用散斑图测试金属表面粗糙度的探讨

1　夫琅和费衍射的探讨

　　光通过障碍物会偏离直线传播,使光的强度重新分布。若光源S和屏幕Sc距离障碍物足够远,观察光强度分布情况,这就是夫琅和费衍射。下边对夫琅和费衍射进行简单讨论。见图1:

　　AB为缝的截面,宽度为a,光传递到达单缝处刚好为一个平面波阵面,此波阵面可以看成为许多平行于缝的长边的窄条带面积元。次级子波从每一个窄条带面积元沿各个方向传播出去,缝处波阵面上各点发出的子波同时到达某一点处,就会产生干涉。S为线光源,置于透镜L1的前焦平面上, Sc屏幕(观察面)置于透镜L2的后焦平面上。S发出的光,经L1成平行光,照射到缝AB上,经AB衍射的光线,通过L2的会聚作用,在Sc上出现衍射图样。衍射图样分析如下:

　　Sc的中心处P0,从缝处各子波源发出的和透镜L2的光轴OP0平行的光线,经过L2后,合聚于P0处,因子波振动相位相同,叠加干涉相互加强。

　　Sc上的任意一点P,从缝各子波源发出的和OP平行的光线,则与L2光轴成Φ角的光线,经透镜L2后,会聚于P点。缝上各点到P点光程不等,各子波振动相位不相同,由图1可知,在P点会聚各光线的相位差就等于它们在AC面上的相位差。会聚P点的最大相位差,就是缝端点A、B所发出子波的相位差,此相位差取决于AB两点到P点的光程差。

　　即: BC=asinΦ

　　当-λ

2　夫琅和费衍射形成散斑图的过程

当用高度相干的激光照射物体粗糙表面时,就会出现散斑图。根据夫琅和费衍射现象, S为高度相干的激光,在Sc屏幕(观察面)放待测试的金属试件,激光经过扩束照射在金属试件粗糙表面,反射到测试区域就可出现衍射图样,即散斑图。测试装置如图2散斑图形成过程所示,用激光器作光源,其射出光束经平面镜N反射,再经逆置的望远镜Lx扩束,均匀平行的光束照射孔径P1。透过孔镜的光,由透镜L0聚焦于焦平面P2上。通过改变孔径尺寸或透镜焦距可以控制焦点大小和光点有效宽度Km,Km= (fλ/2a) cosθ其中2a为可变狭缝孔径P1的宽度(mm),θ为入射角。

　　被测金属试件的表面置于焦平面上,缓慢移动光点或金属试件扫描,金属表面凹凸不平,来自金属试件表面的散射光,在测试区域P3形成散斑图。散斑图的强度分布在时间和空间上都随光点变化。强度变化情况由光电管Pm测出之后传递给信号分析系统。光电管固定在测试区域平面P3中心针孔Ps后面,针孔孔径尺寸小于散斑图平均高度的大小,如果用X坐标表示扫描移动中距离,用h坐标表示被测金属试件的粗糙度(高度),则被测金属试件的粗糙度R取决于下述公式: