測(cè)量細(xì)絲直徑的方法及裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法，該方法應(yīng)用于細(xì)絲直徑測(cè)量裝置中，該方法包括：將遮擋住衍射主極大，且位于衍射主極大一側(cè)的衍射條紋空域光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行傅立葉變換得到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值；對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到擬合后的本征頻率值；根據(jù)公式d＝λfν0，將入射光波長(zhǎng)λ，透鏡焦距f，擬合后衍射條紋的本征頻率ν0代入，得到細(xì)絲直徑d。本發(fā)明還公開(kāi)了一種細(xì)絲直徑測(cè)量裝置。采用本發(fā)明能夠精確測(cè)量細(xì)絲直徑。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
測(cè)量細(xì)絲直徑的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及精確測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖1為夫瑯禾費(fèi)單縫衍射光路示意圖。波長(zhǎng)為λ的平行光線垂直照射到寬為d的 狹縫上，經(jīng)焦距為f的凸透鏡會(huì)聚于焦平面上成像，得到焦平面上對(duì)應(yīng)衍射角為Θ的P點(diǎn) 的光強(qiáng)分布為
[0003]
(1)
[0004] 其中，公式（1)也稱(chēng)作夫狼禾費(fèi)衍射理論公式。I。為位置坐標(biāo)X = 0時(shí)的光強(qiáng)。當(dāng) 衍射角Θ很小時(shí)，有以下近似關(guān)系成立
[0005] sin Θ ^ tan Θ = χ/f. (2)
[0006] 此時(shí)，條紋是等間隔的，條紋間距滿(mǎn)足以下關(guān)系式
[0007]
(3):
[0008] 上式表明了條紋間距Λχ與狹縫寬度d的關(guān)系。根據(jù)巴比涅原理：兩個(gè)互補(bǔ)的障礙 物，其夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣和光強(qiáng)分布相同，可以利用測(cè)量狹縫寬度的方法測(cè)量細(xì)絲直徑， 細(xì)絲直徑為：
[0009]
(4)：
[0010] 目前，測(cè)量細(xì)絲直徑的一般方法是利用電荷耦合元件（CCD)拍攝衍射圖像，先得 到衍射條紋光強(qiáng)的空間分布圖，再逐個(gè)找到衍射條紋的最小值點(diǎn)，從而確定出衍射條紋間 距Λ X的平均值。然后將Λ X的平均值、λ和f代入公式⑷得到細(xì)絲直徑。
[0011] 現(xiàn)有測(cè)量細(xì)絲直徑的方法有以下缺點(diǎn)：
[0012] -、激光強(qiáng)度呈現(xiàn)高斯分布，造成衍射條紋光強(qiáng)的空間分布疊加了一個(gè)非零的本 底，使得圖像對(duì)比度下降，影響衍射條紋間距的計(jì)算，進(jìn)而影響細(xì)絲直徑的精確度。
[0013] 二、現(xiàn)有技術(shù)需要采用分辨力較高的CCD，否則受到CCD分辨力的制約，衍射條紋 最小值點(diǎn)與實(shí)際位置偏離，影響衍射條紋間距的計(jì)算，進(jìn)而影響細(xì)絲直徑的精確度。
[0014] 三、激光散斑噪聲使得曲線不光滑，波峰與波谷難以定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何精確測(cè)量細(xì)絲直徑。
[0016] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0017] 本發(fā)明提供了一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法，該方法應(yīng)用于細(xì)絲直徑測(cè)量裝置中，該 方法包括：
[0018] 將遮擋住衍射主極大，且位于衍射主極大一側(cè)的衍射條紋空域光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行 傅立葉變換得到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值；
[0019] 對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到擬合后的本征頻率值；
[0020] 根據(jù)公式d = λ f V。，將入射光波長(zhǎng)λ，透鏡焦距f，擬合后衍射條紋的本征頻率 V。代入，得到細(xì)絲直徑d。
[0021] 所述獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值的方法為，將預(yù)定頻率范圍內(nèi)的幅值極大值 對(duì)應(yīng)的頻率確定為衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值。
[0022] 優(yōu)選地，采用經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的夫瑯禾費(fèi)衍射理論公式對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的 實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。
