現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù)

1、光學(xué)研究方法（光學(xué)測(cè)試技術(shù)）,要求： 1.寫一篇綜述論文，字?jǐn)?shù)3000字以上； 2.內(nèi)容：首先對(duì)光學(xué)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行綜述，然后 結(jié)合課內(nèi)講述內(nèi)容，就一個(gè)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行綜述，也可以就一個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行綜述。,1 領(lǐng)域與特點(diǎn),一、研究領(lǐng)域 凡是利用光學(xué)原理進(jìn)行精密測(cè)量的技術(shù)，都稱為光學(xué)測(cè)試技術(shù)。主要方向有：計(jì)量、測(cè)量 、檢驗(yàn)與測(cè)試一般說計(jì)量是泛指對(duì)物理量的標(biāo)定、傳遞與控制；測(cè)量是泛指各種物理量與技術(shù)參數(shù)的獲取方法；檢驗(yàn)是泛指產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)估技術(shù)與方法；而測(cè)試則是測(cè)量、試驗(yàn)與檢驗(yàn)的總稱，側(cè)重于方法與技術(shù)的研究，而不是產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)定方法研究，光學(xué)測(cè)試技術(shù)的主要研究領(lǐng)域如表 01 所示。,二、技術(shù)特色,三、技術(shù)現(xiàn)

2、狀,光電儀器 光加工設(shè)備 圖01 光學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展硯狀 現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù)主要介紹：干涉技術(shù)、全息技術(shù)、散斑技術(shù)、莫爾技術(shù)、衍射技術(shù)、光掃描技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、激光多普勒技術(shù)、激光光譜技術(shù)、信息與圖像技術(shù)、光學(xué)納米技術(shù)等。隨著激光器的出現(xiàn)和傅里葉光學(xué)的形成，特別是激光技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了光機(jī)電算一體化的現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù)。上圖為光機(jī)電算金字塔結(jié)構(gòu)，塔頂是光學(xué)。,支撐基礎(chǔ)：,2 方法的選擇,面對(duì)一個(gè)計(jì)量測(cè)試任務(wù)，首先碰到的問題是如何合理而可靠地選擇一種好的測(cè)試原理。 合理選擇光學(xué)測(cè)試方法的原則是根據(jù)五點(diǎn)：1）測(cè)定對(duì)象；2）測(cè)定范圍；3）靈敏度或精度；4）經(jīng)濟(jì)性；5）測(cè)試環(huán)境。測(cè)定對(duì)

3、象是指被測(cè)的類型，例如是測(cè)量長度，還是測(cè)量角度，是測(cè)量速度還是測(cè)量位移；是測(cè)量溫度還是測(cè)定溫度變化。不同測(cè)定對(duì)象，有完全不同的測(cè)試方法。同樣，同一測(cè)定類型但測(cè)定范圍不同時(shí)，也有不同的測(cè)試方法可供選擇。,表 04， 由測(cè)定對(duì)象和測(cè)定范圍來選擇的測(cè)試方法,選擇測(cè)試方法的另一 主要原則是測(cè)量靈敏 度和要求的精度。圖 03 是主要光學(xué)測(cè)試 方法在尺寸上能達(dá) 到的靈敏度（分辨率）。,43技術(shù)發(fā)展方向,隨著新世紀(jì)的開始，科學(xué)技術(shù)必然是高新技術(shù)的日新月異和工業(yè)生產(chǎn)的精密化、自動(dòng)化和智能化，這就對(duì)光學(xué)測(cè)試技術(shù)提出新的要求，促使光學(xué)測(cè)試技術(shù)的近代發(fā)展走向如下幾個(gè)方向： ( l ）亞微米級(jí)、納米級(jí)的高精密光學(xué)測(cè)量

4、方法首先得到優(yōu)先發(fā)展 ； ( 2 ）快速發(fā)展小型的、微型的非接觸式光學(xué)傳感器; ( 3 ）半導(dǎo)體激光器（ LD ）及其陣列，光開關(guān)，光濾波器，光電探測(cè)陣列等新器件將在過程控制、在線測(cè)量與控制上得到廣泛應(yīng)用；（4）微光學(xué)這類微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將嶄露頭角;（5）快速、高效的 3 -D （三維）測(cè)量技術(shù)將取得突破；（6）發(fā)展帶存貯功能的全場(chǎng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量儀器；（ 7 ）發(fā)展閉環(huán)式光學(xué)測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量與光學(xué)控制的一體化；（8）以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的高精度、小尺寸、低成本的集成光學(xué)和其他微傳感器將成為主流方向；（9）發(fā)展光學(xué)診斷和光學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)。,總復(fù)習(xí) 第一章 光干涉技術(shù) 一、泰曼格林干涉儀的結(jié)構(gòu)和工作

5、原理 泰曼-格林干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖 1-16 所示：,準(zhǔn)單色點(diǎn)光源和透鏡 L1提供入射的平面波（平行光束），干涉儀的一臂裝有參考反射鏡 M 1 ，另一臂則裝上被測(cè)試的光學(xué)元件M 2 。光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分光后分別由M 1和被測(cè)試的光學(xué)元件M 2反射在觀察孔處相遇干涉，形成干涉條紋，干涉條紋可用目視觀察或用照相機(jī)（鏡頭應(yīng)位于 L2 的焦點(diǎn)處）把干涉條紋拍攝下來進(jìn)行分析。根據(jù)干涉條紋的變化，就可判斷被測(cè)光學(xué)元件的質(zhì)量。在圖 116 中所示泰曼一格林干涉儀中，球面鏡 M 2的曲率中心和被測(cè)透鏡的焦點(diǎn)重合。如果待測(cè)透鏡沒有像差，那么，返回到分束器的反射波將仍是平面的。然而，如果被測(cè)透鏡有球差、彗差或像

6、散引起波陣面的變形，那么就會(huì)清楚地看到具有畸變的一幅干涉條紋圖，并且可把干涉條紋拍攝下來進(jìn)行分析。若把 M 2換成平面鏡，就可以檢驗(yàn)許多別的光學(xué)元件，如梭鏡，光學(xué)平板等。,三、共路干涉儀測(cè)試 在泰曼-格林干涉儀中，由于參考光束和測(cè)量光束沿著彼此分開的光路行進(jìn)，它們受到環(huán)境的振動(dòng)和溫度的影響不同，如果不采取適當(dāng)?shù)母粽鸷秃銣卮胧?，則觀察面或接收面上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，就不可能進(jìn)行精確的測(cè)量。共路干涉儀可以較好地解決上述問題。所謂共路干涉儀，就是干涉儀中參考光束與測(cè)量光束經(jīng)過同一光路，對(duì)環(huán)境的振動(dòng)和溫度、氣流的變化能產(chǎn)生彼此共模抑制，一般無需隔震和恒溫條件也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋。,（一）斐索共路干

7、涉儀測(cè)試,（二）散射板分束器及散射板干涉儀 1 散射板分束器 散射板分束器是一塊利用特種工藝制作的弱散射體，會(huì)聚的入射光束經(jīng)這一散射板以后被一分為二：一部分光束直接透過散射板到達(dá)被測(cè)表面的中心區(qū)域；另一部分光束經(jīng)散射板后，被散射到被測(cè)表面的全孔徑，如圖 131 所示。這兩支光束均由被測(cè)表面反射后復(fù)經(jīng)散射板第二次透射、散射后產(chǎn)生干涉。 散射板分束器上各點(diǎn)的相位不是隨機(jī)分布的，每一散射點(diǎn)都具有對(duì)散射板中心反轉(zhuǎn)對(duì)稱的相位分布，即相對(duì)于散射板中心的每一對(duì)對(duì)稱散點(diǎn)都是同相點(diǎn)，但相鄰散射點(diǎn)的相對(duì)位相呈隨機(jī)分布。制板時(shí)為了使散射板上的散射點(diǎn)位相具有反轉(zhuǎn)對(duì)稱的性質(zhì)，在同一全息干板上要作 二次曝光，并在二次曝光

8、時(shí)把全息干板繞軸精確地旋 轉(zhuǎn) 1800。,2 散射板干涉儀 （ 1 ）光路原理, 1 3多通道干涉儀測(cè)試 一、雙通道干涉儀 （一）用雙通道干涉儀進(jìn)行像差分離 在泰曼格林干涉儀中，當(dāng)被測(cè)透鏡存在多種像差時(shí)，要從干涉圖中對(duì)個(gè)別像差進(jìn)行估計(jì)是很困難的，若改成雙通道排列來使用，就可以使對(duì)稱 的波像差和非對(duì)稱的波像 差以分離的干涉圖顯示出 來。雙通道泰曼格林干 涉儀如圖170所示。, 1 -5 長度（間隔、高度、振幅）的激光干涉測(cè)量 一、激光干涉測(cè)長的工作原理及特點(diǎn) 干涉測(cè)長儀器是用光波波長為基準(zhǔn)來測(cè)量各種長度（如各種線紋尺、量塊、曲率半徑、高度等）的儀器。干涉測(cè)長儀是屬測(cè)量干涉場(chǎng)上指定點(diǎn)上位相隨時(shí)間而

