演示文稿第三章激光衍射測量技術(shù)

演示文稿第三章激光衍射測量技術(shù)當(dāng)前第1頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)第三章激光衍射測量技術(shù)ppt課件當(dāng)前第2頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)第三章激光衍射測量技術(shù)§3.1激光衍射測量原理光的波長短，對(duì)很小的孔/屏、狹縫/細(xì)絲才有明顯的衍射現(xiàn)象；特點(diǎn)：全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動(dòng)化程度高，精度高菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射一、菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射是本章進(jìn)行衍射測量的基本原理當(dāng)前第3頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)二、單縫衍射測量(一)單縫衍射測量原理觀察屏上的光強(qiáng)分布：測定任何一個(gè)暗條紋的位置就可以精確知道被測間隙的尺寸暗條紋位置(二)單縫衍射測量的基本公式由遠(yuǎn)場衍射條件有由暗條紋的公式知:

當(dāng)θ不大時(shí)則有:——單逢衍射測量的基本公式當(dāng)前第4頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)被測物尺寸改變時(shí)，相當(dāng)于狹縫尺寸改變，由下式可求出被測物尺寸或輪廓的變化量(三)單縫衍射測量的分辨力、精度和量程1.測量分辨力衍射測量靈敏度縫寬b越小，級(jí)數(shù)越高，L越大,波長越長,分辨力越高靈敏度反映了狹縫衍射對(duì)尺寸的放大倍數(shù),即放大了1/t倍；Xk的測量分辨力,決定了狹縫的測量分辨力當(dāng)前第5頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)例：由儀器的隨機(jī)誤差理論，可得到衍射測量誤差為2.測量精度考慮環(huán)境因素的影響，一般測量的精度可達(dá)±0.5μm例：當(dāng)前第6頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)1)b越小,β越大,衍射明顯2)b越小,XK變大,光強(qiáng)分布減弱,高級(jí)次條紋不明顯3)b越大,XK變小,條紋變密,傳感器不易放置,靈敏度下降3.測量量程L>>b2/λ,儀器尺寸限制,b基本確定，L=1000mm，b<<0.8mm一般d的寬度取當(dāng)前第7頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)三、圓孔衍射測量屏上接收光強(qiáng)：其中：愛里斑尺寸當(dāng)前第8頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)1、間隙測量法1）尺寸比較測量基于單縫衍射原理2）形貌測量3）傳感器應(yīng)用：§3.2

激光衍射測量方法當(dāng)前第9頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)(1)絕對(duì)測量法(2)增量測量法間隙法測量位移，有兩種方法基本裝置：當(dāng)前第10頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)測量應(yīng)變裝置:間隙測量法作為靈敏的光傳感器可用于測定各種物理量的變化，如應(yīng)力、壓力、溫度、流量、加速度等當(dāng)前第11頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)2、反射衍射測量法由于平面鏡作用，相當(dāng)于縫寬為2b的單逢衍射，則第k個(gè)暗條紋滿足下列條件:利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測量的當(dāng)前第12頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)有將上式展開進(jìn)行三角運(yùn)算

所以有:

θ為任意值，可以測量某一θ角度下的兩個(gè)xk值求解當(dāng)前第13頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)特點(diǎn)：1、靈敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布置方便應(yīng)用：表面質(zhì)量評(píng)價(jià)、直線性測定、間隙測定等當(dāng)前第14頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)3.分離間隙法利用參考物和試件不在一個(gè)平面內(nèi)所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測量的方法被稱為分離間隙法P1出現(xiàn)暗條紋的條件：

問題：組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)當(dāng)前第15頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)P2點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋的條件：

可得：

由可得分離間隙衍射的縫寬公式為當(dāng)前第16頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)當(dāng)k1=k2時(shí)應(yīng)用舉例:

