹、伴线。
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莫尔形貌（等高线）测试技术
• 莫尔形貌（等高线）测试是莫尔技术最重要 的应用领域之一。表面轮廓的莫尔测定法是 通过一块基准光栅来检测轮廓面上的影栅或 像栅，并依据莫尔图案分布规律推算出轮廓 形状的全场测量方法。
①几何光学原理 • 如果所用的光源为 Nhomakorabea相干光源，光栅为节距
较2020大/6/30的黑白光栅，光栅付栅线面之间间隙较13
莫尔条纹技术基础
• ①几何光学原理
N′= 4 3 2
1
0
N=0
N=1
a) 节距不同
N= -1
N=0
N=1
b) 栅线方向不同
两粗线光栅重叠形成莫尔条纹的原理
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莫尔条纹技术基础
如图示
G1
(-1,0)
(0,-1)
(0,0)
-1
(1,-1)
0
(0,1) (1,0)
(1,1)
1
(1,2)
G2 双光栅的衍射级
• 2）衍射光的干涉
• 光栅付衍射光有多个方向，每个 方向又有多个光束，它们之间相
互干涉形成的条纹很复杂，行成
不了清晰的莫尔条纹，可以在光
栅付后面加透镜L，在透镜的焦点
处用一光阑只让一个方向的衍射
– 当使用细节距光栅时，在普通照明条件下就很容易观察到 彩色衍射条纹。两块细节距光栅叠合形成的莫尔条纹中，
往往会出现暗弱的次级条纹，这些现象必须应用衍射原理 才能解释。
莫尔技术
图 4-3 径向圆光栅产生的莫尔条纹
(4-13)
《近代光学测试技术》讲义 x2 + y2 − 2e y − e2 = 0 tg ( Kδ )
(4-14)
可见，莫尔条纹是由一族圆心位于光栅副圆心连线的垂直方 向上的圆组成，横向或纵向莫尔条纹的的方向与偏心方向平 行，且横向莫尔条纹的宽度可由下式表示： 2e w横 = y k − y k +1 = (4-15) k (k + 1)δ 2） 、切向光栅 切向光栅刻线的延长线都相切于半径为 r 的一个小基圆， 该基圆的中心即为圆光栅的中心，如图 4-4 所示。设两反向 相切圆光栅的基圆中心相距 2e， 切向光栅刻线方程可以写为：
三、 扫描莫尔法
无论是阴影莫尔法，还是投影莫尔法，单从莫尔等高线 无法判断被测表面的凸凹。这就增加了测量的不确定性。为 了使莫尔法能进行三维面形的自动测量，必须解决凸凹判断 问题。 方法一：使光栅离开物体，如果条纹向内收缩，且条纹 数减小，表明此处物表面是凸的，反之则是凹的。 方法二：对于阴影莫尔法，可以通过移动光源来判断： 如果光源移离接收器（d 增加） ，条纹向外扩张，且条纹数增 加，则是凸的，反之是凹的。 在投影莫尔法中，让一块基准光栅 G1 或 G2 沿垂直于栅 线方向作微小移动，根据莫尔条纹同步移动的方向，可以确 定表面的凸凹。 如果类似于投影莫尔法，但在成像系统中不是用第二块 基准光栅光栅去观察，而是像电视扫描一样用电子扫描的方 法形成观察的基准光栅，则这种方法就称为扫描莫尔法。 实际上，代替第二块基准光栅的扫描线可以通过计算机图像 处理系统加入。这就意味着只要用图像系统获取一幅变形光 栅像，就可以通过计算机产生光栅的方法产生莫尔条纹。由 于计算机产生光栅的周期和光栅的移动都很容易改变， 所以， 扫描莫尔法可以实现三维表面的自动测量。
莫尔条纹测试技术 ppt课件
行修正。
• 由图示
• 因此
获得莫尔条 纹图后，应 根据该式进 行坐标修正
x'x d x'
h
l
x
x'
h l
(d
x'
)
y
y'
h l
(d
y')
O
BC
F
αβ
D(x’,y’) P
X
h
E(x,y)
照射型莫尔法几何原理图
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莫尔形貌（等高线）测试技术
• ②投影型莫尔法
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莫尔形貌（等高线）测试技术
• ③莫尔条纹级次与凹凸判断
• 实际测量时条纹的绝对级数不易确定，只能定出条纹的相 对级数。
• 判定凹凸的方法是:
• 当使光栅离开物体时，如果条纹向内收缩，表明该处表面是凸的 ，反之是凹的；
• 照射型中还可通过移动光源来确定凹凸问题，如果光源同接受器 之间的距离d增加，条纹向外扩张，且条纹数增加，则是凸的。
ppt课件
5
莫尔条纹技术简介
• 引言：
• 一般来说，任何两组（或多组）有一定排列规律的几何线 族的叠合，均能产生按新规律分布的莫尔条纹图案。
• 1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手 段，根据条纹形态来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性， 从而开创了莫尔测试技术。随着光刻技术和光电子技术水 平的提高，莫尔技术获得较快发展，在位移测试、数字控 制、伺服跟踪、运动比较等方面有广泛的应用。
L1 G1 C1 S
• 照射型莫尔法虽然具有测定装置简
ob
L2 G2 C2
2光衍射技术
第一级暗环的位置：
