一種光電方法測(cè)量微小位移

1、一種光電方法測(cè)量微小位移摘 要高精度的測(cè)量廣泛的應(yīng)用于微電子、超精加工、生物工程、未來(lái)醫(yī)學(xué)、航天技術(shù)、材料科學(xué)、納米操作等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，且成為這些領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，也成為許多領(lǐng)域不斷進(jìn)步的制約性因素。干涉的方法測(cè)量長(zhǎng)度是激光在幾何量測(cè)量中最重要的應(yīng)用。以邁克爾遜干涉儀為代表的光波干涉法一直是公認(rèn)的精密測(cè)量長(zhǎng)度和位移的有力手段。激光的出現(xiàn)與發(fā)展給干涉測(cè)量長(zhǎng)度提供了極好的相干光源，光波干涉技術(shù)測(cè)量逐漸成為科研與生產(chǎn)中精密測(cè)量的重要手段。但是測(cè)量方法受限于光源單色性差和人眼計(jì)數(shù)的誤差，再加許多其它客觀外部因素的存在，很難統(tǒng)計(jì)干涉條紋，從而造成很大的誤差。為了提高測(cè)量的精確度，本文采用線陣CCD為條紋記

2、錄工具，通過(guò)后臺(tái)電路，對(duì)干涉條紋的圖像進(jìn)行分析得到微小位移量。本文的主要研究?jī)?nèi)容有：第1、 線陣CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理。第2、 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的分析研究，闡明利用激光干涉測(cè)量位移量的原理，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單實(shí)用的干涉測(cè)量光路。第3、 用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比對(duì)和分析采用的實(shí)驗(yàn)方法的可行性和不足，并對(duì)后繼工作提出一些需要改進(jìn)和完善的地方。關(guān)鍵詞：微小位移，激光，干涉條紋，干涉條紋間距，線陣CCDone ABSTRACTKEY WORDS: 目 錄前 言1第一章 線陣CCD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析3§1.1 CCD的分類3§

3、1.2 CCD的工作原理4§1.2.1 光電轉(zhuǎn)換4§1.2.2 電荷的存儲(chǔ)5§1.2.3 電荷的轉(zhuǎn)移6§1.2.4 電荷的檢測(cè)7§1.3 CCD的工作原理8第二章 激光干涉的原理介紹及測(cè)量分析10§2.1 激光及激光干涉10§2.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于高精度測(cè)量技術(shù)狀況11§2.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀分析11§2.2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀12§2.3 CCD的工作原理13§2.4 用激光干涉測(cè)量位移不足分析15第三章 利用干涉和線陣CCD設(shè)計(jì)微位移測(cè)量17§3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量17§3

4、.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果18第四章 誤差及影響條件分析20§4.1 系統(tǒng)誤差20§4.2 余弦誤差20§4.3 死區(qū)誤差20§4.4 波長(zhǎng)修正誤差21§4.5 熱膨脹誤差21結(jié) 論22參考文獻(xiàn)23致 謝25附錄2626前 言計(jì)量科學(xué)技術(shù)的水平集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。計(jì)量科技水平越高，工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量就越好；計(jì)量測(cè)試精度越高，產(chǎn)品的性能越高，競(jìng)爭(zhēng)力就越強(qiáng)。長(zhǎng)度量是最基本的幾何量，長(zhǎng)度量的計(jì)量有著極為重要的意義。隨著人們認(rèn)識(shí)的提高和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度的測(cè)量在微電子、超精加工、航天技術(shù)、材料科學(xué)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。成為許多領(lǐng)域

5、的關(guān)鍵性技術(shù)，同時(shí)也已成為許多領(lǐng)域不斷發(fā)展進(jìn)步的制約性因素。無(wú)論是生物工程中的細(xì)胞操作、集成電路或光電子器件的加工等，這些都需要精確地測(cè)量定位。在20世紀(jì)70年代提出了精密、超精密加工。而這一概念的提出，就迅速在美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家得到了重視和發(fā)展。各國(guó)都投入了大量的人力物力研制超精密測(cè)量?jī)x器。當(dāng)前美國(guó)的水平最高，不僅應(yīng)用于中小型超精密儀器的加工，而且廣泛的應(yīng)用于國(guó)防和尖端技術(shù)的當(dāng)中。干涉法測(cè)量長(zhǎng)度是激光在幾何量測(cè)量中最重要的應(yīng)用以邁克爾遜干涉儀為代表的光波干涉法作為精密測(cè)量長(zhǎng)度和位移的有力手段，一直是公認(rèn)的精度最高的檢測(cè)手段。近代激光及激光技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展給干涉測(cè)量長(zhǎng)度提供了極好的相干光源

