动态激光衍射法测量细丝直径

傅氏透镜焦距 ; h 为各相邻暗条纹中心间距的平
均值 ; d 为细丝直径. 测出 h 即可计算出细丝直
径 d.
3 系统构成
1) 系统硬件 图 1 为系统硬件构成. 系统由激光器 、傅氏 透镜 、CCD 器件及 CCD 驱动电路 、CCD 输出信号 处理电路 、微型计算机系统构成. 其中 ,激光器采 用 He2Ne 激光器 ,波长为 0. 632 8μm. 要求光源 强度变化量小于 5 % , 发散角小于 1 ×10 - 3 rad. 衍射图样 接收 器采用 的 CCD 具 有 4 096 线 阵 L M701 ,对 0. 632 8 μm 波长的 He2Ne 激光有理 想的光谱响应灵敏度. 在微机的扩展槽上插有多 功能卡 , 该卡集 A/ D 转换器 AD574 、并行 接口 8255 、定时/ 计数器 8253 、串行接口 8251 、D/ A 转 换器 AD7526 于一体.
参考文献 :
[ 1 ] 李景镇. 光学手册 [ M ] . 西安 : 陕西科学技术出版 社 ,1986. 502 ,521～525.
[ 2 ] 朱伯荣. 再谈尼科耳棱镜中 e 光的传播[J ] . 大学物 理 ,1996 ,15 (5) :18～19.
[ 3 ] 刘德元 ,吕捷. 尼科耳棱镜中 e 光的传播 [J ] . 大学 物理 ,1995 ,14 (1) :40.
表 1 CCD 系统参量换算关系
CCD 系统参量 物放大率 物放大率 物分辨率 物分辨率 物分辨率
阵列有效长度 像元数 有效视场 像元数 物体尺寸
换算关系
有效视场/ 阵列有效长度 物体尺寸/ 物像元数 物体尺寸/ 像元数 有效视场/ 像元数 像元尺寸 ×物放大率 像元数 ×像元尺寸 物体尺寸/ 分辨率
Abstract : Based o n t he t heo ry of Fraunhofer diff ractio n and Babinet p rinciple , a met hod is p ro2 po sed for dynamically measuring fine2wire diameter using laser diff ractio n. The met hod has t he advan2 tages of high2p recisio n , high2speed , no n2co ntact , co nvenient operatio n , and it is easy to co nnect wit h co mp uter s to realize auto2measurement .
再把被测目标 L x 置于该位置 , 测出对应的脉冲 计数 N x ,由 L x = K N x 可以算出 L x 值.
通常可以把 K 值存入计算机中 , 在对目标进
行连续测量时 , 可随时通过软件计算出目标的实
际尺寸. 根据系统误差的修正理论 , 由 (1) 式可知
| Δd|
d
与|
Δλ| λ
,
|
Δf
f
|
,
|
Δh|
h
有关 ,对于
He2Ne 激光
器
,
|
Δλ| λ
< 10 - 6 , 可忽略不计.
在实际测量过程
中
,
|
Δf
f
|
的误差可通过引用标准细丝对系统进行
校准达到小于 10 - 3 ,所以细丝直径测量的系统误
差主要取决于| Δh|
h
的大小.
h 的测量误差最大为
5 个光敏元 ,即Δh = 7μm ×5 = 35μm. 当 M = 2 ,
2 细丝直径的测量公式
根据夫琅禾费衍射理论和巴比涅互补原理 , 当细光束照射在细丝上时 ,衍射图样与同宽度的 狭缝所产生的衍射条纹完全相同[1] ,所以在实际 应用中 ,可以用狭缝衍射公式计算细丝直径[2] :
d
=λ
f h
.
(1)
其中 :λ为激光光源波长 , 取λ= 0. 632 8 μm ; f 为
波不发生折射并且由于此时γ= 90°,所以不能直
接应用 (10) 式. 假定棱镜的底边长为 L ,则方形
端面尼科耳棱镜和哈特纳克2普拉斯莫斯基倒尼
科耳棱镜中的光束平移公式为 :
d = Ltanα.
