（光学工程专业论文）光纤束三维成像系统设计和实验.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 光纤探针作为三维形貌测量技术的传感器，具有非接触、高精度等优点。本文提出 的由七根单模光纤组成的光纤束作为物体表面三维形貌的探测传感器，是对单根单模光 纤作为探头的改进。这七根光纤将被测物体表面的发射光分成两部分：中心光纤的信号 光和周围光纤的参考光。这两路光信号的强度是被测物体表面的三维轮廓对照射激光强 度调制的结果，而光强又与光纤的耦合效率有关，因此本论文还涉及光纤耦合效率的讨 论。本论文还设计实现了基于单片机控制t a 8 4 3 5 步进电机驱动芯片的三维平移台，它 可在三个方向上调节微位移。全文分为五章，具体如下： 第一章绪论，说明了开展本论文研究工作的背景，主要分析比较了目前已经存在的 三维表面轮廓测量技术，以及本文的研究目标和主要工作等。 第二章光纤探针的理论基础和光纤束探头的工作原理，主要从光纤束探头接收物体 表面的反射光的耦合效率来理论分析，该部分包括中心信号光纤和周围参考光纤；然后 介绍了关于步进电机的一些基础知识。 第三章基于单片机控制步进电机的三维平移台，本章详细介绍了基于单片机和步进 电机驱动芯片的平移台的驱动电路部分。主要内容包括：整体电路设计、硬件设计、上 位机软件设计和下位机软件设计。 第四章光纤束探头的光信号探测实验，本章对光纤束探头的理论分析进行实验性的 验证，利用光纤束探头进行光信号的探测，并对实验结果进行分析。 第五章为总结和展望。总结本文的主要工作，找出目前存在的问题，并探讨今后进 一步深入研究和需要完善的方向。 关键字：光纤探针，三维平移台，光纤束，单片机，步进电机 浙江大学硕士学位论文 摘要 a bs t r a c t a sam e t h o do fa c q u i s i t i o ns e n s o r , o p t i c a lf i b e rp r o b eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s n o n c o n t a c t ，h i g ha c c u r a c y t h i st h e s i sf o c u s e so ni m p r o v i n gt h eo p t i c a l f i b e rp r o b e ，t h e i m p r o v e do n ei sa no p t i c a lf i b e rb u n d l ew h i c hi sc o m p o s e do f7s i n g l em o d e lf i b e r s ，a n dt h e f i b e r so ft h eb u n d l ec a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：s i g n a lf i b e ra n dr e f e r e n c ef i b e r s t h es i g n a l f i b e ri st h ec e n t e ro n eo ft h ef i b e rb u n d l e ，t h eo t h e r sa r et h er e f e r e n c ef i b e r se n c i r c l i n gt h e s i g n a lf b e r b o t hs i g n a la n dr e f e r e n c ea r er e s u l to fi n t e n s i t ym o d u l a t i o no ft h er e f l e xb yt h e s a m p l e ，t h ei n t e n s i t ym o d u l a t i o ni sr e l a t e dt ot h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yo fo p t i c a l f i b e r t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yo fb o t hs i g n a lf i b e ra n dr e f e r e n c ef i e b r t h i st h e s i sa l s o d e s i g n sat h r e e d i m e n s i o n a lc o n t r o lp l a t f o r mw h i c h i sb a s e do nt h r e et a 8 4 3 5c o n t r o l l e db ya m c u - - p 8 9 c 5 2 t h et h e s i si sc o m p o s e do ff i v ec h a p t e r sa sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ：t h eb a c k g r o u n do fc a r r y i n go u tt h i st h e s i s t h em a i nm e t h o d so f3 - dp r o f i l e m e a s u r e m e n ta n dt h e i rc o m p a r i s o na r