激光衍射测量技术优秀课件
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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
激光干涉衍射测量
I 1′ I 2′ I 3′ I 4′
分光棱镜
平板分光器
n1
n2
分光棱镜
偏振分光器
15
n0 >ne e e
o
渥拉斯顿棱镜
双折射偏振分光棱镜
洛匈棱镜
16
干涉仪的分光器件和反射器件
干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图a）、直 角棱镜反射器（图b）、猫眼反射器（图c）
17
Hale Waihona Puke 干涉仪的典型光路布局和移相器6.1 激光干涉测量 6.2 激光衍射测量
1
补充知识：迈克尔逊干涉仪
• 迈克尔孙干涉仪原理图( i1= 0，光垂直入射)
M1
M2/
P
G1
G2
S
L1 L2 F A
M2
2
迈克尔孙干涉仪原理图(
M1 M2/
i1≠ 0)
G1（分光板）
G2（补偿板）
L1 S
M2
L2
A
F
3
4
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的， 这样，发生干涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄 膜反射形成的。
B2 S2
D2
考伦凯维奇型激光干涉仪的光路系统
S—氦氖激光器； T—准直透镜； C1—反射棱镜； R1、R2—转向棱镜； C2—角锥棱镜； S1、S2—光栏； B1、B2—分光镜； D1、D2—光电接收器；
24
JG-Ⅱ型激光干涉仪的光路系统
M1
M2
J
PBS C1 C2
T
S1 D1
M3
B1 M4
B2
激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路 布局
分光棱镜
平板分光器
n1
n2
分光棱镜
偏振分光器
15
n0 >ne e e
o
渥拉斯顿棱镜
双折射偏振分光棱镜
洛匈棱镜
16
干涉仪的分光器件和反射器件
干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图a）、直 角棱镜反射器（图b）、猫眼反射器（图c）
17
Hale Waihona Puke 干涉仪的典型光路布局和移相器6.1 激光干涉测量 6.2 激光衍射测量
1
补充知识：迈克尔逊干涉仪
• 迈克尔孙干涉仪原理图( i1= 0，光垂直入射)
M1
M2/
P
G1
G2
S
L1 L2 F A
M2
2
迈克尔孙干涉仪原理图(
M1 M2/
i1≠ 0)
G1（分光板）
G2（补偿板）
L1 S
M2
L2
A
F
3
4
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的， 这样，发生干涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄 膜反射形成的。
B2 S2
D2
考伦凯维奇型激光干涉仪的光路系统
S—氦氖激光器； T—准直透镜； C1—反射棱镜； R1、R2—转向棱镜； C2—角锥棱镜； S1、S2—光栏； B1、B2—分光镜； D1、D2—光电接收器；
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JG-Ⅱ型激光干涉仪的光路系统
M1
M2
J
PBS C1 C2
T
S1 D1
M3
B1 M4
B2
激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路 布局
激光测量技术-总结ppt课件
18
18
第四章 激光准直及多自由度测量
第一节 准直测量原理 1）振幅/光强测量法:a．菲涅耳波带片法b. 位相板法c. 双光
I
I
0(
sin2 2
)
b sin
I 0 0lightstrength
b
k sin
b
kL Xk
三、圆孔衍射测量 Airy斑
d
1.22 f a
测控教研室
16
16
第二节 激光衍射测量方法
常用的测量方法主要有：
1、间隙测量法 2、反射衍射测量法 3、分离间隙法 4、互补测屏法 5、爱里斑测量法 6、衍射频谱检测法
