第六章 激光衍射测量
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径1. 引言1.1 激光衍射法的基本原理激光衍射法是一种利用激光光束经过细丝时发生衍射现象来测量细丝直径的方法。
其基本原理是将激光光束照射到纺织品细丝上，细丝会散射出具有特定频率和方向的光线。
这些衍射光线经过适当的光学系统，形成明暗交替的衍射斑图。
通过测量这些衍射斑的特性，如斑点之间的距离和角度，可以计算出细丝的直径。
激光衍射法利用了激光光束的高强度和单色性，使其在经过细丝后产生清晰的衍射斑图，从而能够准确测量细丝直径。
与传统的光学显微镜方法相比，激光衍射法具有更高的测量精度和测量范围，能够适用于不同类型和直径范围的纺织品细丝。
激光衍射法通过利用激光的特性和衍射现象，实现了对纺织品细丝直径的精确测量，为纺织品生产和质量控制提供了重要的技术支持。
1.2 纺织品细丝直径的重要性纺织品细丝直径是纺织品品质的重要指标之一。
纺织品细丝直径的大小直接影响着纺织品的质地、手感、透气性和耐磨性等性能。
纺织品细丝直径的精确测量对于调整纺纱工艺、改进纺织品产品质量具有重要意义。
纺织品细丝直径决定了纺织品的织物密度及表面光泽度。
纤维直径较细的纺织品更加柔软细腻，而直径较粗的纺织品则具有较强的耐磨性和结实度。
通过准确测量纤维直径，可以有针对性地调整纺纱工艺参数，生产出更符合市场需求的纺织品产品。
纺织品细丝直径对纺织品的透气性和吸湿性也有影响。
细丝直径较细的纺织品透气性好，吸湿快，适合夏季穿着；而较粗的纺织品则保暖效果更好，适合冬季穿着。
通过准确测量纤维直径，可以根据不同季节和用途要求生产出功能性更强的纺织品产品。
纺织品细丝直径的重要性不言而喻。
精确测量纤维直径将有助于提高纺织品的品质，满足消费者多样化的需求，推动纺织品行业的发展。
研究和应用激光衍射法测量纺织品细丝直径具有重要意义，值得进一步探索和推广。
2. 正文2.1 激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用是一种非常有效的技术方法。
激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
21
我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
4
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
3
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
13
基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径激光衍射法是一种常用的测量纺织品细丝直径的方法。
它通过激光光束照射纺织品细丝表面，并测量衍射图案来获取细丝直径信息。
激光衍射法具有测量精度高、操作简便等优点，在纺织品生产和质量控制中得到广泛应用。
激光衍射法测量纺织品细丝直径的原理如下：当激光光束照射到细丝表面时，光线会受到细丝表面的边缘散射和衍射影响，形成衍射图案。
这个衍射图案可以通过相机或其他光学设备进行观测和记录。
根据衍射图案的特点，可以通过计算和分析来确定细丝的直径。
一般来说，细丝直径与衍射图案中的主分布峰位置有关。
如果细丝直径变大，峰位置会向外移动；如果细丝直径变小，峰位置会向内移动。
通过测量这个移动量，就可以求得细丝的直径。
1. 准备工作：首先需要准备一个激光器和一台相机（或其他光学设备）。
激光器用于产生激光光束，相机用于观测和记录衍射图案。
2. 设置测量装置：将激光器和相机固定在一个支架上，并调整好它们之间的位置和角度。
确保激光光束正常照射到细丝表面，并且相机可以清晰地观察到衍射图案。
3. 进行测量：将要测量的纺织品细丝放置在测量装置下方，确保细丝的表面平整、光滑。
打开激光器，使激光光束照射到细丝表面。
使用相机观测和记录衍射图案。
可以根据需要多次测量，以提高测量精度和可靠性。
4. 数据处理：将记录下来的衍射图案导入计算机软件进行分析。
根据主分布峰的位置，计算出细丝的直径。
一般来说，需要建立一个细丝直径和峰位置之间的关系模型，以便进行准确的计算。
可以使用线性回归或其他数学方法来建立这个模型。
5. 结果展示和分析：将计算得到的细丝直径结果进行展示和分析。
可以将结果以数值或图表的形式呈现，以便进一步的研究和讨论。
【管理资料】激光衍射测量和莫尔条纹技术汇编