6、，光波干涉技術(shù)測(cè)量逐漸成為科研與生產(chǎn)中精密測(cè)量的重要手段。傳統(tǒng)的邁克爾遜測(cè)量方法受限于光源單色性差和人眼計(jì)數(shù)的誤差對(duì)測(cè)量的精度有很大的影響。CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)于1969年由貝爾研究所的W.S.Boyle與G.E.Smith發(fā)明，并于次年發(fā)表。由于CCD具有儲(chǔ)存信號(hào)電荷后傳輸?shù)墓δ?，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)存，顯示器，延遲單元等。在其后的幾年里，CCD迅速發(fā)展成熟，并逐漸應(yīng)用于圖像傳感器。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，CCD現(xiàn)今已經(jīng)在攝像掃描等領(lǐng)域占據(jù)重要地位，而線陣CCD在靜態(tài)圖像攝取方面應(yīng)用非常廣泛的應(yīng)用。CCD線陣傳感器因其能在一次曝光時(shí)間內(nèi)探測(cè)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的所有

7、譜線，在現(xiàn)代光譜測(cè)量技術(shù)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文以激光的干涉的原理，利用線陣CCD采集數(shù)據(jù)。提出了一種圖像分析法測(cè)量微小位移的方法，并對(duì)測(cè)量的位移的誤差進(jìn)行分析研究。第一章 線陣CCD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)于1969年由貝爾研究所的W.S.Boyle與G.E.Smith發(fā)明，并于1970年發(fā)表。由于CCD具有儲(chǔ)存信號(hào)電荷后傳輸?shù)墓δ埽粡V泛應(yīng)用于內(nèi)存，顯示器，延遲單元等。在其后的幾年里，CCD迅速發(fā)展成熟。關(guān)鍵應(yīng)用的CCD圖像傳感器，利用稱為楨轉(zhuǎn)移(Frame Transfer)方式(FT-CCD)的簡(jiǎn)單構(gòu)造，于1971年也由

8、貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表。在電荷檢測(cè)技術(shù)方面的FD(Floating Diffusion，浮置擴(kuò)散)電荷檢測(cè)構(gòu)造也于同年發(fā)表。此外還有目前廣泛使用的CCD圖像傳感器構(gòu)造的IT-CCD(Interline Transfer，行間轉(zhuǎn)移)方式的構(gòu)造于1972年發(fā)表，而在信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)方面也開(kāi)發(fā)出了抑制CCD圖像傳感器信號(hào)內(nèi)噪聲的相關(guān)雙采樣(CDS：Correlated Double Sampling)電路(1974年)等技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，CCD現(xiàn)今已經(jīng)在攝像掃描等領(lǐng)域占據(jù)重要地位，而線陣CCD在靜態(tài)圖像攝取方面應(yīng)用非常廣泛。§1.1 CCD的分類CCD的分類方法有許多，最主要的有： 1、依成

9、像色彩分為：彩色攝像機(jī)、黑白攝像機(jī)。 2、依分辨率靈敏度等可分為：（1）影像像素在38萬(wàn)以下的為一般型，其中尤以25萬(wàn)像素（512*492）、分辨率為400線的產(chǎn)品最普遍。（2）影像像素在38萬(wàn)以上的高分辨率型。 3、按CCD靶面大小可分為：CCD芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種尺寸，但目前采用的芯片大多數(shù)為“1/3和1/4”。4、按掃描制式分為 ：PAL制、NTSC制。 5、依供電電源分為：110VAC、220VAC 、24VAC 、12VDC 、9VDC。6、按同步方式分為： 內(nèi)同步、外同步、功率同步、外VD同步。 7、按照度劃分為：普通型 、月光型 、星光型 、紅外型 。§1.2 CCD的工