二、激光的高亮度 三、激光的单色性
线宽的定义是什么? 影响因素有哪些? 介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方
式 工作的状态 四、激光的时间相干性和空间相干性
什么是时间相干性和空间相干性 相干长度 Lc=C Δt
tcΔυ=1 横向相干长度
测控教研室
4
4
第三节 激光的基本物理性质
五、激光的纵模与横模物理性质
每一个谐振频率的振荡,成为一个模式 沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模或者纵模 如何形成单模激光? 横模
TEMmnq
对称 轴向 旋转
m X向暗条纹数 圆周向暗条纹数
测控教研室
n Y向暗条纹数 径向暗条纹数
q 纵模数 纵模数
5
5
第四节 高斯光束
一、高斯光束的表达式
束腰的定义
E(x ,y ,z)
测控教研室
12
12
第五节 激光散斑干涉测量技术
什么散斑？ 散斑产生的条件：
1）粗糙表面， h>λ产生均匀散斑 2）必须有高相干光
激光衍射小直径的CCD测量(1)
,
∗+
,
− 5 ., + −
/
/0
引言
衍射 测量 是 一 种 间接 测 量 衍射 图 像来 获取 微 小 物 体参量的测量技 术 它可 以 达 到 很高 的精度
,
,
。
我 们在 工
作 中曾遇 到 用 户 提 出 对 小 直 径 细 丝 进行 直 径 在 线 测 量 的 要求 &如 纤 维 细 丝 在 拉制 过 程 中 直 径 的 控 制 ) 按
由
#
测
与 检修
, ,
・
!!∀
年第
Β
∀
卷第
)
,
#
期
于 此 时 细 丝 的 直 径是 经 过 校 准 的 所 以 以 此 为标 准 对
标准细丝的测量不确定度
2 ,
2
一∋ # 拌 & Ρ + ς
其标 准
细 丝 到 ∃ ∃ % 的距 离
,
−
再 进行 一 次精 确 地 校 正 得 出 准
,
。
,
不 确定 度
・
级 暗条 纹 到 中央 亮
, 条 纹 的 距离 8 为透 镜 的 焦 距 Ι 为
条 纹间距
。
由 &Τ ) 式 可 知 只 要 测 出
,
Ξ
,
,
就
,
图
#
系统 硬 件框 图
可计 算 出 单 缝 的 宽 度
,
=
,
但此 种 方 所 以 省略透镜 同 时将 距 离 −
, ,
法 受 焦 距 8 的 限 制 8 小时条 纹 较 密 测量 较 困 难 Ι 8 大
。
#
光的衍射和偏振激光课件
3. 观察光屏上的衍射现象，记录明暗相间的条纹。同时 ，通过偏振片观察激光的偏振现象，记录光线的变化。
THANKS
感谢观看
衍射原理
当激光通过一个小缝或障碍物时，会以类似水波的方式绕过障碍物 ，形成衍射现象。
衍射实验
通过实验可以观察到激光的衍射现象，如圆环、明暗相间的条纹等 。
激光在光学中的应用
光学通信
利用激光的方向性和单色性，可以进行远距离的光纤通信，传输 大量信息。
光学测量
利用激光的衍射现象，可以进行微小物体的测量和定位。
的变化规律。
03
激光的衍射
激光的特性
方向性
激光具有很强的方向性，光束的发散角很小，能 够以很窄的光束传播。
单色性
激光的波长很窄，具有很高的单色性，有利于进 行精确的测量和实验。
高亮度
激光的亮度比普通光源要高得多，可以在很远的 距离上产生显著的影响。
激光的衍射现象
光的波动性
激光也具有光的波动性，可以发生衍射现象。
偏振光
光波电矢量在垂直于传播 方向的平面上，其振动的 方向是单一的，或相互垂 直的。
偏振原理的应用
光学仪器、光学元件的制 造和光学测量。
偏振的应用
液晶显示
利用液晶的电光效应，通过改变 液晶分子的排列方向来改变光的 偏振状态，从而实现图像显示。
光学纤维
利用光的偏振效应进行信息传输， 具有传输容量大、抗干扰能力强等 优点。
06
教学实验设计
光的衍射实验
实验目标：通过实验观察光的衍射现象，了解光的波动特 性。
实验原理：当光通过窄缝或绕过障碍物时，会产生衍射现 象，形成明暗相间的条纹。
实验步骤
1. 准备实验器材：单缝、双缝、凸透镜、光屏等。
THANKS
感谢观看
衍射原理
当激光通过一个小缝或障碍物时，会以类似水波的方式绕过障碍物 ，形成衍射现象。
衍射实验
通过实验可以观察到激光的衍射现象，如圆环、明暗相间的条纹等 。