9、變化的干涉儀。 激光干涉測(cè)長儀與用其它準(zhǔn)單色光源的干涉測(cè)長儀相比，具有下列的顯著優(yōu)點(diǎn)： 1 測(cè)量范圍大： 干涉儀的相干長度取決于光源的單色性，可由下式表示： 現(xiàn)在已有測(cè)量距離大于1000的干涉測(cè)長儀。 2 測(cè)量速度高 用光譜燈來檢定一米長的線紋尺，一般要用幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，用激光作光源來進(jìn)行檢定一般只要數(shù)分鐘就夠了。測(cè)長時(shí)，速度的快慢不僅是效率的問題，而且還關(guān)系到測(cè)量精度。測(cè)量速度愈高，外界干擾因素（如溫度、氣流及振動(dòng)等)的影響愈小，愈有利于提高測(cè)量精度。 3.儀器結(jié)構(gòu)簡化,激光干涉測(cè)長的工作原理如圖 1-101 所示。, 1 -6 激光外差干涉測(cè)長與測(cè)振 激光光波干涉比長儀以光波波長為基準(zhǔn)來測(cè)

10、量各種長度，具有很高的測(cè)量精度。這種儀器中，由于動(dòng)鏡在測(cè)量時(shí)一般是從靜止?fàn)顟B(tài)開始移動(dòng)到一定的速度，因此干涉條紋的移動(dòng)也是從靜止開始逐漸加速，為了對(duì)干涉條紋的移動(dòng)數(shù)進(jìn)行正確的計(jì)數(shù)，光電接收器后的前置放大器一般只能用直流放大器，而不能用交流放大器，因此在測(cè)量時(shí)，一般對(duì)測(cè)量環(huán)境有較高的要求，一般的干涉比長儀不能 用于車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精密測(cè)量。為了適應(yīng)在車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)干涉計(jì)量的需要，必須使干涉儀不僅具有高的測(cè)量精度，而且還要具有克服車間現(xiàn)場(chǎng)中氣流及灰霧引起的光電信號(hào)直流漂移的性能，光外差干涉 技術(shù)是為解決車間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量問題而發(fā)展起來的。 這種技術(shù)的一個(gè)共同點(diǎn)是在干涉儀的參考光路中引入具有一定頻率的副載波，干涉

11、后被測(cè)信號(hào)是通過這一副載波來傳遞，并被光電接收器接收，從而使光電接收器后面的前置放大器可以用一交流放大器代替常規(guī)的直流放大器，以隔絕由于外界環(huán)境干擾引起的直流電平漂移，使儀器能在車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下穩(wěn)定工作。,一、雙頻激光外差干涉儀圖 1 -141 示出雙頻激光外差干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)。干涉儀的光源為一雙頻 He-Ne 激光器，這種激光器是在全內(nèi)腔單頻 HeNe 激光器上加上約 300 特拉斯的軸向磁場(chǎng)，由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，使該激光器輸出一束有兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們頻率 差 約為 1.5MHz 。這兩束光 經(jīng)分光鏡4分成兩路,反射光經(jīng) 檢偏器5產(chǎn)生”拍”,其拍頻即為 1.5MHz

12、 ,經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)電信號(hào), 經(jīng)放大器后送給計(jì)算機(jī). 頻率牽引效應(yīng)：在激光器中， 由于激活介質(zhì)的存在，與空的 光學(xué)諧振腔不同，其振蕩模工 作頻率會(huì)因色散的存在位置有所移動(dòng)，會(huì)向激活介質(zhì)的中心頻率稍微靠近，形成所謂頻率牽引現(xiàn)象。,若測(cè)量鏡以速度為運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或振動(dòng)），則由于多普勒效應(yīng)，從測(cè)量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移為 ，該 光與返回光會(huì)合，形成“拍”，其拍頻信號(hào)可表示為： 計(jì)算機(jī)先將拍頻信號(hào) 與參考信號(hào) 進(jìn)行相減處理后，就得到所需的測(cè)量信息 . 設(shè)在動(dòng)鏡移動(dòng)的時(shí)間 t 內(nèi)，由 引起的條紋亮暗變化次數(shù)為 N ，則有： 上式中 為在時(shí)間內(nèi)動(dòng)鏡移動(dòng)的距離L，于是有：,第三章 散斑技術(shù) 一、散斑的形成及