es u m m a r i z e d a n dt h em a j o ro b j e c t i v ea n dw o r k sa r e o u t l i n e d c h a p t e r2 ：t h ef u n d a m e n t a lt h e o r e t i c so fo p t i c a lf i b e rp r o b e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h e c o u p l i n ge f f i c i e n c yo f b o t hs i g n a lf i b e ra n d r e f e r e n c ef i b e r a n dt h ei n t r o d u c t i o no fs t e p m o t o r c h a p t e r 3 ：t h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n t r o lp l a t f o r mb a s e do ns t e p m o t o rd r i v ec h i p c o n t r o l l e db ym c u ，t h i sc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fd r i v ec i r c u i t ，i n c l u d i n gc i r c u i t d e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r eo fp ca n dm c u c h a p t e r 4 ：t h ee x p e r i m e n to fd e t e c t i n gt h el i n g ts i g n a lu s i n gt h ef i b e rb u n d l ep r o b e t h i s c h a p t e ri n t r o d u c e st h ee s t a b l i s ht h ee x p e r i m e n ts y s t e mt od e t e c tt h el i g h ts i g n a lo ft h eh i g h r e f l e c t i v ec o e f f i c i e n ts a m p l eu s i n gf i b e rb u n d l ep r o b e ；a n dt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t r e s u l t c h a p t e r5 ：s u m m a r i z et h em a i nw o r ko ft h ep a p e r ；, f i n dt h ec u r r e n td i f f i c u l t i e sa n d d i s c u s st h ef u r t h e ri m p r o v e m e n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d ：o p t i c a l f i b e r p r o b e ，o p t i c a l f i b e rb u n d l e ，m c u ， s t e p m o t o r ， t h r e e - d i m e n s i o n a lc o n t r o lp l a t f o r m j l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着半导体工业的迅猛发展和m e m s 、m o e m s 和光通信技术的兴起，出现了 大量的微电子、微光学和微机械元件。同时，微三维形貌测量技术广泛引起了人们的关 注，因而微三维测量的市场需求量也越来越大。三维形貌测量技术具有测量速度快、分 辨率高、适应性强、自动化程度高等突出优点，因此被广泛应用于逆向工程、计算机辅 助设计、数控加工技术、工业快速成型、白车身测量、i c 封装测试、人体测量以及建筑、 桥梁、隧道、矿山等诸多领域【l 】乜m m 朝。目前，有关专家己提出了许多微三维测量方法 及系统，有的甚至已经商品化。 如何对一个现实的物体成三维像并精确的测量其表面几何形态表面形貌学 ( s u r f a c et o p o g r a p h y ) ，是人们长期以来一直在追求的目标。 表面形貌是指物体表面的微观几何形态，它是由于加工过程中刀具和零件的摩擦、 切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及加工系统的振动等原因在零件表面留下的各种 不同形状和尺寸的微观结构 表面形貌检测最初采用的是利用激光干涉原理的光误差法，通过测量两束相干光的 光程差来计算物体的高度，测量精度高，可达光的波长量级，但测量范围小，抗干扰能 力弱。它的量程及特定的测量环境( 必需要使用相干性强的单色光源一激光和记号的避震 环境) ，使其应用范围受到严格限制，难以用于实验室之外的实际测量。 为了克服激光作为光源的光程差法的缺点，提高测量系统的抗干扰能力和实用性， 人们大量采用了白光照明的投影栅线法。投影栅线法概述起来就是：周期性的光栅投影 到被测曲线面上，投影光栅场的相位就受到曲面高度轮廓的调制。