激光在光学中的应用
光学通信
利用激光的方向性和单色性，可以进行远距离的光纤通信，传输 大量信息。
光学测量
利用激光的衍射现象，可以进行微小物体的测量和定位。
的变化规律。
03
激光的衍射
激光的特性
方向性
激光具有很强的方向性，光束的发散角很小，能 够以很窄的光束传播。
单色性
激光的波长很窄，具有很高的单色性，有利于进 行精确的测量和实验。
高亮度
激光的亮度比普通光源要高得多，可以在很远的 距离上产生显著的影响。
激光的衍射现象
光的波动性
激光也具有光的波动性，可以发生衍射现象。
偏振光
光波电矢量在垂直于传播 方向的平面上，其振动的 方向是单一的，或相互垂 直的。
偏振原理的应用
光学仪器、光学元件的制 造和光学测量。
偏振的应用
液晶显示
利用液晶的电光效应，通过改变 液晶分子的排列方向来改变光的 偏振状态，从而实现图像显示。
光学纤维
利用光的偏振效应进行信息传输， 具有传输容量大、抗干扰能力强等 优点。
06
教学实验设计
光的衍射实验
实验目标：通过实验观察光的衍射现象，了解光的波动特 性。
实验原理：当光通过窄缝或绕过障碍物时，会产生衍射现 象，形成明暗相间的条纹。
实验步骤
1. 准备实验器材：单缝、双缝、凸透镜、光屏等。
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。
缝宽或间隙的衍射测量课件
01
02
03
04
05
光学仪器设计：衍射测 量为光学仪器的设计提 供了基础理论，如显微 镜、望远镜等。
材料科学研究：通过衍 射测量可以分析材料的 晶体结构、缺陷等信息。
生物医学应用：X射线衍 射测量在生物医学领域 用于研究生物大分子结 构、骨骼结构等。
环境监测与保护：衍射 测量可用于大气污染物 浓度的测量，为环境保 护提供数据支持。
衍射测量的基本原理
惠更斯－菲涅尔原理
描述波前上每一点都可看作是发射子波的波源，这些子波在波前 前进方向上的包络线就是新的波前。
基尔霍夫衍射公式
基于惠更斯－菲涅尔原理，将衍射现象用数学公式进行定量描述。
衍射图样分析
通过测量和分析衍射图样，可以得到障碍物或狭缝的尺寸、形状等 信息。
衍射测量的应用和意义
单缝衍射测量
实验步骤 1. 打开单色光源，并通过透镜系统使其形成平行光。
2. 将单缝置于平行光路径中，并调整位置使光垂直入射到缝上。
单缝衍射测量
3. 在缝后的屏幕上观察并记录衍射光强分布。 4. 通过衍射公式计算缝宽。
注意事 项
单缝衍射测量
01
需要消除光源的不稳定性和杂散 光的干扰。
02
缝的宽度应远小于光的波长，以 保证衍射效应显著。
双缝衍射测量
• 原理：双缝衍射是当两束相干光波通过两个小缝后产生的干涉和衍射现象。除了每个缝单独的衍射效应外，两束光波还会 在屏幕上产生干涉条纹。
双缝衍射测量
实验步骤 1. 打开单色光源，并通过透镜系统使其形成平行光。
2. 将双缝置于平行光路径中，并调整位置使光垂直入射到缝上。
双缝衍射测量
3. 在缝后的屏幕上观察并记录干涉 和衍射光强分布。
激光干涉衍射测量65页PPT
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
【第4章 激光干涉与衍射测试技术】第1次课
假设用人眼来识别条纹一般人眼的分辨能力为033mm当n151476328nm时容易算出43fizeau激光斐索型平面干涉测量激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度激光斐索型平面干涉仪测量平板玻璃平行度的标准不确定度约为43fizeau斐索型球面干涉仪激光斐索型球面干涉仪基本原理激光器激光器标准物镜组标准物镜组标准参考面标准参考面位置位置位置位置ccdccd相机相机图图441717激光斐索型球面干涉仪光路图激光斐索型球面干涉仪光路图cccc00oocccc00位置位置位置位置注意
4-1 激光干涉测试技术概述
特点： 具有更高的测试灵敏度和准确度；
绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件 带来表面损伤和附加误差；
较大的量程范围； 抗干扰能力强； 操作方便；
在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广 泛应用。
