第三章 激光衍射测量技术

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1、激光测量技术LaserMeasurementTechnology 第三章激光衍射测量技术 3 1激光衍射测量原理 光的波长短 对很小的孔 屏 狭缝 细丝才有明显的衍射现象 特点 全场 非接触 稳定性好 自动化程度高 精度高 菲涅耳和夫琅禾费衍射 一 菲涅耳和夫琅禾费衍射 夫琅禾费衍射是本章进行衍射测量的基本原理 二 单缝衍射测量 一 单缝衍射测量原理 观察屏上的光强分布 测定任何一个暗条纹的位置就可以精确知道被测间隙的尺寸 暗条纹位置 二 单缝衍射测量的基本公式 由远场衍射条件有 由暗条纹的公式知 当 不大时则有 可求出被测物尺寸或轮廓的变化量 三 单缝衍射测量的分辨力 精度和量程 1 测量分

2、辨力 衍射测量灵敏度 缝宽b越小 级数越高 L越大 波长越长 分辨力越高 灵敏度反映了狭缝衍射对尺寸的放大倍数 即放大了1 t倍 Xk的测量分辨力 决定了狭缝的测量分辨力 例 由仪器的随机误差理论 可得到衍射测量误差为 2 测量精度 考虑环境因素的影响 一般测量的精度可达 0 5 m 例 1 b越小 越大 衍射明显2 b越小 XK变大 光强分布减弱 高级次条纹不明显3 b越大 XK变小 条纹变密 传感器不易放置 灵敏度下降 3 测量量程 L b2 仪器尺寸限制 b基本确定 L 1000mm b 0 8mm 一般d的宽度取0 01mm 0 5mm 三 圆孔衍射测量 屏上接收光强 其中 爱里斑尺寸

3、 1 间隙测量法 1 尺寸比较测量 基于单缝衍射原理 2 形貌测量 3 传感器 应用 3 2激光衍射测量方法 1 绝对测量法 2 增量测量法 间隙法测量位移 有两种方法 基本装置 测量应变装置 间隙测量法作为灵敏的光传感器可用于测定各种物理量的变化 如应力 压力 温度 流量 加速度等 2 反射衍射测量法 由于平面镜作用 相当于缝宽为2b的单逢衍射 则第k个暗条纹满足下列条件 利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的 有 将上式展开进行三角运算 所以有 为任意值 可以测量某一 角度下的两个xk值求解 特点 1 灵敏度提高一倍2 入射光可以以一定角度入射 布置方便 应用 表面质量评价 直线性

4、测定 间隙测定等 3 分离间隙法 利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行精密测量的方法被称为分离间隙法 P1出现暗条纹的条件 问题 组成狭缝的两棱边不在同一平面内 P2点出现暗条纹的条件 可得 由 可得 分离间隙衍射的缝宽公式为 当k1 k2时 应用举例 4 互补测量法 用平面光照射两个互补屏时 它们产生的衍射图形的形状和光强除光源点的几何像点之外完全相同 仅复振幅的位相差为 巴俾涅原理 细丝 薄带可进行衍射测量 互补测量法测量细丝直径的范围一般是0 0l 0 1mm测量精度可达0 05 m 5 爱里斑测量法 基于圆孔的夫琅和费衍射原理 由于艾里斑中心亮斑和暗环没有十分明显的边界

5、因此采用能量比较法间接测量 测量对象 直径约在10 90 m范围之间的喷丝头 假设 通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量不随孔的微小变化而变化 但明暗条纹的强度分布随孔的变化而急剧改变 方案 设计使光电探测器5接收衍射图的全部能量 中心亮斑和前四个亮环即可 光电接收器7只接收艾里圆的部分光能量 通常选取艾里圆面积的一半 电压比较器将光电接收器5和7的电压信号进行比较从而得出被测孔径 6 衍射频谱检测法 由傅里叶光学知 平面光波射向衍射屏后在远场发生夫琅和费衍射 衍射光强分布由衍射屏复振幅的傅里叶变换所决定 激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱变化 对工件表面缺陷进行检测 应用于

6、金属筛孔 集成电路掩模 纤维 线材及硅片等的表面检测 1 傅里叶变换检测法直接利用透镜的傅里叶变换特性 用光电探器探测物体的频谱 对信号进行分析和处理 然后判定是否有缺陷 应用方法 2 二次傅里叶变换检测法利用透镜衍射的二次傅里叶变换 获得被检缺陷的像 用目视或光电检测直接判定缺陷大小以及缺陷的位置 一 构成各种物理量的传感器 3 3激光衍射测量的应用 激光衍射测量是一种高精度 小量程的精密测量技术 许多物理量 如压力 温度 流量 折射率 电场或磁场等 都可通过相应的转换器转成直线性的位移 然后利用激光衍射效应进行测量 二 薄膜材料表面涂层厚度测量 此类微小间隔测量装置还可以用于旋转轴的径向跳

