第八章衍射测量详解.ppt

* * * 吕勇 lvyong222@163.com Ch8 衍射测量技术 光电检测技术 衍射测量技术 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相位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。 激光衍射测试技术是一种高准确度、小量程的精密测量技术，应用比较广泛。 通常把衍射现象分为二类： 1）菲涅耳衍射，光源和观察屏（或二者之一）离开衍射屏距离有限，又称为近场衍射； 2）夫琅和费衍射，光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远，因而又称为远场衍射。 单缝衍射 夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。 b θ L1 L2 S Pθ P0 单缝夫琅和费衍射的实验装置 单缝夫琅和费衍射强度分布 用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式： 其分布如图示。 1 0.047 0.017 单缝夫琅和费衍射的相对光强分布 单缝测量的基本公式 易知，衍射条纹平行于单缝方向。当 ，且k 取整数时，出现一系列暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。 当θ不大时： 因此缝宽b可以写成 利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。 当被测物尺寸改变δb时，相当于狭缝尺寸b 改变δb，衍射条纹的位置也随之改变： a b L xk θ 激光 b xk θ I0 L 观察屏 参考物 被测物 激光 b a 衍射测量原理图 单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程 测量分辨力—能分辨的最小量值： 测量合成标准不确定度 测量量程一般为0.01~0.5mm。 He—Ne激光器波长稳定度一般优于10-6，这项误差可不予考虑。 一般情况下，L和xk的相对不确定度不超过0.1%。 取L 1m，λ 0.63μm，k 3，xk 10mm，可得到uc b 0.3μm。 实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度一般在0.5μm左右。 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为圆形亮斑、外面绕着明暗相间的环行条纹—艾里斑： 圆孔 会聚透镜 接收屏 P I 2r fˊ 圆孔衍射 条纹序数 ψ sinθ [2J1 ψ / ψ ]2 或 Ip/I0 光能分布 中央亮纹 第一暗纹 第一亮纹 第二暗纹 第二亮纹 第三暗纹 第三亮纹 0 1.22π 3.832 1.635π 5.136 2.233π 7.016 2.679π 8.417 3.283π 10.174 3.699π 11.620 0 1.22λ/2r 1.635 λ/2r 2.233 λ/2r 2.679 λ/2r 3.283 λ/2r 3.699 λ/2r 1 0 0.0175 0 0.0042 0 0.0016 83.78% 0 7.22% 0 2.77% 0 1.46% 圆孔夫琅和费衍射条纹的极值位置及光强分布 互补屏：两个衍射屏，其一的通光部分正好是另一个不透明部分。 两个互补屏单独产生的衍射场的复振幅之和等于没有屏时光束的复振幅，这就是巴俾涅原理。 如果把单缝换成同样宽度的不透光的窄带，例如直径为a的细丝，致使平行光通过不透光的窄带后，也要发生衍射，而且屏上的衍射条纹和单缝的类似。 巴俾涅原理 间隙测量法 间隙测量法基于单缝衍射原理。 a 比较测量 b）测量轮廓 c）测量应变 间隙测量法的应用 参考边 b 参考边 工件 激光 b 参考物 试件 b 激光 激光 P 激光衍射测量方法 反射衍射测量法 反射衍射法的测量是利用试件棱缘和反射镜构成狭缝来进行衍射测量。 θ P A A′ L 2b b 棱缘 镜像棱缘 反射表面 接收屏 反射衍射法原理图 xk φ 反射衍射测量法 灵敏度提高一倍； θ角是任意的，测得某一入射角θ位置的两个xk值代入公式，联立解出θ值和b值； 从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.5～0.025μm。 主要用于表面质量评价、直线性测定、间隙测定 光电器件 磁盘 磁头 θ b 测量磁盘系统的间隙 c 直线性偏差 θ 试件 标准反射面 θ 试件 标准刃边 a 评价表面质量 反射衍射法应用实例 分离间隙法 在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔z。此时衍射图形出现不对称现象。测两次联立求解便可获得所求。 1 θ1 3 2 A’1 θ2 A1 L b z A