(11)
对于λ= 589 nm 的入射光 , 光束平移量分别为
0. 081 L和 0. 056L .
4 结 论尼科耳棱镜透射光束的 Nhomakorabea移是由 e 光波在棱 镜中的折射和晶体中 e 光线相对于 e 光波的离散 角共同作用产生的 ;其光束平移量与棱镜中晶体 光轴的取向 、棱镜的结构以及通光孔径有关. 当 通光孔径一定时 ,常规尼科耳棱镜产生的光束平 移约为通光孔径的 0. 107 倍 ;产生光束平移量最
小的是阿伦斯尼科耳棱镜 ,而汤普逊倒尼科耳棱 镜最大. 若从节约材料和光束平移量评价众多的 尼科耳棱镜 ,当数斯蒂格和罗特缩短的尼科耳棱 镜最佳.
物放大率 ×阵列有效长度 有效视场/ 物分辨率 像元数 ×物分辨率
当系统的工作距离确定后 ,需先对系统进行
标定. 标定的方法是 :先把已知尺寸为 Lp 的标准 模块放在被测目标位置 ,然后通过计数脉冲得到
该模块的像所占有的 CCD 像元数 Np , 从 K = Lp / Np 可以得到系统的脉冲当量值 , K 值表示 1 个像元实际所对应的目标空间尺寸的当量. 然后
Translation of transmission light in Nicol prism
YAN Bin , WU Fu2quan , HAO Dian2zho ng , ZHAN G Xu
(Laser Research Instit ute , Quf u Normal U niver sit y , Quf u 273165 , China)
Abstract : Based o n Huygens p rinciple , t he t ranslatio n of t ransmissio n light relative to incident light is analyzed in t heory as t he incident light parallel s to t he no rmal Nicol p rism’s lo ng side , accord2 ing to t he p ropagatio n characteristics of e light in crystal s. The beam t ranslatio n of six species of im2 p roved Nicol p rism are calculated. The result s indicate t hat for t he same apert ure Φof t he p rism , A h2 rens Nicol p rism has t he least beam t ranslatio n , and Tho mpaso n inver sed Nicol p rism has t he biggest beam t ranslatio n.
4 h 值的测定
将高分辨线阵 CCD 放在傅氏透镜的后焦面 上 ,CCD 把细丝衍射条纹的光强分布转换成按时 序分布的电压信号 ,把该信号经低通滤波和放大 处理 ,再利用施密特电路变成方波输出 ,见图 2.
图 2 衍射方波与切割方波
当以像素 N 为 x 轴 , 以信号电压为 y 轴时 , 利用时钟脉冲对各方波的宽度进行计数 , 可以得 到 N 0 , N 1 , N 2 , …, 其中 N 1 , N 3 , N5 , …为各级暗 条纹宽度的计数值 , 取其 1/ 2 作为暗条纹宽度的 中点值 ,相邻两暗点的间距的平均值 h 为 :
(1. College of Physics , J ilin U niver sit y , Changchun 130021 , China ; 2. School of Co mmunicatio n Engineering , J ilin U niver sit y , Changchun 130023 , China)
第 26 卷 第 4 期
2006 年 4 月
P
H
YS
物 理 实 验
ICS EXP ERIM EN TA
T IO N
Vol. 26 No. 4
Ap r. ,2006
动态激光衍射法测量细丝直径
韩 力1 ,卢 杰1 ,李 莉2
(1. 吉林大学 物理学院 ,吉林 长春 130021 ; 2. 吉林大学 通信工程学院 ,吉林 长春 130023)
h=
1 2
N1
+
N2
+
…+
N2k
+
1 2
N2k + 1
S0 M
.
式中 : M 为暗点间距的倍数或级数 , S0 为 CCD 像
元的中心距. 将 h 代入 (1) 式 ,即可求得细丝直径
d.
