提高激光衍射图样暗纹间距测量精度的一种新方法
摘 要:根据间距插值细分的理论,介绍用硬件电路的方法来提高激光衍射图样暗纹间距的测量精度,给出了电路框图和模拟实验结果。结果表明,在激光衍射测微中,用硬件插值细分的方法可以使其测量精度更为精确。
利用激光衍射测量细丝(如光导纤维、漆包线、纱线
和微小孔等)的直径关键在于衍射图样暗纹间距 的测
量。目前,为了提高器件的分辨率和测量精度, 的测量
主要采用高位数(2 048 b以上)、小中心距(7~13μ m)的
固体图像传感器(SSPA或CCD)[1~3],但成本增加,而且
器件中心距的减少总是有限的,随着中心距的减少、器件
的光响应不均匀性增大,从而影响测量精度,这样器件的
应用受到了一定的限制(特别是低位数、大中心距的器
件);另一种方法是利用最小二乘法对衍射图样进行曲线
拟合[1~3] ,但要多次采集数据,次数越多测量精度越高。为
此本文根据间距插值细分的原理,在硬件电路方面对固体
图像传感器输出信号进行间距插值处理,理论上讲这种插
值是充分的,因而测量精度不再受固体图像传感器像元中
心距大小的限制。
1 激光衍射测量原理
直径为d的细丝和不透明屏上宽度为d的单缝可看成
一对互补屏,依据Babinet原理.激光束照射到被测细丝上,
在接收屏上可形成和单缝衍射相同的夫琅禾费衍射条
纹“ ,在距细丝L处用固体图像传感器接收其衍射信号。只要满足远场衍射条件L>> d^2/λ,其中:d为细丝直径;入为He—Ne激光波长;L为细丝到接收屏的距离,如图1所示。
出现暗条纹的条件是:
dsinθ= kλ ( 1 )
其中:为k暗纹级数;θ为被测细丝到第五级暗纹的连线和
光线主轴的夹角,当θ很小时,sin θ=tan =θ= Xk/L,则可
得:
(2)
其中: x为第五级暗条纹到光轴中心的距离;S 为暗纹周
期,而暗纹周期是相等的。因为激光波长是已知的,所以测
细丝直径d的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
变为通过固体图像传感器测量暗纹周
期和L的问题,对式(2)全微分,得到:
由于激光波长误差△ 极小(< 10^-5λ),可忽略不计
所以,测量精度主要在于提高测量J乙和 的精度。J乙的测定
利用标准细针(丝)对测量系统进行标定,通过解方程的方
法可以消除其影响。因此,关键在于 的精确测量,测量误差主要源于ΔS。
2 固体图像传感器的输出信号
固体图像传感器的输出是离散的时间信号。其作用可分解为:空时域转换、光电转换、离散化(或称调制)。所以固体图像传感器在完成空时域和光电转换的同时,也完成调制作用,调制相当于采样器功能。固体图像传感器输出为:
其中: (£一是 )是单位脉冲函数; (£)表示离散的断续脉冲函数。
从式(4)可以看出:采样器相当于一个脉冲调制器。连
续信号 。(£)为调制信号。
所以,固体图像传感器把连续空间分布的光强函数(z)变成了一串调幅脉冲,且是按等时间采样的,其采样间隔为T,且每一丁 对应每一间距P(户是像元中心距。对于型号为CL一64的64 b SSPA,P=72μm),整个上述过程都由固体图像传感器自动完成。
3 硬件间距插值的原理和电路框图
(5)
图2中,解调器用零阶保持器,其特点是简单明了,幅值无衰减。零阶保持器不是理想低通滤波器,高频分量仍有一部分能够通过。要进一步恢复出信号V0(t)。必须再滤掉高频部分。本文即是在零阶保持后,再加有源低通滤波器,进一步滤掉高频分量,恢复出V。(t)信号。连接间断点部分是为了避免每个扫描周期起始过程的影响。对CL一64型64 b的SSPA起始影响达十几b。最小暗信号跟踪和减法放大器是为了提高插值的分辨率。若采用A/D转换,则高频调制改为采样保持,采样周期fH应满足式(6),即可达到插值。
4 结 语
在激光衍射测微应用中通常是求光强分布 I(x)的两极小值(或极大值)之间的相对距离。从上面实验可以看出:
(1)对于频率有限(正弦波),其恢复信号波形不失真。当然极小(极大)值间距就不变。
(2)对于频率无限(三角波),其恢复信号波形有失真。但其极小值(极大值)问的相对值不变。因此,当信号频谱是无限时,若测量中只求极小(极大)值间的相对值,这种方法仍可采用。
(3)利用硬件间距插值细分的方法能够更准确地找到两极小值之间的相对距离, fH越高,测量精度就越高,不受器件中心距大小的限制,并能进行在线测量。这种方法另外的优点是同时消除了器件自身响应的不均匀性。该方法为低位数和大中心距的固体图像传感器在激光衍射测微中提高测量精度提供了一条好的途径,同时对光系统
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
也可简化。
参 考 文 献
[1]袁祥辉.固体固体图像传感器及其应用 重庆大学出版社
[2] 大学物理讲义 哈工大
[3] 苏显俞 信息光学 科学出版社