[0023] 本發(fā)明還提供了一種細(xì)絲直徑測(cè)量裝置，包括：用于輸出激光光束的激光器、用于 匯聚激光光束的透鏡、用于遮住衍射主極大的遮光板、用于接收衍射條紋的接收屏、用于拍 攝衍射條紋并輸出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的CCD ;
[0024] 依次設(shè)置的激光器、被測(cè)細(xì)絲、透鏡、遮光板、接收屏垂直并穿過(guò)激光束的光軸， C⑶設(shè)置在接收屏前光軸的垂直下方。
[0025] 所述C⑶與光軸的夾角小于5度。
[0026] 由上述的技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明將衍射條紋空域光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行傅立葉變換得 到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，并用經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的夫瑯禾費(fèi)衍射理論公式對(duì)該實(shí)驗(yàn)曲 線進(jìn)行擬合，獲取衍射條紋擬合后的本征頻率的最優(yōu)值v。。最后再根據(jù)公式d= λ?·ν。， 得到細(xì)絲直徑。本發(fā)明的方法不受激光強(qiáng)度高斯分布的影響，也不受CCD分辨力的制約，激 光的散班噪聲影響也可以避免。在細(xì)絲直徑測(cè)量裝置中利用遮光板來(lái)遮擋衍射主極大，從 而提高衍射條紋的對(duì)比度，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 附圖1、夫瑯禾費(fèi)單縫衍射光路示意圖。
[0028] 附圖2、本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)絲直徑測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 附圖3、單縫衍射條紋理論光強(qiáng)分布曲線示意圖。
[0030] 附圖4、除去衍射主極大的單側(cè)理論光強(qiáng)分布曲線示意圖。
[0031] 附圖5、本發(fā)明一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法流程示意圖。
[0032] 附圖6a、本發(fā)明設(shè)置有遮光板時(shí)位于衍射主極大一側(cè)的衍射條紋示意圖。
[0033] 附圖6b、未設(shè)置遮光板時(shí)的衍射圖樣不意圖。
[0034] 附圖6c、設(shè)置有遮光板時(shí)的衍射圖樣不意圖。
[0035] 附圖7、空域光強(qiáng)分布曲線示意圖。
[0036] 附圖8、頻域光強(qiáng)分布曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例， 對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例提供的細(xì)絲直徑測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該裝置包括： 用于輸出激光光束的激光器101、用于匯聚激光光束的透鏡102、用于遮住衍射主極大的遮 光板103、用于接收衍射條紋的接收屏104、用于拍攝衍射條紋并輸出給計(jì)算機(jī)106進(jìn)行處 理的 CCD105 ;
[0039] 依次設(shè)置的激光器101、被測(cè)細(xì)絲100、透鏡102、遮光板103、接收屏104垂直并穿 過(guò)激光束的光軸，CCD105設(shè)置在接收屏前光軸的垂直下方。
[0040] 其中，被測(cè)細(xì)絲一般用樣品架（圖中未示）支撐。本發(fā)明關(guān)鍵采用遮光板，遮光板 位于透鏡和接收屏之間，用于遮擋衍射條紋主極大。圖3為單縫衍射條紋理論光強(qiáng)分布曲 線示意圖，橫坐標(biāo)為距離，單位為mm，縱坐標(biāo)為相對(duì)光強(qiáng)。從圖3可以看出，由于位于X = 0處的衍射主極大的強(qiáng)度明顯高于其它衍射級(jí)次，若將衍射主極大屏蔽掉，便可以增強(qiáng)其它 級(jí)次衍射條紋的對(duì)比度，圖4為除去衍射主極大的單側(cè)理論光強(qiáng)分布曲線示意圖。從圖3 和圖4的比較可以看出，圖4中經(jīng)過(guò)遮光板的遮擋，衍射條紋對(duì)比度明顯提高，從而使得測(cè) 量結(jié)果更加精確。
[0041] 本發(fā)明還將CCD105設(shè)置在接收屏前光軸的垂直下方，并與光軸的夾角盡量小，應(yīng) 小于5°角。這樣得到的衍射圖像不會(huì)因?yàn)镃CD的拍攝位置而引起的衍射條紋在水平方向 上的寬度的變化。本發(fā)明CCD105設(shè)置在接收屏前光軸的垂直下方，接收屏為不透明白屏， 接收屏上接收的衍射條紋經(jīng)過(guò)反射會(huì)被CCD拍攝到。細(xì)絲直徑測(cè)量裝置整體上長(zhǎng)度變短， 便攜性提尚。