13、其性質(zhì) 當(dāng)一束激光射到物體的粗糙表面（例如鋁板）上時(shí)，在鋁板前面的空間將布滿明暗相間的亮斑與暗斑；若再置一紙屏于鋁板的前面，會(huì)更明顯地看到這一現(xiàn)象，這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的，故稱為散斑。不論將紙屏置于近處或遠(yuǎn)處，都可以看到這一現(xiàn)象，這表明鋁板前面的整個(gè)空間都布滿著散斑，僅在紙屏靠近鋁板時(shí)，散斑較小，遠(yuǎn)離鋁板時(shí)，散斑較大。若所用鋁板的表面不是粗糙的，而是光滑的話，則入射光線被鋁板反射，而不成散射，所以在紙屏上將看不到散斑。若所用的雖是粗糙的表面，但入射的不是激光，而是白光或鈉光，這時(shí)雖發(fā)生散射光，但由于光線并不相干，會(huì)聚到P點(diǎn)的各散射光不發(fā)生干涉，即不會(huì)形成暗斑和亮斑。,二、形成散斑必須具備

14、的條件： 1 ）必須有能發(fā)生散射 光的粗糙表面。為了使 散射光較均勻，則粗糙 表面的深度必須大于波 長； 2 ）入射光線的相干度 要足夠高，例如使用激光。當(dāng)激光射到毛玻璃 上時(shí)，因?yàn)榉弦陨蟽蓚€(gè)條件，所以，在毛玻璃后面的整個(gè)空間充滿著散斑。,三、離焦記錄時(shí)的拍攝裝置 圖 3 -7 為離焦記錄時(shí)的拍攝裝置。在圖中，位于成像平面 P點(diǎn)的散斑是由觀察面上的P點(diǎn)所決定的，而P點(diǎn)散 斑又是由位于物面 上M點(diǎn)的面積元d 所形成的。 離焦量大，則物點(diǎn) 上較大的面積形成P點(diǎn)的散 斑，測(cè)得的是該面元對(duì)P點(diǎn) 影響的平均值，因而降低 了測(cè)量精度；另一方面，離 焦量大測(cè)量靈敏度高，所 以在測(cè)量中要合理選擇離焦 量。

15、在散斑測(cè)量中，為了使各方 向的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)有同樣的靈敏 度，一般取垂直于表面的方 向觀察或拍攝。在實(shí)際 應(yīng)用中亦是這樣的。,第四章 莫爾條紋技術(shù) 4 -2 光柵讀數(shù)頭 一、莫爾條紋信號(hào)的特點(diǎn) （一）條紋把位移放大 上面已經(jīng)介紹，以微小角度疊合的兩塊光柵得到的是橫向條紋，這種莫爾條紋是位移測(cè)量的基準(zhǔn)。由于 W =P / ，因此條紋放大 1 / 倍，就是說光柵副起到一個(gè)高質(zhì)量的可調(diào)前置放大器的作用。它能將微小位移變化合理放大，獲得信噪比很大的穩(wěn)定輸出。由于條紋寬度比光柵節(jié)距放大幾百倍，所以有可能在一個(gè)條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分讀數(shù)裝置，以讀取位移的分度值，即進(jìn)行細(xì)分。,（二）誤差的平均效應(yīng) 光電接收元件接收

16、的信號(hào)，是進(jìn)入視場(chǎng)的光柵線數(shù) N 的疊加平均的結(jié)果。而一般進(jìn)入視場(chǎng)的光柵線條有幾十線對(duì)甚至上千線對(duì)，這樣光電元件接收的信號(hào)是這些線條的平均結(jié)果。因此當(dāng)光柵有局部誤差時(shí)，由于平均效應(yīng)，使光柵缺陷或局部誤差對(duì)測(cè)量精度的影響大大減小，大致的關(guān)系是： 為平均誤差。,（三）光柵信號(hào)與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系 光柵副中任一光柵沿橫向（垂直于線紋方向）移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿垂直方向移動(dòng)，而且移過的條紋數(shù)與柵距是一一對(duì)應(yīng)的。即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度 w ，所以測(cè)出了莫爾條紋移動(dòng)的數(shù)目，也就知道了光柵移動(dòng)的距離。這種嚴(yán)格的線性關(guān)系就是用莫爾條紋進(jìn)行長度與角度測(cè)量的原理。,（四）信號(hào)波形的正弦性 莫爾條紋