當(dāng)前第17頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)4、互補(bǔ)測量法用平面光照射兩個(gè)互補(bǔ)屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強(qiáng)除光源點(diǎn)的幾何像點(diǎn)之外完全相同，僅復(fù)振幅的位相差為π。巴俾涅原理當(dāng)前第18頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)細(xì)絲,薄帶可進(jìn)行衍射測量:互補(bǔ)測量法測量細(xì)絲直徑的范圍一般是0.0l—0.1mm測量精度可達(dá)0.05μm當(dāng)前第19頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)5.愛里斑測量法基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗環(huán)沒有十分明顯的邊界，因此采用能量比較法間接測量測量對(duì)象：直徑約在10~90μm范圍之間的噴絲頭假設(shè)：通過微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量不隨孔的微小變化而變化，但明暗條紋的強(qiáng)度分布隨孔的變化而急劇改變。方案：設(shè)計(jì)使光電探測器5接收衍射圖的全部能量（中心亮斑和前四個(gè)亮環(huán)即可），光電接收器7只接收艾里圓的部分光能量，通常選取艾里圓面積的一半。電壓比較器將光電接收器5和7的電壓信號(hào)進(jìn)行比較從而得出被測孔徑。當(dāng)前第20頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)6.衍射頻譜檢測法由傅里葉光學(xué)知:平面光波射向衍射屏后在遠(yuǎn)場發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射,衍射光強(qiáng)分布由衍射屏復(fù)振幅的傅里葉變換所決定。激光衍射頻譜檢測法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行檢測，應(yīng)用于金屬篩孔、集成電路掩模、纖維、線材及硅片等的表面檢測。當(dāng)前第21頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)1.傅里葉變換檢測法直接利用透鏡的傅里葉變換特性，用光電探器探測物體的頻譜，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理、然后判定是否有缺陷。應(yīng)用方法:

當(dāng)前第22頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)2.二次傅里葉變換檢測法

利用透鏡衍射的二次傅里葉變換。獲得被檢缺陷的像，用目視或光電檢測直接判定缺陷大小以及缺陷的位置。當(dāng)前第23頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)一、構(gòu)成各種物理量的傳感器§3.3激光衍射測量的應(yīng)用激光衍射測量是一種高精度、小量程的精密測量技術(shù)

