CN105890529A - 测量细丝直径的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量细丝直径的方法，该方法应用于细丝直径测量装置中，该方法包括：将遮挡住衍射主极大，且位于衍射主极大一侧的衍射条纹空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，获取衍射条纹本征频率的实验值；对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合，得到拟合后的本征频率值；根据公式d＝λfν₀，将入射光波长λ，透镜焦距f，拟合后衍射条纹的本征频率ν₀代入，得到细丝直径d。本发明还公开了一种细丝直径测量装置。采用本发明能够精确测量细丝直径。

Description

测量细丝直径的方法及装置

技术领域

本发明涉及精确测量技术领域，特别涉及一种测量细丝直径的方法及装置。

背景技术

图1为夫琅禾费单缝衍射光路示意图。波长为λ的平行光线垂直照射到宽为d的狭缝上，经焦距为f的凸透镜会聚于焦平面上成像，得到焦平面上对应衍射角为θ的P点的光强分布为

$I=I_0{\left[\frac{\sin (\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})}{\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ}}\right]}^2,---\left(1\right)$

其中，公式(1)也称作夫琅禾费衍射理论公式。I₀为位置坐标x＝0时的光强。当衍射角θ很小时，有以下近似关系成立

sinθ≈tanθ＝x/f. (2)

此时，条纹是等间隔的，条纹间距满足以下关系式

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\λf}}{d}.---\left(3\right)$

上式表明了条纹间距△x与狭缝宽度d的关系。根据巴比涅原理：两个互补的障碍物,其夫琅禾费衍射图样和光强分布相同，可以利用测量狭缝宽度的方法测量细丝直径，细丝直径为：

$d=\frac{\mathrm{\λf}}{\mathrm{\Δx}}.---\left(4\right)$

目前，测量细丝直径的一般方法是利用电荷耦合元件(CCD)拍摄衍射图像，先得到衍射条纹光强的空间分布图，再逐个找到衍射条纹的最小值点，从而确定出衍射条纹间距△x的平均值。然后将△x的平均值、λ和f代入公式(4)得到细丝直径。

现有测量细丝直径的方法有以下缺点：

一、激光强度呈现高斯分布，造成衍射条纹光强的空间分布叠加了一个非零的本底，使得图像对比度下降，影响衍射条纹间距的计算，进而影响细丝直径的精确度。

二、现有技术需要采用分辨力较高的CCD，否则受到CCD分辨力的制约，衍射条纹最小值点与实际位置偏离，影响衍射条纹间距的计算，进而影响细丝直径的精确度。

三、激光散斑噪声使得曲线不光滑，波峰与波谷难以定位。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：如何精确测量细丝直径。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种测量细丝直径的方法，该方法应用于细丝直径测量装置中，该方法包括：

将遮挡住衍射主极大，且位于衍射主极大一侧的衍射条纹空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，获取衍射条纹本征频率的实验值；

对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合，得到拟合后的本征频率值；

根据公式d＝λfν₀，将入射光波长λ，透镜焦距f，拟合后衍射条纹的本征频率ν₀代入，得到细丝直径d。

所述获取衍射条纹本征频率的实验值的方法为，将预定频率范围内的幅值极大值对应的频率确定为衍射条纹本征频率的实验值。

优选地，采用经过傅立叶变换后的夫琅禾费衍射理论公式对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合。

本发明还提供了一种细丝直径测量装置，包括：用于输出激光光束的激光器、用于汇聚激光光束的透镜、用于遮住衍射主极大的遮光板、用于接收衍射条纹的接收屏、用于拍摄衍射条纹并输出给计算机进行处理的CCD；

依次设置的激光器、被测细丝、透镜、遮光板、接收屏垂直并穿过激光束的光轴，CCD设置在接收屏前光轴的垂直下方。

所述CCD与光轴的夹角小于5度。

由上述的技术方案可见，本发明将衍射条纹空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，并用经过傅立叶变换后的夫琅禾费衍射理论公式对该实验曲线进行拟合，获取衍射条纹拟合后的本征频率的最优值ν₀。最后再根据公式d＝λfν₀，得到细丝直径。本发明的方法不受激光强度高斯分布的影响，也不受CCD分辨力的制约，激光的散班噪声影响也可以避免。在细丝直径测量装置中利用遮光板来遮挡衍射主极大，从而提高衍射条纹的对比度，使得测量结果更加精确。