10、作原理CCD的工作可以分為四個(gè)方面來(lái)完成： (1)光電轉(zhuǎn)換； (2)電荷的存儲(chǔ)； (3)電荷的轉(zhuǎn)移； (4)電荷的檢測(cè)。 其中光電轉(zhuǎn)換與電荷的存儲(chǔ)是在光電二極管中進(jìn)行的，電荷轉(zhuǎn)移是在CCD移位寄存器中進(jìn)行的，電荷檢測(cè)是在FD放大器中進(jìn)行的。§1.2.1 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷。物理上的光電轉(zhuǎn)換分為外部光電效應(yīng)和內(nèi)部光電效應(yīng)。外部光電效應(yīng)就是在固體表面的電子，接受光子的能量被釋放到真空的想象。而內(nèi)部光電效應(yīng)是半導(dǎo)體Si單晶中的電子接受光子能量從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的現(xiàn)象。CCD中光電轉(zhuǎn)換屬于光電二極管內(nèi)Si襯底中的內(nèi)部光電效應(yīng)。用于CCD圖像傳感器的Si單晶材料，在室溫下

11、價(jià)帶Ev與導(dǎo)帶Ec的電勢(shì)差約為1.1eV。此電勢(shì)被稱為禁帶(Eg)，如圖1-1，只有能量大于此一能級(jí)的光子才能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光子能量E可由式1.1表示： （1.1） 通過(guò)計(jì)算，可知能量大于1.1eV禁帶的光，波長(zhǎng)大約在1100nm以下。所以在Si單晶內(nèi)可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光波長(zhǎng)最大約為1100nm，稱為基礎(chǔ)端。 圖1-1 電 子 能 躍 遷 圖§1.2.2 電荷的存儲(chǔ)電荷存儲(chǔ)就是搜集光電轉(zhuǎn)換所得的信號(hào)電荷，直到輸出前的存儲(chǔ)動(dòng)作。基本思想是在光電二極管中制造出高于周圍電勢(shì)的高電勢(shì)阱來(lái)存儲(chǔ)電荷。以MOS構(gòu)造、兩端子電容器為例，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。以P型Si為例，在P型Si襯底上通過(guò)氧化在

12、表面形成層，然后在上淀積一層金屬為柵極，P型Si里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí)，其電場(chǎng)能夠透過(guò)絕緣層對(duì)這些載流子進(jìn)行排斥或吸引，形成高于周圍電勢(shì)的電勢(shì)阱。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，剩下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠層形成負(fù)電荷層(耗盡層)，這種現(xiàn)象便形成對(duì)電子而言的陷阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，達(dá)到存儲(chǔ)電荷的目的。 圖1-2 MOS 電容器§1.2.3 電荷的轉(zhuǎn)移 可以說(shuō)，電荷轉(zhuǎn)移才是CCD的功能。所謂Charge Coupled Device(電荷耦合器件)，原來(lái)指具有電荷轉(zhuǎn)移的功能元件，由于其主要應(yīng)用在圖像傳感器

13、方面，現(xiàn)在似乎成了圖像傳感的代名詞。 （a） （b） （c） （d） 為了理解CCD中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，可觀察圖1-3中的四個(gè)彼此靠得很近的電極。電荷最初存儲(chǔ)在偏壓為10V的電極(2)下邊的深勢(shì)阱里，其它電極上均加有大于某臨界值電壓的較低電壓(例如2V)，稱為閾值電壓。如果逐漸將電極(3)的電壓由2V增加到10V，這時(shí)(2)、(3)兩個(gè)電極下面的勢(shì)阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲(chǔ)在電極(2)下面的電荷，就在兩個(gè)電極下面均勻分布，如圖1-3(b)所示，然后，再逐漸將電極(2)的電壓降到2V，使其勢(shì)阱深度降低，如圖1-3(c)所示，這時(shí)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極(3)下面的

14、勢(shì)阱中，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加相同的時(shí)鐘脈沖。CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其正常工作需要的脈沖。圖1-3所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖(圖1-3d)。 §1.2.4 電荷的檢測(cè)電荷檢測(cè)是將轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的動(dòng)作。實(shí)際使用的電荷檢測(cè)方法可分為以下兩種：(1)浮置擴(kuò)散放大器；(2)浮置柵極放大器。幾乎所有CCD圖像傳感器都使用浮置擴(kuò)散放大器，因此我們僅對(duì)浮置擴(kuò)散放大器進(jìn)行說(shuō)明。 如圖1-4所示為浮置擴(kuò)散放大器的結(jié)構(gòu)，相鄰移位寄存器最終段的PN結(jié)

