高精度光学测量微位移技术综述

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[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0.110m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。激光二极管准直系统DδP2oαP1AS’S激光束接收透镜dO’P1'βP2'检测器图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：sin'sinsindssd(1)又可以写为：dABd(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：2'sinsin'sinsinssds(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，对待测表面要求较低，而离焦检测法和光干涉法等通常只能测量非常光滑的表面。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；在生产现场实现在线检测；适用范围广[10]。2.1.2激光三角测头基本原理激光三角测头主要包含半导体激光器、汇聚透镜、接收透镜、光电探测器件CCD及后续处理电路。MD1L’LD2CCDx,XyYαβ光束图2激光三角侧头光路图如图2所示，根据几何光学原理：111'llf(4)'lxlXyY(5)'flXfyY(6)消去X，Y：1cot'YXl(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：1cotcot'l(8)当像点下移至无限远时，物点产生的距离为D1：1sinsinlD(9)物点下移至无限远时，像面上产生的距离为D2：2'sinsin()lD(10)对公式（4）进行微分求得测头分辨率：2'sinsin'sinsinMllANlN(11)2.1.3激光三角法微位移测量的发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，相应的改进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避免光斑形状的影响，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。由于被测表面的阶越，比如孔或者缝，使得传感器无法接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、光学性质以及表面形状等方面的差异导致同一光源入射时，物体表面对光的反射和吸收程度不同，特别是由于物体表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差。改进的方法有，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)平行于待测表面的纹理，可接受到足够的光强，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表面特性差异补偿。2.2激光干涉法微位移测量技术激光干涉位移测量技术是以激光波长为基准，通过干涉原理对位移进行测量的技术。按照工作原理不同，主要有双光束干涉和多光束干涉两种类型。迈克尔逊干涉仪或类似结构是双光束激光干涉仪主要结构形式，广泛应用于各种位移测量场合，它又分为零差干涉仪和外差干涉仪两大类。而多光束干涉仪主要指法布里－珀罗干涉仪（下文简称法－珀干涉仪），它主要用于高分辨力微位移测量。此外还有其它一些结构类型及相应的改进型激光干涉仪。2.2.1激光干涉仪分类及测量原理（1）零差激光干涉仪零差干涉仪是一种较简单的位移测量干涉仪形式，图3为基于迈克尔逊干涉仪结构的零差干涉仪示意图。探测器参考镜测量镜分光棱镜反射镜激光器图3零差干涉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，通过观测干涉条纹的移动量或由干涉条纹强度分布得到的相位变化即得到被测位移，基本测长公式即：2NL(12)其中N是光电接收器接收到的干涉场固定点明暗变化的次数。在信号处理时加入移相系统，还可以实现位移方向的判别。零差干涉仪结构简单，应用较为广泛。虽然光学倍程、电子倍频、干涉条纹细分等技术发展的使零差干涉仪的测量精度大为提高，但因受各种误差因素限制，传统干涉测量分辨力只能达到λ/10～λ/20。零差干涉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，测量时不允许干涉仪两臂的光强有较大变化。（2）外差激光干涉仪外差干涉仪是采用具有一定频差Δf的双频光束作为载波信号的干涉仪，其典型结构如图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。双频激光器前放前放计算机偏振分光镜分光镜1/4波片f1f2检偏器1光电探测器1f1-f2检偏器2f2f21/4波片测量镜f1f1+△f(f1+△f)-f2光电探测器2图4外差干涉仪示意图由于即使测量镜不发生位移，干涉仪仍保留－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部分随机噪声，提高检测准确度和重复性。同时若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，外差干涉仪的位移测量分辨力已达到0。1nm。由于外差干涉仪的抗干扰能力较强，适用于现场作业，应用非常广泛。但传统外差干涉仪不可避免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涉仪，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，避免了上述非线性测量误差[13]。2.2.2激光干涉位移测量技术的发展趋势激光干涉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发达国家，我国因起步较晚，与发达国家尚有差距。根据激光干涉位移测量技术的发展现状和微纳米技术发展的需要，可以预想激光干涉位移测量技术近期主要有以下几个发展方向：①向亚纳米量级以上高分辨力方向发展。科技的进步以及精密制造业的迅速发展对位移测量的分辨力和准确度提出了更高要求，而且，当前激光干涉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涉仪的准确性至少高一个数量级，即现有的计量设备无法满足实际的标定和校准需求，因此具有亚纳米甚至更高分辨力新型位移测量技术的发展是大势所趋。②改进已有测量技术的同时，不断开发和应用新的激光干涉测量技术。在光学测量领域，除激光器的出现将计量学带入一个新纪元，尚没有代表性的新原理出现，目前做得最多的是进一步改进和完善已有干涉仪的结构和性能，同时，将干涉仪与其它方法结合成为纳米