光电测试技术-第4章 激光衍射测试技术.ppt

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1、光电测试技术第四章激光衍射测试技术9/15/20211引言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位相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

2、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。9/15/20212按传播距离划分衍射区近场衍射示意图远场衍射示意图9/15/20213§4-1激光衍射测试技术基础9/15/20214§4-1激光衍射测试技术基础4.1.1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。①夫琅和费衍射实验装置bθL1L2SPθP0单缝夫琅和费衍射的实验装置9

3、/15/20215§4-1激光衍射测试技术基础4.1.1单缝衍射②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：其中其分布如图示。10.0470.017单缝夫琅和费衍射的相对光强分布9/15/20216§4-1激光衍射测试技术基础4.1.1单缝衍射③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abLxkθ激光b)xkθI0L观察屏参考物被测物激光ba)衍射测量原理图9

4、/15/20217§5-1激光衍射测试技术基础4.1.1单缝衍射③单缝测量的基本公式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：abLxkθ激光b)xkθI0L观察屏参考物被测物激光ba)衍射测量原理图9/15/20218§5-1激光衍射测试技术基础4.1.1单缝衍射④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

5、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。9/15/20219§4-1激光衍射测试技术基础4.1.2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PI2rfˊ圆孔衍射9/15/202110§4-1激光衍射测试技术基础4.1.2圆孔衍射条纹序数ψsinθ[2J1(ψ)/ψ

6、]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01.22π=3.8321.635π=5.1362.233π=7.0162.679π=8.4173.283π=10.1743.699π=11.62001.22λ/2r1.635λ/2r2.233λ/2r2.679λ/2r3.283λ/2r3.699λ/2r100.017500.004200.001683.78%07.22%02.77%01.46%圆孔夫琅和费衍射条纹的极值位置及光强分布9/15/202111§4-2激光衍射测试方法9/15/202

7、112利用衍射条纹进行精密测试，其方法归纳起来分为两大类:(1)记录固定点衍射强度的方法(图a中A和B点)；(2)记录衍射分布特征尺寸(指衍射分布极值点之间的距离或角量)的方法(图b中的t)9/15/202113§4-2激光衍射测试方法4.2.1间隙测量法间隙测量法是基于单缝衍射原理。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P9/15/202114间隙测量法的基本装置示例9/15/202115§4-2激光衍射测试方法4.2.2反射衍射测量法反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜

8、构成的狭缝来进行衍射测量的。θPAA′L2bb棱缘镜像棱缘反射表面接收屏反射衍射法原理图xkφ9/15/202116§4-2激光衍射测试方法4.2.2反射衍射测量法θ角一般是任意的，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