Дифракционного распределения

В большинстве случаев анализируют дифракционное изображение объекта в фокальной плоскости объектива, что позволяет получить необходимый размер дифракционного изображения и уменьшить влияние положения измеряемого объекта на результат измерения. Дифракционное распределение интенсивности, получаемое в фокальной плоскости идеального объектива, инвариантно к смещениям измеряемого изделия, расположенного перед ним.

где Р0 = P'D — интенсивность в центре дифракционной картины; Р'—величина, пропорциональная мощности источника излучения; Ф — угловая координата точек дифракционного распределения. Вид этого распределения показан на рис. 147, б. Относительные величины максимумов интенсивности, начиная с центрального, составляют ряд: 1; 0,045; 0,016 и т. д. При изменении размера D величина дифракционных максимумов также изменяется. Таким образом, анализируя дифракционное распределение, полученное от измеряемого изделия, можно определить его геометрические параметры. На рис. 147, в приведена фотография дифракционных

Для увеличения быстродействия, точности и удобства измерения размера изделия при сохранении всех других отмеченных достоинств способа измерения размеров по расстоянию между экстремальными точками дифракционного распределения целесообразно преобразовывать дифракционное распределение в электрический сигнал, выделять его экстремальные точки и измерять временной интервал между экстремальными точками электрического сигнала, соответствующего дифракционному распределению. Выходным параметром, подлежащим измерению, в этом случае является временной интервал т,„? „, соответствующий угловому (фт,„) или линейному (/т, „) расстоянию между выбранными экстремальными точками дифракционного распределения.

(К = 0,63 мкм), имеющие высокую когерентность. Формирователь пучка 2 используется для получения заданной формы и размера поперечного сечения пучка излучения лазера. Обычно он представляет собой телескоп Галилея или Кеплера, но иногда может иметь и более сложную оптическую схему [183]. Формирователь дифракционного изображения 4 представляет собой объектив, служащий для получения дифракционного изображе-жения, соответствующего дальней зоне. Объект измерения 3 обычно располагают перед объективом, так как тогда дифракционное распределение интенсивности в фокальной плоскости инвариантно относительно смещений изделия. При необходимости осуществить измерения в широком диапазоне изменений размеров нужно иметь набор сменных объективов с различным фокусным расстоянием, чтобы обеспечить необходимый размер дифракционной картины в плоскости регистрации.

Наибольший практический интерес представляют устройства, использующие предварительное преобразование дифракционного распределения в электрический сигнал с последующим его автоматическим анализом и выделением информации о расстоянии между экстремальными точками дифракционного распределения. Такие устройства позволяют повысить точность, быстродействие и автоматизировать процесс измерения. Следует заметить, что из-за многоступенчатого преобразования сигнала в таких устройствах не всегда удается с достаточной точностью расчетным путем связать абсолютное значение измеряемого размера с показаниями оконечного регистрирующего прибора и такие измерители, как правило, нуждаются в предварительной калибровке. В измерителях этого типа чаще всего осуществляют измерение временного интервала, соответствующего расстоянию между выбранными экстремальными точками электрического сигнала, описывающего дифракционное распределение. Ниже приводится описание наиболее перспективных измерительных устройств. Эти устройства в основном отличаются выполнением блоков 5 и б (рис. 150).

В работе [183] описан другой вариант устройства, позволяющий избавиться от механических перемещений при измерении, что делает его более перспективным. Исследуемое изделие облучают узким пучком, расширенным в направлении геометрической оси изделия. Получаемое дифракционное распределение образует со щелевым фильтром муаровую картину (рис. 156, б). В положении ylt в котором образцовый фильтр подходит к дифракционному распределению интенсивности, за фильтром будет наблюдаться прямая линия нулевой интенсивности. Ось у может быть прокалибрована и таким образом получено однозначное соответствие с измеряемым диаметром изделия. Процесс измерения в этом устройстве может быть визуальным или с помощью электронных средств. В последнем случае в одном из вариантов используется телевизионная камера. Изображение плоскости фильтра располагают так, что линии сканирования параллельны направлению х. Число линий, отсчитываемых от верхней части фильтра, дает величину, пропорциональную размеру щели. В другом варианте устройства осуществляют более сложное преобразование функции в плоскости объекта и получают яркую полосу, расположенную вдоль оси х и соответствующую положению темной муаровой линии на уровне уг. Измерение в этом случае может быть осуществлено рядом фотоэлектрических датчиков. Преимуществом

Рассмотрим вторую группу погрешностей. Смещение изделия поперек и вдоль лазерного пучка приводит к изменению длительности временного интервала тт„, что связано с изменением оптических аберраций, а также с влиянием неравномерности распределения интенсивности и когерентности в лазерном пучке на дифракционное распределение.

Так как интенсивность и когерентность в поперечном сечении лазерного пучка непостоянны, при смещении изделия изменяются характеристики облучающего поля, что влияет на дифракционное распределение и результат измерения. Уменьшить это влияние можно соответствующим формированием луча и выбором режима работы лазера, в результате чего неоднородность свойств в поперечном сечении луча минимальна.

Поскольку дифракционное распределение интенсивности от отверстий имеет вид, аналогичный дифракционному распределению от провода или щели, описанные приборы могут использоваться для контроля их диаметра и формы. Однако освещенность дифракционных максимумов при этом будет значительно ниже. Для увеличения их освещенности целесообразно увеличивать с помощью оптики плотность лазерного излучения в области отверстия, а также использовать более мощные лазеры. Кроме того, возникает необходимость обеспечения линейного сканирования дифракционных колец через их центр, для чего используют вместо щелевой диафрагмы перед фотоприемником точечную диафрагму либо видикон.

