高精度光学测量微位移技术综述

微位移高精度光学测量技术综述*(* * * * * *重庆光电学院，400065)摘要微位移测量技术广泛应用于科学和工业技术领域。与传统测量方法相比，光学测量微位移技术具有灵敏度高、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。摘要：介绍了高精度光学微位移测量的几种方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅标度法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法等方面系统地分析和比较了各种微位移测量原理和仪器，总结了各种方法的特点，总结了光学微位移测量方法的发展趋势。关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1导言随着科学技术的发展，小位移检测方法已经发展成多种，测量精度也在不断提高。目前，高分辨率微位移测量技术主要分为非光学测量技术，包括电学、显微镜等测量方法和以激光干涉测量为代表的光学测量技术。电测技术还包括电阻法、电容电感法和涡流法，其中电容电感法发展迅速，应用广泛。目前，三端电容传感器可测量510-5 m微位移，最大稳定度为每天漂移几皮米1。然而，显微镜测量技术有很多种，主要包括20多个品种如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)2。根据光学原理的不同，光学测量技术可分为激光三角测量法(3)、光学杠杆法(1，4)、光栅尺测量法(5)、光纤位移测量法(5)和激光干涉法等。测量分辨率在几十微微米到几纳米之间。此外，近年来，利用X射线衍射效应测量位移的X射线干涉法引起了人们的广泛关注。它最大的特点是可以实现皮米级的高分辨率，并以晶格结构中的原子间距作为跟踪标准，避免光学干涉仪的各种非线性误差。表1总结了分辨率为纳米级及以上的主要微位移测量技术。纵观位移测量技术的发展，如果说扫描探针技术给高分辨率位移测量领域带来了革命性的变化，那么近几十年来激光技术的发展将该领域带入了一个新的时代。从表1可以看出，目前电容式传感器和SPM的测量分辨率也很高，但它们的共同缺点是在溯源到国际标准长度单位时，必须通过激光干涉仪等方法进行校准和校准。根据1983年第17届计量大会对“米”的新定义，激光干涉法在追踪几何值的来源方面具有天然的优势，同时还具有非接触测量、高分辨率和测量速度快的优点。本文将对目前主要的光学微位移测量技术进行介绍和比较。表1常见微位移测量技术仪器类型分辨率/纳米测量范围电容式换能器0.05-210nm-300m电感传感器510mSPM0.051-10m激光三角测量探头2.5100-500m光纤位移传感器2.530-100m双频激光干涉仪0.110m光栅尺0.1-1070-200毫米x射线干涉仪0.005200mF-P干涉仪0.0015nm-300m2光学微位移测量技术概述2.1激光三角测量微位移技术随着工业测量领域的不断扩大，测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经不能满足工业的需要。然而，非接触测量以其良好的精度和实时性成为测量领域的热点。同时，由于在激光三角测量中，光源发出的激光束照射在被测物体的平面上，最后通过反射成像在探测器上。当物体表面的位置改变时，由物体表面形成的图像也将在检测器上经历相应的位移。通过图像运动与实际位移之间的关系，可以通过检测和计算图像运动来获得真实的物体位移。激光三角测量的框图如图1所示。其中，投影光轴与成像物镜光轴之间的夹角，光电探测器受光面与成像物镜光轴之间的夹角，S和S分别为物距和像距，D为传感器上成像点的偏移量，为物面的实际偏移量，系统的相关参数为偏移量，D为传感器到被测面参考点的距离；测量范围是物体表面的最大可检测偏差，即的最大值。