激光衍射测量和莫尔条纹技术.pptx

1 1衍衍射射现现象象:光光波波在在传传播播过过程程中中遇遇到到障障碍碍物物时时偏偏离离直直线线传传播播，绕绕到到障障碍碍物物的的几几何何阴阴影影区区的的现现象象。光光的的衍衍射射现现象象是是来来自自同同一一波波前前不不同同点点的的子子波波干干涉的结果。涉的结果。两种类型的衍射现象：两种类型的衍射现象：菲涅耳衍射菲涅耳衍射 夫琅和费衍射夫琅和费衍射4.1 激光衍射测量基本原理激光衍射测量基本原理第四章第四章 激光衍射测量和莫尔条纹技术激光衍射测量和莫尔条纹技术2菲菲涅涅耳耳衍衍射射：当当光光源源和和衍衍射射屛屛都都离离障障碍碍物物有有限限远远时时，也也称称近近场场衍衍射。射。夫夫琅琅和和费费衍衍射射：当当光光源源和和衍衍射射屛屛都都离离障障碍碍物物无无限限远时，也称远场衍射。远时，也称远场衍射。夫夫琅琅和和费费衍衍射射计计算算简简单单，用用处处较较多多，以以后后所所讨讨论论的的均均为为此此类衍射。类衍射。3 3 单缝衍射测量单缝衍射测量a.单缝衍射测量原理单缝衍射测量原理4 4衍射强度分布为衍射强度分布为:式式中中 ,是是衍衍射射角角,是是衍衍射射角角 时时的的衍衍射射强度。强度。由上可知由上可知:1.衍射条纹平行于被测狭缝。衍射条纹平行于被测狭缝。2.当当 时，衍射为暗条纹。时，衍射为暗条纹。5 5b.测量微小尺寸原理测量微小尺寸原理只只要要能能精精确确地地测测出出第第K级级暗暗条条纹纹的的 ，就就能能计计算算出狭缝宽度出狭缝宽度b。第第K级暗条纹级暗条纹 ：零零级级条条纹纹中中心心到到第第K暗暗条条纹纹的的距距离离，L：衍衍射射屛到狭缝的距离。屛到狭缝的距离。6 6当狭缝的尺寸微小变化当狭缝的尺寸微小变化 b 时，第时，第K级暗条纹的位置将移动级暗条纹的位置将移动 分分别别是是第第k个个暗暗条条纹纹在在缝缝宽宽变变化化前前和和变变化化后后距距中央零级条纹中心的距离中央零级条纹中心的距离c.单缝衍射测量方法与应用单缝衍射测量方法与应用 间隙测量法间隙测量法条纹的变化数目条纹的变化数目 N7 7间隙测量法的应用：间隙测量法的应用：可用于测定各种物理量的变化，可用于测定各种物理量的变化，如应变、压力、温度、流量、加速度等。如应变、压力、温度、流量、加速度等。8 8参考物和试件不在同一平面内参考物和试件不在同一平面内 分离间隙测量法分离间隙测量法9 9在在P1处出现暗条纹的条件处出现暗条纹的条件在在P2处出现暗条纹的条件处出现暗条纹的条件101011基于巴俾涅原理基于巴俾涅原理 互补测量法互补测量法光光波波照照射射两两个个互互补补屏屏（一一个个衍衍射射屏屏的的开开孔孔部部分分正正好好与与另另一一个个衍衍射射屏屏的的不不透透明明部部分分对对应应，反反之之亦亦然然。），所所产产生生的的衍衍射射图图样样的的形形状状和和光光强强完完全全相相同同，仅相位差为仅相位差为。S为为暗暗条条纹纹间间距距；xk为为k级级暗暗条条纹位置纹位置1212b值越小，波长值越小，波长 越大，级次越大，级次 k越大，越大，值越大。值越大。假设假设:那么那么:1.灵敏度：灵敏度：d.单缝衍射测量的技术特性单缝衍射测量的技术特性如果如果 的测量分辨率是的测量分辨率是 1313狭缝狭缝b的测量误差为：的测量误差为：2222)()()(kkkkxxkffxkxkfbdddd+=2.测量精度：测量精度：假设测量假设测量 ,f和和 的测量误差分别为的测量误差分别为、f、考虑到环境干扰的影响考虑到环境干扰的影响,1414 这这意意味味着着db的的变变化化量量可可放放大大250倍倍。