高精度光学测量微位移技术综述

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1、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、结构简单、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、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1引言随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已

2、发展到多种，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涉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，电容和电感法发展迅速，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

3、[5]和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉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发展历程，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发展则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，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校

4、准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉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比较分析。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双频激光干涉仪0.1>10m光栅尺0.1-1070-200mmX射线干涉仪0.005200μmF-P干涉仪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

5、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精确性和实时性，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发展，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，由于该方法具有结构简单、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。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应

6、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，而为实际的物体表面的偏移，系统的相关参数为偏置距离，D为从传感器到被测表面参考点的距离；测量范围为最大能检测到的物体表面的偏移，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表面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

7、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，达到线性测量的结果[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