✓ 单缝衍射测量
a. 单缝衍射测量原理
2
衍射强度分布为:
I
I0
sin2 2
式中
b
sin
,
是衍射角,
I
0
是衍射角 0 时的衍射
强度。
由上可知: 1.衍射条纹平行于被测狭缝。
2.当 0 , , 2 , n 时，衍射为暗条纹。
3
b. 测量微小尺寸原理 第K级暗条纹
sin
圆孔衍射的相对光强曲线
d 1.22 fa15夫琅和费圆孔（或圆屏）衍射决定了决定了望远 镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能力。
圆孔衍射图样
光学仪器的分辨率
16
✓ 光栅衍射测量
具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射 率）的衍射屏统称为光栅。光栅刻线也称为栅线，栅 线间的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。
光栅光谱仪装置图 光栅型波分复用器的结构示意图
计量光栅：光栅刻线较粗，工作原理是莫尔条纹现 象，主要用于位移的精密测量和控制。
18
19
4.2 莫尔条纹测试技术
1、莫尔条纹起源
2、1874年，英国物理学家瑞利首次将莫尔条 纹作为一种计量测试手段，开创了莫尔测试技 术。
3、光栅莫尔条纹法：利用计量光栅元件产生 莫尔条纹的计测方法。
光栅条纹较疏的可直接用遮光原理来解释；而 光栅条纹较密的用衍射干涉原理来解释更为恰 当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。 21
1、遮光原理： ➢ 几何法
a d1 b d2 cw2S
c2 a2b22a bc os
w
d1d 2
d12
d
2 2
2d1d 2
cos
激光衍射测试技术介绍
演讲人
目录
01. 激光衍射测试技术原理 02. 激光衍射测试技术方法 03. 激光衍射测试技术应用案例 04. 激光衍射测试技术的发展趋
势
激光衍射测试技术原 理
激光衍射现象
激光衍射是光波在传播过程中遇到 障碍物或小孔时，发生散射的现象。
激光衍射现象是由于光波在传播过程 中遇到障碍物或小孔时，发生干涉和 衍射，形成明暗相间的条纹。
应用领域
激光测距：测量距离、速度、加
01
速度等参数 激光雷达：用于自动驾驶、无人
02
机、机器人等领域 激光通信：实现高速、远距离的
03
数据传输 激光医疗：用于眼科、皮肤科、
04
牙科等领域的诊断和治疗
激光衍射测试技术方 法
测试方法分类
01
单光束法：利用 单束激光进行衍 射测试，适用于 简单样品的测试
激光衍射 测试技术 在航空航 天领域的 应用
01
02
03
04
市场前景
激光衍射测试技术在工业生产中的应用越来越广 泛，市场需求持续增长。
随着科技的发展，激光衍射测试技术在科研领域 的应用也越来越多，市场潜力巨大。
激光衍射测试技术在医疗、环保等领域的应用也 在逐步拓展，市场空间广阔。
随着激光衍射测试技术的不断进步，未来市场将 更加多元化，竞争更加激烈。
性质。
激光衍射测试技术 可以分析材料的晶 体结构、晶粒大小、 晶界分布等参数， 为材料的设计和优
化提供依据。
激光衍射测试技术 还可以用于材料的 无损检测，如检测 材料的缺陷、裂纹 等，为材料的质量
控制提供支持。
激光衍射测试技术 在材料分析领域具 有广泛的应用前景， 如金属材料、陶瓷 材料、高分子材料
激光干涉衍射测量
分光棱镜
平板分光器
n1
n2
分光棱镜
偏振分光器
15
n0 >ne e e
o
渥拉斯顿棱镜
双折射偏振分光棱镜
洛匈棱镜
16
干涉仪的分光器件和反射器件
干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图a）、直 角棱镜反射器（图b）、猫眼反射器（图c）
17
Hale Waihona Puke 干涉仪的典型光路布局和移相器6.1 激光干涉测量 6.2 激光衍射测量
1
补充知识：迈克尔逊干涉仪
• 迈克尔孙干涉仪原理图( i1= 0，光垂直入射)
M1
M2/
P
G1
G2
S
L1 L2 F A
M2
2
迈克尔孙干涉仪原理图(
M1 M2/
i1≠ 0)
G1（分光板）
G2（补偿板）
L1 S
M2
L2
A
F
3
4
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的， 这样，发生干涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄 膜反射形成的。