17、光場(chǎng)的亮度分布符合正弦規(guī)律，經(jīng)由光電元件轉(zhuǎn)換之后，如果接收狹縫比條紋寬度窄得多，則輸出信號(hào)的瞬時(shí)波形也和莫爾條紋的亮度分布一樣，非常接近于正弦波。由于亮度沒有負(fù)值（極限為零），因此光電元件所取得的信號(hào)總 是疊加在一個(gè)平均信號(hào) 之上（平均信號(hào)反映了 平均亮度，即背景）。 所以，經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換 后，形成了帶有平均電 壓的交變信號(hào)，如圖 4 6 所示。,（五）共模漂移 光柵的平均背景引起共模電壓，但是，光柵全長上透光量并非處處一樣，工作期間光源的亮度也難保持不變，這樣，在光柵不同位置上，將有不同的平均背景，于是產(chǎn)生共模漂移。共模及共模漂移都影響光柵系統(tǒng)的工作性能。在信號(hào)曲線上，只有與Vcp相交的那些

18、點(diǎn)（見圖 4 - 6 中的 b 和 d 稱過零點(diǎn)）靈敏度最高，穩(wěn)定性最好，因此作為對(duì)準(zhǔn)定位和觸發(fā)脈沖等用途的工作點(diǎn)，幅度調(diào)制系統(tǒng)的細(xì)分也是以這些過零點(diǎn)作依據(jù)。如果共模電壓相對(duì)地大，那么系統(tǒng)（指工作點(diǎn)）是不穩(wěn)定的，如有共模漂移，即實(shí)際工作點(diǎn)就會(huì)偏離過零點(diǎn)，由此引起脈沖間隔的變化。容許的漂移值應(yīng)由插補(bǔ)系數(shù)或定位精度確定。,（六）反差 光電信號(hào)的反差（即襯度），常用調(diào)制系數(shù) K 0，調(diào)制度 M d或?qū)Ρ榷?C來評(píng)價(jià)（見圖 4 - 6 ),二、光柵讀數(shù)頭組成 實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合分為：分光讀數(shù)頭、直接接收式（或硅光電池式）讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭以及反射光柵讀數(shù)頭等。就光學(xué)系統(tǒng)而言，

19、不外乎夫瑯和費(fèi)系統(tǒng)和費(fèi)涅爾衍射系統(tǒng)兩類。 讀數(shù)頭由光源、準(zhǔn)直透鏡、指示光柵、光電元件和必要的光闌、接收狹縫及調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分組成。光源的燈絲應(yīng)安置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上。準(zhǔn)直透鏡也有一定的像差要求，燈絲必須細(xì)而直，照度要穩(wěn)定，否則會(huì)因背景變化而引起直流漂移造成計(jì)量誤差。光電元件主要有硅光電池、光電二極管和光電三極管。光電管的空間位置應(yīng)能調(diào)整，以便能對(duì)準(zhǔn)所需要的光譜級(jí)和譜帶，并準(zhǔn)確地配置在透鏡的后焦面上。還應(yīng)放置必要的接收光闌，以便獲得一定強(qiáng)度的信號(hào)和提高信號(hào)的信噪比,三、分光讀數(shù)頭 （一）單相型（圖 4-7 ) 從光源 S 出發(fā)并經(jīng)透鏡 L ，準(zhǔn)直的光束，以 角入射到光柵副 G 1和 G2 ，從光柵

20、副衍射的各級(jí)群光束的方向均由光柵方程確定：,（二）多相型 為了適應(yīng)判別方向和補(bǔ)償直流漂移的需要，通常要求二相或四相信號(hào)，它們之間在相位分別有或/2的相移。 產(chǎn)生多相信號(hào)的方法，一種是采用分開的組合透鏡，并成像于不同的光導(dǎo)管上，一種可采多相指示光柵，并相應(yīng)地由多相的光導(dǎo)管接收。也可以用遠(yuǎn)心光路方法，在光柵像面上用多硅光電池接收莫爾條紋像的信號(hào)。,圖 4-9 表示直讀分光型讀數(shù)頭。,四、直接接收式讀數(shù)頭 （一）單相型 如圖 410 所示，平行光束垂直入射到主光柵上，硅光電池接近指示光柵直接接收光花樣。由于是單相型讀數(shù)頭，故必須接收同相位的信號(hào)，因此應(yīng)該采用光閘式莫爾條紋，即兩塊 光柵節(jié)距是相等的，

