Применение дифракции света для диагностики погрешностей форм малогабаритных объектов

1
Применение дифракции света для диагностики погрешностей форм
малогабаритных объектов
Чебурканов Всеволод
Россия, г. Самара, Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Самарский медико-технический лицей», 11 класс
Научная статья
Введение
Тема исследования:
Измерение линейных размеров и диаметров тонких цилиндрических тел, малых
отверстий на основе дифракции лазерного пучка. Искомые размеры тел определяются
экспериментальным путем по параметрам дифракционной картины. Выявление
дефектов тел при помощи свойства дифракции лазерного луча и их классификация.
Проблема:
Отсутствие дорогостоящего инструментального микроскопа, как необходимого
средства измерения размеров и оценки погрешностей форм малогабаритных деталей.
Наличие механического контакта с телами, при использовании контактных методов
измерения, что может привести к погрешностям и дефектам. Отсутствие практичных
методов диагностики погрешностей форм и их классификации…
Гипотеза:
Возможность использования дифракции пучка лазерного излучения в видимом
диапазоне длин волн для измерения линейных размеров небольших тел, не прибегая к
использованию дорогостоящего оборудования или инструментов, вступающих в
контакт с объектом измерения. А так же создание алгоритма выявления дефектов, их
классификация и точное определение амплитуды колебаний.
2
Причина выбора данной темы исследования:
Актуальность проблемы контроля и измерения линейных размеров малых круглых
отверстий и диаметров круглых протяженных цилиндрических тел с высокой
точностью.
Основная часть
Дифракция света - Явление огибания волнами светового излучения препятствий,
размеры которых сравнимы с длиной волны. (Тонкая щель, проволока, небольшое
отверстие).
Дифракционная картина при освещении щели лазерным пучком будет иметь вид
чередующихся светлых и темных полос с широкой светлой полоской в центре,
рассмотрим дифракцию от нити (проволоки), (см. Рис. 1)
Рис. 1 Дифракция на проволоке
На столе располагаю приборы по схеме, изображенной ниже
1 — лазер ЛГН-125 (λ=0.63 мкм, Р=25мВт)
2 —штатив с дефектной деталью
3 — белый экран
3
2
3
1
На практике были проведены несколько опытов, связанных с выявлением
погрешностей формы деталей, посредством анализа дифракционной картины. Был
получен ряд фотографий, дифракционной картины на малом отверстии с дефектом
формы. Впоследствии было установлено, что отверстие не было идеальным. Оно имело
заусенцы на краях, полученные при изготовлении этого отверстия с помощи иглы,
поверхность самой детали не была ровной.
Рис. 2 Дифракционная картина от дефектного отверстия
При облучении тонкой, ненатянутой, изогнутой в нескольких местах, проволоки
получается следующая картина (см. Рис. 3). Натянутая проволока этого же диаметра
дает дифракционную картину, которую можно увидеть на Рис. 4.
4
Рис. 3 Дифракционная картина от дефектной проволоки
Рис. 4 Дифракционная картина от натянутой проволоки (Луч в центре закрыт
кусочком картона для улучшения качества фотографии)
Разработанный метод можно использовать не только для обнаружения дефектов,
но и классификации их. Далее на рисунках можно увидеть то, какие изменения
картины ведет тот или иной дефект.
5
Рис. 5 Дифракция от квадратного отверстия без «заусенцев»
Рис. 6 Дифракция от квадратного отверстия с «заусенцами»
Дифракционный метод измерения диаметра проволоки. Используя
дифракционную картину, образующуюся при дифракции лазерного пучка на объектах
малого размера, можно с высокой точностью измерять размеры этих объектов.
В центре проектируемой на экран картины находится пятно недифрагированного
излучения, а в направлении, перпендикулярном к проволоке, располагаются пятна
дифрагированного света, расстояние между которыми обратно пропорционально
диаметру проволоки D и изменяется в соответствии с выражением (1), (см. источник
[1])
6
(1)
где φn – угол между направлением на n-е пятно (считая от места расположения
оси проволоки) и направлением лазерного пучка, а λ – длина волны лазерного
излучения. (см. Рис. 7)
Рис. 7. Схема измерения диаметра проволоки (а) и изменение наблюдаемой картины в зависимости от диаметра проволоки (б).
На экране наблюдается дифракционная картина, аналогичная дифракционной
картине на щели.
Рассмотрим метод измерения диаметра проволоки, используя
свойство дифракции лазерного пучка. Освещение ярким лазерным пучком небольшого
объекта
создает
дифракционную
картину,
которая
позволяет
измерять
и
контролировать малые размеры объекта. Характерным примером может служить
простая схема измерения диаметра проволоки, представленная на рис. 7. Диаметр
лазерного пучка превышает диаметр проволоки. При лазерном освещении проволоки
дифракционная картина формируется как набор пятен, расположенных вдоль прямой
линии, перпендикулярной оси проволоки. В центре дифракционной картины находится
пятно недифрагированного лазерного излучения. Согласно дифракционной картине
каждому (например, n-му) пятну соответствует дифрагированный луч, который
7
направлен от освещенного места проволоки на конкретное пятно под определенным
углом (φn), измеряемым относительно исходного направления лазерного пучка. В такой
ситуации справедливо соотношение (1)
Таким образом, искомый размер:
(2)
Конкретные
результатам
данные
измерения
для
расчетного
расстояний
между
соотношения
пятнами
(2)
формируются
дифракционной
по
картины.
Наблюдаемая дифракционная картина изменяется в зависимости от диаметра D
проволоки. При относительно большом диаметре D расстояние между смежными
пятнами невелико; при уменьшении диаметра проволоки расстояние между пятнами
дифракционной картины возрастает.
2
1
1 лазер
2 штатив (см. Рис. 9)
3 экран
3
8
Рис. 8. Дифракция на тонкой проволоке. (Светлое пятно в центре закрыто для
улучшения качества фотографии, сделанной при помощи камеры мобильного
телефона)
Учитывая то, что по формуле (2) зависит от ее положения относительно
лазерного луча, была сделана попытка использовать дифракцию света для определения
амплитуды колебаний малогабаритных тел. Тело было закреплено на динамике,
подключенном к генератору звуковых колебаний. (см. Рис. 9)
Рис. 9 Штатив к с колеблющейся проволокой
На рис. 10 можно наблюдать результат эксперимента: изменение параметров
дифракционной картины.
9
Рис. 10 Смещение, при помощи которого можно определить амплитуду
1
0
Заключение
Результатом моего исследования стали:
- компактная установка, работающая совместно с компьютерной программой,
при помощи которой можно быстро вычислить линейные размеры небольших
тел
-
алгоритм
выявления
дефектов
и
их
классификация
при
помощи
дифракционной картины
-
дифракционный
метод
измерения
проволок и других тел малых размеров
амплитуды
колеблющихся
тонких
1
1
Список использованной литературы
1. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. – Москва: Мир,1980. 480
страниц
2. Методы компьютерной обработки изображений / Под редакцией
В.А.Сойфера. – Физматлит, 2001. – 784 с.
3.Кирилловский В.К. Современные оптические исследования и измерения. –
Лань. – 304 страницы
4. Электронный источник:
www.fysikbasen.dk
1
2