asinθ=0.61λ a为圆孔的半径
夫琅和费园孔衍射图样， 中心是一个很亮的园盘， 为衍射中央极大，称为爱 里斑。
爱里斑的半角宽度
为： 0.61
a
瑞利判据
最小分辩角： 1.22
D 分辨率： R 1 D
1.22
光栅衍射
I
P
I
0
sin
2
sin N sin /
可得，光强与尺寸w的关系是非线性的，正比于sin2(uw)。 因此，要得到测量的线性关系，实施方案中必须对测量结 果进行校准。
一个探测器测量缺点： 光功率不稳定、被测物体有横向位移，对测量结果有很
大影响。 两点探测差值信号能够改善。
I
w
| 常数
＝
I u2
sin 2
uw
I u 2 w2
sin 2
何谓间隙计量法？
间隙计量法主要适合于三种用途
•作尺寸的比较测量 •作工件形状的轮廓测量 •作应变的传感器使用
激光
参考边 w
激光
参考物 w
激光
参考边 w
工件
工件
P
间隙法作比较测量： 先用标准工件相对参考边的间隙作为零点 然后放上工件，测定间隙的变化量而推算工件尺寸。
间隙法作轮廓测量： 同时转动参考物和工件，由间隙变化得到工件轮廓相对于 标准轮廓的偏差。
近代光学测试技术
第二讲 光衍射技术
课程主要内容
• 第一章 光干涉技术 • 第二章 光衍射技术 • 第三章 莫尔条纹技术 • 第四章 光纤传感技术（电信号的获取、
调制及处理方法） • 第五章 激光多普勒技术 • 第六章 光纳米传感与测量技术
本讲主要内容
第三章 激光衍射测量技术
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当颗粒尺寸较大（至少大于 2 倍波长）， 并且只考虑小角 散射 （散射角小于 5°）时，散射光场也可用较简单的夫琅 禾费衍射理论近似描述。
由发射、接收和测量窗口等三部分组成
发射部分由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单
色的平行光作为照明光；接收器是仪器光学结构的关键；测量窗 口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便 仪器获得样品的粒度信息。
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
问题：组成狭缝的两棱边不在同一平面内
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
P1出现暗条纹的条件：
A 1 'A 1 P A 1 P A 1 'P 1 A 1 P A 1 'A 1 P A 1 'P 1
bk1Lzxk1 k2Lzxk2
xk1 2L xk2 2L
当k1=k2时
bxk1 zxk21 bxk2 zxk22 L 2L2 L 2L2
xk1 b
zxk1 2L
xk2
b
zxk2 2L
故有 xk2 xk1,所以狭缝的两在 个同 棱一 边平 不面上纹 ，会使
中心亮条纹两图 边样 的出 衍现 射不对 ;在称 接现 收象 屏棱边
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✓ 单缝衍射测量
a. 单缝衍射测量原理
2
衍射强度分布为:
I
I0
sin2 2
式中
b
sin
,
是衍射角,
I
0
是衍射角 0 时的衍射
强度。
由上可知: 1.衍射条纹平行于被测狭缝。
2.当 0 , , 2 , n 时，衍射为暗条纹。
3
b. 测量微小尺寸原理 第K级暗条纹
sin
圆孔衍射的相对光强曲线
d 1.22 fa15夫琅和费圆孔（或圆屏）衍射决定了决定了望远 镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能力。
圆孔衍射图样
光学仪器的分辨率
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✓ 光栅衍射测量
具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射 率）的衍射屏统称为光栅。光栅刻线也称为栅线，栅 线间的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。
光栅光谱仪装置图 光栅型波分复用器的结构示意图
计量光栅：光栅刻线较粗，工作原理是莫尔条纹现 象，主要用于位移的精密测量和控制。
18
19
4.2 莫尔条纹测试技术
1、莫尔条纹起源
2、1874年，英国物理学家瑞利首次将莫尔条 纹作为一种计量测试手段，开创了莫尔测试技 术。
3、光栅莫尔条纹法：利用计量光栅元件产生 莫尔条纹的计测方法。
光栅条纹较疏的可直接用遮光原理来解释；而 光栅条纹较密的用衍射干涉原理来解释更为恰 当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。 21
1、遮光原理： ➢ 几何法
a d1 b d2 cw2S
c2 a2b22a bc os
w
d1d 2
d12
d
2 2
2d1d 2
cos
--莫尔条纹宽度公式
一d 般 1d2d
w
d
250
11
2. 测量精度：