5 光学系统参量标定与测量精度分析
光学系统对 CCD 的成像质量有着重要的意 义. 通常 CCD 系统对光学系统的基本要求是 :成 像清晰 、透光力强 、杂散光少 、像面照度分布均匀 、 图像几何畸变小 ,足够的相对孔距 、焦距 、光圈可 调等. CCD 系统参量换算关系如表 1 所示.
1 引 言
在工业生产和科学实验中 ,经常碰到尺寸小 于 1 mm 的细丝直径的测量问题. 传统的测量方 法通常有 2 种 :一种是细丝称重法 ,即称出一定长 度的细丝的重量后 ,把细丝看成为均匀细长的圆 柱体 ,然后根据材料的密度计算出细丝的直径 ;另 一种方法是用游标卡尺手工测量. 前一种方法是 间接测量细丝直径的方法 ,不仅花费时间多 、精度 不高 ,而且不能测量细丝某一截面的直径. 后一 种方法劳动强度大 ,熟练程度要求高 ,往往卡断细 丝 ,且测量误差大. 本文提供了一种利用激光衍 射和 CCD 成像测量细丝直径的方法 ,该方法具有 测量精度高 、速度快 、非接触 、使用方便且易于微 机联接实现自动化测量等优点 ,在保证产品质量 的同时 ,可以提高劳动生产效率.
[ 2 ] 史惠康. Visual C + + 5. 0 实用编程技术 [ M ] . 北 京 :中国水利水电出版社 ,1998. (下转第 43 页)
第4期
闫 斌 ,等 :尼科耳棱镜透射光束的平移
43
方形端面尼科耳棱镜和哈特纳克2普拉斯莫
斯基倒尼科耳棱镜中 ,光束垂直于入射端面 ,e 光
S0 = 7μm , N = 756 , h = 10. 584 mm ,
| Δh|
h
=
0. 331 % ,Δdd≈0. 3 % , 显然 , 本测量系统的精度
很高 ,可以满足一般测量要求.
参考文献 :
[ 1 ] 袁绍藻. 采用微机进行数据处理的 CCD 摄像动态 测径仪[J ] . 仪器仪表学报 ,1989 ,10 (3) :297～303.
[ 4 ] 李国华. 光学 [ M ] . 济南 : 山东教育出版社 ,1990. 11.
[ 5 ] 赵凯华 ,钟锡华. 光学 (下册) [ M ] . 北京 :科学出版 社 ,1984. 17.
[ 6 ] 李荫远 ,杨顺华. 非线性光学 [ M ] . 北京 :科学出版 社 ,1974. 24.
Key words : Nicol p rism ; beam t ranslatio n ; Huygens p rinciple
(上接第 40 页)
Dynamic measurement of diameter by laser diffraction
HAN Li1 , L U Jie1 , L I Li2
第 26 卷
利用 Visual C + + 软件的可视化 、模块化 、图 形化等 功 能[3] , 编 制 了 该 系 统 界 面 , 并 且 利 用 Visual C + + 软件编制了数据采集接口程序及数 据处理程序. 通过该程序进行数据长度的设置 、 细丝线的上下限的设置 ; 计算出直径 d ,送显示 器 ,超差声光报警 ,通过 D/ A 转换器将测量结果 转换为模拟量送往反馈控制接口.
摘 要 :基于夫琅禾费衍射理论和巴比涅互补原理 ,提出了利用激光衍射对细丝直径进行动态测量的方法. 该方法 具有测量精度高 、速度快 、非接触 、使用方便且易于微机联接实现自动化测量等优点.
关键词 :细丝直径 ;动态测量 ;激光衍射 ;CCD 器件 中图分类号 :O436. 1 文献标识码 :A 文章编号 :100524642 (2006) 0420039202
图 1 细丝直径测量系统总体结构框图
2) 系统软件
“全国高等学校第七届演示实验教学研讨会”论文
收稿日期 :2005208208 作者简介 :韩 力 (1962 - ) ,男 ,吉林长春人 ,吉林大学物理学院副教授 ,硕士 ,研究方向为激光技术应用 、非线性光学.
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