解调出来的变形光栅 所携带的物体表面的三维信息，就能提取出被测曲面的高度轮廓信息。 随着人们认识的不断提高，实验技术和设备的不断发展，人们研究出许多种的方法， 如后来发展起来的云纹法、相移法、傅立叶变换法、空间相位检测法、余弦变换法等方 法，同时在诸多方法中，人们对采用的具体处理方法、实验技术和设备也进行了大量的 探索和研究。另外，对如何更快更有效地对所得到的图像进行分析处理及快速准确地相 位去包裹，以得到尽可能精确的检测结果，也成为研究探索的热点。 1 2 三维微表面形貌测量技术研究现状 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 早在1 9 9 1 年，t a k u t a 1 等就采用自动调焦控制原理研制了一套三维形貌测量系统， 该系统在5 0 m m 高度范围内测量精度为4 p m ，标准差为2 帅，测量2 0 0 0 0 个点所需时间 为2 0 分钟。 1 9 9 6 年吴晓峰口1 基于激光自动聚焦探测原理，提出了用激光自动聚焦探头代替坐标 测量机的接触式探头的方法，并提出了变速度扫描控制算法，从而实现了三维形貌的快 速、精密、非接触连续扫描测量。应用该系统扫描测量一个直径为6 0 m m 的标准球面， 测量精度为6 帅，标准差为2 姗，最大测量速度为3 0 0 0 点分，适应被测面角度变化范 围为0 0 6 5 0 。 2 0 0 1 年，范光照阳1 等人以普通商用d v d 自动聚焦探头代替三坐标测量机的接触式探 头开发了一套超高精度的三坐标测量机，测量范围为2 0 r a m x 2 0 m i n x l o m m ( x x y xz ) ，测 量不确定度分别为l o n m 、l o n m 、3 0 n m ，但运动及控制部分比较复杂。 1 9 9 7 年，r b o e r tw in d e c k e r 四1 等人成功的将一架双目立体观察显微镜改造成了立体 测量显微镜，分辨率达到了4 m ，但是所投影的光栅条纹是由固定光栅片产生的，存在 刻画误差且不易调整，条纹投射与摄取光路间的夹角较小。 1 9 9 9 年，p e i s e n s h u a n g n 们等人开发的系统和2 0 0 0 年c h e n g p i n gz h a n g 等人开发 的系统均摒弃了固定光栅片，转而采用d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 产生彩色正 弦光栅条纹的方法，配合三步相移法进行三维重建，不仅有效克服了r o b e r tw i n d e c k e r 系统的缺点，而且使测量速度得到了大幅度提高，并解决了测量中的断线问题。 2 0 0 1 年，f b i t t e 及g d u s s l e r n 2 3 等人提出了用d m d 芯片通过软件编程的方法来代 替微透镜阵列产生共焦光斑。他们研制的系统的一次性水平测量范围为3 7 5 ) j m ，水平分 辨率为1 舯，垂直测量范围为2 m m ，垂直分辨率为0 5 帅。 2 0 0 2 年，合肥工业大学的王永红n 3 1 等人提出了一种基于差动共焦的并行检测方法。 该法不仅有效的抑制了并行共焦测量中存在的c c d 暗电流噪声、环境噪声及温漂等因素 对测量结果的影响，而且充分利用差动共焦特性曲线中的线性段，从而在采样间距相同 的情况下获得了较高的轴向分辨率，有效的解决了测量分辨率与测量速度间的矛盾。 2 0 0 1 年，t i m o h t y l p e n n n i g t o n n 们等人的方法是先用一个一进两出的光纤耦合器制 成了一个杨氏双缝干涉计来产生干涉条纹，再借助于相移法计算被测物体的高度，此法 结构简单，系统体积较小，但干涉条纹的宽度、间距不易调整。 2 0 0 1 年，t h o m a sk r e i s n 朝等人提出了基于d m d 的全息干涉测量方法，但结构复杂， 精度较差。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 4 年，范光照，李瑞君，宋欣明n 旬等人提出了一种利用光纤传像束的微三维测量 系统，该系统结合数字条纹投影技术和相移法测量技术，降低了对被测物体的方位的要 求，拓展了微三维测量系统的适用范围。 1 3 三维形貌测量方法综述 表面形貌测量方法起源于“比较测量 的思想，1 9 2 9 年德国科学家g s c h m a l z n 刀 研制出第一台利用光学杠杆原理作为放大装置的触阵式轮廓记录仪，它能描绘表面一些 简单微观峰谷轮廓，使人们开始对表面形貌及表面粗糙度特性的认识了解。此后，各种 表面轮廓测量机构也相继诞生。六十年代初，随着激光器的发明和应用，人们开始采用 激光探针代替原来的机械式探针。2 0 世纪9 0 年代以来，随着激光技术、电子技术、数 字图像处理技术的日益成熟及计算机技术的迅速发展推动了表面轮廓测试技术的发展， 同时也对三维轮廓测量提出了更高的要求。 迄今为止，先后提出的各种微三维表面形貌测量方法非常多，按照不同的分类方法 又可以分为很多大类，按照成像照明方式的不同可分为被动三维传感式和主动三维传感 式；按照测量原理的不同又可分为接触式测量法和非接触式测量法；我们一般将三维形 貌测量方法划分为光学测量法和非光学测量法，如图i - 1 所示。这两种技术都在不断的 发展前进，并在一定程度上又相互融合。 