微米级圆孔孔径的光电检测

微米级圆孔孔径的光电检测

工业生产中经常会使用到微米级孔径零件，如微孔过滤网、雾化器、喷油嘴、喷丝板、拉丝头等，可以通过激光烧蚀或者微细电火花[1]等加工方式获得.加工制备和使用过程中孔径检测不可避免，目前微小孔径检测的方法也有很多，如采用微小探针[2,3]、脱模[1,4]和白光干涉[5]等方法，或者借助于光学显微镜和扫描电子显微镜等专用设备来检测，但这些方法要么操作程序比较复杂，要么设备比较昂贵，难以满足工业生产中的检测需求.基于简单的圆孔衍射原理，采用双光路的光电检测方法，实现微米级圆孔直径的测量，具有实时、在线和非接触的检测特点[6]，有较高的性价比.

夫琅禾费圆孔衍射如图1所示，在衍射和接收屏平面分别取坐标点Q(x1，y1)和P(x，y)，在傍轴条件下，要满足夫琅禾费近似，只需接收屏与衍射屏之间的距离Z1满足以下条件[7,8]：

表示衍射屏上的圆孔孔径大小，λ为激光波长，实验使用He-Ne激光器，

λ=632.8 nm.对于微米级孔径的圆孔，实验时接收屏放在衍射屏后1 m处即可满足近似条件，即Z1=1 m.经过圆孔夫琅禾费衍射后，接收屏上任一点P处的强度分布公式为

式中：J1(Z)是Z的一阶贝塞尔函数，Z=kaθ，I0为

轴上P0处的光强，a为圆孔半径，单位为μm.圆孔衍射后产生的艾里斑的角半径θ0=，可以看出衍射孔径改变时，艾里斑大小随之改变.为了直观的观察圆孔衍射图样，根据式(2)，可以利用Matlab模拟不同孔径的圆孔衍射图样，观察不同孔径下的衍射图样的变化特点，如图2所示，(a)、(b)和(c)分别是直径为100 μm、120 μm和140 μm的圆孔衍射图样，可以看出艾里斑(中央亮斑)的尺寸随着孔径增加而减小，而通过圆孔衍射后有84%的激光能量都集中在艾里斑区域.圆孔直径在微米数量级范围改变时，艾里斑区域的激光能量密度随着孔径大小改变，使用硅光电池作为探测器，光电池仅接收大部分艾里斑区域的光强信号，转换输出的电压

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