4-1 激光干涉测试技术概述
分类：
1
I max (1 n m 2 n ) I 1 I min (1 n m 2 n ) I 1
于是
2 n K 1 n m
4-2 激光干涉原理与条件
比较式
K
2 n n 1
影响干涉条纹对比度的因素 可见，在两支光强比n较 ③相干光束光强不等和杂散光的影响 小时，杂散光对条纹对比 度的影响远比两支干涉光 当n = 1时，有 2 的光强不相等的影响要严 K 2m 重得多。
4-2 激光干涉原理与条件
可见，没有必要追求两支 影响干涉条纹对比度的因素 相干光束的光强严格相等。 ③相干光束光强不等和杂散光的影响 尤其在其中一支光束光强 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 2 n K 是有害的。因为这会导致 n 不适当地降低干涉图样的 1 照度，从而提升了人眼的 图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系 对比度灵敏阈值，不利于 非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 目视观测。 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I ' m I ，则
4-1 激光干涉测试技术概述
特点： 具有更高的测试灵敏度和准确度；
绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件 带来表面损伤和附加误差；
较大的量程范围； 抗干扰能力强； 操作方便；
在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广 泛应用。
4-1 激光干涉测试技术概述
分类：
1
I max (1 n m 2 n ) I 1 I min (1 n m 2 n ) I 1
于是
2 n K 1 n m
4-2 激光干涉原理与条件
比较式
K
2 n n 1
影响干涉条纹对比度的因素 可见，在两支光强比n较 ③相干光束光强不等和杂散光的影响 小时，杂散光对条纹对比 度的影响远比两支干涉光 当n = 1时，有 2 的光强不相等的影响要严 K 2m 重得多。
4-2 激光干涉原理与条件
可见，没有必要追求两支 影响干涉条纹对比度的因素 相干光束的光强严格相等。 ③相干光束光强不等和杂散光的影响 尤其在其中一支光束光强 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 2 n K 是有害的。因为这会导致 n 不适当地降低干涉图样的 1 照度，从而提升了人眼的 图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系 对比度灵敏阈值，不利于 非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 目视观测。 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 I ' m I ，则
第3章 -激光衍射测量技术-1
互补测量法
26
2
激光衍射测量方法
艾里斑测量法 艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅禾费衍射原理。下图为用艾里 斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。
测量仪器和被测件作相对 运动，以保证每个孔顺序 通过激光束。通常不同的 喷丝头，其孔的直径约为 10~90µ m 范 围之 内 。 由 激 光器1发出的激光束，照射 到被测孔2上，通过孔以后 的衍射光束由分光镜3分成 两部分，分别照射到光电 接收器 5 和 7 上。两接收器 分别将照射在其上的衍射 图案 4 、 6 的光信号转换成 电信号送到电压比较器8。
激光多波长干涉测量：半导体激光调频干涉测距
今天主讲内容：
激光衍射测量技术
1
第3章 激光衍射测量技术
1 激光衍射测量原理
2
激光衍射测量方法
3 激光衍射测量的应用
2
1
激光衍射测量原理