[0042] 本發(fā)明一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法流程示意圖如圖5所示，該方法應(yīng)用于細(xì)絲直徑 測(cè)量裝置中，該方法包括：
[0043] 步驟51、將遮擋住衍射主極大，且位于衍射主極大一側(cè)的衍射條紋空域光強(qiáng)分布 曲線進(jìn)行傅立葉變換得到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值；
[0044] 步驟52、對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到擬合后的本征頻率最優(yōu) 值；
[0045] 具體地，采用經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的夫瑯禾費(fèi)衍射理論公式對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的 實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。
[0046] 步驟53、根據(jù)公式d = λ f V。，將入射光波長(zhǎng)λ，透鏡焦距f，擬合后衍射條紋的 本征頻率V。代入，得到細(xì)絲直徑d。
[0047] 其中，V。表示的是衍射條紋的本征頻率（1/ △ X)。
[0048] 由此，現(xiàn)有技術(shù)中由于受激光強(qiáng)度高斯分布的影響，激光的散斑噪聲影響，以及 CCD分辨力的制約，使得到的衍射條紋最小值點(diǎn)并不精確，進(jìn)而得到的衍射條紋間距Λ X也 不精確。通過(guò)本發(fā)明的方法，不需要像現(xiàn)有技術(shù)那樣確定衍射條紋的最小值點(diǎn)，進(jìn)而確定衍 射條紋間距Λ X，因而本發(fā)明在得到空域光強(qiáng)分布曲線后，不需要去掉光源呈高斯分布的影 響，即不需要去掉高斯本底，也不需要去掉激光的散斑噪聲影響，直接通過(guò)傅立葉變換得到 頻域光強(qiáng)分布曲線，獲取衍射條紋的本征頻率，從而精確得到細(xì)絲直徑值。激光強(qiáng)度呈現(xiàn)的 高斯分布背景，在頻域空間位于零頻附近位置，而激光散斑噪聲的頻率遠(yuǎn)大于細(xì)絲特征頻 率，它們分別位于細(xì)絲衍射條紋的本征頻率較遠(yuǎn)的兩側(cè)，不影響本征頻率的分辨。采用擬合 的手段，又避免了 CCD分辨力的制約。并且，在細(xì)絲直徑測(cè)量裝置中利用遮光板來(lái)遮擋衍射 主極大，從而提高衍射條紋的對(duì)比度，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。
[0049] 為清楚說(shuō)明本發(fā)明，下面列舉具體場(chǎng)景進(jìn)行說(shuō)明。
[0050] 激光器輸出波長(zhǎng)λ = 650nm，凸透鏡焦距f = 361mm。被測(cè)細(xì)絲以魚(yú)線為例進(jìn)行說(shuō) 明。激光器發(fā)出紅色的激光光束，光束經(jīng)凸透鏡匯聚，再經(jīng)遮光板以后，在接收屏上可顯示 出衍射圖樣，然后用計(jì)算機(jī)控制CCD拍攝衍射圖樣如圖6a所示。圖6a為位于衍射主極大一 側(cè)的衍射條紋。圖6b為未設(shè)置遮光板時(shí)的衍射圖樣示意圖。過(guò)強(qiáng)的主極大易使CCD感光 元件達(dá)到飽和狀態(tài)，中間的亮斑使得衍射圖像對(duì)比度下降，這樣便給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。圖 6c為設(shè)置有遮光板時(shí)的衍射圖樣示意圖，中間的陰影部分表示經(jīng)過(guò)遮光板的遮擋，此時(shí)，圖 像對(duì)比度大大提高。圖6a可以視為圖6c陰影部分一側(cè)的衍射圖樣示意圖。
[0051] 圖6a沿X軸的光強(qiáng)分布曲線如圖7所示，橫坐標(biāo)為距離，單位為mm，縱坐標(biāo)為相 對(duì)光強(qiáng)。對(duì)圖7的空域光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行傅立葉變換得到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，如圖 8中符號(hào)*所構(gòu)成的分布曲線所示，圖8中橫坐標(biāo)為頻率，單位為mm \縱坐標(biāo)為幅值。從圖 8符號(hào)*所構(gòu)成的分布曲線中，可以得到幅值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的衍射條紋的本征頻率的實(shí)驗(yàn) 值。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所定義的細(xì)絲直徑大都在幾十微米到一千微米之間，所以衍射條 紋的本征頻率基本在接近于〇. 7_ 1的范圍內(nèi)波動(dòng)，所以可以將在0. 7_ 1附近出現(xiàn)的幅值 極大值所對(duì)應(yīng)的頻率確定為衍射條紋的本征頻率的實(shí)驗(yàn)值。但是這樣得到的并不是最優(yōu)的 本征頻率值。因此需要與理論值進(jìn)行對(duì)比來(lái)進(jìn)行修正。我們采用經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的夫瑯 禾費(fèi)衍射理論公式，選取0. 2-lmm 1頻率范圍內(nèi)的點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，與對(duì)應(yīng)的理論值點(diǎn)進(jìn)行擬 合，得到測(cè)量值和理論值方差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的擬合曲線如圖8中實(shí)線所示。從圖8實(shí)線所構(gòu) 成的分布曲線中，可以得到幅值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的擬合后衍射條紋的本征頻率為0. 652mm、