测量精度是传感器的最小测量单位。分辨率通常指测量的纵向分辨率，即测量精度与测量范围的比值。横向分辨率是在被测物体表面上的测量点之间的最小距离。图1激光三角测量法示意图为了实现完美的聚焦，光路设计必须满足斯科普拉格条件。成像表面、物体表面和透镜主表面必须在同一条直线上相交，如图1中的点x所示。系统的非线性输入和输出函数为：(1)也可以写成：(2)激光三角测量的另一个重要参数是线性度，它是三角测量的输入和输出之间关系的线性近似。可以证明，在三角测量中，可以通过减小测量范围、增加接收透镜的共轭力矩、增加三角测量系统的角度以及减小接收透镜的放大率来获得线性测量结果7。此外，输入-输出曲线的斜率，即激光三角测量法的放大倍数，通过从方程(1)中导出D来获得：(3)系统的放大倍数决定了系统的分辨率，放大倍数不仅取决于系统参数，还取决于像移函数。激光三角传感器的特性分析及研究现状激光三角传感器的主要优点是：(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问题；解决了接触侧头半径较大引起的横向分辨率问题。检测速度得到提高(千赫极，而接触测量约为1Hz) 8。(2)与其他非接触测量方法相比，它具有较大的偏移距离和较大的测量范围，需要测量的表面较少，而散焦检测法和光学干涉法只能测量非常光滑的表面。此外，三角测量法还具有以下特点：使用半导体激光器，测量仪器体积小9】；该激光器具有良好的方向性和较高的光功率，因此该测量仪具有较高的分辨率、稳定性和测量精度。与计算机结合形成智能测试系统；生产现场实现在线检测；广泛适用的10。2.1.2激光三角探头的基本原理激光三角测量探头主要由半导体激光器、会聚透镜、接收透镜、光电探测器CCD和后续处理电路组成。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)消除x，y:(7)也就是说，图像点的运动轨迹也是一条直线。同时，还得到了角度与角度的关系：(8)当图像点向下移动到无穷远时，由物体点产生的距离是D1:(9)当目标点向下移动到无穷远时，图像表面上生成的距离为D2:(10)微分方程(4)以获得探头分辨率：(11)2.1.3激光三角测量的发展趋势入射光束的焦深极限：当普通高斯光束聚焦在入射光上时，光斑尺寸会随着测量范围的增大而变大，使系统难以满足高分辨率和大测量范围的要求。当用CCD作为探测器时，相应的改进方法是用重心法得到CCD输出的矩形脉冲的中心位置。当PSD用作探测器时，光斑形状的影响可以避免，但系统的分辨率仍然会受到影响。在参考文献11中，提出使用无衍射光束作为光源来解决这个问题。由于被测表面的台阶尺寸，如孔洞或接缝，传感器无法接收反射或漫反射光。解决方案是使用旋转对称10的光学三角测量传感器。当相同的光源由于颜色、材料、粗糙度、光学特性和表面形状的差异而入射到被测表面上时，物体表面上的光的反射和吸收程度是不同的，特别是由物体表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像点或光带的像差。改进的方法是使测量工作平面(由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴所确定的平面)平行于被测表面的纹理，从而可以接收足够的光强，这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中的系统参数。除了通过更好的校准方法提高系统的精度之外，双无衍射光束也可以用作光源，以提高系统的抗噪声能力(12】；采用完全对称的双面双光路系统设计。通过与智能控制系统相结合，同时开发更好、更快的处理算法，为了最大限度地实现光电三角测量的灵活性，德国mitre测试技术公司提出的激光三角位移传感器optoNCDT2200实现了被测物体表面特征差异的实时补偿。2.2激光干涉微位移测量技术激光干涉位移测量技术是一种以激光波长为基准，利用干涉原理测量位移的技术。