概述 衍射是波在传输途中遇到障碍物而发生偏离直线传播的现象。 波的衍射也叫绕射，顾名思义，波可以绕过障碍物而在某种程 度上传播到障碍物的几何阴影区。 由于光的波长较短，只有当光通过很小的孔或者狭缝，很小的 屏或细丝时才能明显地观察到衍射现象。激光出现以后，由于 它的单色性好、相干性好、高亮度等优点，使光的衍射现象得 到了实质性的应用。 1972年加拿大国家研究所的T.R.Pryer提出了激光衍射测量方法。 这是一种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度、角度、轮 廓的一种测量方法。 具有非接触、稳定性好、自动化程度及精度高等优点，广泛应 用于国防、工业、医学等领域。
单缝衍射测量的分辨力、精度和量程 测量分辨力：指的是激光单缝衍射测量能分辨的最小量值。 得到衍射测量的灵敏度：
由衍射测量公式
第五章 激光衍射测量原理
一、单缝衍射原理：
如图（5-1）所示：
图5-1
当L（缝长）>>W（缝宽）>λ，且
R
W2
时，满足远
场夫朗和费（Fraunhofer）单缝衍射条件，其光强分布为：
Sin2 W , 式中 I I0 Sin 2 对各级暗纹： W k Sin
。
而在F´处：y p 0 y p 0 y p 0 ，即 y p 0 y p 0 y p 0
结论：除 p 0 点外，在其余各点，单缝和的同尺寸细丝的
衍射光强分布相同。因此在衍射计量中，可将单缝衍射公
式用于单丝衍射的情况。
三、讨论： （一）静态测量： 即找出W=F(Xn)的函数关系。 1、无透镜系统：（如图5-2）
即 WSin K 特点：
K 1， 2，
（1）各暗纹间隔相等，亮纹间隔不相等。
（2）主极大角宽度为相临暗纹角间隔的二倍。
二、细丝衍射原理：
巴比列定律：“两互补屏所产生的衍射图形，其衍射花样 和光强分布相同，但存在π的位相差”。 证明：考察在频谱面上的任一点P。 1、平等光通过缝宽为d的单缝衍射后，在衍射屏P点的振
7 202 .5 0.035
三、装置简单，调试方便 四、绝对量程小，大约在（0.01~0.15）mm
§5-3 几种实用的测试方法
一、尺寸的比较测量：（图5-4）
先对标准刀口间隙归零，测量间隙的变化量
图5-4
二、部件轮廊测量： 测量圆形工件表面形状和偏心。 三、面形测量（反射衍射法）： 测量光盘、磁盘面的跳动量 对图（5-5）的系统，可以导出：
当缝宽W增大1倍即为2W时，其等效缝宽增大4W。
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光源—障碍物—接收屏距离为无
限远
R
b2andL
b2
2006年3月6日星期一
一、 菲涅耳和夫琅和费衍射
夫琅和费衍射是我们衍射测量的基本原理 其常用的光路图如下：
2006年3月6日星期一
二、单缝测量理
1. 单缝衍射现象
其观察屏的光强分布：
有菲涅尔衍射原理有
Ep
c a
Eq
eikr r
K()dr
地向它后面传播的现象，称为波的 衍射现象
波: 声、光、电磁、机械波
障碍物：大小、形状对现象均有影响
现象：与波的波长、障碍物的大小、
光源/观察的位置有关
2006年3月6日星期一
第一节 激光衍射测量原理
光的波长短， 对很小的缝隙/屏才有明显的衍射现 象，激光出现后， 衍射现象才实际应用到测量 中：
1973年 Canada 国家研究所 T.R. Pryer 提出了激光 衍射测量的方法
由基尔霍夫条件知：
K()
1
cos 2i
Ep
则光强分布：
A
i
a
Eq
eikr r
1 cosdr
2
I
I0(sin22 )
bsin
I0 0lightstrength
2006年3月6日星期一
二、单缝测量原理
单缝衍射的特点：
1）中央明纹最亮、最宽，它的宽 度为其他各级明纹宽度的两倍
2）次级明纹的光强随级次的增加 而逐渐减小
3）若光程差不等于 λ/2 的整数倍， 亮度介于最明与最暗之间。
4）条纹的方向平行于缝的方向
5）暗条纹β=kπ
即
b
k sin
2006年3月6日星期一
2. 单缝测量的原理
当θ不大时则有:
sin
L2
Xk
Xk2
ifXk
L
sin
tg
Xk L
由暗条纹现的公式知:
b
k sin
b
kL Xk
2006年3月6日星期一
2006年3月6日星期一
3. 单缝测量的能力
2) 测量精度
b
kL Xk
