第3章 -激光衍射测量技术-1.ppt

* 上一节理论课： 课程内容简介 声光调制双频外差干涉仪：声光调制器。 激光移相干涉测量技术：被测件面形。 激光散斑干涉测量技术：散斑概念、散斑照相、电子散斑干涉测量（ESPI）、测量表面粗糙度、测量圆柱内孔表面质量。 激光光纤干涉测量技术：光纤干涉仪的概念、光纤干涉仪结构形式（Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac、Fabry-Perot），用FP光纤干涉仪进行气体浓度/成分分析、温度/压力分析、光纤陀螺。 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 回顾 第3章 激光衍射测量技术 1 3 2 激光衍射测量原理 激光衍射测量方法 激光衍射测量的应用 激光衍射测量原理 1 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。 概述 激光衍射测量原理 1 光的衍射现象，按光源、衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)三者之间的位置关系分为两种类型。 1)菲涅耳衍射。它是有限距离处的衍射现象，即光源和观察屏(或两者之一)到衍射物的距离比较小的情况，也称为近场衍射。 2)夫琅禾费衍射。它是无限距离处的衍射现象，即光源和观察屏都离衍射物无限远，也称为远场衍射。 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 激光衍射测量原理 1 单缝衍射测量原理 激光衍射测量原理 1 单缝衍射测量原理 激光衍射测量原理 1 单缝衍射测量的基本公式 即 即单缝衍射暗条纹的条件 由远场衍射条件，有 式中，xk为第K级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离，L为观察屏距单缝平面的距离。则 单缝衍射测量的基本公式 激光衍射测量原理 1 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。 由衍射测量公式 得到衍射测量的灵敏度： 上式表明，缝宽b越小，L越大，激光波长λ越长，所选取的衍射级别越高，则t越小，测量分辨力越高，测量就灵敏。 这里，b受测量范围限制，L受仪器尺寸限制，k受激光器功率限制，因此，实际上t只能近似确定。如果取L=1000mm，b=0.1mm，k=4，λ=0.63μm，代入上式得t=1/250。这就是说通过衍射使b的变化量放大了250倍。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0.04μm。 激光衍射测量原理 1 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程 测量精度 由公式 可知，衍射测量的精度决定于λ、L和xk的精度。 对上式进行微分，并由仪器的随机误差理论进行处理，可得到衍射测量误差为： 激光衍射测量原理 1 测量量程 由公式变换可得，激光单缝衍射放大倍数β=klλ/b2,如果取L=1000mm,k=4,λ=0.63μm，取不同缝宽代入上式，经计算得到表3-1。 激光衍射测量原理 1 圆孔衍射测量 当平面光波照射的开孔是圆孔时，其远场的夫琅禾费衍射中心为一圆形亮斑，外面绕着明暗相间的环形条纹。这种环形衍射条纹称为艾里斑(Airy)。 激光衍射测量原理 1 圆孔衍射测量 衍射图中央是亮斑，它集中了84%左右的能量。设中心斑点(即第一暗环)的直径为D，f’为透镜的焦距，圆孔半径为a，激光波长为λ，有：a=1.22λf/D。 因此，测定或研究艾里斑可以精密测量或分析微小内孔的尺寸。 激光衍射测量方法 2 在实际应用中，基于单缝衍射的各种测量方法大都是根据公式 b=kLλ/xk, 基于圆孔衍射的测量方法是根据公式a=1.22λf/D，通过测量单缝衍射暗条纹之间的距离或者艾里斑第一暗环的直径来确定被测量。根据不同的测量对象，测量方法主要有以下几种。 间隙测量法 间隙测量法是基于单缝衍射的原理，是衍射测量的基本方法，主要用于以下几个方面。 1)作尺寸的比较测量，如下图(a)所示，采用相对测量方法，先用标准尺寸的工件相对参考边的间隙作为零位，然后放上被测工件，测定间隙的变化量而推算出工件尺寸。 激光衍射测量方法 2 间隙测量法 2)作工件形状的轮廓测量，如下图(b)所示。转动工件，由间隙变化得到工件轮廓相对于标准轮廓的偏差。 3)作应变传感器使用，如下图(c)所示。当试件上加载力P时，将引起单缝的尺寸变化，从而可以用衍射条纹的变化来得到应变量。 激光衍射测量方法 2 间隙测量法 下图