[发明专利]一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试方法和装置，具体涉及一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置。

背景技术

衍射光栅是一种能对入射光波的振幅和相位进行空间周期调制的光学元件，因其强大的分光特性而在测试测量场合得到广泛应用。随着现代制造工艺的日趋精湛，光栅的线数可以越做越大，其放大和细分的能力也越来越强，使得高密度光栅在高精度的测试测量应用中占据着不可替代的位置。

微米量级细丝直径的测量在实验室研究以及微型加工工艺中具有特别重要的意义，尤其是在微型机械、生物仪器、光电加工、纺织等不同领域产品的行业中，许多场合要求对微米量级细丝进行精确的测量。相对于机械或者其他接触式的测量方法，基于光的衍射的测量方法可以很好地克服接触式测量产生的形变以及精度低的缺点，能够对微米量级细丝进行精确的测量，测量误差也小，易达到各种场合的测量要求。

本发明利用光栅的细分放大特性，在一次衍射法测量细丝直径的基础上加入高密度衍射光栅，发生二次衍射，得到放大的衍射谱，这样可以有效提高测量的精度、增大测量的稳定性。

发明内容

为解决现有技术的不足，突破衍射测径技术的瓶颈，本发明的目的在于，提供一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置，充分利用高密度光栅的细分放大特性，有效地提高现有衍射测径技术的测量精度。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

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。

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，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。

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。

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。

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。

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＝ tan α 的第m个正数解，该正数解集为{ α＝ 1.43 π ,2.459 π ,3.470 π ,4.479 π… } 。

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。