7、动 圆棒直径的变化和圆柱度等的静态和动态测量 三 全长剖量测量 要求棱缘全长都同时被激光束照亮 通常用于测量线状边缘的物体 也可以测定曲率较小的弧形或一些不规则的构件 四 位移和间隔的远离测量 还可用于研究封闭容器中 如真空中 弹性物体的变形情况 以便作为传感器监视地震或重力加速度的变化 特点 检测器可以离传感器很远 对在需要遥测或有害环境下观察特别有利 五 振动的测量 悬板相对于基准棱缘在半个周期中不断改变缝宽b 于是引起衍射条纹沿一个方向扫过探测器 当振幅达到极限位置后 条纹即向相反方向移动 方波a和a 对应于待测物体在改变振动方向时的转折点 a和a 之间整数和小数部分的条纹数 相当于峰间

8、振幅 是悬板振幅的两倍 六 直径和薄带宽度测量 1 漆包线激光动态测径仪 作用 漆层厚度变化造成漆包线外径的变化将显示在测量仪的显示器上 从而实现人工调整涂漆参数 保证涂漆质量 为避免CCD探测器饱和 扩大CCD动态范围 将零级条纹挡去 CCD输出信号处理 低通滤波 在保证信号不失真前提下尽可能降低截止频率 例 若CCD像素2048 数据时钟1MHz 在设计结构时保证CCD能接收2 4个条纹 则每个条纹周期T 2048 4 512 s 考虑到CCD接收的信号是非周期的 实际应用中采用二阶巴特沃思低通滤波 截止频率取10 1 T 暗点识别 为得到精确的测量结果必须对信号衍射图样进行精确的识别 包

9、括以下两方面 1 能自动识别出一帧CCD信号衍射图样中暗点的个数 2 能精确地定位每个暗点对应的位置 存在困难 因为被测细丝的直径有一定的分布范围 衍射图样变化很大 且衍射图样中暗点锐度很小 衍射图样中暗点数的识别 一般地 采用扫描法逐点扫描衍射图样来识别暗点数 理论上 在顺序扫描时如果某一点满足下面两个条件就可认为是一个暗点 1 当前点的值比前一点值小 2 后一点值比当前点值大 由于很多不确定因素的存在 使得待识别的信号在局部区域内不是光滑连续的 直接采用上面的算法将导致识别失败 为此改进算法如下 1 采用中值滤波对信号作平滑处理 2 用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描衍射图样 采用非

10、线性中值滤波的目的在于消除信号中尖峰干扰 主要由量化引入 保证局部范围内信号的平滑 但必须合理选择滤波器的宽度否则达不到目的 用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描识别衍射图样 可以消除信号小范围波动对识别的影响 增强暗点识别的可靠性 识别暗点数同时可以得到暗点的粗略位置 扫描到一个暗点时记下它的位置 由于识别时对信号作了非线性处理 而且扫描是由滑动窗口完成的 因而此时得到的暗点位置是很粗糙的 远远达不到测量精度要求 必须进一步精确指定暗点位置 对暗点的精确定位是基于下面三个前提 1 衍射图样的分布符合一定的数学关系 2 精确的暗点位置必定在已得到的粗略暗点位置附近 3 粗略暗点附近的原始数

11、据在统计意义上包含着暗点真正位置的信息 1 在识别暗点数的同时记录粗略的暗点位置 2 在粗略暗点位置附近取一定数目的原始数据 运用最小二乘法来拟合原始数据 得到一条光滑的曲线 3 以一定的步长搜索拟合后的曲线 得到曲线上暗点的准确位置 如果步长小于象素尺寸就具有细分效果 基于这样的前提 可以在已知粗略暗点位置附近 充分利用原始数据中的信息来寻找暗点的准确位置 这部分算法可以描述如下 2 薄带宽度测量 要求 薄带相对激光束的光轴有准确的定位 否则引起测量误差 3 转镜扫描式激光测径仪 4 狭缝扫描式激光测径仪 转镜扫描式测径仪是由测量条纹间距s值求得细丝直径狭缝扫描式测径仪是通过测量特定级条纹的