图1 - 1 微三维表面测量方法结构图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 光学微三维表面形貌测量法 光学测量法是指基于光学原理的非接触表面形貌测量法。光学式微三维表面形貌测 量方法很多，根据测量原理的不同，大致可以分为：双目体力视觉法、主动三角法、相 位测量法、自动聚焦法、共焦法、飞行时间法六种。 1 双目立体视觉法 双目立体视觉法【”】是指用两个摄像机从两个不同的角度对同一物体拍摄两幅图像， 就像人的两只眼睛看物体一样，然后依托图像处理技术，分别找出两幅图像中的对应特 征点，再根据三点共线原理，经共线方程式的计算而完成从图像坐标到空间坐标的转换， 从而实现对三维形貌的测量。若图像某区域光强或颜色不均匀，则匹配不可实现；测量 时，两摄像机位置相隔越远，视差深度计算越精确，但盲区现象越严重，覆盖视场越小。 该法类似于人眼的体视功能，原理直观，测量范围广，不受被测物体颜色的影响，但计 算非常复杂，特征点匹配也比较困难。通常需要在待测物体上事先标出控制点，如进行 彩色二维编码。该法适宜于测量简单的且带有明显特征点的体积较大的物体，测量精度 较差。 2 主动三角法 三角法【1 9 】的基本原理是先向被测物体表面投射光点或光条，同时在偏离投射方向一 定角度的方向用c c d 摄像头拍摄其影像。物体表面轮廓的起伏会使得光点或光条在 c c d 中的成像位置较平坦时发生一定的偏移，那么这个偏移量中就包含了物体的深度 信息，通过求解光点的出射点、投影电荷成像点间的三角关系即可确定物体上各点的高 度。 三角法测量最初是用激光逐点扫描的方式，该法虽然简单可靠，但非常耗时，对运 动系统要求也较高。为了提高测量速度后来又先后提出了只需一维运动系统配合的线结 构光法和完全不需要运动系统配合的面结构光法。 由于激光三角法具有测量速度快、运算速度快、能够自动分辨凹凸等优点，目前它 已成为了应用最广的测量技术。它的缺点是在应用上有很多定位参数的要求，以致于在 测量设备的构架及校正上都很繁琐、费时，实测时若系统中某项系数值无法正确得到， 将使测量数据有较大的误差，且在测量设备有些微小变动时，系统中每项参数皆需要重 新加以校正；而且在原理上存在非线性，被测物表面质量和倾角对测量结构也有影响。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 3 相位测量法 相位式三维形貌测量技术【2 0 】的基本原理是先将光栅条纹投影到被测物体表面，则被 测物体表面形貌会对光栅条纹的相位和振幅进行调制，通过对调制后的图像进行分析求 解即可得出被测物体表面的高度信息。 若投影正弦光栅条纹，则物体上各点的光强大小可表示为： i ( x ，y ) = 口( y ) + 6 ( x ，y ) c o s 2 r c , f o , x + 6 ( x ，y ) l h ( x , y )( 1 - 1 ) 其中a ( x ，y ) 和b ( x ，y ) 分别反映背景光强和表面反射率的变化，厂。是投影到参考平面的光 栅图样的空间频率，与物体上各点相位6 ( x ，y ) 对应的高度h ( x ，y ) 。虽然在相位一高度转 换中也使用了三角法原理，但其中的核心是相位的测量，因此与直接三角法有较大的区 别。 实现由相位到高度的转换主要有摩尔条纹法( 又叫叠纹法) 、移相法和傅立叶轮廓测 量法三种基本方法。 4 自动聚焦法 自动聚焦法以前主要被用来读取光盘存储的数据，但近年来也被国内外多家研究机 构用于三维形貌测量。该方法的系统一般由激光聚焦装置、高灵敏度光电感测器件及快 速响应的z 轴伺服控制系统三部分组成，基本原理是激光器发出的激光经聚焦透镜照到 被测物体上，然后用光电探测器件探测从物体表面反射回来的光斑，以判断被测物体面 是否位于会聚透镜的焦面上，若不在则驱动装置就会驱动会聚透镜上下运动，直到被测 物面正好位于其焦面上为止。会聚透镜沿着z 轴运动的距离正好与被测物体表面一点距 离参考平面的高度对应，从而实现了三维测量。聚焦误差信号的检测方法有像散法、光 斑尺寸检测法、傅科刀口法、临界角法及轴向位移转换法等。该法的优点是光路简单、 使用方便，纵向分辨率可达l n m 。不足之处是对被测物体的表面反射率和局部斜率较为 敏感，线性范围窄。 5 共焦法 共焦法是基于共焦显微镜原理的光学式三维形貌测量方法，由共轭成像系统组成。 测量时物点跟踪被测表面，并被成像在点探测器上。当被测表面与探测面共轭时，在点 探测器上的像点最小，点探测器接收到的光能量最大；当被测表面偏离物点时，探测器 上的像点变大，点探测器接收到的光能量变小。这是由于在共焦成像中，作为空间滤波 s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 器的针孔起到了关键的作用；当反射面偏离像面时，返回光被强烈抑制；只有反射面位 于像面时，返回光才能大量通过针孔。测量时控制物点与被测面重合，保证探测器的输 出值最大，便可以描绘出被测面的形貌。 6 飞行时间法 飞行时间方法【2 1 】是基于三维面形对单光束产生的时间调制。例如一个激光脉冲信号 从激光器发出，经物体表面漫反射后，其中的一部分漫反射光沿相反的路径返回到接收 器。检测光脉冲从发射到接收之间的时间延迟，就可以计算出距离。用附加的扫描装置 使光束扫描整个物面没，就可以形成深度数据。这种方法原理简单，测距速度快，又可 避免阴影和遮挡问题，可以用于比较大范围的测量，如移动机器人可以用它来建立环境 内模型，以实现自主导航、躲避障碍等功能。该方法的缺点是对信号处理系统时间分辨 率的要求较高，为了提高测量精度，实际的飞行时间测量系统往往采用时间调制光束， 例如采用正弦调制的激光束，是通过比较发射光束和接收光束之间相位的方法计算出距 离的。 