由于一般激光频率稳定度可达10-6,可以忽略波长的影响
考虑环境因素的影响,一般测量的精度可达±0.5um
3) 测量量程 • b越小,β越大,衍射明显
dX k
kL b2
1
t
db
db
• b越小, XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显 • b越大, XK变小,条纹变密, 传感器不易放置, 灵敏度下降
c. 传感器 可以测量应力/应变，温度，压力，加速 度等
2006年3月6日星期一
1、间隙测量法
测量出某一暗条纹的位置后,利用衍射公式,计算出 变化量的多少.
b
kL Xk
也可以通过计数某一位置(衍射角度固定), 衍射条 纹数的变化条数计算
① 第一种,为绝对测量法
② 第二种为增量测量法
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d
1.22
f a
常用的测量方法主要有：
1、间隙测量法 2、反射衍射测量法 3、分离间隙法 4、互补测屏法 5、爱里斑测量法 6、衍射频谱检测法
2006年3月6日星期一
1、间隙测量法
间隙法主要运用单缝衍射原理，通过测量某 一暗条纹的距离， 通过公式，计算出被 测量的大小。
主要分： a. 尺寸比较
b. 形貌测量
• L>>b2/λ, 仪器尺寸限制, b基本确定
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测量量程
一般d的宽度取0.01mm-0.5mm
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三 、圆孔衍射测量
屏上接受光强：
J1为一阶贝塞尔函数 X为：
爱里斑：第一个暗环所包括
的区域。 常用测试仪器的分辨率
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三 、圆孔衍射测量
2 ds i n 2 ds i n ( ) k
2006年3月6日星期一
2、反射衍射测量法
将右式展开: 则有
2 ds i n 2 ds i n ( ) k
2 d( s i ns i n2c o ss i n 2 2)k
带入
sin
tg
Xk L
sin 2
Xk 2L
θ为任意值， 可
2. 单缝测量的原理
由此可以得出以下结论:
a. 测定L Xk的大小,就能计算狭缝宽度 b. 测定b Xk的大小, 就能计算L的大小
b
kL Xk
c. 如果Xk变化, L已知, 反映了狭缝的变
化,可实现在线测量 d. 由公式可知,暗条纹间距为固定值
Xk1 Xk
L b
所以通过测量条纹间距,也可以测量
衍射测量的特点： 全场， 非接触， 稳定性好，自动化程度高，精 度高
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一、 菲涅耳和夫琅和费衍射
划分：按光源、障碍物/衍射物， 观察屏三者之间的距离或位置划 分菲涅耳衍射和夫琅和费衍射
（1）菲涅耳衍射/近场衍射
光源—障碍物—接收屏距离为有
限远
R
b2orL
b2
（2）夫琅和费衍射/远场衍射
所以有:
2bX L
k
(cos
Xk 2L
sin )
k
以测量某角度下的 不同级数暗条纹的
b
kL
2X k(cos
Xk 2L
sin )
位置X，连立方程 求解
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2、反射衍射测量法
由一阶Bessel函数知，其零 点位置
分别为：3.83， 7.02， 10.17…
则Airy斑的大小有：
3.83
2a
sin
sin tg
d 2f
d
1.22
f a
Airy集中了84%的能量以上
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第二节 激光衍射测量方法
衍射测量根据夫琅和费狭缝和圆孔衍射原理进行测量：
b
kL Xk
以上各值
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3. 单缝测量的能力
1) 测量分辨力
b
kL Xk
db
kL
b2
dX k X k2 kL
t
b2 kL
Xk
kL b
反映了测量最小分辨能力, 级数越高 L越大, 波长越长, 分辨 力越高
反映了狭缝对尺寸的放大倍数, 即放大了1/t倍 Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力
1、间隙测量法
基本的间隙法测量装置:
测量应变装置:
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2、反射衍射测量法
反射衍射法是利用试件棱缘 和反射镜构成的狭缝来进 行衍射测量的。
由于平面镜作用,相当于虚线 的光源发出的光照射, 则 两端线光程差为:
2 ds i n 2 ds i n ( )
根据衍射条件知: 光程差为波长 整数倍,出现暗条纹,即
激光衍射测量技术
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本章的主要内容
主要内容: 第一节 激光衍射测量原理 第二节 激光衍射测量方法 第三节 激光衍射测量的应用
内容提示: 重点: 衍射及衍射现象在测量中的应用 学习方法: 衍射测量的思维与方法
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第一节 激光衍射测量原理
衍射/绕射:波能够绕过障碍物而弯曲
限远
R
b2andL
b2
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一、 菲涅耳和夫琅和费衍射
夫琅和费衍射是我们衍射测量的基本原理 其常用的光路图如下：
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二、单缝测量理
1. 单缝衍射现象
其观察屏的光强分布：
有菲涅尔衍射原理有
Ep
c a
Eq
eikr r
K()dr
地向它后面传播的现象，称为波的 衍射现象
波: 声、光、电磁、机械波
障碍物：大小、形状对现象均有影响
现象：与波的波长、障碍物的大小、
光源/观察的位置有关
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第一节 激光衍射测量原理
光的波长短， 对很小的缝隙/屏才有明显的衍射现 象，激光出现后， 衍射现象才实际应用到测量 中：
1973年 Canada 国家研究所 T.R. Pryer 提出了激光 衍射测量的方法
由基尔霍夫条件知：
K()
1
cos 2i
Ep
则光强分布：
A
i
a
Eq
eikr r
1 cosdr
2
I
I0(sin22 )
bsin
I0 0lightstrength
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二、单缝测量原理
单缝衍射的特点：
1）中央明纹最亮、最宽，它的宽 度为其他各级明纹宽度的两倍
2）次级明纹的光强随级次的增加 而逐渐减小
3）若光程差不等于 λ/2 的整数倍， 亮度介于最明与最暗之间。
4）条纹的方向平行于缝的方向
5）暗条纹β=kπ
即
b
k sin
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2. 单缝测量的原理
当θ不大时则有:
sin
L2
Xk
Xk2
ifXk
L
sin
tg
Xk L
由暗条纹现的公式知:
b
k sin
b
kL Xk
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3. 单缝测量的能力
2) 测量精度
b
kL Xk
由于一般激光频率稳定度可达10-6,可以忽略波长的影响
考虑环境因素的影响,一般测量的精度可达±0.5um
3) 测量量程 • b越小,β越大,衍射明显
dX k
kL b2
1
t
db
db
• b越小, XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显 • b越大, XK变小,条纹变密, 传感器不易放置, 灵敏度下降
c. 传感器 可以测量应力/应变，温度，压力，加速 度等
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1、间隙测量法
测量出某一暗条纹的位置后,利用衍射公式,计算出 变化量的多少.