B2 S2
D2
考伦凯维奇型激光干涉仪的光路系统
S—氦氖激光器； T—准直透镜； C1—反射棱镜； R1、R2—转向棱镜； C2—角锥棱镜； S1、S2—光栏； B1、B2—分光镜； D1、D2—光电接收器；
24
JG-Ⅱ型激光干涉仪的光路系统
M1
M2
J
PBS C1 C2
T
S1 D1
M3
B1 M4
B2
激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路 布局
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
激光衍射法是一种常用于测量纺织品细丝直径的非接触式测量方法。
它利用激光光束通过纺织品细丝产生的衍射现象，结合适当的数学模型，可以准确地计算出细丝的直径。
在激光衍射法测量纺织品细丝直径时，首先需要准备一台激光仪器。
这台仪器通常由激光光源、光电探测器、计算机等组成。
激光光源会发出一束单色激光光束，经过透镜后形成平行光束照射到样品上。
当激光光束通过纺织品细丝时，会产生衍射现象，衍射光会被光电探测器接收到。
通过测量衍射光的强度分布，就可以计算出细丝的直径。
具体测量时，可以选择两种方式进行激光衍射法测量纺织品细丝直径，分别是垂直衍射法和平行衍射法。
垂直衍射法是将激光光源正对纺织品细丝，由光电探测器接收衍射光。
这时，细丝直径与衍射光的分布图案有直接的关系。
通过分析衍射光的强度分布，可以计算出纺织品细丝的直径。
由于纺织品细丝与光轴垂直，所以在计算时需要考虑细丝的俯视角等因素，以减小误差。
无论是垂直衍射法还是平行衍射法，都需要进行一定的数据处理和计算才能得到准确的纺织品细丝直径。
常用的处理方法包括傅里叶变换、图像处理等。
在实际测量中还需要考虑一些影响因素，如光源的波长、细丝的折射率等。
光电测量 第六讲 干涉与衍射测量
一、干涉测量
1.
干涉与衍射测量
光干涉基本原理
（1）基于电磁场的线性叠加原理 （2）各点电场矢量的矢量和： E = E1 + E 2 + ... 各点电场矢量的矢量和： （3）由于麦克斯韦方程为线性微分方程，所以其解的线性组合仍然是其解 由于麦克斯韦方程为线性微分方程， （4）强激光高强度电磁场情况下，有明显的线性偏差 强激光高强度电磁场情况下， E：电场强度矢量 ：
2 2 2
N λ0 ∆λ0 λ0 N λ0 ∆n 2 2 2 2 ∆L = + ∆N + + [(20 − t ) L0 ∆a] − (aL0 ∆t ) + (∆δ ) + (∆x) 8n n 8n λ0 8n
第六讲
干涉与衍射测量
P点： E ( P, t ) = A cos ϖ (t − k0 ⋅ r ) + φ = A cos(ϖ t − k ⋅ r + φ )
c
P点比原点的光扰动时间滞后：k0 ⋅ r c
平面波：与传播方正交的平面上场点的相位相同。 平面波：与传播方正交的平面上场点的相位相同。
第六讲
பைடு நூலகம்ϖk 0
= E1 + E 2 + 2 E1 • E 2 cos θ
2 2
相位差： θ
= k1 • r − k2 • r + (δ1 − δ 2 ) = r • (k1 − k2 ) + (δ1 − δ 2 )
干涉的四种情况： 干涉的四种情况 ： （ 1）振动方向正交 ； （ 2）振动方向随机变化 ； （ 3）振动方向恒定且 ） 振动方向正交； ） 振动方向随机变化； ） 不正交，初相位为时间的函数，则初相位差在不同时间间隔内随机取值； 不正交 ， 初相位为时间的函数 ， 则初相位差在不同时间间隔内随机取值 ； （ 4）稳定的平 ） 干涉的四种情况：请同学们分析！ 干涉的四种情况：请同学们分析！ 均振动方向，不正交。无限长时间内初相位保持恒定或初相位随是时间的函数，非恒量， 均振动方向，不正交。无限长时间内初相位保持恒定或初相位随是时间的函数， 非恒量， 但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定。 但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定。
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用绝对法,求出变化前后的两个缝宽b和b’，然后相减。也可以
用增量法。后者所用公式为
b'b k k' (k k' ) N
12
sin sin
sin
sin