但但随随着着b的的增增大大，放放大大倍倍数数将将急急剧剧地地减减小小。f 的的增增大大将将受受到到仪仪器器尺尺寸寸的的限限制制。所所以以衍衍射射测测量量的的高高测测量量精精度度只只有有在在测测量量微微小小尺尺寸寸时时才才能能够够得得到到保保证证。这这就就决决定定了了衍衍射射测测量量的的测测量量范围很小。范围很小。3.测量范围：测量范围：1515 如如果果狭狭缝缝宽宽度度太太小小(例例如如 b=1 m),光光学学透透镜镜成成象象的的近近轴轴条条件件得得不不到到满满足足，所所以以b不不能能太太小小。当当b的的范围为范围为:161616圆孔半径aL衍射屏观察屏焦距f中央亮斑(爱里斑)1 圆孔衍射装置示意图圆孔衍射装置示意图1.22(/D)sin01I/I0 圆孔衍射的相对光强曲线圆孔衍射的相对光强曲线衍射强度分布为：衍射强度分布为：圆孔衍射测量圆孔衍射测量171717夫夫琅琅和和费费圆圆孔孔（或或圆圆屏屏）衍衍射射决决定定了了决决定定了了望望远远镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能力。镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能力。圆孔衍射图样圆孔衍射图样 光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率1818 光栅衍射测量光栅衍射测量具具有有周周期期性性的的空空间间结结构构或或光光学学性性能能（如如透透射射率率、折折射射率率）的的衍衍射射屏屏统统称称为为光光栅栅。光光栅栅刻刻线线也也称称为为栅栅线线，栅栅线线间间的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。光栅分类：光栅分类：粗粗光光栅栅（光光栅栅常常数数d远远大大于于照照明明光光波波长长）和和细细光光栅栅（d接接近近或或稍稍大大于于照照明明光光波波长长）；透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅；平平面面光光栅栅和和凹凹面面光光栅栅；黑黑白白光光栅栅和和正正弦弦光光栅栅；一一维维光光栅栅、二二维维光光栅栅和和三三维维光光栅栅；直直线线光光栅栅和和圆圆光光栅栅；物物理理光光栅栅和计量光栅等。和计量光栅等。1919物物理理光光栅栅：光光栅栅刻刻线线细细密密，工工作作原原理理是是建建立立在在衍衍射射分分光光现现象象基基础础上上，主主要要用用途途为为光光谱谱分分析析、波波长长测测定定，广广泛泛应应用于光谱仪和光通信中。用于光谱仪和光通信中。光栅光谱仪装置图光栅光谱仪装置图光栅型波分复用器的结构示意图光栅型波分复用器的结构示意图计计量量光光栅栅：光光栅栅刻刻线线较较粗粗，工工作作原原理理是是莫莫尔尔条条纹纹现现象，主要用于位移的精密测量和控制。象，主要用于位移的精密测量和控制。2021211、莫尔条纹起源、莫尔条纹起源2、1874年年，英英国国物物理理学学家家瑞瑞利利首首次次将将莫莫尔尔条条纹纹作作为为一一种种计计量量测测试试手手段段，开开创创了了莫莫尔尔测测试试技技术。术。3、光光栅栅莫莫尔尔条条纹纹法法：利利用用计计量量光光栅栅元元件件产产生生莫尔条纹的计测方法。莫尔条纹的计测方法。4、可测量角度、长度、振动等。、可测量角度、长度、振动等。