高精度光学测量微位移技术综述.doc

...wd...高精度光学测量微位移技术综述***〔******大学光电**学院，重庆 400065〕摘要微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、构造简单、体积小、重量轻等优点本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干预法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干预法和F-P干预法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进展了系统的分析和对比，并对各种方法的特点进展了归纳，对光学微位移测量方法的开展趋势进展了概括关键词：微位移测量，高精度，光学测量，开展趋势1 引言随着科学技术的开展，微小位移的检测手段已开展到多种，测量准确度也不断提高目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干预测量为代表的光学测量技术两大类电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法开展迅速，较为常用目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。

而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜〔包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜〕等二十多个品种[2]按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干预法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间此外，利用X射线衍射效应进展位移测量的X射线干预技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格构造中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，防止了光学干预仪的各种非线性误差[6]现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示纵观位移测量技术的开展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的开展那么将该领域带入了一个崭新的时代由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干预仪等方法进展标定和校准根据1983年第17次度量大会对“米〞的新定义，激光干预法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和对比分析。

表1 常用微位移测量技术仪器种类分辨力/nm测量范围电容传感器0.05-210nm-300μm电感传感器510μmSPM0.051-10μm激光三角测头2.5100-500μm光纤位移传感器2.530-100μm双频激光干预仪0.1>10m光栅尺0.1-1070-200mmX射线干预仪0.005200μmF-P干预仪0.0015nm-300μm2 光学微位移测量技术概述2.1 激光三角法微位移测量技术随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求而非接触测量由于其良好的准确性和实时性，已经成为测量领域的热点同时由于电子学和光学技术的飞速开展，光电检测已经成为非接触测量的一种主要方法激光三角法是光电检测技术的一种，由于该方法具有构造简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用2.1.1 激光三角法微位移测量原理在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射最后在检测器上成像当物体外表的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。

激光三角法的框图如图1所示其中，是投影光轴与成像物镜光轴的夹角，是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s’分别是物距和像距，d是传感器上的成像点的偏移，而为实际的物体外表的偏移，系统的相关参数为偏置距离，D为从传感器到被测外表参考点的距离；测量范围为最大能检测到的物体外表的偏移，即的最大值；测量精度为传感器的最小测量单位；分辨率一般指测量的纵向分辨率，为测量精度和测量范围之比；横向分辨率为待测物体外表上所取测量点的最小间距图1 激光三角法原理图为了实现完美聚焦，光路设计必须满足斯凯普夫拉格条件；成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线，如图1中X点所示系统的非线性的输入输出函数为：(1)又可以写为： (2)激光三角法的另一项重要的参数为线性度，就是三角测量法输入和输出关系的线性近似程度可以证明，在三角测量中，可以通过缩小测量范围，增大接收透镜的共轭矩，增大三角测量系统的角度，缩小接收透镜的放大倍率，到达线性测量的结果[7]此外，由(1)式对d求导，得到输入输出曲线的斜率，即激光三角法的放大倍率： (3)系统的放大倍率决定了系统的分辨率，而放大倍率不但取决于系统参数，还是像移d的函数。

激光三角传感器特性分析及研究现状激光三角传感器的主要优点有：(1)与非接触测量相比，它解决了接触测量中接触侧头与工件之间的接触压力；解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率问题；提高了检测速度(kHz极，而接触式测量为1Hz左右)[8]2)与其它非接触方法相比：具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测外表要求较低，而离焦检测法和光干预法等通常只能测量非常光滑的外表此外，三角测量法还具有如下特点：采用半导体激光器，测量仪器体积较小[9]；激光方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性，测量精度高；与计算机结合，形成智能测试系统；在生产现场实现检测；适用范围广[10]2.1.2 激光三角测头 根本原理激光三角测头主要包含半导体激光器、会聚透镜、接收透镜、光电探测器件CCD及后续处理电路 图2 激光三角侧头光路图如图2所示，根据几何光学原理： (4) (5) (6)消去X，Y： (7)即像点的运动轨迹也为一条直线。

同时也得到了角与角之间的关系式： (8)当像点下移至无限远时，物点产生的距离为D1：(9)物点下移至无限远时，像面上产生的距离为D2： (10)对公式〔4〕进展微分求得测头分辨率： (11)2.1.3 激光三角法微位移测量的开展趋势入射光束的焦深限制：一般的高斯光束聚焦为入射光时，会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况，使系统很难满足高分辨率和大测量范围的要求当采用CCD为检测器时，相应的改良方法是采用重心法取CCD输出矩形脉冲的中心位置；而采用PSD为检测器时可以较好的防止光斑形状的影响，但仍会影响系统的分辨率在文献[11]中提出采用无衍射光束作为光源解决这个问题由于被测外表的阶越，比方孔或者缝，使得传感器无法承受到反射或漫反射光解决方法有采用旋转对称性的光学三角传感器[10]被测面由于颜色、材料、粗糙度、光学性质以及外表形状等方面的差异导致同一光源入射时，物体外表对光的反射和吸收程度不同，特别是由于物体外表的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差改良的方法有，使测量工作平面(由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴决定的平面)平行于待测外表的纹理，可承受到足够的光强，有利于提高测量分辨率。

