激光衍射测量技术资料

细丝,薄带可进行衍射测量:
互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0l—0.1mm 测量精度可达0.05μm
k
d
xk2
f '2
xk2 f '2
xk
s
5.爱里斑测量法
测量对象：直径约在10~90 μm范围之间的喷丝头
基于圆孔的夫琅和费衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗环没有十分
明显的边界，因此采用能量比较法间接测量 假设：通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量不随孔的微小变化
二、单缝衍射测量
(一) 单缝衍射测量原理
观察屏上的光强分布：
sin2 β I = I0 ( β2 )
β = πb sinθ λ
暗条纹位置 bsin k
测定任何一个暗条纹的位置就可以精确知道被测间隙的尺寸
(二) 单缝衍射测量的基本公式
由远场衍射条件有 sin xk
当θ不大时则有:
xk2 L2 sin tan xk
L
2L
b
kL
/ 2 xk
cos
xk 2L
sin
θ为任意值， 可以测量某一θ角度下的两个xk值求解
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
3.分离间隙法
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
一般d的宽度取0.01mm-0.5mm
三 、圆孔衍射测量
屏上接收光强：
IP
I
0
2J1( x
x)
2
其中： x 2a sin
爱里斑尺寸 a 1.22 f '
D
§3.2 激光衍射测量方法 1、间隙测量法
基于单缝衍射原理 应用：
1）尺寸比较测量 2）形貌测量 3）传感器
基本装置：
间隙法测量位移，有两种方法
(1) 绝对测量法 (2)增量测量法
b'b
kL xk '
kL xk
kL
1 xk '
1 xk
b'b kL k' L k'k N
sin sin
sin
sin
间隙测量法作为灵敏的光传感器可用于测定各种物理量的变
化，如应力、压力、温度、流量、加速度等
测量应变装置:
2、反射衍射测量法
利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的
2.测量精度
由仪器的随机误差理论，可得到衍射测量误差为
2
2
2
b
kL xk
kL xk
L
k L
xk2
xk
kL
xk
2
L
L
2
xk
xk
2
对于He Ne激光器， / 109，可忽略
例：取L 1000mm，b 0.1mm，k＝3, 0.63m，L和xk不超过0.1%
则b 0.3m,此时缝宽b 0.19mm，b / b 1.6103。
缝宽b越小，级数越高，L越大, 波长越长, 分辨力越高 灵敏度反映了狭缝衍射对尺寸的放大倍数, 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
例：取L 1000 mm，b 0.1mm，k＝4, 0.63m，可得t 1/ 250
如果xk的测量分辨力是0.01mm ，则衍射测量能达到的分辨力为0.04 m
P1出现暗条纹的条件：
A1' AP1 AP1 A1' P1 AP1 A1' AP1 A1' P1
bsin1 (z z cos1) k1
可得：
b
sin
1
2
z
s
in
2
1
2
k1
P2点出现暗条纹的条件：
b
sin
2
2z
sin
2
2
2
k2
由
sin 1
xk1 L
, s in 2
xk2 L
xk2
b
zxk2 2L
故有xk2 xk1 ,所以狭缝的两个棱边不在同一平面上，会使条纹
中心亮条纹两边的衍射图样出现不对称现象; 在接收屏棱边较
近的方向，条纹间距增大
应用举例:
4、互补测量法
巴俾涅原理
用平面光照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形 状和光强除光源点的几何像点之外完全相同，仅复振幅 的位相差为π。
激光测量技术
Laser Measurement Technology
第三章 激光衍射测量技术
§3.1 激光衍射测量原理 一、 菲涅耳和夫琅禾费衍射
菲涅耳和夫琅禾费衍射
光的波长短， 对很小的孔/屏、狭缝/细丝才有明显的衍射现象； 夫琅禾费衍射是本章进行衍射测量的基本原理 特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高
由于平面镜作用，相当于缝宽为2b的单逢衍射，则第k个暗 条纹满足下列条件:
2bsin 2bsin( ) k
将上式展开进行三角运算
有 所以有:
2b(cos sin 2sin sin 2 ) k
2
sin tan xk
L
sin xk
2 2L
2b xk (cos xk sin ) k
考虑环境因素的影响，一般测量的精度可达±0.5μm
3.测量量程
dxk
kL
b2
db
db
1)b越百度文库,β越大,衍射明显
2)b越小, XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显 3)b越大, XK变小,条纹变密, 传感器不易放置, 灵敏度下降
L>>b2/λ, 仪器尺寸限制, b基本确定，L=1000mm，b<<0.8mm
而变化，但明暗条纹的强度分布随孔的变化而急剧改变。
方案：设计使光电探测器5接收
衍射图的全部能量（中心亮斑和 前四个亮环即可），光电接收器7 只接收艾里圆的部分光能量，通 常选取艾里圆面积的一半。电压 比较器将光电接收器5和7的电压 信号进行比较从而得出被测孔径。
6.衍射频谱检测法
由傅里叶光学知: 平面光波射向衍射屏后在远场发生夫琅和 费衍射,衍射光强分布由衍射屏复振幅的傅里叶变换所决定。 激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱 变化，对工件表面缺陷进行检测，应用于金属筛孔、集成电 路掩模、纤维、线材及硅片等的表面检测。
由暗条纹的公式知:
L
b xk k
L
b kL L
xk s ——单逢衍射测量的基本公式
被测物尺寸改变 时，相当于狭缝尺寸改变 ，由下式
b b0
kL
1 xk
1 xk 0
可求出被测物尺寸或轮廓的变化量
(三) 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程
1.测量分辨力
衍射测量灵敏度 t db b2 dxk kL
可得
bxk1
L bxk2
L
zxk21 2L2 zxk22 2L2
k1 k2
分离间隙衍射的缝宽公式为
b k1L zxk1 k2L zxk2
xk1 2L xk2 2L
当k1=k2时
bxk1 zxk21 bxk2 zxk22 L 2L2 L 2L2
xk1 b
zxk1 2L