1 3 2 非光学微三维表面形貌测量法 与传统光学探方法不同，非光学式测量法没有光学透镜，图像的观察不是通过光学 镜面而是通过计算机图像监视器或c r t 显示器。非光学微三维表面测量技术经历了机 械探针式、光学探针式和扫描探针式的发展历程。 1 机械探针式测量法 1 9 3 5 年英国泰勒哈伯逊公司的r e a s o n 等人开始系统研究表面粗糙度的特性和触针 法的测量原理，于1 9 4 0 年成功研制出泰勒雪夫( t a y l o r s u r f ) 触针式表面粗糙度测量仪。 探针式测量法也称为泰勒法或触针法，是开发较早、研究最充分的表面形貌测量方法， 也是国际上公认的二维表面粗糙度测量的标准方法，在工程表面测量中占有极其重要的 地位【2 2 】【2 3 】1 2 4 1 。它是利用一个具有微小圆弧半径的金刚石探针接触被测表面，当探针沿 被测表面移动时，被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，移动量由与探针组合在一 起的位移传感器测量，所测得数据经过适当处理就得到了被测物体表面的形貌。 探针式形貌测量仪是高精度的表面形貌测量仪器，深度测量精度可达到o 1 0 2 衄； 纵向分辨率与探针半径有关，同时还与被测表面的具体形状有关，一般可达到 0 0 5 0 2 5 9 m 。探针式形貌测量方法可以测量各种形状和各种光学机械性质的表面，并且 由于测表面的移动是借助载物台的平动实现的，因此它的测量范围较大，探针式测量法 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 是一种接触式测量法，探针要在一定的压力下接触被测表面，并且为了获得较好的测量 精度和较高的横向分辨率，如果被测表面较为松软，探针往往会划伤被测面，触针磨损 也会引起横向分辨率的降低。 2 光学探针式测量法 光学探针测量澍2 5 】【2 6 】原理上类似于机械探针式测量法，光学探针是把聚焦光束当作 探针，然后利用不同的光学原理来检测被测表面相对于聚焦光学系统的微小间距变化， 利用像平面位置来检测表面形貌的光学探针称为几何光学探针，利用干涉原理的光学探 针称为物理光学探针。其中几何光学探针法又包含离焦误差检测法和共焦显微镜法两 种；物理光学探针法又可分为外差干涉法和未分干涉法等。光学探针是测量方法相对于 机械探针式测量方法的最大优点就是光学探针式测量法不接触物体表面，这样就不会损 伤物体表面，但它需要一套高精度的调焦系统，成本较机械探针式测量法高。 3 扫描探针式测量法 1 9 8 1 年美国i b m 公司研制成功的扫描隧道显微镜( s t m ) 【2 7 1 ，人们带到了微观世界。 扫面探针式测量法一般是通过探测样品与探针之间的各种相互作用所表现出来的不同 特性来实现测量的。扫描探针显微镜具有空前的三维分辨率的轮廓仪。扫描探针式的主 要方法有：原子力显微镜( a f m ) 、扫描隧道显微镜( s t m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描 近场光学显微镜( s n o m ) 和光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 等。这些三维形貌测量方法的精 度都达到了埃的量级。 ( 1 ) 原子力显微镜( a f m ) 1 9 8 6 年，b e n n i n g 等人成功研制出世界上第一台原子力显微镜( a f m ) 【2 8 】【2 9 1 ，原子力 显微镜的基本原理是基于探针与样品之间的原子相互作用力( 范德华力) ，探针置于微悬 臂梁上，利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运 动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排 斥力检测，从而得到表面形貌信息。a f m 一般有两种形式：一种是接触式的，接触力极 小，一般为1 0 1 0 。1 1 n ，接触力主要由两部分组成，其中一部分是由各种原因( 如样品表 面的张力、样品表面上的电荷等) 引起的样品和探针之间的吸引力，另一部分是在吸引 力作用下探针沿样品表面扫描时出现的摩擦力。还有一种是非接触式a f m ，非接触式 a f m 的工作原理基于这样一种现象，即当样品表面与探针处于似接触非接触状态时， 探针的震动幅度变小并同样品表面与探针之问的平均距离成正比。a f m 具有极高的纵 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 向分辨率，可达0 0 1 n m ，但横向测量范围较小，达1 0 1 a m ，所以a f m 厂被用于测量线 条的宽度，较少用于测量表面形貌。 此后，利用类似a f m 的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏元件产生的影 响，在探针与表面1 0 - - 一1 0 0 nm 距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德 华力等作用力，又相继开发出磁力显微镜( m f m ，m a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p e ) 、静电力显微 镜( e f m ，e l e c t r o s t a t i cf o r c em i c r o s c o p e ) 、摩擦力显微镜( l f m ，l a t e r a lf o r c em i c r o s c o p e ) 等，都统称为扫描力显微镜( s f m ，s c a n n i n gf o r c em i c r o s c o p e ) 。 ( 2 ) 扫描隧道显微镜( s t m ) 扫描隧道显微镜s t m ( s c a nt u b em i c r o s c o p e ) 是上世纪八十年代问世的一种测量表 面微观几何形貌的新技术，它是所有扫描探针显微镜的鼻祖。s t m 在三维空间具有极 高的分辨率，其纵向分辨率达o o l n m ，横向分辨率达l n m 。s t m 利用直径为原子尺度 的针尖在被测表面扫描，根据量子隧道效应测量表面微观形貌图像。测量时当针尖和样 品表面靠得很近时( 1 0 埃以内) ，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重叠，样品 中的电子会由于隧道效应穿过针尖和样品构成的势垒到达针尖形成隧道电流。通过控制 针尖与样品表面间距的恒定( 恒高模式) 或控制隧道电流的恒定( 恒流模式) 并使针尖沿 表面进行精确的三维移动，就可把表面形貌和表面电子态记录下来。s t m 属于非接触测 量且能采集三维信息并实时显示三维图像，但是扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有 一定程度的导电性，对于半导体的观测效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观 察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性问题又限制了图像对真 实表面的分辨率。此外，s t m 的结构和控制复杂，涉及的技术难度大，如针尖的制作、 针尖表面间隙的控制以及微定位器件的精密控制等都是一些棘手的难题。 ( 3 ) 扫描电子显微镜( s e m ) 扫描电子显微镜s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) t 3 0 1 利用聚焦的非常细的电子束 作为电子探针。当探针扫描被测表面时，二次电子从被测表面激发出来，利用探测器接 受二次电子，经放大和处理后就得到一幅扫描电子图像，二次电子的强度与被测表面形 貌有关，因此利用探测器测出二次电子的强度，便可得出被测表面的几何形貌 s e m 具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，可分别达到1 0 n m 和2 n m ，但是由于s e m 的有深度效果的图像是用立体观察技术和立体分析技术间接获得的，因此s e m 主要用来 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 定性观察被测表面的形貌。此外，s e m 要求在真空环境下工作，要求被测表面导电，操 作复杂，测量费时，这进一步限制了它的应用范围。 ( 4 ) 扫描近场光学显微镜( s n o m ) 扫描近场光学显微镜( s c a n n i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p e ，s n o m ) 1 3 j 】是19 8 4 年 由瑞士苏黎世i b m 的d p o h l 等人利用微孔作为探针研制出来的，s n o m 不像传统光学 显微镜那样利用扩展光源进行远场照明，而是采用纳米区域光源的近场照明，显微放大 后经光电倍增管接收，然后使用扫描技术使局域光源逐点对网格扫描。s n o m 利用纳米量 级的光探针在物体表面附近扫描获取近场信息，然后从这些信息中提取样品表面形貌。 因为其分辨率与光源的波长无关，而是由光探针口径和探针与样品之间的间隙大小决 定，因此分辨率得到了较大的提高。到目前为止，国外报道的s n o m 的纵向分辨率最 优可达到0 0 1 n m ，成为一种新型超高分辨率光学显微镜技术。 ( 5 ) 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 光子扫描隧道显微镜p s t m 口2 1 是探索物质微观结构的最先进手段之一，它是利用光子 隧道效应，将极细的光纤探针接近样品表面进行扫描，从而获得样品表面微观结构等图 像。p s t m 以暗场照明方式进行远场照明，样品信号光的收集是用探针在近场进行，并且 通过探针网格逐点扫描成像。与s t m 不同的是，p s t m 利用的是隧道光子，通过用光探针 探测样品表面附近由全内反射光所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。利用这种光 子隧道效应，p s t m 提供了在亚波长级分辨率水平上的三维表面形貌，而且其切线方向的 分辨率可达到十分之一波长，垂直于样品方向的分辨率的限制主要是电子线路的限制， 得到纳米级或更高的分辨率也很容易达到。 我国第一台光子扫描隧道显微镜1 9 9 3 年6 月在北京诞生。这台用计算机控制、具 有数据采集和图像处理功能的光子扫描隧道显微镜，突破了传统光学显微镜分辨率仅为 半波长的限制，使分辨率提高到百分之一波长以上。 表1 - 1 是对各种三维表面测量方法的总结比较。 