附图说明

附图1、夫琅禾费单缝衍射光路示意图。

附图2、本发明实施例提供的细丝直径测量装置的结构示意图。

附图3、单缝衍射条纹理论光强分布曲线示意图。

附图4、除去衍射主极大的单侧理论光强分布曲线示意图。

附图5、本发明一种测量细丝直径的方法流程示意图。

附图6a、本发明设置有遮光板时位于衍射主极大一侧的衍射条纹示意图。

附图6b、未设置遮光板时的衍射图样示意图。

附图6c、设置有遮光板时的衍射图样示意图。

附图7、空域光强分布曲线示意图。

附图8、频域光强分布曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供的细丝直径测量装置的结构示意图如图2所示。该装置包括：用于输出激光光束的激光器101、用于汇聚激光光束的透镜102、用于遮住衍射主极大的遮光板103、用于接收衍射条纹的接收屏104、用于拍摄衍射条纹并输出给计算机106进行处理的CCD105；

依次设置的激光器101、被测细丝100、透镜102、遮光板103、接收屏104垂直并穿过激光束的光轴，CCD105设置在接收屏前光轴的垂直下方。

其中，被测细丝一般用样品架(图中未示)支撑。本发明关键采用遮光板，遮光板位于透镜和接收屏之间，用于遮挡衍射条纹主极大。图3为单缝衍射条纹理论光强分布曲线示意图，横坐标为距离，单位为mm，纵坐标为相对光强。从图3可以看出，由于位于x＝0处的衍射主极大的强度明显高于其它衍射级次，若将衍射主极大屏蔽掉，便可以增强其它级次衍射条纹的对比度，图4为除去衍射主极大的单侧理论光强分布曲线示意图。从图3和图4的比较可以看出，图4中经过遮光板的遮挡，衍射条纹对比度明显提高，从而使得测量结果更加精确。

本发明还将CCD105设置在接收屏前光轴的垂直下方，并与光轴的夹角尽量小，应小于5°角。这样得到的衍射图像不会因为CCD的拍摄位置而引起的衍射条纹在水平方向上的宽度的变化。本发明CCD105设置在接收屏前光轴的垂直下方，接收屏为不透明白屏，接收屏上接收的衍射条纹经过反射会被CCD拍摄到。细丝直径测量装置整体上长度变短，便携性提高。

本发明一种测量细丝直径的方法流程示意图如图5所示，该方法应用于细丝直径测量装置中，该方法包括：

步骤51、将遮挡住衍射主极大，且位于衍射主极大一侧的衍射条纹空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，获取衍射条纹本征频率的实验值；

步骤52、对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合，得到拟合后的本征频率最优值；

具体地，采用经过傅立叶变换后的夫琅禾费衍射理论公式对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合。

步骤53、根据公式d＝λfν₀，将入射光波长λ，透镜焦距f，拟合后衍射条纹的本征频率ν₀代入，得到细丝直径d。

其中，ν₀表示的是衍射条纹的本征频率(1/Δx)。

由此，现有技术中由于受激光强度高斯分布的影响，激光的散斑噪声影响，以及CCD分辨力的制约，使得到的衍射条纹最小值点并不精确，进而得到的衍射条纹间距△x也不精确。通过本发明的方法，不需要像现有技术那样确定衍射条纹的最小值点，进而确定衍射条纹间距△x，因而本发明在得到空域光强分布曲线后，不需要去掉光源呈高斯分布的影响，即不需要去掉高斯本底，也不需要去掉激光的散斑噪声影响，直接通过傅立叶变换得到频域光强分布曲线，获取衍射条纹的本征频率，从而精确得到细丝直径值。激光强度呈现的高斯分布背景，在频域空间位于零频附近位置，而激光散斑噪声的频率远大于细丝特征频率，它们分别位于细丝衍射条纹的本征频率较远的两侧，不影响本征频率的分辨。采用拟合的手段，又避免了CCD分辨力的制约。并且，在细丝直径测量装置中利用遮光板来遮挡衍射主极大，从而提高衍射条纹的对比度，使得测量结果更加精确。

为清楚说明本发明，下面列举具体场景进行说明。

激光器输出波长λ＝650nm，凸透镜焦距f＝361mm。被测细丝以鱼线为例进行说明。激光器发出红色的激光光束，光束经凸透镜汇聚，再经遮光板以后，在接收屏上可显示出衍射图样，然后用计算机控制CCD拍摄衍射图样如图6a所示。图6a为位于衍射主极大一侧的衍射条纹。图6b为未设置遮光板时的衍射图样示意图。过强的主极大易使CCD感光元件达到饱和状态，中间的亮斑使得衍射图像对比度下降，这样便给测量结果带来误差。图6c为设置有遮光板时的衍射图样示意图，中间的阴影部分表示经过遮光板的遮挡，此时，图像对比度大大提高。图6a可以视为图6c阴影部分一侧的衍射图样示意图。