許多物理量，如壓力、溫度、流量、折射率、電場或磁場等，都可通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成直線性的位移，然后利用激光衍射效應(yīng)進(jìn)行測量。當(dāng)前第24頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)二、薄膜材料表面涂層厚度測量當(dāng)前第25頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)此類微小間隔測量裝置還可以用于旋轉(zhuǎn)軸的徑向跳動(dòng)、圓棒直徑的變化和圓柱度等的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量當(dāng)前第26頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)三、全長剖量測量要求棱緣全長都同時(shí)被激光束照亮，通常用于測量線狀邊緣的物體，也可以測定曲率較小的弧形或一些不規(guī)則的構(gòu)件。當(dāng)前第27頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)四、位移和間隔的遠(yuǎn)離測量還可用于研究封閉容器中（如真空中）彈性物體的變形情況，以便作為傳感器監(jiān)視地震或重力加速度的變化。特點(diǎn)：檢測器可以離傳感器很遠(yuǎn)，對(duì)在需要遙測或有害環(huán)境下觀察特別有利。當(dāng)前第28頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)五、振動(dòng)的測量懸板相對(duì)于基準(zhǔn)棱緣在半個(gè)周期中不斷改變縫寬b,于是引起衍射條紋沿一個(gè)方向掃過探測器，當(dāng)振幅達(dá)到極限位置后，條紋即向相反方向移動(dòng)；方波a和a’對(duì)應(yīng)于待測物體在改變振動(dòng)方向時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，a和a’之間整數(shù)和小數(shù)部分的條紋數(shù)，相當(dāng)于峰間振幅，是懸板振幅的兩倍。當(dāng)前第29頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)六、直徑和薄帶寬度測量1.漆包線激光動(dòng)態(tài)測徑儀作用：漆層厚度變化造成漆包線外徑的變化將顯示在測量儀的顯示器上，從而實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整涂漆參數(shù)，保證涂漆質(zhì)量。當(dāng)前第30頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)為避免CCD探測器飽和，擴(kuò)大CCD動(dòng)態(tài)范圍，將零級(jí)條紋擋去。CCD輸出信號(hào)處理低通濾波：在保證信號(hào)不失真前提下盡可能降低截止頻率例：若CCD像素2048，數(shù)據(jù)時(shí)鐘1MHz，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)保證CCD能接收2~4個(gè)條紋，則每個(gè)條紋周期T=2048/4=512μs?？紤]到CCD接收的信號(hào)是非周期的，實(shí)際應(yīng)用中采用二階巴特沃思低通濾波，截止頻率取10×1/T。當(dāng)前第31頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)暗點(diǎn)識(shí)別：為得到精確的測量結(jié)果必須對(duì)信號(hào)衍射圖樣進(jìn)行精確的識(shí)別，包括以下兩方面：(1)能自動(dòng)識(shí)別出一幀CCD信號(hào)衍射圖樣中暗點(diǎn)的個(gè)數(shù);(2)能精確地定位每個(gè)暗點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置;存在困難：因?yàn)楸粶y細(xì)絲的直徑有一定的分布范圍,衍射圖樣變化很大,且衍射圖樣中暗點(diǎn)銳度很小。衍射圖樣中暗點(diǎn)數(shù)的識(shí)別：一般地,采用掃描法逐點(diǎn)掃描衍射圖樣來識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)。理論上,在順序掃描時(shí)如果某一點(diǎn)滿足下面兩個(gè)條件就可認(rèn)為是一個(gè)暗點(diǎn):(1)當(dāng)前點(diǎn)的值比前一點(diǎn)值小;(2)后一點(diǎn)值比當(dāng)前點(diǎn)值大當(dāng)前第32頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)由于很多不確定因素的存在,使得待識(shí)別的信號(hào)在局部區(qū)域內(nèi)不是光滑連續(xù)的。直接采用上面的算法將導(dǎo)致識(shí)別失敗,為此改進(jìn)算法如下:(1)采用中值濾波對(duì)信號(hào)作平滑處理;(2)用滑動(dòng)窗口內(nèi)信號(hào)的平均值來代替單點(diǎn)值掃描衍射圖樣;采用非線性中值濾波的目的在于消除信號(hào)中尖峰干擾(主要由量化引入),保證局部范圍內(nèi)信號(hào)的平滑,但必須合理選擇濾波器的寬度否則達(dá)不到目的。用滑動(dòng)窗口內(nèi)信號(hào)的平均值來代替單點(diǎn)值掃描識(shí)別衍射圖樣,可以消除信號(hào)小范圍波動(dòng)對(duì)識(shí)別的影響，增強(qiáng)暗點(diǎn)識(shí)別的可靠性。識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)同時(shí)可以得到暗點(diǎn)的粗略位置(掃描到一個(gè)暗點(diǎn)時(shí)記下它的位置)。由于識(shí)別時(shí)對(duì)信號(hào)作了非線性處理,而且掃描是由滑動(dòng)窗口完成的,因而此時(shí)得到的暗點(diǎn)位置是很粗糙的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測量精度要求,必須進(jìn)一步精確指定暗點(diǎn)位置。對(duì)暗點(diǎn)的精確定位是基于下面三個(gè)前提:當(dāng)前第33頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)(1)衍射圖樣的分布符合一定的數(shù)學(xué)關(guān)系;(2)精確的暗點(diǎn)位置必定在已得到的粗略暗點(diǎn)位置附近;(3)粗略暗點(diǎn)附近的原始數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上包含著暗點(diǎn)真正位置的信息;(1)在識(shí)別暗點(diǎn)數(shù)的同時(shí)記錄粗略的暗點(diǎn)位置;(2)在粗略暗點(diǎn)位置附近取一定數(shù)目的原始數(shù)據(jù),運(yùn)用最小二乘法來擬合原始數(shù)據(jù),得到一條光滑的曲線;(3)以一定的步長搜索擬合后的曲線,得到曲線上暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置,如果步長小于象素尺寸就具有細(xì)分效果;基于這樣的前提,可以在已知粗略暗點(diǎn)位置附近,充分利用原始數(shù)據(jù)中的信息來尋找暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。