21、而線紋方 向是平行的，并采用小間隙布 置。因此視場(chǎng)中的亮度應(yīng)是一 樣的而且是均勻的，以保證整 個(gè)視場(chǎng)中位相的一致性。,（二）四相型 四相型分為四相指示光柵和四極硅光電池兩種。采用硅光電池時(shí)，條紋寬度應(yīng)調(diào)到四極硅 光電池的有效通光尺寸，以得到 0、/4、/2、3/2四相信號(hào)， 近年來，采用發(fā)光二級(jí) 管作為光源，光電三極 管作為接收元件的系統(tǒng) 十分盛行，指示光柵上 的四塊光柵位置，相互 保持 00 , 900, 1800 。， 2700 的相位（見圖 4 -11 ）。,五、鏡像式讀數(shù)頭 （一）單塊光柵成像式 如圖 412 所示，原理上屬于分光系統(tǒng)，只是不用指示光柵，而由適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)形成主光柵像來

22、代替。因此，不必考慮光柵間隙，而且由于光學(xué)系 統(tǒng)保證了光柵和光柵 像之間移動(dòng)方向相反， 因而信號(hào)頻率提高一 倍。這種讀數(shù)頭尺寸 大，如果把光學(xué)系統(tǒng) 改為中心反射式，則 讀數(shù)頭的外形尺寸可 以縮短。,（二）兩塊光柵式 這是一種投影式的光學(xué)系統(tǒng)，其圖形見 4 -13 。這種型式的讀數(shù)頭可按最小偏角法或垂直入射式布置。光柵 G 1經(jīng)照明之后，在 L2 的焦平面上產(chǎn)生光譜面，在這個(gè)面上可以用濾波小孔，讓需要的光譜級(jí)次通過，然后在 G2 光柵面上產(chǎn)生光柵 G 1的譜點(diǎn)所形成的光柵像。,六、反射式讀數(shù)頭 由于機(jī)床制造行業(yè)的需要，發(fā)展了金屬反射型光柵讀數(shù)頭。金屬光柵大多以鋼帶為基體，上面涂以超微粒乳劑或光刻

23、膠作為感光層，然后通過投影光刻法獲得光柵線紋。如采用不銹鋼鋼帶作為反射光柵基體，可以減小因膨脹系數(shù)不同而影響精度的因素。如圖 414 。,第五章 光衍射技術(shù) 二、計(jì)量原理 激光衍射計(jì)量的基本原理是利用激 光下的夫朗和費(fèi)衍射效應(yīng)。夫朗和費(fèi)衍射 是一種遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。圖 5 1 是遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng) 衍射的原理示意圖。如圖a）所示，當(dāng)光 源 s 照明E1平面上的一個(gè)孔 H 時(shí)，在距離 R的觀察屏 E2 上將看到孔 H 的陰影。按照 幾何光學(xué)的觀點(diǎn)，光線是直線前進(jìn)的，光 在孔 H 的邊緣通過的方向應(yīng)是 sa 與 sa （虛線所示）。但實(shí)際上的陰影卻擴(kuò)大了， 這是由于光在孔 H 的邊緣上發(fā)生了衍射， 光線向外曲折（

24、實(shí)線所示），因此，光的 衍射區(qū)是 a b與 a b 。當(dāng) 時(shí)稱為菲 涅爾衍射。圖b）和圖c）為夫朗和費(fèi)衍射。,圖 52 是衍射計(jì)量的原理圖。它是利用被測(cè)物與參考物之間的間隙所形成的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射來完成的。 在觀察屏 E 上由單縫形成衍射條紋，其光強(qiáng) I 的分布由物理光學(xué)知道有： 式中：,三、基本公式 先討論衍射的一般性情況，如圖 5-3 ，設(shè) E 1平面上光孔的瞳函數(shù)為 F （，），當(dāng)略去光能損失，孔 F （，） 在E 2上的衍射分布為： 式中： 是孔平面圖上的復(fù)振幅分布。 在E 2平面上的任意一點(diǎn)p的光強(qiáng)為： 當(dāng)光孔的形狀為矩形孔，矩 形的高為 ，寬為 ，（如 圖 5-4 ）所示。這時(shí)可用一個(gè)二