[0052] 根據(jù)公式d = λ f V。，將入射光波長(zhǎng)λ = 650nm，透鏡焦距f = 361謹(jǐn)，擬合后衍 射條紋的本征頻率V。= 〇. 652mm 1代入，得到細(xì)絲直徑d = 0. 153mm。
[0053] 本發(fā)明所帶來(lái)的有益效果是：
[0054] -、該方法使儀器成本降低但是又不失測(cè)量精確度。通常，激光器的輸出光束都存 在一定的分布，高斯分布是其中的一種分布，造成衍射條紋光強(qiáng)的空間分布疊加了 一個(gè)非 零的本底。然而，由于激光強(qiáng)度呈現(xiàn)的分布本底，在頻域空間位于零頻附近位置，如圖8所 示，即位于0~0. 2/mm 1頻率區(qū)間，位于被測(cè)細(xì)絲的衍射條紋本征頻率較遠(yuǎn)的一側(cè)，不影響 本征頻率的分辨。所以本發(fā)明在得到空域光強(qiáng)分布曲線后，不需要去掉光源呈高斯分布的 影響，即不需要去掉高斯本底，就可以獲得精確的衍射條紋本征頻率。
[0055] 二、激光散斑噪聲的頻率分布在高頻位置，要比衍射條紋的本征頻率高很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于1mm 1，也不影響衍射條紋本征頻率的分辨。所以本發(fā)明在得到空域光強(qiáng)分布曲線后， 也不需要去掉激光散斑噪聲的影響，也可以獲得精確的衍射條紋本征頻率。
[0056] 三、采用擬合的手段，可以避免CXD分辨力的制約。因此，可以選擇普通的激光器， 對(duì)C⑶的分辨力要求也可以適當(dāng)降低。
[0057] 四、遮光板的采用，克服了零級(jí)過(guò)強(qiáng)易使CCD飽和、靈敏度下降的弊病，增強(qiáng)了剩 余衍射條紋對(duì)比度，從而提高了被測(cè)細(xì)絲直徑的精確度。
[0058] 五、C⑶設(shè)置于接收屏前光軸的垂直下方使得細(xì)絲直徑測(cè)量裝置整體上長(zhǎng)度變短， 便攜性提尚。
[0059] 綜上，通過(guò)本發(fā)明的細(xì)絲直徑測(cè)量裝置和測(cè)量方法，可以準(zhǔn)確測(cè)量鋼針、鐵絲、銅 絲等細(xì)絲直徑。
[0060] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)量細(xì)絲直徑的方法，其特征在于，該方法應(yīng)用于細(xì)絲直徑測(cè)量裝置中，該方法 包括： 將遮擋住衍射主極大，且位于衍射主極大一側(cè)的衍射條紋空域光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行傅立 葉變換得到頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線，獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值； 對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到擬合后的本征頻率值； 根據(jù)公式d = λ f V。，將入射光波長(zhǎng)λ，透鏡焦距f，擬合后衍射條紋的本征頻率V。代 入，得到細(xì)絲直徑d。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值的方 法為，將預(yù)定頻率范圍內(nèi)的幅值極大值對(duì)應(yīng)的頻率確定為衍射條紋本征頻率的實(shí)驗(yàn)值。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的夫瑯禾費(fèi)衍射理 論公式對(duì)所述頻域光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。4. 一種細(xì)絲直徑測(cè)量裝置，其特征在于，包括：用于輸出激光光束的激光器、用于匯聚 激光光束的透鏡、用于遮住衍射主極大的遮光板、用于接收衍射條紋的接收屏、用于拍攝衍 射條紋并輸出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的電荷耦合元件CCD ; 依次設(shè)置的激光器、被測(cè)細(xì)絲、透鏡、遮光板、接收屏垂直并穿過(guò)激光束的光軸，C⑶設(shè) 置在接收屏前光軸的垂直下方。5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述CCD與光軸的夾角小于5度。
【文檔編號(hào)】G01B11/08GK105890529SQ201510037159
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月26日
【發(fā)明人】吳益誠(chéng), 孫萍, 馬佳琳, 陽(yáng)熠
【申請(qǐng)人】北京師范大學(xué)