激光衍射测量技术优秀课件

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
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
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
激光衍射测量技术
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本章的主要内容Biblioteka Baidu
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
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
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
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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
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
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
光源—障碍物—接收屏距离为无
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、单缝测量原理
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
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
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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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
• 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
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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
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