光电测试技术-n6.ppt

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1、光电测试技术成都信息工程学院第六章激光衍射测试技术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）离开衍射屏距离有限，又称为近场衍射；2）夫琅和费衍射，光源

2、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。2惠更斯－菲涅耳原理1、惠更斯原理(Huygens’principle)：（1）波阵面的形成，（2）波面的传播方向：沿各个方向。2、菲涅耳原理因惠更斯子波来自同一光源，具有相干性，波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。3基尔霍夫(Kirchhoff)从波动方程出发，用场论得出了比较严格的衍射公式。4设有两个互补屏E1和E2，则有：E1＋E2＝无屏产生的衍射：除中心点P＝0，则光强：所以形状大小一样的屏和孔产生的衍射图样是一样的，一个形状相等的狭缝和细丝的衍射图形也是一样。巴比涅原理(Babinet’

3、principle)5§6-1激光衍射测试技术基础6§6-1激光衍射测试技术基础6.1.1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7§6-1激光衍射测试技术基础6.1.1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。810.0470.017单缝夫琅和费衍射的相对光强分布9§6

4、-1激光衍射测试技术基础6.1.1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10§6-1激光衍射测试技术基础6.1.1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：11abLxkθ激光b)xkθI0L观察屏参考物被测物激光ba)衍射测量原理图12§6-1激光衍射测试技术基础6.1.1单缝衍射④单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程测

5、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0.01~0.05mm。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。13§6-1激光衍射测试技术基础6.1.2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14§6-1激光衍射测试技术基

6、础6.1.2圆孔衍射条纹序数ψsinθ[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15§6-2激光衍射测试方法16§6-2激光衍射

7、测试方法6.2.1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P17§6-2激光衍射测试方法6.2.1间隙测量法间隙测量法的基本装置示例(P207图5.8)。绝对法分别是第k个暗条纹在缝宽变化前后距中央零级条纹中心的距离增量法是通过某一固定的衍射角来记录条纹的变化数目18§6-2激光衍射测试方法6.2.2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xkφ19§