25、維矩形函數(shù)來表示：,E2 面上任一點(diǎn)P的振幅，應(yīng)該是此二維矩形函數(shù)的傅里葉變換，略去光能損失，則： 因此，對(duì)矩形孔，在 E 2平面上的衍射像有兩列，呈十字格線分布，如圖 5-4 a）所示。每一列的光強(qiáng)分布，如圖 5-4b ）所示。兩個(gè)方向上光強(qiáng)的大小按式（ 5-3 ) ，可寫出： 當(dāng)光孔為單縫時(shí)， ,除中央零級(jí)以外，光強(qiáng)很Iy很小，通常觀察不到。所以衍射條紋只沿x方向分布。 設(shè) w （縫寬），則衍射條紋的光強(qiáng)分布為： 對(duì) sinc（辛格） 函數(shù)，其定義是：,設(shè) ，則有： 上式就是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光強(qiáng)分布的基本公式。此式說明： 1 ）衍射條紋是平行于單縫方向的； 2 ）當(dāng) 0 ， ， 2 ， 3 ， ，

26、 n時(shí)，出現(xiàn)一系列 暗條紋。利用暗條紋作為測(cè)量指標(biāo)，就可以進(jìn)行計(jì)量。 因?yàn)?，對(duì)暗條紋則有： 當(dāng)不大時(shí)，從遠(yuǎn)場(chǎng)條件，有： 所以有： 即： 上式就是衍射計(jì)量的基本公式。,四、技術(shù)特點(diǎn) 衍射計(jì)量在技術(shù)上有四個(gè)特點(diǎn)： （1）靈敏度高。 （ 2 ）精度有保證。這首先是激光下的夫瑯和費(fèi)衍射條紋十分清析、穩(wěn)定。其次，這是一種非接觸測(cè)量。而且采用照相或光電系統(tǒng)測(cè)量衍射條紋是可行的，精度可以微米級(jí)。 （3 ）裝置簡單、操作方便、測(cè)定快速。 （ 4 ）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的聯(lián)機(jī)測(cè)量和全場(chǎng)測(cè)量，測(cè)定時(shí)物體不必固定，能為工藝過程提供反饋信號(hào)，顯著提高工藝效率。 衍射計(jì)量的不足之處是絕對(duì)量程比較小，量程范圍約 0 . 011.

27、5mm 。超過此范圍必須用比較測(cè)量法。另外，當(dāng) w 小時(shí)，衍射條紋本身比較寬，不容易獲得精確測(cè)量。而且R大，裝置外型尺寸不能緊湊。限制了衍射計(jì)量的應(yīng)用范圍。, 52 激光衍射計(jì)量技術(shù),一、基本方案及其分析 利用衍射條紋進(jìn)行精密測(cè)試，其方法歸納起來分為兩大類： （ l ）記錄固定點(diǎn)衍射強(qiáng)度的方法（圖 55a 中 A 和 B 點(diǎn)） ; ( 2 ）記錄衍射分布特征尺寸（指衍射分布極值點(diǎn)之間的距離或角量）的方法（圖 55b 中的t).,二、間隙計(jì)量法 間隙計(jì)量法是衍射技術(shù)的基本方法，主要適合于三種用途： ( l ）作尺寸的比較測(cè)量（圖 5-8a ) ; ( 2 ）作工件形狀的輪廓測(cè)量（圖 5-8b )

28、 ; ( 3 ）作應(yīng)變的傳感器使用（圖 5-8c) .,這三種用途的基本裝置如圖59所示： 間隙法的計(jì)算公式： 或: 其中， ，為條紋間隔,三、反射衍射法 從原理上說，主要是用反射鏡形成狹縫。圖 513 是反射衍射法的原理圖，狹縫由刀刃 A 與反射鏡 B 組成。反射鏡的作用是用以形成 A 的像A 。這時(shí)，相當(dāng)于以角入射的，縫寬為 2w 的單縫衍射。顯然，當(dāng)光程差滿足下式時(shí)，出現(xiàn)暗條紋： 按三角級(jí)數(shù)將上式展開： 對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射有： 代入前式： 整理后有：,四、分離間隙法 分離間隙法是利用參考物和試件不在一個(gè)平面內(nèi)所形成的衍射條紋來進(jìn)行精密計(jì)量的方法。分離間隙法的原理圖示于圖 5 15 。 對(duì)于P1點(diǎn)

29、，出現(xiàn)暗條紋的條件是： 對(duì)于P2點(diǎn)，出現(xiàn)暗條紋的條件是： 因?yàn)椋?則有： 由上式可得：,五、互補(bǔ)測(cè)定法 激光衍射互補(bǔ)測(cè)定法的原理是基于巴俾涅定理。此定理的原理示于圖 517 。 圖 518 是利用互補(bǔ)法測(cè)量細(xì)絲直徑 d 或薄帶截面尺寸的原理圖。 細(xì)絲直徑與衍射 條紋之間的關(guān)系為： 為獲得明亮的遠(yuǎn)場(chǎng)條紋， 一般用透鏡在焦面上形 成夫朗和費(fèi)條紋，如圖 5-19 所示。設(shè)透鏡的焦距為 f , 則計(jì)算公 式為： 則：,六、愛里圓測(cè)定法 由物理光學(xué)知道，平面波照射的開孔不是矩形而是圓孔時(shí)，如圖 5-20 所示，其遠(yuǎn)場(chǎng)的夫朗和費(fèi)衍射像，是中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。這種環(huán)形衍射像就稱為愛

