基于CCD的微缝宽激光测量系统的改进

　　0 引言

　　传统的微缝宽度是通过直接投影等方法实现的,但由于该方法不能适应产品质量和生产效率的要求,已趋于淘汰。取而代之出现了一种精度更高, 自动性更强的基于CCD 的非接触式衍射法测量微缝宽度的理论, 但在实际应用中由于测量距离的不确定性, 激光经微缝衍射后产生的衍射图样微弱, 信号的信噪比很低, 衍射图形的锐度不大, 光敏元响应不均匀及杂散光的干扰等因素, 给精密测量带来很多困难, 而且用单线阵CCD 对条纹间距的正交对准有一定的困难, 用面阵CCD 又比较昂贵。基于上述问题, 下面是对该系统装置的改进及精度分析。

　　1 系统改进原理

　　1.1 系统测量光学原理

　　当激光束通过被测微缝后, 形成单缝夫琅和费衍射,如图1 所示。

　　根据夫琅和费衍射公式, 衍射图样上任意点P 的复振幅为:

　　式中z 是微缝边缘与中心点之间的位相差, 该差值决定了衍射条纹光强, 当衍射图样为极值时, 其位相差应该满足z=atanθ=2mπ。这样就得到半径的计算公式:

　　式中ak 为衍射图样中第k 级衍射环的半径; λ为激光波长; l 是衍射微缝至衍射图样的距离; m 是贝塞耳函数的零点值, 当衍射环级数确定时, 该值为常数。为避免衍射距离对测量结果的影响, 上述公式还可写成一个用增量形式表达的公式:

　　因此, 只要确定衍射距离改变量和同级衍射条纹距离的改变量即可求出微缝的宽度。

　　1.2 系统测量原理

　　整个测量系统是在导轨上进行的, 线阵CCD1 与CCD2 分别位于分光棱镜的两个出射面上, 并且两线阵CCD 互相垂直放置, 中心与主光轴重合, 组成正交线阵CCD。展开光路后两个线阵CCD 即等价于两个同面、正交的线阵CCD, 构成于一个正交坐标系。两正交及两分光镜都固定在导轨上, 原理如图2 所示。

　　由He- Ne 激光器发出激光束, 经偏振片进入准直透镜组, 扩束成平行测量光, 其中小孔光阑起空间滤波作用。准直扩束后光线经被测微缝产生衍射, 衍射光束经分光镜分成两束光分别成像在正交CCD 组及CCD3 上面, 其中一束分别和CCD1 与CCD2 相交, 即可从CCD1 和CCD2 得到衍射环与CCD 的四个交点坐标( 如图3 所示) , 所得数据经计算机计算后可得出特定衍射条纹间距。而CCD3 用于测量任意衍射条纹位置。当测量系统轴向移动到导轨另一位置后, 得到移动后新的特定条纹间距, 并计算出移动前后两次间距差Δak , 而CCD3 测量的同级条纹与原位置的差值, 即为导轨移动距离Δl, 代入公式( 8) , 得到被测微缝宽。