第五章激光衍射测量原理.ppt

第五章 激光衍射测量原理 衍射最早用于光谱测量，70年代才形成一种非接触测量技术，1972年，加拿大国家研究所提出了激光衍射测试方法，其原理建立在单缝衍射基础上。 一、单缝衍射原理： 如图（5-1）所示： 图5-1 根据在巴比列定律：平行光分别通过单缝和有相同宽度的单丝后在P点的衍射条纹振幅之和（ ）等于平行光直接通过透镜后，在同一点P的振幅yP（此时yP=0） 其光强为 而在F′处： 结论：除 点外，在其余各点，单缝和的同尺寸细丝的衍射光强分布相同。因此在衍射计量中，可将单缝衍射公式用于单丝衍射的情况。 * * §5-1 测量原理 当L（缝长）W（缝宽）λ，且 时，满足远场夫朗和费（Fraunhofer）单缝衍射条件，其光强分布为： 对各级暗纹： 特点： （1）各暗纹间隔相等，亮纹间隔不相等。 （2）主极大角宽度为相临暗纹角间隔的二倍。 二、细丝衍射原理： 巴比列定律：“两互补屏所产生的衍射图形，其衍射花样和光强分布相同，但存在π的位相差”。 证明：考察在频谱面上的任一点P。 1、平等光通过缝宽为d的单缝衍射后，在衍射屏P点的振幅为 ；P0点（中心点）的振幅为 ； 2、若将单缝换成直径为d的细丝，则在衍射屏P点的振幅为 ；P0的振幅为 ； 3、若平行光不通过单缝或细丝而直接入射到透镜上；则只在物镜的后焦点Fˊ上（后焦点）成一亮点，其振幅为 ，在其余各点处，振幅 ； 三、讨论： （一）静态测量： 即找出W=F(Xn)的函数关系。 1、无透镜系统：（如图5-2） 将上式代入单缝衍射公式中得： 当XnR时， 则上式变为： 图5-2 图5-3 2、透镜系统 对图（5-3）所示的结构同理有： （二）动态测量： 当狭缝改变ΔW时，同一级衍射条纹的位置改变。此时，即找出 的函数关系。 1、无透镜系统： 2、有透镜系统 若测出在某定点P点Xn的变化量ΔXn，即可求出缝宽变化量ΔW，以上为衍射的四大公式。 一、可获得较大的光学放大倍率M： 由公式： 得： 例，设R=400mm，K=2，λ=0.6328×10-3mm，W=0.05mm， 二、测量精度高： 若在衍射谱面的P点用CCD器件接收，其测量误差可达±1个象元（±0.007mm），则对上例光电瞄准误差为： §5-2 衍射测量的技术特点 三、装置简单，调试方便 四、绝对量程小，大约在（0.01~0.15）mm §5-3 几种实用的测试方法 一、尺寸的比较测量：（图5-4） 先对标准刀口间隙归零，测量间隙的变化量 图5-4 二、部件轮廊测量： 测量圆形工件表面形状和偏心。 三、面形测量（反射衍射法）： 测量光盘、磁盘面的跳动量 对图（5-5）的系统，可以导出： 图5-5 当θ很小时， 特点： 1、放大倍率： 即：反射衍射装置的光学放大倍率比非反射衍射型减小了一倍。 2、灵敏度增大了一倍： 当缝宽W增大1倍即为2W时，其等效缝宽增大4W。 用途： （1）平面工件表面形状检测； （2）平面零件的间隙检测。 图5-6 附：反射衍射法公式推导： 如图5-6所示：将宽缝W对平面镜成像，展开后，其等效缝宽为2W。 根据透镜成像的等光程原理，轴外衍射光（平行光） （1），（2），在P点聚焦时其光程差为： 四、细丝的衍射测量（互补法衍射测量） 图5-7