反射衍射测量法
反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行 衍射测量的。
反射衍射法原理图
在P点处出现第级暗条纹的光程差应满足 2bsin 2bsin k
巴比涅互补衍射屏
爱里斑测量法
基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。 原理：用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的 直径。 下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔 径的原理图。
喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图
激光衍射测量的应用（1）
薄膜材料表面涂层厚度测量 ：使用分离间隙法，图示为其 原理。
第六章 激光 衍射测量
广学 明德 海纳 厚为
6.1 激光衍射测量
光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其
传播方向会偏离直线传播，弯入到障 碍物的几何阴影中，并呈现光强的不 均匀分布的现象。
2
两类衍射
3
4
单缝衍射
夫琅禾费单缝衍射基本光路
5
6
7
6.2.1 激光衍射测量原理
光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之 间的位置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 单缝衍射测量：
单缝衍射测量的原理：单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为：
I
sin2 I0 2
b
sin
暗条纹
k
sin
tan
xk
L
衍射测量原理图
单缝衍射测量的基本公式:
b kL
xk
,
当被测物体尺寸改变δ 时，相当于狭缝尺寸改变δ ，衍射 条纹的位置也随之改变,可得
b k1L zxk1 k2 L zxk 2
xk1 2L xk2 2L
分离间隙法原理图
互补测量法
激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅互补定理。 巴俾互补涅定理：如下两个互补屏。当用平面波照射时，它 们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，仅相位相差。 可以测量细丝、薄带； 互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.01~0.1mm，测量精 度可达到0.05微米。
]2
x 2a sin 1.22
d 1.22 f '
a
圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图 11
间隙测量法
其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图(a)。作工件 形状的轮廓测量，如图(b)。作为应变传感器使用，如图(c)。
间隙测量法的应用
用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b’-b,可采
薄膜材料表面涂层厚度测量
激光衍射测量的应用（2）
薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带(一般宽
度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互补测量法进行测量。 在测量时要求薄带相对激光束的光轴有准确的定位，否则 将引起测量误差。图示是薄带宽度测量原理图。
薄带宽度测量原理图 18
在该图的几何关系下缝宽可以表示为
b kL
2xk
c os
xk 2L
s in
13
分离间隙法
利用参考物与被测物不在同一平面内情况下所形成的衍射 条纹进行精密测量的方法称为分离间隙法。
测量出正负不同级次k1和k2上的暗条纹的位置xk1和 xk 2 即可
由下式计算出狭缝宽度和间隔
b
b0
kL
1 xk
1 xk0
单缝衍射测量的分辨力、精度和量程:
db b2 t
dxk kL
b
2
kL xk
k
xk
2
L
kL
xk2
xk
2
圆孔爱里
10
圆孔衍射测量
IP
I
0
[
2
Jபைடு நூலகம்
1( x
x)