5、在在自自动动跟跟踪踪、轨轨迹迹控控制制、变变形形测测试试、三三维维物体表面轮廓测量等方面有广阔的应用。物体表面轮廓测量等方面有广阔的应用。4.2 莫尔条纹测试技术莫尔条纹测试技术22221、遮遮光光原原理理：一一块块光光栅栅的的不不透透光光线线纹纹对对另另一一光栅缝隙的遮挡作用。光栅缝隙的遮挡作用。2、衍射干涉原理：衍射波之间的干涉结果、衍射干涉原理：衍射波之间的干涉结果3、傅傅里里叶叶变变换换原原理理：光光栅栅副副透透射射光光场场分分解解为为不不同同空空间间频频率率的的离离散散分分量量，莫莫尔尔条条纹纹由由低低于于光光栅频率的空间频率项所组成。栅频率的空间频率项所组成。光光栅栅条条纹纹较较疏疏的的可可直直接接用用遮遮光光原原理理来来解解释释；而而光光栅栅条条纹纹较较密密的的用用衍衍射射干干涉涉原原理理来来解解释释更更为为恰恰当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成23231、遮光原理：、遮光原理：几何法几何法-莫尔条纹宽度公式莫尔条纹宽度公式2424两块光栅的交角很小：两块光栅的交角很小：以莫尔条纹对于以莫尔条纹对于Y轴的夹角轴的夹角 表示其方位：表示其方位：两两块块光光栅栅节节距距相相等等时时，莫莫尔尔条条纹纹垂直于栅线交角垂直于栅线交角 的角平分线。的角平分线。2525 序数方程法序数方程法A光栅的栅线序列为光栅的栅线序列为i0，1，,B光栅的栅线序列为光栅的栅线序列为j0，1，,两两光光栅栅的的栅栅线线交交点用点用i,j来表示来表示K=j-i:K=j-i:莫莫 尔尔条纹。条纹。A光栅的栅线方程光栅的栅线方程B光栅栅线的斜率光栅栅线的斜率2626B光栅任意一栅线光栅任意一栅线j与与x轴交点（轴交点（0，j）的坐标）的坐标:由点斜式求出由点斜式求出B光栅栅线方程光栅栅线方程:对应于某一对应于某一k值的莫尔条纹方程值的莫尔条纹方程:2727莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度w及其对及其对y轴的夹角轴的夹角 ：2828（a）横向莫尔条纹横向莫尔条纹 （b）与纵向莫尔条纹）与纵向莫尔条纹29292、衍射干涉原理：、衍射干涉原理：光栅副的衍射级次光栅副的衍射级次 光栅副衍射光的干涉光栅副衍射光的干涉 3030 莫尔条纹的基本性质莫尔条纹的基本性质1、放大性、放大性栅距放大了栅距放大了1/倍倍 微小位移变化放大微小位移变化放大 提高了测量的灵敏度提高了测量的灵敏度 2、同步性、同步性光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度w 3、准确性、准确性当当光光栅栅有有局局部部误误差差时时，由由于于平平均均效效应应，使使光光栅栅缺缺陷陷或或局局部误差对测量精度的影响大大减少。部误差对测量精度的影响大大减少。3131 莫尔条纹测试技术莫尔条纹测试技术1、莫尔条纹测量位移、莫尔条纹测量位移将被测几何量转换为莫尔条纹的变化将被测几何量转换为莫尔条纹的变化 将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换为电信号将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换为电信号 光栅传感器示意图光栅传感器示意图1-灯；灯；2-聚光镜；聚光镜；3-标尺光栅；标尺光栅；4-指示光栅；指示光栅；5-硅光电池硅光电池长度测量长度测量-长光栅长光栅 