30、里圓。 愛里圓中心亮斑的直徑 d 為：,第九章 激光光譜技術(shù) 9-3 激光喇曼光譜技術(shù) 一、基本原理 當(dāng)單色光作用于試樣時(shí)，除了生產(chǎn)頻率和入射光相同的、稱為瑞利散射光以外，還有一些強(qiáng)度很弱的，頻率和入射光不同的散射光對(duì)稱分布在瑞利光的兩側(cè)。這種散射光被稱為喇曼散射光，在瑞利光低頻一側(cè)的叫斯托克斯線（ stokes 線），高頻一側(cè)的叫反斯克斯線（ Antistokes 線）。 喇曼散射可以看成一個(gè)入射光子和一個(gè)處于初態(tài) E的分子作非彈性碰撞。在碰撞過程中，光子和分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，還把一部分能量傳遞給分子，或從分子取得一部分能量。因此，在碰撞后被檢測(cè)到的光子，其能量比原來

31、的低些或高些。,喇曼散射過程也可用能級(jí)圖作定性的說明，如圖 9-8 所示。在散射過程中，中間態(tài)經(jīng)常被描述為受激虛態(tài)，它是不穩(wěn)定的，并且不一定是真實(shí)的分子本征態(tài)。如果這個(gè)虛能級(jí)和分子本征態(tài)之一相符合，則被稱為共振喇曼效應(yīng)。,二、激光喇曼分光計(jì) 線性激光喇曼光譜研究和分析用的實(shí)驗(yàn)裝置激光喇曼分光計(jì)不僅已經(jīng)商品化，而且結(jié)構(gòu)日趨完善。 典型的儀器通常由 5 個(gè)基本部分組成：激發(fā)光源，前置光路（或稱外光路），單色儀，探 測(cè)放大系統(tǒng)和計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)，如圖9-10 所示。,（三）單色儀 單色儀是激光喇曼分光計(jì)的核心部件，決定著整臺(tái)儀器的基本特性。 激光喇曼光譜技術(shù)對(duì)單色儀的要求比一般在可見光區(qū)工作的儀器要高得

32、多。對(duì)分辨率和波數(shù)精度要求很高，約為 0 . 2 -2cm -1 ，這在波長為 5000 處，相當(dāng)于 0 .05- 0 . 5 。另外還要求單色儀聚光本領(lǐng)強(qiáng)，有大的相對(duì)孔徑，而且對(duì)抑制雜散光提出特別苛刻的要求。為了滿足上述高分辨率，強(qiáng)聚光本領(lǐng)，尤其是低雜散光的要求，通常把兩個(gè)單色器串聯(lián)成雙單色儀，串聯(lián)的方式可以是色散相加的或色散相減的。從理論上講，后者可以很好消除光柵不完善所形成的雜散光。但由于它的色散率只相當(dāng)于一個(gè)單色儀，不利于提高分辨率，因此一般都采用色散相加的形式。也有的儀器可以根據(jù)需要由使用者方便地把相加型改為相減型或反之。,還有用三個(gè)單色器串聯(lián)成三單色儀的喇曼分光計(jì)，可以進(jìn)一步抑制儀器的雜散光。,（四）探測(cè)放大系統(tǒng) 喇曼分光計(jì)的靈敏度標(biāo)志著儀器所能探測(cè)的最小光信號(hào)。它除和光學(xué)系統(tǒng)的聚光本領(lǐng)及雜散光有關(guān)外，還取決于探測(cè)和放大系統(tǒng)的靈敏度和噪音。由于喇曼散射光極弱，一般估計(jì)當(dāng)激發(fā)光的功率為 lw 時(shí)，到達(dá)探測(cè)器的散射光功率僅約為 10 -10 - 10 -11w ，甚至更低。因此對(duì)探測(cè)放大系統(tǒng)最主要的要求就是高靈敏度和高信噪比，以便把被噪音所干擾，甚至是淹沒在噪音中的有用微弱信號(hào)檢測(cè)出來。光電轉(zhuǎn)換元件和弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)上的新進(jìn)展有效地滿