【正文】 試技術(shù) 1 激光器， 2 聚焦透鏡， 3 振動反射鏡 , 4 被檢細(xì)絲， 5 成像透鏡， 6 反射鏡， 7 空間濾波器， 8 光電倍增管， 9 數(shù)據(jù)處理器。過去測量 0. lmm以下的細(xì)絲直徑，采用光學(xué)量儀或電測量儀，這類量儀本身測量精度是高的，但由于漆包線，光導(dǎo)纖維等是塑性材料不能用接觸法測量。當(dāng)漆包線直徑有變化時(shí)，衍射條紋間隔變化，光電池兩個(gè)象限的光電流失去平衡，電表不指零。實(shí)際上是一種柔性絲帶，這給測量帶來困難。解決的方法是利用衍射條紋來形成莫爾條紋，形成的方法是 :首先攝取沒有加載荷或已知變形的衍射條紋的照片，用此衍射條紋的負(fù)片作為一塊已知光柵和正在被測的衍射條紋疊加，得到衍射情況下的莫爾條紋，如圖 548b)所示，測定莫爾條紋的間隔，用下式就可計(jì)算出變形量 : 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 七、波前測量 利用小孔的衍射可以獲得標(biāo)準(zhǔn)的波面，只要小孔直徑足夠的小，就可以獲得足夠精度的標(biāo)準(zhǔn)球面波，這就是點(diǎn)衍射干涉儀 (Point Diffraction Interferometers)的原理，這種 PDI干涉儀是當(dāng)代一種輕巧而價(jià)低的測量光學(xué)波陣面的有效工具，其原理示于圖549。因此，激光衍射是一種有效的全場測量，其應(yīng)用的例子很多，例如，變形的衍射全場測量就是一種設(shè)備簡單、技術(shù)可靠的方法，其原理如圖 548a)所示，當(dāng)柱體試樣沒有承載時(shí)，衍射條紋是近于平行的直線，當(dāng)加載后，得到反映柱體變形的二維衍射條紋，用攝影方法就可以精確地研究試樣的二維變形，其靈敏度可以達(dá)到微米級以下。當(dāng)細(xì)絲直徑大于 50微米時(shí)，為保證測量精度，還要用LoronzMire理論對 Fraunhofe:近似作修正，這種方法其重復(fù)性可達(dá) ，用 Fraunhofe近似計(jì)算時(shí)精度是 1℅ 。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) ?在選擇定位條紋時(shí)，一般以取二級或三級衍射條紋為最佳。圖中 a)是傅里葉變換面上的衍射斑分布。內(nèi)圓的一半是 32個(gè)同心圓，另一半圓內(nèi)是 32個(gè)放射狀列陣，用硅片制成。 V1， V2， V3是從計(jì)算觸發(fā)器來的信號， Vm是最后得到的測量信號，其時(shí)間間隔 ，剛對應(yīng)于被測尺寸。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) ?光電探測器 P4接收基準(zhǔn)光源 5的光強(qiáng)信號，用以定標(biāo)。 ? 一般情況下， L和 xk的相對不確定度不超過 %。當(dāng) ，則波面是一個(gè)理想平面。 一、概述 一 、 單縫衍射原理： 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 單縫衍射 ? 夫瑯和費(fèi)衍射的計(jì)算比較簡單，特別是對于簡單形狀孔徑的衍射，通常能夠以解析形式求出積分，并且夫瑯和費(fèi)衍射是光學(xué)儀器中最常見的衍射現(xiàn)象。但實(shí)際上的陰影卻擴(kuò)大了，這是由于光在孔刀的邊緣上發(fā)生了衍射，光線向外曲折 (實(shí)線所示 )，因此，光的衍射區(qū)是 ab與 a ′ b′。由于 很大， 除中央零級以外，光強(qiáng) Iy很小，通常觀察不到。 52 激光衍射計(jì)量技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 一、基本方案及其分析 主要內(nèi)容 二、間隙計(jì)量法 三、反射衍射法 四、分離間隙法 五、互補(bǔ)測定法 六、愛里圓測定法 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 一、基本方案及其分析 方案分類 （ 1）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 (指衍射射分布極值點(diǎn)之間的距離或角量 )的方法（圖 55b中的 t） 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 被測物體 （狹縫，寬度為 ω ） 第一種方法 在記錄點(diǎn) (θ=常數(shù)的點(diǎn) )上衍射條紋的光強(qiáng)與尺寸 w的關(guān)系 表示正比于激光功率的光強(qiáng)度 0IIu??s in /u ? ? ?? ， θ為衍射分布點(diǎn)的角坐標(biāo)值 評估方法 ?線性，被測物體可能的空間位置變化等方面 ?測量要求的靈敏度 ?尺寸變化的動態(tài)范圍 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 確保最大的靈敏度，得到最佳測量位置的 θ坐標(biāo)值為 w與最大靈敏度的關(guān)系式，寫成 (1)靈敏度隨 w(被測尺寸 )的減小而變小，影響小尺寸的精密測量 (2)靈敏度隨 i 增大而變小，即記錄點(diǎn)遠(yuǎn)離衍射中心時(shí)，靈敏度變小，因而希望記錄傳感器盡量靠近中心極大值處 (3)靈敏度與激光功率有關(guān)，要求功率穩(wěn)定的激光器與限制被測物體的空間位移 結(jié)論： 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 圖中曲線表示探測器置于 A點(diǎn)或 B點(diǎn)的信號變化。 光電器件 磁盤 磁頭 θ b) 測量磁盤系統(tǒng)的間隙 c) 直線性偏差 θ 試件 標(biāo)準(zhǔn)反射面 θ 試件 標(biāo)準(zhǔn)刃邊 a) 評價(jià)表面質(zhì)量 圖 514 反射衍射法應(yīng)用實(shí)例 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 四 分離間隙法 ? 在實(shí)際測量中，常會遇到組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)，即存在一個(gè)間隔 w。 ? 當(dāng)被測件尺寸大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸時(shí) ， 光電探測器 P1的信號增大 ， 而 P2的信號減小 ， 被測件尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸使電信號做相反變化 。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 在表面粗糙度方面 ，可測量加工紋理為規(guī)則和比較規(guī)則的回轉(zhuǎn)體外表面的微觀不平度間距及加工時(shí)的走刀量。 當(dāng)以 角的激光束來照射運(yùn)動中的細(xì)絲，照射光直徑為 ，掃描頻率為 2. 5kHz時(shí)，可檢測細(xì)絲上寬約 0. 1 mm，長 2rnm的表面缺陷。用光學(xué)投影法時(shí)又因邊界衍射效應(yīng)，測量不準(zhǔn)。因此，當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)直徑校準(zhǔn)電表零位后，電表上的刻度就反映漆包線的外徑變化，從而可以控制漆包線的生產(chǎn)。 ?利用互補(bǔ)原理，測量薄帶寬度 b，相當(dāng)于測量縫寬為 b的無限長狹縫。在一塊薄的半透明基板上沉積兩個(gè)同心圓環(huán)，如圖中 (a)所示，內(nèi)環(huán)是一個(gè)十分清潔的小圓孔用于接受聚焦的光束并由衍射產(chǎn)生球面波，而較大的徑向區(qū)是半透明的，用以使被測光束通過光強(qiáng)適當(dāng)衰減，圖中 (b)是這二束光產(chǎn)生干涉而提供干涉圖的原理。 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 六、全場測量 激光衍射測量不僅發(fā)生在一點(diǎn)上，而且發(fā)生上在被激光照明的狹縫全長上。實(shí)際上，測定還要用標(biāo)定細(xì)絲直徑 dr來校正，即 d = (ir/r)dr，而 ir是參考細(xì)絲的衍射條紋間隔。當(dāng)衍射條紋通過狹縫光欄照射光電池時(shí)，分界線兩邊接收到的光強(qiáng)就轉(zhuǎn)換成電信號，由差動放大器 9放大，最后由電表 l0顯示。較簡單的一種組合濾波器是同心圓形式，如圖 536所示。 ?這個(gè)光列陣對稱于光軸。 14,15是電源，具體的電子學(xué)功能框圖如圖 526b）所示 激光器 望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng) 被測體 物鏡 避光罩 掃描反射鏡 濾波片 裝置原理圖 圖 526 激光衍射測量儀 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 光電倍增管 射極跟隨器 放大器 微分電路 具有增益的放大器 施密特電路 計(jì)算觸發(fā)器 多諧振蕩器 排出電路 附合電路 圖 526 激光衍射測量儀 信號處理功能框圖 電信號的處理波形如 527所示 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 從光電探測器上得到的電信號 是 VP,VP經(jīng)跟隨器送到放大器的輸入端，它負(fù)載作為微分電路，得到微分信號 Vd， Vd經(jīng)自動增益放大器，進(jìn)入施密特電路，得到脈沖序列 Vu， Vu是邏輯電路的輸入，邏輯電路由計(jì)數(shù)器，附合電路和排出電路組成。沒有物鏡也可以，這時(shí)衍射條紋的尺寸由觀察距離決定，所占空間較大。 2 /Rw ?現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) nRnwx??由公式（ 511） 來計(jì)算 w， nx tn ?為計(jì)算方便，設(shè) ，則 Rwt??現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) y y1 = tg u o ? 2? ? 2? y2 = + + 2dd nwwx nR ??2 2 22() nc R xn n nn R n n Ru w u u ux x x???? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? He— Ne激光器波長穩(wěn)定度一般優(yōu)于 106，這項(xiàng)誤差可不予考慮。 是孔面上波面的振幅分布； 為波面上的位相分布，即孔平面上各點(diǎn)與適合參考點(diǎn)，例如 o點(diǎn)（孔中心點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)）的位相差。 2）夫瑯和費(fèi)衍射，光源和觀察屏距離衍射屏都相當(dāng)于無限遠(yuǎn)，因而又稱為遠(yuǎn)場衍射。 2dR ?? 時(shí)為菲涅爾衍射 R 是孔與屏之間的距離 d 是孔 H的直徑 現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù) 當(dāng)觀察屏 E3處在較遠(yuǎn)的位置上，用透鏡才能觀察到的衍射現(xiàn)象則稱遠(yuǎn)場衍射。因此，當(dāng)單縫在 方向時(shí)，衍射條紋僅沿 x方