基于夫琅禾费衍射的刀口直线度检测

    1 现行测量方法的测量不确定度较大

    目前对刀口形直尺的直线度检验主要依据GB6091)2004或JJG63)2007中的光隙法[1, 2],原理是根据人眼对不同狭缝宽度的透射光的光强差异的感知能力达到狭缝宽度辨别。其结构如图1。

    在此检测装置中,将图1中的被测刀口尺更换为标准刀口尺,研磨面平尺用标准平晶和0级量块代替,则认为可以产生标准光隙。然后以实际光隙与标准光隙进行比较而估出刀口直线度。

    在此检测过程中,首先,人眼的感光能力直接影响到了测量结果,根据实际经验,人眼对2Lm以下的光隙分辨能力约为015Lm左右。对2Lm以上的光隙,分辨力更差。

    再者,标准光隙的引入也带来了较大的不确定度。

    以上两点对于本身允差只有1或2Lm的刀口尺来说,带来的测量不确定度太大。因此要想提高精度,测量方法的改革势在必行。

    2 夫琅禾费衍射

    图2为夫琅禾费衍射的原理图[3]。

    BC是垂直于纸平面的狭缝,光线在BC处发生衍射,经薄透镜L2后在焦平面上产生干涉条纹。其中,光线经B到P与经C到P的光程差$=CD=BC#sinH,H是入射光线与衍射光线的夹角。经矢量合成推导可知在P点的光强

    式中:I0为O点光强;b为BC宽度;H为衍射角;K为入射光波长。

    由公式(1)可以看出,当sinH=k#K/b(kX0)时, I=0,所以在焦平面上将产生明暗相间的条纹。且中间条纹的半角宽度满足

    由此可见,只要知道波长K和零级条纹的半角H,就可以计算出缝宽,这个理论为刀口直线度的测量提供了理论基础。

    3 测量装置设计

    测量装置设计图见图3。

    平行光经狭缝后发生衍射,衍射光经透镜后干涉成像于后方位的透镜焦平面的显示屏上,显示屏上的光照度探测头可以上下移动,以探测各点的光照度,数据在光照度显示器上显示,探测头上下移动的位移在位移显示器上显示。由于量块表面对向下衍射的光的遮挡,故在显示屏上只能显示出上半部分的衍射图样。其光强分布图如图4[3]。

    在此装置中需要重点解决以下几个问题。

    3.1 入射光与狭缝的垂直度的保证

    入射光与狭缝法线的夹角情况分别如图5a和图5b所示。

    在图a中,入射光从法线上方入射,一部分光线经过量块反射后,对狭缝的衍射光线干涉成相产生了干扰,另一部分直接穿过狭缝,在O点下方的B点产生干涉。