[发明专利]一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置

权利要求书

1.一种基于双光栅的细丝直径测量装置，包括激光光源、滤波系统、细丝，其特征在于，还包括空间滤波器、高密度光栅和图像传感器，所述的激光光源、滤波系统、细丝、空间滤波器、高密度光栅和图像传感器依序排列，细丝和高密度光栅构成双光栅系统；所述空间滤波器、高密度光栅、图像传感器均垂直于激光光束所在的光轴；所述滤波系统的光轴与激光光束所在的光轴重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光栅的细丝直径测量装置，其特征在于：激光光源产生波长为λ的单色平行光束，单色平行光束照射到细丝上发生一次衍射，空间滤波器使衍射谱中的±m级亮级次通过，再经过高密度光栅产生二次衍射，最终的衍射谱图通过图像传感器采集。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光栅的细丝直径测量装置，其特征在于：所述滤波系统由一个双透镜4f系统和一个小孔滤波器组成，小孔滤波器放置在双透镜的频谱面上。

4.根据权利要求2所述的一种基于双光栅的细丝直径测量装置，其特征在于：所述细丝和空间滤波器之间的距离l₀满足夫琅禾费衍射条件，即其中a为细丝直径。

5.一种基于双光栅的细丝直径测量方法，包括如下步骤：由激光光源产生波长为λ的单色平行光束，经过滤波系统滤除光源的弥散斑、改善光源的特性，然后照射到细丝上发生一次衍射，空间滤波器仅使一次衍射谱中的±m级亮级次通过，再经过高密度光栅产生二次衍射得以细分放大，最终的衍射谱图通过图像传感器采集得到，最后通过图像处理计算得到细丝衍射的+m级亮级次经光栅衍射的+n级亮级次与细丝衍射的-m级亮级次经光栅衍射的-n级亮级次之间的距离2x,再由细丝到光栅之间的距离l₁、光栅到图像传感器之间的距离l₂以及光栅常数d并根据方程$x=l_1\tan \left(\arcsin \frac{\mathrm{\λ}{\mathrm{\α}}_m}{\mathrm{\πa}}\right)+l_2\tan \left[\arcsin (\frac{\mathrm{\λ}{\mathrm{\α}}_m}{\mathrm{\πa}}+\frac{\mathrm{n\λ}}{d})\right]$求解得到细丝的直径a；其中，方程中的m和n均为正整数，α_m为细丝衍射的第m级亮级次位置。

6.根据权利要求5所述基于双光栅的细丝直径测量方法，其特征在于，利用所述的方程求解细丝直径a时，使用二分法或者迭代法来求解；方程中的m和n均为可根据实际情况取值的正整数；α_m的数值等于方程α＝tanα的第m个正数解，该正数解集为{α＝1.43π,2.459π,3.470π,4.479π…}。

7.基于权利要求5所述基于双光栅的细丝直径测量方法，其特征在于，细丝到光栅之间的距离l₁、光栅到图像传感器之间的距离l₂的测量方法为：取下测量装置中的细丝、空间滤波器和高密度光栅，分别将标准衍射件放置在所测细丝和高密度光栅的位置上，打开激光光源，使其通过标准衍射件发生衍射，图像传感器测出对应的衍射谱的级次间距，根据所测衍射谱和标准衍射件的参数计算标准衍射件与图像传感器的距离，从而分别测得细丝到图像传感器的距离l₃和高密度光栅到图像传感器的距离l₂，由此也可以得到细丝到光栅之间的距离l₁＝l₃-l₂。