假设测量 , f和 x k 的测量误差分别为d、 df、 dx k
狭缝b的测量误差为：
db ±
kf (
xk
d
)2
k
( xk
df
)2
kf
(
x
2 k
dxk
)2
d/106 L 1m 0,0 m 0 .6 0m 3 ,k 3 ,x k 1 m 0m dL0.1%
dxk 0.1%
图 4-7 插 入 介 质 后 分 离 间 隙 衍 射 测 量 原 理
9
➢ 互补测量法 基于巴俾涅原理
k
d
xk2f'2
xk2f'2
xk
s
光波照射两个互补 屏（一个衍射屏的 开孔部分正好与另 一个衍射屏的不透 明部分对应，反之 亦然。），所产生 的衍射图样的形状 和光强完全相同， 仅相位差为。
S为暗条纹间距；xk为k级暗条
db0.3m
考虑到环境干扰的影响, db0.5m
12
3. 测量范围：
kf
b2
250
▪ 这意味着db的变化量可放大250倍。但随着b的增 大，放大倍数将急剧地减小。f 的增大将受到仪器尺 寸的限制。所以衍射测量的高测量精度只有在测量微 小尺寸时才能够得到保证。这就决定了衍射测量的测 量范围很小。
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2 s in(
)
2
22
两块光栅的交角很小： w d
以莫尔条纹对于Y轴的夹角表示其方位：
asin w
asin d2
sinwsin
d1sin
d2
d1 2d2 22d1d2cos
)
k2
sin 1xLk1 ,sin 2
xk2 L
bk1Lzxk1 k2Lzxk2
xk1 2L xk2 2L
8
L
'1 E
F
D
d
b
P1
1L b k1 x z(2 z( Ld )zx)k 2 212n(dLk 2x 1z)2k1
A
B
C
z
P2
2L b k2 x z(2 z( L d )zx )k 2 2 22n(d L k 22 xz)2k2
4、可测量角度、长度、振动等。
5、在自动跟踪、轨迹控制、变形测试、三维 物体表面轮廓测量等方面有广阔的应用。 20
✓ 莫尔条纹的形成
1、遮光原理：一块光栅的不透光线纹对另一 光栅缝隙的遮挡作用。
2、衍射干涉原理：衍射波之间的干涉结果
3、傅里叶变换原理：光栅副透射光场分解为 不同空间频率的离散分量，莫尔条纹由低于光 栅频率的空间频率项所组成。
▪ 如果狭缝宽度太小(例如 b=1 m), 光学透镜成 象的近轴条件得不到满足，所以b不能太小。 当b 的范围为:
0.0m 1m b0.5m m
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✓ 圆孔衍射测量
衍射屏
L
观察屏
1
中央亮斑 (爱里斑)
I / I0 1
圆孔半径a
焦距f
圆孔衍射装置示意图
衍射强度分布为：
I
I0
2J1(
)2
0
1.22(/D)
bb ' bkfkfk(f11)
xk' xk
xk' xk
x k x k 分别是第k个暗条纹在缝宽变化前和变化后距
中央零级条纹中心的距离
b b ' b s k ' i n s k i n (k ' k )s i n N s in
条纹的变化数目N
5
间隙测量法的应用：可用于测定各种物理量的变化， 如应变、压力、温度、流量、加速度等。
纹位置
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d. 单缝衍射测量的技术特性
1. 灵敏度：
xk
kf
b
dx k kb2 fdbdb
1
db dxk
b值越小，波长越大，级次 k越大，值越大。
假设: 那么:
f 1000 mm b 0 .1 mm k4
0 .63 m
250
如果x k 的测量分辨率是
dxk 0.1mm
db 1 0.1mm 0.4m
b
sin
k
sintan xk
b sin k
L
x k ：零级条纹中心到第K暗条纹的距离，L：衍射 屛到狭缝的距离。
bxk kL L
或 bkL
xk
只要能精确地测出第K级暗条纹的 x k ，就能计算 出狭缝宽度b。
4
c. 单缝衍射测量方法与应用
➢ 间隙测量法
当狭缝的尺寸微小变化b 时，第K级暗条纹的位置将移动
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➢ 分离间隙测量法 参考物和试件不在同一平面内
7
在P1处出现暗条纹的条件
A 1'A 1P 1A1 P A 1'P 1A1 P (A 1'A 1P 1A 1'P 1)
bsi1 n (zzc o 1) sk 1
b
sin1
2z
sin2
(1
2
)
k1
在P2处出现暗条纹的条件
b
sin
2
2z
sin2
(
2
2
光栅分类： 粗光栅（光栅常数d远大于照明光波长）和细光栅
（d接近或稍大于照明光波长）；透射光栅和反射光栅 ；平面光栅和凹面光栅；黑白光栅和正弦光栅；一维 光栅、二维光栅和三维光栅；直线光栅和圆光栅；物 理光栅和计量光栅等。
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物理光栅：光栅刻线细密，工作原理是建立在衍射分 光现象基础上，主要用途为光谱分析、波长测定，广 泛应用于光谱仪和光通信中。