根据不同的工作原理，主要有双光束干涉和多光束干涉两种。迈克尔逊干涉仪或类似结构是双光束激光干涉仪的主要结构形式，广泛应用于各种位移测量场合。它分为零差干涉仪和外差干涉仪。多光束干涉仪主要指法布里-珀罗干涉仪(以下简称法布里-珀罗干涉仪)，主要用于高分辨率微位移测量。此外，还有其他结构类型和相应的改进的激光干涉仪。2.2.1激光干涉仪的分类和测量原理(1)零差激光干涉仪零差干涉仪是一种相对简单的位移测量干涉仪。图3是基于迈克尔逊干涉仪结构的零差干涉仪的示意图。图3零差干涉仪示意图稳频激光器发出的光被分光棱镜分成测量光束和参考光束，当测量镜位移时，光程差发生变化。通过观察干涉条纹的位移或由干涉条纹的强度分布获得的相位变化来获得待测量的位移。基本长度测量公式如下：(12)其中n是光电接收器接收到的干涉场定点的明暗变化数。当在信号处理中加入相移系统时，也可以实现位移方向的判别。零差干涉仪结构简单，应用广泛。虽然光学倍频、电子倍频和干涉条纹细分技术的发展大大提高了零差干涉仪的测量精度，但由于各种误差因素，传统干涉测量的分辨率只能达到/10 /20。零差干涉仪的最大缺点是光电接收器后面的前置放大器只能使用由于干涉仪即使在测量镜不移动的情况下仍然保持-F的交流信号，光电接收器后的前置放大器可以使用交流放大器，可以有效抑制DC漂移和外界环境引起的大部分随机噪声，提高检测精度和重复性。同时，如果选择高放大倍数的交流放大器，可以大大降低对光强的要求。目前，外差干涉仪的位移测量分辨率已达到0。1毫米.外差干涉仪抗干扰能力强，适合野外作业，应用广泛。然而，传统的外差干涉仪由于偏振分束器的分束性能不理想，不可避免地存在偏振态和混频现象，从而导致非线性测量误差。为了克服这个缺点，吴等人设计了如图4所示的差分外差干涉仪，其使用声光调制晶体来完全分离具有不同偏振状态和频率的两个光束，从而避免了上述非线性测量误差。2.2.2激光干涉位移测量技术的发展趋势激光干涉测量因其独特的优势成为高分辨率位移测量的最实用工具之一。然而，大多数最先进的纳米加工和测量技术来自工业发达国家。由于起步晚，中国仍然落后于发达国家。根据激光干涉位移测量技术的发展现状和微纳技术发展的需要，可以预计激光干涉位移测量技术在不久的将来将有如下发展方向：(1)高分辨率方向上的亚纳米水平。科学技术的进步和精密制造的快速发展对位移测量的分辨率和精度提出了更高的要求。此外，当前激光干涉位移测量技术遇到的一个共同问题是，作为一种跟踪方法，诸如扫描探针显微镜之类的测量手技术的精度比目前可获得的最佳干涉仪的精度至少高一个数量级，即现有的测量设备不能满足实际的校准和校准要求，因此开发亚纳米甚至更高分辨率的新的位移测量技术是大势所趋。(2)在改进现有测量技术的同时，新的激光干涉测量技术不断发展和应用。在光学测量领域，除了激光的出现将计量学带入了一个新的时代之外，还没有具有代表性的新原理。目前，最主要的工作是进一步改进和完善现有干涉仪的结构和性能。与此同时，干涉仪和其他方法的结合已经成为纳米测量发展的主要趋势，例如前面提到的将X射线干涉测量技术与激光干涉仪结合以弥补它们各自缺点的方法14。(3)解决高分辨率和大测量范围之间的矛盾。未来的位移测量需要几十毫米或更大范围内的亚纳米分辨率，这很难用单一的测量方法实现。结合各种测量方法来弥补各自的不足是解决矛盾的突破口。同时，提高信号处理能力，提高测量系统中机械零件的装配和运动精度，提高光源质量，减少外界环境干扰等。是大规模高分辨率位移测量工作的所有方向。2.3光栅尺微位移测量技术2.3.1光栅尺微位移测量原理光栅刻度尺测量的基本原理是在光源的照射下，刻度尺和扫描掩模之间的相对运动形成莫尔条纹，莫尔条纹被光电传感器转换成近似正弦和余弦的电信号，即原始光栅扫描信号。然后，采用不同的电子细分方法获得不同测量步长的计数脉冲信号。脉冲信号通常是两个正交信号。这两个信号被连接到随后的可逆计数电路。计数在光栅信号的信号周