表卜1 各种微三维表面测量方法比较 测量方法垂直分辨率横向分辨率垂直测量范围 触针式测量法 0 1 n m 0 1 岬1 2 0 9 m 扫描白光干涉法 2 0 n m2 0 n m 多光束共焦法 1 5 1 a m1 l a m 外著干涉法0 1 n m 2 1 t m 光纤探单模1 l l l n 0 1 p m 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 针 多模 0 0 1 9 m0 1 1 t m 干迈克耳 0 1 n l n 8 9 m 涉逊 法m i r a u0 1 n l n l g m 双焦 0 n l n 2 9 m 扫描近场光学显 2 0 n r n2 0 h m 微镜 扫描隧道显微镜 0 o l n i l l0 5 n m 1 l a m 扫描探针显微镜 0 1 n m ( 原子级) 扫描电子显微镜1 0 n m2 n m 2 9 r n 原子力 直流o 0 2 n l n0 i n m 1 5 1 a m 显微镜 交流 o 0 1 n l n0 1 n m 1 5 9 i n 1 3 3 光纤传感技术发展概述 现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代， 人类主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。传感器技术是一 项当今世界令人瞩目的迅速发展起来的高新技术之一，它是感知、获取、检测和转化信 息的窗口，也是当代信息科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术和计算机技术已 成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础工业。 自1 9 7 0 年美国的康宁公司第一次成功研制出传输损耗为2 0 d b k m 的石英光导纤维 以来，光纤技术得到了快速发展【3 3 1 。光纤与激光、半导体光探测器一样，是一种新兴的 光学技术，促进形成了光电子学新的领域，是2 0 世纪后半期重大发明之一。继光纤通 信之后，光纤传感器的研制也获得很大的成就，上世纪七十年代末，光纤传感器作为一 项刚发展起来的新技术，开始应用在非通信领域。1 9 7 7 年美国海军研究所首先进行光纤 传感器系统的研究【3 4 】。我国在七十年代末也开始了光纤传感器的研究工作。光纤传感技 术涉及知识面很广，如纤维光学、光电器件、电磁学、流体力学、弹性力学、电子电路 和单片机应用等。光纤传感技术以其高灵敏度、响应速度快、耐腐蚀、体积小、防燃防 爆、抗电磁干扰、可弯曲、结构简单和光纤传输线路的相容性的等优点，它的应用领域 也由最初的国防军事、航天航空迅速向冶金制造工业、能源工业、医学、生产过程控制、 环境监测等民用部门迅速扩展，可见光纤传感技术具有十分广阔的发展前景。 光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，外界被测参数在调制 区内与进入调制区的光互相作用，使光的光学性质如光的强度、波长( 颜色) 、频率、相 位、偏振态等发生变化称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器、解调器而获得 l o 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 被测参数。按传感原理分，光纤传感器可以分为传光型( 非功能型) 传感器和传感型( 功能 型) 光纤传感器。 从大量文献资料中看到光纤传感器的研究有如下的动向【3 4 】【3 8 】： 1 继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感 器： 2 从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理器相结合形成光纤遥测系 统； 3 基础技术和元器件的研究取得了很大发展，可靠性和稳定性有了很大提高。如 开发光纤传感器用的特殊光纤、提高有源无源器件的稳定性和可靠性、深入研 究检测系统。 1 4 本课题的主要研究目标和内容 本课题的主要研究目标： 本项目是在光纤探针测量物体表面三维形貌的基础上，采用一分七单模光纤束代替 单根光纤探针，通过光强反射式获取物体表面三位形貌，被测表面距光纤端面的距离不 同，经被测表面反射回来的光强度就不同，距离越近，光强越强；距离越远，光强越弱。 深入研究单根光纤作为扫描探针的系统结构及其原理。从理论上分析光纤束的周围光纤 作为接收参考信号光的耦合效率。研究步进电机驱动芯片t a 8 4 3 5 和p 8 9 c 5 2 单片机片 的工作原理和应用，实现p c 机与下位机的通信协议。设计并实现基于步进电机的三维 平移台。 本课题的研究内容： 1 ) 以三维扫描为目标，研究基于步进电机的三维移动平台的可行方案，开发并设 计该系统； 2 ) 设计完成以8 位单片机p 8 9 c 5 2 为主控芯片的三维平移扫描台( 包括软硬件) ，提 供单片机与p c 机的串口通信； 3 ) 比较研究现有的光纤探针作为扫描探头的三维形貌测量方法，并对光纤束探针 作理论分析； 4 ) 设计一套光纤束探头作为三维表面形貌测量方法的验证性实验系统，并结合三 维扫描平移台进行实验； 5 ) 针对单片机系统和光纤束探头实验系统，展望系统完善的方向。