12、xk值来求直径 七 红细胞激光衍射测量 通过细胞的衍射图样来分析病变 通过面阵CCD接收衍射图样 求出红细胞的变形指数和取向的变化 衍射光强的径向分布曲线等 根据计算结果来判断病变情况 39 激光粒度仪 补 传统粒度测量方法 沉降仪 筛分法 显微镜 最流行的粒度测量仪器 激光粒度仪 优点 测量速度快 重复性好 动态范围大 操作方便 一 工作原理 利用颗粒对光的散射 衍射 现象测量颗粒大小的 即光在行进过程中遇到颗粒 障碍物 时 会有一部分偏离原来的传播方向 颗粒尺寸越小 偏离量越大 颗粒尺寸越大 偏离量越小 当颗粒尺寸较大 至少大于2倍波长 并且只考虑小角散射 散射角小于5 时 散射光场也可用

13、较简单的夫琅禾费衍射理论近似描述 由发射 接收和测量窗口等三部分组成 发射部分由光源和光束处理器件组成 主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光 接收器是仪器光学结构的关键 测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区 以便仪器获得样品的粒度信息 接收器由傅立叶透镜和光电探测器阵列组成 激光器发出的激光束经聚焦 低通滤波和准直后 变成直径为8 25mm的平行光 照到测量窗口内的颗粒后 发生散射 散射光经过傅立叶透镜后 同样散射角的光被聚焦到探测器的同一半径上 一个探测单元输出的光电信号就代表一个角度范围 大小由探测器的内 外半径之差及透镜的焦距决定 内的散射光能量 各单元输出的信号就

14、组成了散射光能的分布 尽管散射光的强度分布总是中心大 边缘小 但是由于探测单元的面积总是里面小外面大 所以测得的光能分布的峰值一般是在中心和边缘之间的某个单元上 当颗粒直径变小时 散射光的分布范围变大 光能分布的峰值也随之外移 所以不同大小的颗粒对应于不同的光能分布 反之由测得的光能分布就可推算样品的粒度分布 二 光路结构的改进 激光粒度仪重要的技术指标是测量下限 激光粒度仪光学结构的改进基本上都是为了扩展其测量下限或是小颗粒段的分辨率 基本思路是增大散射光的测量范围 测量精度或者减少照明光的波长 德国Sympatec采用了8组不同焦距的傅立叶镜头 由于探测器的半径不变 因此焦距越小 对应的散

15、射角越大 即能测量的粒径越小 不同焦距的透镜对应于不同的测量范围 增加辅助探头用以弥补环形探测器阵列最大外径的不足 从而扩大仪器对散射光的接收角 扩展仪器的测量下限 但受到傅立叶透镜光瞳的制约 优点 最大接收角不受傅立叶镜头口径限制 缺点 只在较小散射角 5 上能实现精确聚焦 随着散射角增大 聚焦误差会越来越大 聚焦有误差意味着探测器上的一个确定位置并不对应一个确定的散射角 从而使仪器的分辨率降低 优点 将大角探测器分布在以测量窗口和环形探测器中心之间的光轴为直径的球面上 从而极大地改进了大角探测器上散射光的聚焦精度 优点 增加了后向散射光 90 的散射光 接收机构的透镜后傅立叶结构 扩展了散

16、射角接收范围 以扩展粒度测试下限 改动 增加一束斜入射 短波长 蓝光 的照明光束 在只有正入射光束的情况下 散射光从测量窗口往空气中出射时由于受全反射现象的限制 假设悬浮介质为水 则48 138 范围内的散射光不能被探测器接收 照明光斜入射使得上述角范围内的散射光相对于测量窗口玻璃有较小的入射角 得以避开全反射的制约 此外 散射光的分布范围取决于粒径与光波长的比值 在相同的散射角下 照明光波长越短 对应的粒径越小 因此用短波长的照明光斜入射到测量窗口上 能有效地扩大测量下限 双镜头结构的作用和传统的双镜头一样 三光束中光束1为主入射光 作用如同传统的照明光 光束2用以扩大前向散射光的出射角 光束3用以扩大后向散射光的出射角盲区 改进 增加PIDS测量技术 缺点 只能用在亚微米颗粒的低端 当一个分布较宽的样品需要测量时 只能是细颗粒用PIDS系统测量 粗颗粒还是要用传统的激光散射原理测量 然后再进行数据拼接 而这两种测量原理有本质的差异 数据拼接需要很高的技巧和经验 措施 为了提高对小粒径的分辨率 PIDS中用了3种不同的波长 所用光源是白色自然光 通过滤波和起偏器获得不同波长和偏振态的