激光衍射傳感器的特性及原理解析

光的衍射（或稱繞射）是光的波動性的反映。當光遇到障礙物或孔時，可以繞過障礙物到達按幾何光學（光的直線傳播）要成為“陰影”的區域或到孔的外面去，這種現象稱為光的衍射。由于光的波長較短，因此只有當光通過很小的孔或狹縫或細絲時，才能有明顯的衍射現象。激光衍射傳感器利用了激光單色性好、方向性好、亮度髙的特點，使光的衍射現象能真正應用于微小直徑、位移、振動、壓力、應變等高精度非接觸測量中。例如，測量0.1 mm以下的細線外徑，測量精度可達0.05 μm。

光束通過被測物產生衍射現象時，在其后面的屏幕上形成光強有規則分布的光斑。這些光斑條紋稱為衍射圖樣。衍射圖樣和衍射物（即障礙物或孔）的尺寸，以及光學系統的參數有關，因此根據衍射圖樣及其變化就可確定衍射物，也就是被測物的尺寸。

按光源 S、衍射物 x和觀察衍射條紋的屏幕 P三者之間的位置，可將光的衍射現象分為兩類：菲涅耳衍射（S，x和P三者間距較小，是有限距離處的衍射）和夫瑯和費衍射（S，x 和 P三者間距無限遠，是無限距離處的衍射）。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和觀察屏到衍射物的距離為無限遠，因此產生的衍射就是夫瑯和費衍射。由此可知，利用兩個透鏡，光源和觀察屏幕分別在兩個透鏡的焦平面上，就可將菲涅耳衍射轉化為夫瑯和費衍射。由于夫瑯和費衍射在理論分析上較為簡單，所以在此僅討論夫瑯和費衍射。

1）夫瑯和費單縫衍射

平行單色光垂直照射寬度為 b的狹縫AB，經透鏡在其焦平面處的屏幕上形成夫瑯和費衍射圖樣。若衍射角為 φ的一束平行光經透鏡后聚焦在屏幕上 P點，如下圖所示，AC垂直 BC，因此衍射角為 φ的光線從狹縫 A和 B兩邊到達 P點的光程差，即它們的兩條邊緣光線之間的光程差為

圖 夫瑯和費單纏衍射原理圖

P 點干涉條紋的亮暗由 BC值決定：BC值為光波半波長λ/2的偶數倍，P 點為暗條紋；BC 值為 λ/2的奇數倍，P 點為亮條紋。用數學式表示如下：

式中，“±”號表示亮暗條紋分布于零級亮條紋的兩側；k=1，2，3…表示相應為第一級、第二級等亮（或暗）條紋。中央零級亮條紋最亮最寬，為其他亮條紋寬度的 2倍。兩側亮條紋的亮度隨級數增大而逐漸減小，它們的位置可近似地認為是等距分布的。暗點等距分布在中心亮點的兩側。當狹縫寬度 b變小時，衍射條紋將對稱于中心亮點向兩邊擴展，條紋間距增大。

當采用氦氖激光器作為光源時，由于激光的方向性好，發散角僅1 mrad，因此相當于平行光束，可以直接照射狹縫。又由于激光單色性好、亮度高，因此衍射圖樣明亮清晰，衍射級次可以很高。此時，若屏幕離開狹縫的距離L遠大于狹縫寬度 b，將透鏡取掉，則仍可在屏幕上得到垂直于縫寬方向的亮暗相間的夫瑯和費衍射圖樣。

由于 φ角很小，因此由上圖和下式可得

式中，k——從φ=0算起的暗點數；x——第k級暗點到中心亮條紋之間距；λ——激光波長；S=xk/k為相鄰兩暗點的間隔。

下圖示出了屏幕離狹縫距離L為1 m時，不同b值所形成的幾種衍射圖樣。由于 b值的微小變化將引起條紋位置和時隔的明顯變化，因此可以用目測或照相記錄或光電測量出條紋間距，從而求得 b值或其變化量。用物體的微小間隔、位移或振動等代替狹縫或狹縫的一邊，則可測出物體微小間隔、位移或振動等值。

不同狹縫寬度b的衍射圖樣

夫瑯和費單縫激光衍射測量裝置的誤差由 L和 xk的測量精度決定。狹縫寬度b—般為0.01？0.5 mm。2）夫瑯和費細絲衍射 由氦氖激光器發出的激光束照射細絲（被測物）時，其衍射效應和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形成夫瑯和費衍射圖樣，如下圖所示。

激光細絲衍射原理圖

與上同理，相鄰兩暗點或亮點間隔 S與細絲直徑d的關系為

當被測細絲直徑變化時，各條紋位置和間距也隨之變化。因此可根據亮點或暗點間距測出細絲直徑。其測量范圍為0.01？0.1 mm，分辨力為0.05 μm，測量精度一般為0.1 μm，也可髙達0.05 μm。

由激光器、光學零件和將衍射圖樣轉換成電信號的光電器件所組成的激光衍射傳感器的特點是：結構簡單，精度高，測量范圍小，需選用1.5 mW較大功率的氮氖激光器，激光平行光束要經望遠鏡系統擴束成直徑大于1 mm（有時為3 mm）的光束。
來源：傳感器專家網