图6a沿x轴的光强分布曲线如图7所示，横坐标为距离，单位为mm，纵坐标为相对光强。对图7的空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，如图8中符号*所构成的分布曲线所示，图8中横坐标为频率，单位为mm^-1，纵坐标为幅值。从图8符号*所构成的分布曲线中，可以得到幅值最大时所对应的衍射条纹的本征频率的实验值。需要说明的是，本发明所定义的细丝直径大都在几十微米到一千微米之间，所以衍射条纹的本征频率基本在接近于0.7mm^-1的范围内波动，所以可以将在0.7mm^-1附近出现的幅值极大值所对应的频率确定为衍射条纹的本征频率的实验值。但是这样得到的并不是最优的本征频率值。因此需要与理论值进行对比来进行修正。我们采用经过傅立叶变换后的夫琅禾费衍射理论公式，选取0.2-1mm^-1频率范围内的点作为样本点，与对应的理论值点进行拟合，得到测量值和理论值方差最小时对应的拟合曲线如图8中实线所示。从图8实线所构成的分布曲线中，可以得到幅值最大时所对应的拟合后衍射条纹的本征频率为0.652mm^-1。

根据公式d＝λfν₀，将入射光波长λ＝650nm，透镜焦距f＝361mm，拟合后衍射条纹的本征频率ν₀＝0.652mm^-1代入，得到细丝直径d＝0.153mm。

本发明所带来的有益效果是：

一、该方法使仪器成本降低但是又不失测量精确度。通常，激光器的输出光束都存在一定的分布，高斯分布是其中的一种分布，造成衍射条纹光强的空间分布叠加了一个非零的本底。然而，由于激光强度呈现的分布本底，在频域空间位于零频附近位置，如图8所示，即位于0～0.2/mm^-1频率区间，位于被测细丝的衍射条纹本征频率较远的一侧，不影响本征频率的分辨。所以本发明在得到空域光强分布曲线后，不需要去掉光源呈高斯分布的影响，即不需要去掉高斯本底，就可以获得精确的衍射条纹本征频率。

二、激光散斑噪声的频率分布在高频位置，要比衍射条纹的本征频率高很多，远远大于1mm^-1，也不影响衍射条纹本征频率的分辨。所以本发明在得到空域光强分布曲线后，也不需要去掉激光散斑噪声的影响，也可以获得精确的衍射条纹本征频率。

三、采用拟合的手段，可以避免CCD分辨力的制约。因此，可以选择普通的激光器，对CCD的分辨力要求也可以适当降低。

四、遮光板的采用，克服了零级过强易使CCD饱和、灵敏度下降的弊病，增强了剩余衍射条纹对比度，从而提高了被测细丝直径的精确度。

五、CCD设置于接收屏前光轴的垂直下方使得细丝直径测量装置整体上长度变短，便携性提高。

综上，通过本发明的细丝直径测量装置和测量方法，可以准确测量钢针、铁丝、铜丝等细丝直径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种测量细丝直径的方法，其特征在于，该方法应用于细丝直径测量装置中，该方法包括：

将遮挡住衍射主极大，且位于衍射主极大一侧的衍射条纹空域光强分布曲线进行傅立叶变换得到频域光强分布的实验曲线，获取衍射条纹本征频率的实验值；

对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合，得到拟合后的本征频率值；

根据公式d＝λfν₀，将入射光波长λ，透镜焦距f，拟合后衍射条纹的本征频率ν₀代入，得到细丝直径d。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取衍射条纹本征频率的实验值的方法为，将预定频率范围内的幅值极大值对应的频率确定为衍射条纹本征频率的实验值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用经过傅立叶变换后的夫琅禾费衍射理论公式对所述频域光强分布的实验曲线进行拟合。

4.一种细丝直径测量装置，其特征在于，包括：用于输出激光光束的激光器、用于汇聚激光光束的透镜、用于遮住衍射主极大的遮光板、用于接收衍射条纹的接收屏、用于拍摄衍射条纹并输出给计算机进行处理的电荷耦合元件CCD；

依次设置的激光器、被测细丝、透镜、遮光板、接收屏垂直并穿过激光束的光轴，CCD设置在接收屏前光轴的垂直下方。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述CCD与光轴的夹角小于5度。