這部分算法可以描述如下:當(dāng)前第34頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)2.薄帶寬度測量要求：薄帶相對(duì)激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則引起測量誤差當(dāng)前第35頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)3.轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測徑儀當(dāng)前第36頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)4.狹縫掃描式激光測徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式測徑儀是由測量條紋間距s值求得細(xì)絲直徑狹縫掃描式測徑儀是通過測量特定級(jí)條紋的xk值來求直徑當(dāng)前第38頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)七、紅細(xì)胞激光衍射測量通過細(xì)胞的衍射圖樣來分析病變通過面陣CCD接收衍射圖樣，求出紅細(xì)胞的變形指數(shù)和取向的變化、衍射光強(qiáng)的徑向分布曲線等，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來判斷病變情況。當(dāng)前第39頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)40激光粒度儀【補(bǔ)】傳統(tǒng)粒度測量方法：沉降儀、篩分法、顯微鏡最流行的粒度測量儀器：激光粒度儀優(yōu)點(diǎn)：測量速度快、重復(fù)性好、動(dòng)態(tài)范圍大、操作方便一、工作原理利用顆粒對(duì)光的散射（衍射）現(xiàn)象測量顆粒大小的，即光在行進(jìn)過程中遇到顆粒（障礙物）時(shí)，會(huì)有一部分偏離原來的傳播方向；顆粒尺寸越小，偏離量越大；顆粒尺寸越大，偏離量越小。當(dāng)前第40頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)當(dāng)顆粒尺寸較大（至少大于2倍波長），并且只考慮小角散射（散射角小于5°）時(shí)，散射光場也可用較簡單的夫瑯禾費(fèi)衍射理論近似描述。當(dāng)前第41頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)由發(fā)射、接收和測量窗口等三部分組成發(fā)射部分由光源和光束處理器件組成，主要是為儀器提供單色的平行光作為照明光；接收器是儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵；測量窗口主要是讓被測樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測量區(qū)，以便儀器獲得樣品的粒度信息。當(dāng)前第42頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)接收器由傅立葉透鏡和光電探測器陣列組成激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦、低通濾波和準(zhǔn)直后，變成直徑為8~25mm的平行光，照到測量窗口內(nèi)的顆粒后，發(fā)生散射。散射光經(jīng)過傅立葉透鏡后，同樣散射角的光被聚焦到探測器的同一半徑上。一個(gè)探測單元輸出的光電信號(hào)就代表一個(gè)角度范圍（大小由探測器的內(nèi)、外半徑之差及透鏡的焦距決定）內(nèi)的散射光能量，各單元輸出的信號(hào)就組成了散射光能的分布。當(dāng)前第43頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)盡管散射光的強(qiáng)度分布總是中心大，邊緣小，但是由于探測單元的面積總是里面小外面大，所以測得的光能分布的峰值一般是在中心和邊緣之間的某個(gè)單元上。當(dāng)顆粒直徑變小時(shí)，散射光的分布范圍變大，光能分布的峰值也隨之外移。所以不同大小的顆粒對(duì)應(yīng)于不同的光能分布，反之由測得的光能分布就可推算樣品的粒度分布。二、光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)激光粒度儀重要的技術(shù)指標(biāo)是測量下限激光粒度儀光學(xué)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)基本上都是為了擴(kuò)展其測量下限或是小顆粒段的分辨率；基本思路是增大散射光的測量范圍、測量精度或者減少照明光的波長。當(dāng)前第44頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)德國Sympatec采用了8組不同焦距的傅立葉鏡頭。由于探測器的半徑不變，因此焦距越小，對(duì)應(yīng)的散射角越大，即能測量的粒徑越小。不同焦距的透鏡對(duì)應(yīng)于不同的測量范圍。增加輔助探頭用以彌補(bǔ)環(huán)形探測器陣列最大外徑的不足，從而擴(kuò)大儀器對(duì)散射光的接收角，擴(kuò)展儀器的測量下限。但受到傅立葉透鏡光瞳的制約。當(dāng)前第45頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：最大接收角不受傅立葉鏡頭口徑限制缺點(diǎn)：只在較小散射角（<5o）上能實(shí)現(xiàn)精確聚焦。隨著散射角增大，聚焦誤差會(huì)越來越大。聚焦有誤差意味著探測器上的一個(gè)確定位置并不對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的散射角，從而使儀器的分辨率降低。當(dāng)前第46頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：將大角探測器分布在以測量窗口和環(huán)形探測器中心之間的光軸為直徑的球面上，從而極大地改進(jìn)了大角探測器上散射光的聚焦精度。當(dāng)前第47頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：增加了后向散射光（>90o的散射光）接收機(jī)構(gòu)的透鏡后傅立葉結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展了散射角接收范圍，以擴(kuò)展粒度測試下限。當(dāng)前第48頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)當(dāng)前第49頁\共有52頁\編于星期四\3點(diǎn)改動(dòng)：增加一束斜入射、短波長（藍(lán)光）