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 参考文献 1 苏显渝，李继陶信息光学科学出版社1 9 9 9 2 陈家璧，李继陶光学信息技术原理及应用高等教育出版社2 0 0 2 3 f r a n kc h e n ，g o r d o nm b r o w n ，m u m i ns o n g o v e r v i e wo ft h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p em e a s u r e m e n tu s i n g o p t i c a lm e t h o d s o p t i c a le n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 0 ，3 9 ( 1 ) ：1 0 2 2 4 陈晓荣，蔡萍光学非接触三维形貌测量技术新进展光学精密工程，2 0 0 2 ，1 0 ( 5 ) ：5 2 8 5 3 2 5 3 马玉真，陶立英，王新华计算机视觉技术的应用实验技术与实验机2 0 0 6 ，3 ：6 0 6 5 6 t a k u t a ，e t c ，d e v e l o p m e n to fa na u t o m a t i c3 一ds h a p em e a s u r i n gs y s t e mu s i n gan e wa u t o f o c u s i n g m e t h o d ，m e a s u r e m e n t ，9 ( 3 ) ，( 1 9 9 1 ) ，9 5 - 1 0 3 7 吴晓峰，激光自动聚焦三维形状测量系统的研究，仪器仪表学报，第1 7 卷，第2 期，( 1 9 9 6 ) ， 1 2 9 1 3 8 c h i h - l i a n gc h u ，k u a n g c h a of a n ，a n dy e j i n gc h e n ，d e s i g no f ad i g i t a lc o n t r o l l e rf o rl o n g - s t r o k e s u b m i c r o np o s i t i o n i n gs t a g e ，p r o c e e d i n g so ft h e1 砒i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo np o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y a c t - c i t y ，h a m a m a t s u ，j a p a n , j u n e9 - 11 ，2 0 0 4 ，1 7 6 - 1 8 1 9 r o b e r tw i n d e e k e r ，m a t t h i a sf l e i s c h e r ，h a n sj t i z i a n i ，t h r e e - d i m e n s i o n a lt o p o m e t r yw i t h s t e r e o m i c r o s c o p e s ，o p t e n g ，3 6 ，1 9 9 7 ，3 3 7 2 - 3 3 7 7 1 0 p e i s e ns h u a n g ，q i n g y i n gh u ，f e n gj i n ，f u p e nc h i a n g ，c o l o r - e n c o d ed i g i t a lf r i n g ep r o j e c t i o n t e c h n i q u ef o r h i g h - s p e e dt h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c ec o n t o u r i n g ，o p t e n g ，3 8 ( 6 ) ，( 1 9 9 9 ) ，1 0 6 5 1 0 7 1 11 c h e n g p i n gz h a n g ，p e i s e ns h u a n g a n df u - p e nc h i a n g ，h i g h - s p e e dp h a s es h i t t i n g p r o t i l o m e t r y ，p r o e s p i e ，4 1 8 9 ，( 2 0 0 0 ) ，1 2 2 - 1 2 8 1 2 eb i t t e ，g d u s s l e r 3 dm i c r o - i n s p e c t i o ng o e sd m d ，o p t i c sa n dl a s e r si ne n g i n e e r i n g ，3 6 ， ( 2 0 0 1 ) ，1 5 5 - 1 6 7 1 3 王永红，余晓芬等，基于差动共焦的并行三维形貌检测系统的研究，中国科学技术大学学 报，第2 3 卷，第4 期，( 2 0 0 3 ) ，4 1 5 - 4 2 0 1 4 t i m o t h yl p e n n i n g t o n ，h a ix i a o ，r u s s e l lm 嘞m i n i a t u r i z e d3 - ds u r f a c ep r o t i l o m e t e ru s i n ga f i b e ro p t i cc o u p l e r , o p t i c