CN104697454A - 一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置，由激光光源产生波长为λ的单色平行光束，经过滤波系统然后照射到细丝上发生一次衍射，后置的空间滤波器只让衍射谱中的±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,再根据方程计算得到细丝的直径a。本发明的益处在于：在原有一次衍射测量法的基础上，加入了高密度光栅，充分利用高密度光栅细分和放大的特性，对细丝的一次衍射频谱进行二次放大，相比于一次衍射法，测量精度更高、稳定性更好、测量范围更大。

Description

一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置

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 $x=l_1\tan \left(\arcsin \frac{{\mathrm{\λ\α}}_m}{\mathrm{\πa}}\right)+l_2\tan \left[\arcsin (\frac{{\mathrm{\λ\α}}_m}{\mathrm{\πa}}+\frac{\mathrm{n\λ}}{d})\right]$ 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。

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的数值等于方程的第m个正数解，该正数解集为

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。

所述的标准衍射件为标准光栅、标准狭缝或者标准细丝的任意一种，标准衍射件到图像传感器之间的距离通过标准衍射件的衍射规律来计算，标准光栅、标准狭缝和标准细丝的衍射公式均为dsinθ＝kλ，其中d为对应的光栅常数、狭缝宽度或者细丝直径，k为可根据实际情况取值的正整数，λ为波长，对于标准光栅，x'为第k级亮级次到衍射谱中心的距离，对于标准狭缝和标准细丝x'为第k级暗级次到衍射谱中心的距离，根据d、k、λ和x'计算得到标准衍射件到图像传感器之间的距离l。

计算衍射谱的级次间距2x或者x'时，对于线阵的图像传感器，直接对测量的一维谱进行降噪、滤波，找到衍射谱分布的亮级次或者暗级次位置来计算衍射级次的像素距离；对于面阵的图像传感器，对采集到的二维图像进行阈值分割、目标检测处理，找到衍射谱中的各个级次的坐标点，从而计算各个级次的像素距离，其中各个级次间距是其像素距离和传感器的单个像元的实际尺寸的乘积。

本发明的有益之处在于：在原有一次衍射测量法的基础上，加入了高密度光栅，充分利用高密度光栅细分和放大的特性，对细丝的一次衍射频谱进行二次放大，相比于一次衍射法，测量精度更高、稳定性更好、测量范围更大。

附图说明

图1是本发明基于双光栅的细丝直径检测装置的结构示意图。

图2是本发明基于双光栅的细丝直径检测方法的原理示意图。

图中附图标记的含义：

1-激光光源，2-滤波系统，3-细丝，4-空间滤波器，5-高密度光栅，6-图像传感器，7-经过细丝一次衍射的谱分布，8-经过光栅二次衍射的谱分布。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示的基于双光栅的细丝直径检测装置，包括：激光光源1、滤波系统2、细丝3、空间滤波器4、高密度光栅5、图像传感器6，其中细丝3和高密度光栅5构成了双光栅系统；所述空间滤波器4、高密度光栅5、图像传感器6均垂直于激光光束所在的光轴；所述滤波系统2的光轴与激光光束所在的光轴重合。

滤波系统2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。细丝3和空间滤波器4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。图像传感器6为线阵或者面阵的电荷耦合元件CCD或互补金属氧化物半导体CMOS。

基于双光栅的细丝直径测量装置的细丝直径检测方法，包括如下步骤：

1)、在开始测量之前，取下图1测量装置中的细丝3、空间滤波器4和高密度光栅5，将标准衍射件放置在细丝3的位置上，打开激光光源1，使其通过标准衍射件发生衍射，图像传感器6测出对应的衍射谱的级次间距，根据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6的距离，也就是细丝3的位置到图像传感器6的距离l₃。