Указанное обстоятельство затрудняет измерение"1''внешних геометрических параметров волокна. Положительным фактором является то, что в рассеянном поле содержится информация как о внешних, так и о внутренних геометрических параметрах волокна, если оно имеет сложную структуру. Однако следует учитывать, что изменение свойств материала (показателя преломления, внутренних напряжений и т. д.) может восприниматься как изменение его геометрических параметров. Поэтому если необходим контроль только внешних геометрических параметров волокна, целесообразно проводить измерения в области, где волокна непрозрачны, для чего нужно исследовать спектральные характеристики материала волокна и выбрать соответствующий источник излучения. При этом дифракционное распределение в дальней зоне с достаточной точностью соответствует случаю дифракции Фраунгофера на щели и изменение свойств материала волокна практически не сказывается на дифракционном распределении. В данном случае для измерений могут быть использованы методы и приборы, описанные выше.

В большинстве случаев анализируют дифракционное изображение объекта в фокальной плоскости объектива, что позволяет получить необходимый размер дифракционного изображения и уменьшить влияние положения измеряемого объекта на результат измерения. Дифракционное распределение интенсивности, получаемое в фокальной плоскости идеального объектива, инвариантно к смещениям измеряемого изделия, расположенного перед ним.

В приборе для измерения диаметра тонких цилиндрических изделий (проволок, волокон и т.д.) (рис. 4, г) пучок излучения когерентного источника претерпевает дифракцию на изделии, и в плоскости сканера образуется дифракционное изображение изделия, соответствующее дифракции Фраунгофера. Дифракционное распределение интенсивности преобразуется в электрический сигнал, описывающий это распределение. Блок обработки электрического сигнала формирует прямоугольный импульс, длительность которого однозначно связана с расстоянием между выбранными минимальными точками дифракционного распределения. В приборе используется объектив, обеспечивающий величину дисторсии в пределах ± 0,2 % при смещениях объекта измерения в пределах ± 5 мм вдоль пучка излучения и ± 2,5 мм поперек пучка. Погрешность измерителя не превышает ± 0,5 % при смещениях объекта в указанных пределах.

Дифракционные способы измерения основаны на анализе линейного или углового размера между экстремальными точками дифракционного распределения. Основными преимуществами такого способа измерения являются повышение чувствительности при уменьшении измеряемого размера, незави симость результата измерения от мощности источника излучения.

Наибольшего диапазона измерения размеров объекта при дифракционном способе, основанном на анализе углового или линейного размера дифракционного распределения, можно достигнуть, обеспечивая «привязку» процесса измерения к одному и тому же дифракционному порядку. При этом диапазон измерения может быть значительным ввиду монотонной зависимости размера определенного максимума дифракционного распределения от размера объекта.

распределение интенсивности преобра^ зуется в электрический сигнал, описывающий это распределение. Блок обработки электрического сигнала формирует прямоугольный импульс, длительность которого однозначно связана с расстоянием между выбранными минимальными точками дифракционного распределения. Обычно в приборе используется объектив, обеспечивающий Величину дисторсии в пределах ±0,2 % при смещениях объекта измерения в пределах ±5 мм вдоль пучка излучения и ±2,5 мм — поперек пучка. При этом погрешность измерителя не превышает ±0,5 % при смещениях объекта в указанных пределах.

Наибольшее практическое применение в измерительных системах находит дифракция Фраунгофера, обычно наблюдаемая в фокальной плоскости объектива (рис. 147, а). Большим преимуществом в этом случае является инвариантность дифракционного распределения относительно пространственного смещения измеряемого объекта.

где Р0 = P'D — интенсивность в центре дифракционной картины; Р'—величина, пропорциональная мощности источника излучения; Ф — угловая координата точек дифракционного распределения. Вид этого распределения показан на рис. 147, б. Относительные величины максимумов интенсивности, начиная с центрального, составляют ряд: 1; 0,045; 0,016 и т. д. При изменении размера D величина дифракционных максимумов также изменяется. Таким образом, анализируя дифракционное распределение, полученное от измеряемого изделия, можно определить его геометрические параметры. На рис. 147, в приведена фотография дифракционных

Возможности дифракционных измерителей в сильной степени зависят от выбора регистрируемых параметров дифракционного распределения, по которым судят об измеряемом размере. В зависимости от вида регистрируемых параметров дифракционные способы измерения можно разделить на две большие группы: 1) способы, основанные на регистрации интенсивности дифракционного распределения в фиксированных точках (например, точках А и В на рис. 147, б); 2) способы, основанные на регистрации характеристических размеров (угловых или линейных) дифракционного распределения (например, расстояния / между экстремальными точками дифракционного распределения).

Анализ возможностей дифракционных способов целесообразно начать с рассмотрения зависимости регистрируемого параметра дифракционного распределения от размера объекта. Если в качестве объекта измерения выбрать щель шириной D, то для способов первой группы, использующих регистрацию интенсивности дифракционного распределения в фиксированных точках, зависимость интенсивности дифракционной картины в точке регистрации (ф = const) от размера D в соответствии с выражением (182) будет иметь вид

Значения координаты <р, соответствующей точке дифракционного распределения, в которой обеспечивается наибольшая чувствительность к изменению размера D, можно получить из уравнения

Рассмотрим также на примере щели дифракционные способы, использующие для измерения характеристические размеры дифракционного распределения-расстояния (угловые или линейные) между его экстремальными точками.

Угловой размер, соответствующий расстоянию между точками минимальной интенсивности дифракционного распределения, определяется так:

где т, п — номера минимумов дифракционного распределения; т, п = ±1; ±2; ±3; ...