温度，湿度和机械振动等环境噪声，会影响三角测量法中的系统参数除了通过较好的标定方法提高系统的精度，还可以采用双无衍射光束作为光源提高系统的抗噪性[12]；采用完全对称双面双光路系统设计通过和智能控制系统的联合，同时开发更好更快的处理算法，以求最大程度的实现光电三角法的柔性测量，在德国的米铱测试技术公司所提出的采用激光三角位移传感器optoNCDT2200中已经实现了实时被测物体外表特性差异补偿2.2 激光干预法微位移测量技术激光干预位移测量技术是以激光波长为基准，通过干预原理对位移进展测量的技术按照工作原理不同，主要有双光束干预和多光束干预两种类型迈克尔逊干预仪或类似构造是双光束激光干预仪主要构造形式，广泛应用于各种位移测量场合，它又分为零差干预仪和外差干预仪两大类而多光束干预仪主要指法布里－珀罗干预仪〔下文简称法－珀干预仪〕，它主要用于高分辨力微位移测量此外还有其它一些构造类型及相应的改良型激光干预仪2.2.1 激光干预仪分类及测量原理〔1〕零差激光干预仪零差干预仪是一种较简单的位移测量干预仪形式，图3为基于迈克尔逊干预仪构造的零差干预仪示意图图3 零差干预仪示意图由稳频激光器发出的光被分光棱镜分为测量光束和参考光束，测量镜发生位移时会引起光程差的改变，通过观测干预条纹的移动量或由干预条纹强度分布得到的相位变化即得到被测位移， 根本测长公式即： (12)其中N是光电接收器接收到的干预场固定点明暗变化的次数。

在信号处理时参加移相系统，还可以实现位移方向的判别零差干预仪构造简单，应用较为广泛虽然光学倍程、电子倍频、干预条纹细分等技术开展的使零差干预仪的测量精度大为提高，但因受各种误差因素限制，传统干预测量分辨力只能到达λ/10～λ/20零差干预仪有个最大缺陷是光电接收器后的前置放大器只能用直流放大器，对激光器的频率稳定度和测量环境〔温度、振动等〕要求很高，测量时不允许干预仪两臂的光强有较大变化〔2〕外差激光干预仪外差干预仪是采用具有一定频差Δf的双频光束作为载波信号的干预仪，其典型构造如图4所示，测量镜位移产生的多普勒频移使得参考光束和测量光束的拍频信号改变，通过测量由Δf变化引起的条纹变化量或位相变化量，即得被测位移图4 外差干预仪示意图由于即使测量镜不发生位移，干预仪仍保存－Δf的交流信号，因此光电接收器后的前置放大器可用交流放大器，可有效抑制外界环境引起的直流漂移及大局部随机噪声，提高检测准确度和重复性同时假设选用高放大倍数的交流放大器还可大大降低对光强的要求目前，外差干预仪的位移测量分辨力已到达0由于外差干预仪的抗干扰能力较强，适用于现场作业，应用非常广泛但传统外差干预仪不可防止地存在由偏振分光镜分光性能不理想引起的偏振态和频率混合现象，从而引起非线性测量误差，针对这一缺点，Wu等人设计了如图4所示的差动式外差干预仪，它利用声光调制晶体实现了两个不同偏振态和频率的光束的完全分开，防止了上述非线性测量误差[13]。

2.2.2 激光干预位移测量技术的开展趋势激光干预位移测量技术以其独特优势已成为高分辨力位移测量的最实用工具之一，但目前最先进的纳米加工和测量技术多来自工业兴旺国家，我国因起步较晚，与兴旺国家尚有差距根据激光干预位移测量技术的开展现状和微纳米技术开展的需要，可以预想激光干预位移测量技术近期主要有以下几个开展方向：①向亚纳米量级以上高分辨力方向开展科技的进步以及精细制造业的迅速开展对位移测量的分辨力和准确度提出了更高要求，而且，当前激光干预位移测量技术遇到的一个普遍问题是，作为溯源手段，扫描探针显微镜等测量手技术比现有最好干预仪的准确性至少高一个数量级，即现有的计量设备无法。