其中，标准衍射件可以是标准光栅、标准狭缝或者标准细丝等可以产生衍射的标准元件。标准衍射件到图像传感器6之间的距离通过这些标准衍射件的衍射规律来计算，标准光栅、标准狭缝和标准细丝的衍射公式均为dsinθ＝kλ，其中d为对应的光栅常数、狭缝宽度或者细丝直径，λ为波长，对于标准光栅，x'为第k级亮级次到衍射谱中心的距离，对于标准狭缝和标准细丝x'为第k级暗级次到衍射谱中心的距离，根据d、k、λ和x'便可以计算得到标准衍射件到图像传感器之间的距离l，其他类型的标准衍射件则使用对应的衍射方程来计算。

计算衍射谱的级次间距时，对于线阵的图像传感器，直接对测量的一维谱进行降噪、滤波，找到衍射谱分布的波峰或者波谷位置来计算衍射级次的像素距离；面阵的图像传感器，则是对采集到的二维图像进行阈值分割、目标检测等处理，找到衍射谱中的各个级次的坐标点，从而计算各个级次的像素距离。而各个级次间距则是其像素距离和传感器的单个像元的实际尺寸的乘积。

2)、使用与1)相同的方法，将标准衍射件放置在装置中高密度光栅5所在的位置，通过测量衍射谱的方法计算得到高密度光栅5到图像传感器6的距离l₂，由此也可以得到所测细丝到高密度光栅之间的距离l₁＝l₃-l₂。

3)、将所测细丝3、空间滤波器4和光栅系数为d的高密度光栅5放回测量装置中的原处，如图2中的光束指向所示，激光光源产生的光束经过细丝发生一次衍射，调整空间滤波器，使得细丝的衍射谱中只有±m级次的亮级次可以通过，形成经过细丝一次衍射的谱分布7，这两个级次的亮级次再经过光栅发生二次衍射，最终的衍射分布为如图2中所示的经过光栅二次衍射的谱分布8。最终的衍射谱由图像传感器采集，通过图像处理的方法计算得到细丝衍射的+m级亮级次经光栅衍射的+n级谱与细丝衍射的-m级亮级次经光栅衍射的-n级谱之间的距离2x。

4)、根据m、n、d、l₁、l₂、2x以及光源的波长λ便可以根据方程 $x=l_1\tan \left(\arcsin \frac{{\mathrm{\λ\α}}_m}{\mathrm{\πa}}\right)+l_2\tan \left[\arcsin (\frac{{\mathrm{\λ\α}}_m}{\mathrm{\πa}}+\frac{\mathrm{n\λ}}{d})\right]$ 求解得到细丝的直径，其中α_m为细丝衍射的第m级亮级次位置，其数值等于方程α＝tanα的第m个正数解，该方程的非零解集为{α＝1.43π,2.459π,3.470π,4.479π…}。利用这个方程计算细丝直径a时，使用二分法或者迭代法等数值计算的方法来求解。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

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。

8.根据权利要求7所述的基于双光栅的细丝直径测量方法，其特征在于，所述的标准衍射件为标准光栅、标准狭缝或者标准细丝的任意一种，标准衍射件到图像传感器之间的距离通过标准衍射件的衍射规律来计算，标准光栅、标准狭缝和标准细丝的衍射公式均为dsinθ＝kλ，其中d为对应的光栅常数、狭缝宽度或者细丝直径，k为可根据实际情况取值的正整数，λ为波长，对于标准光栅，x'为第k级亮级次到衍射谱中心的距离，对于标准狭缝和标准细丝x'为第k级暗级次到衍射谱中心的距离，根据d、k、λ和x'计算得到标准衍射件到图像传感器之间的距离l。

9.根据权利要求5-8任意一项所述的基于双光栅的细丝直径测量方法，其特征在于，计算衍射谱的级次间距2x或者x'时，对于线阵的图像传感器，直接对测量的一维谱进行降噪、滤波，找到衍射谱分布的亮级次或者暗级次位置来计算衍射级次的像素距离；对于面阵的图像传感器，对采集到的二维图像进行阈值分割、目标检测处理，找到衍射谱中的各个级次的坐标点，从而计算各个级次的像素距离，其中各个级次间距是其像素距离和传感器的单个像元的实际尺寸的乘积。