32a、测量原理、测量原理b、零位光栅、零位光栅记记录录波波形形变变化化周周期期数数（条条纹纹移移动动数）数）N，光栅的位移量，光栅的位移量x=Nw c、辨向与细分、辨向与细分a)标尺光栅标尺光栅 b)指示光栅指示光栅 c)零位脉冲零位脉冲33角度测量角度测量-圆光栅圆光栅 d)径向圆径向圆光栅；光栅；e)形成的条纹；形成的条纹；f)径向光栅条纹解析径向光栅条纹解析图图a)切向圆切向圆光栅；光栅；b)形成的环形形成的环形条纹；条纹；c)切向光栅条切向光栅条纹解析图；纹解析图；34切向圆光栅切向圆光栅 径向圆盘光栅径向圆盘光栅 条条纹纹宽宽度度不不是是一一个个定定值值，随随条条纹纹所所处处位位置置的的不不同而有所变化。同而有所变化。条条纹纹宽宽度度上上等等距距分分布布的的各各点点并并不不对对应应于于一个节距角内光栅的等距位移。一个节距角内光栅的等距位移。R为为圆圆光光栅栅上上某某点点的的刻刻划划半半径径；为为圆圆光光栅栅角角节距；节距；r为小圆半径；为小圆半径；2s为两光栅中心距。为两光栅中心距。35光栅式位移测量特点：光栅式位移测量特点：精度高：可达精度高：可达0.1微米微米大量程测量兼有高分辨力大量程测量兼有高分辨力 可实现动态测量可实现动态测量具有较强的抗干扰能力具有较强的抗干扰能力 362、莫尔偏折法测量光学系统焦距、莫尔偏折法测量光学系统焦距-Talbot距离距离 泰泰伯伯效效应应（Talbot）：平平面面波波照照明明一一个个具具有有周周期期性性透透过过率率函函数数的的物物体体时时，会会在在该该物物体体后后某某些些特特定定距离上重现该周期函数的图像距离上重现该周期函数的图像 37莫尔偏折法是泰伯效应与莫尔条纹技术的结合莫尔偏折法是泰伯效应与莫尔条纹技术的结合 利利用用第第一一块块光光栅栅的的Talbot像像受受相相位位物物体体影影响响的的变变形形与与第第二二块块光栅形成的莫尔条纹发生倾斜来表示被测物体的信息。光栅形成的莫尔条纹发生倾斜来表示被测物体的信息。S为为待待测测透透镜镜与与光光栅栅G1之之间间的的距距离离；为为莫莫尔尔条条纹纹偏偏转转的的角角度度，Z为为Talbot距离。距离。383、莫尔轮廓术测量三维物体形貌、莫尔轮廓术测量三维物体形貌 利利用用一一个个基基准准光光栅栅与与投投影影到到三三维维物物体体表表面面上上并并受受表表面面高高度度调调制制的的变变形形光光栅栅叠叠合合形形成成莫莫尔尔条条纹纹，该该条条纹纹描描绘绘出出了了物物体体的的等等高高线线，通通过过莫莫尔尔条条纹纹分分布布规规律律即即可推算出被测件的表面形貌可推算出被测件的表面形貌。a、阴影莫尔法阴影莫尔法39b、投影莫尔法投影莫尔法40c、扫描莫尔法扫描莫尔法让让一一块块基基准准光光栅栅（投投影影系系统统中中的的光光栅栅G1或或成成像像系系统统的的光光栅栅G2）沿沿垂垂直直于于栅栅线线方方向向作作微微小小移移动动，根根据据莫莫尔条纹同步移动的方向来确定表面的凹凸。尔条纹同步移动的方向来确定表面的凹凸。41莫尔轮廓术的主要优势莫尔轮廓术的主要优势：可可对对三三维维物物体体的的粗粗糙糙表表面面形形貌貌进进行行测测量量，亦亦可可对对镜面形貌测量及大尺寸表面测量；镜面形貌测量及大尺寸表面测量；是一种非接触测量是一种非接触测量 对测量装置的稳定性要求不高对测量装置的稳定性要求不高 易于和高速摄影技术相结合，宜测量动态三维形貌易于和高速摄影技术相结合，宜测量动态三维形貌