b
kL Xk
也可以通过计数某一位置(衍射角度固定), 衍射条 纹数的变化条数计算
① 第一种,为绝对测量法
② 第二种为增量测量法
2006年3月6日星期一
d
1.22
f a
常用的测量方法主要有：
1、间隙测量法 2、反射衍射测量法 3、分离间隙法 4、互补测屏法 5、爱里斑测量法 6、衍射频谱检测法
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1、间隙测量法
间隙法主要运用单缝衍射原理，通过测量某 一暗条纹的距离， 通过公式，计算出被 测量的大小。
主要分： a. 尺寸比较
b. 形貌测量
• L>>b2/λ, 仪器尺寸限制, b基本确定
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测量量程
一般d的宽度取0.01mm-0.5mm
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三 、圆孔衍射测量
屏上接受光强：
J1为一阶贝塞尔函数 X为：
爱里斑：第一个暗环所包括
的区域。 常用测试仪器的分辨率
2006年3月6日星期一
三 、圆孔衍射测量
2 ds i n 2 ds i n ( ) k
2006年3月6日星期一
2、反射衍射测量法
将右式展开: 则有
2 ds i n 2 ds i n ( ) k
2 d( s i ns i n2c o ss i n 2 2)k
带入
sin
tg
Xk L
sin 2
Xk 2L
θ为任意值， 可
2. 单缝测量的原理
由此可以得出以下结论:
a. 测定L Xk的大小,就能计算狭缝宽度 b. 测定b Xk的大小, 就能计算L的大小
b
kL Xk
c. 如果Xk变化, L已知, 反映了狭缝的变
化,可实现在线测量 d. 由公式可知,暗条纹间距为固定值
Xk1 Xk
L b
所以通过测量条纹间距,也可以测量
衍射测量的特点： 全场， 非接触， 稳定性好，自动化程度高，精 度高
2006年3月6日星期一
一、 菲涅耳和夫琅和费衍射
划分：按光源、障碍物/衍射物， 观察屏三者之间的距离或位置划 分菲涅耳衍射和夫琅和费衍射
（1）菲涅耳衍射/近场衍射
光源—障碍物—接收屏距离为有
限远
R
b2orL
b2
（2）夫琅和费衍射/远场衍射
所以有:
2bX L
k
(cos
Xk 2L
sin )
k
以测量某角度下的 不同级数暗条纹的
b
kL
2X k(cos
Xk 2L
sin )
位置X，连立方程 求解
2006年3月6日星期一
2、反射衍射测量法
由一阶Bessel函数知，其零 点位置
分别为：3.83， 7.02， 10.17…
则Airy斑的大小有：
3.83
2a
sin
sin tg
d 2f
d
1.22
f a
Airy集中了84%的能量以上
2006年3月6日星期一
第二节 激光衍射测量方法
衍射测量根据夫琅和费狭缝和圆孔衍射原理进行测量：
b
kL Xk
以上各值
2006年3月6日星期一
3. 单缝测量的能力
1) 测量分辨力
b
kL Xk
db
kL
b2
dX k X k2 kL
t
b2 kL
Xk
kL b
反映了测量最小分辨能力, 级数越高 L越大, 波长越长, 分辨 力越高
反映了狭缝对尺寸的放大倍数, 即放大了1/t倍 Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力
1、间隙测量法
基本的间隙法测量装置:
测量应变装置:
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2、反射衍射测量法
反射衍射法是利用试件棱缘 和反射镜构成的狭缝来进 行衍射测量的。
由于平面镜作用,相当于虚线 的光源发出的光照射, 则 两端线光程差为:
2 ds i n 2 ds i n ( )
根据衍射条件知: 光程差为波长 整数倍,出现暗条纹,即
激光衍射测量技术
2006年3月6日星期一
本章的主要内容
主要内容: 第一节 激光衍射测量原理 第二节 激光衍射测量方法 第三节 激光衍射测量的应用
内容提示: 重点: 衍射及衍射现象在测量中的应用 学习方法: 衍射测量的思维与方法
2006年3月6日星期一
第一节 激光衍射测量原理
衍射/绕射:波能够绕过障碍物而弯曲