15、二極管結(jié)構(gòu)，在施加逆向偏壓得狀態(tài)下，形成一電容器。電容器兩端的電壓變化與存儲(chǔ)電荷量成正比，其兩端電壓變化可由式1.2計(jì)算， (1.2)式中：Q 為轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的信號(hào)電荷量； 浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容。由于此PN結(jié)二極管的N型區(qū)域呈現(xiàn)浮游狀態(tài)，故稱浮置擴(kuò)散（FD）。當(dāng)CCD電荷轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)時(shí)，連接此處的放大器將電壓信號(hào)緩沖放大輸出。每次檢測(cè)完一個(gè)像素的信號(hào)電荷，在下一個(gè)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)前，必須復(fù)位FD中的信號(hào)電荷。通過(guò)在復(fù)位柵(RG:Reset Gate)端加復(fù)位脈沖RG，使復(fù)位柵導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到復(fù)位漏極(RD:Reset Drain)的電壓。連接于FD的放大器，通常是與CCD做在同

16、一個(gè)硅片上的MOS晶體管的源極跟隨器。 浮置擴(kuò)散放大器為破壞性的一次性輸出，檢測(cè)完畢后，信號(hào)電荷便由RD吸收消失，無(wú)法再被利用。浮置柵極放大器可以實(shí)現(xiàn)非破壞性檢測(cè)，因其放大管柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連，而是與溝道上邊的浮置柵相連，通過(guò)浮置柵感應(yīng)出轉(zhuǎn)移到其下的信號(hào)電荷的鏡像電荷來(lái)控制柵極電位。因?yàn)闄z測(cè)電極與送來(lái)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道的電容耦合，相比于浮置擴(kuò)散放大器轉(zhuǎn)移效率偏低。 圖1-4 浮置擴(kuò)散放大器載面構(gòu)造§1.3 CCD的工作原理CCD的主要性能指標(biāo)有：響應(yīng)度、光譜響應(yīng)度、動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、噪聲等。 (1)響應(yīng)度:CCD的響應(yīng)度可以定義為單位曝光量所得到的有效信號(hào)電（）也就

17、是說(shuō)，在一定的相面照度下，響應(yīng)度的大小等于有效信號(hào)電壓與其曝光量之比值。響應(yīng)度的大小反映了CCD像元的靈敏度和輸出級(jí)的電荷/電壓轉(zhuǎn)換能力。影響響應(yīng)度的要素，包括光電二極管的量子效率、微鏡頭(為提高響應(yīng)度而在像素上方做成類似聚光透鏡的微小結(jié)構(gòu))的集光效率、FD放大器的轉(zhuǎn)換效率及像素尺寸。(2)光譜響應(yīng)度：光譜響應(yīng)特性表示CCD對(duì)于各種單色光的相對(duì)響應(yīng)能力，其中響應(yīng)度最大的波長(zhǎng)稱為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。通常把響應(yīng)度等于峰值響應(yīng)的50所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍稱為光譜響應(yīng)范圍。光譜感光度特性主要由光電二極管表面的反射與Si的光吸收特性所決定。由于波長(zhǎng)較短的光，經(jīng)Si表面的保護(hù)膜等吸收或反射后，導(dǎo)致光量衰減，因此CCD

18、在短波段響應(yīng)度偏低。此外普通光學(xué)玻璃在紫外段對(duì)光的吸收較大，也限制了玻璃窗CCD在紫外段的響應(yīng)。目前市售的大部分CCD器件的光譜響應(yīng)范圍在400nm1100nm左右。(3)動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍定義為飽和信號(hào)量與噪聲之比，實(shí)際CCD器件的動(dòng)態(tài)范圍常定義為所有有效像素中最小飽和輸出電壓和所有有效像素中最大暗信號(hào)電壓之比。(4)分辨率：分辨率就是CCD能分辨多細(xì)的圖像信息。常用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來(lái)評(píng)價(jià)。通常來(lái)說(shuō)像素越多，分辨率越高。掃描用的線陣CCD的第二位分辨率則取決于掃描速度與CCD光敏單元的高度等因素。(5)噪聲：分為隨機(jī)噪聲和固定圖形噪聲。1)隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲是與輸出的圖形位置無(wú)關(guān)的噪聲。CC

19、D本身發(fā)生的典型隨機(jī)噪聲有如下四種：a、暗電流散粒噪聲；b、FD復(fù)位噪聲；c、FD放大器噪聲；d、光散粒噪聲。以上四種隨即噪聲中，對(duì)于近年來(lái)的高性能CCD，其平均暗電流被抑制得很小，暗電流散粒噪聲基本可以忽略，而FD復(fù)位噪聲可由電路控制，因而主要需要考慮的是FD放大器噪聲的影響。如果今后提高FD放大器的MOS晶體管性能，使其小于光散粒噪聲，光散粒噪聲將成為主要的噪聲源，這表示隨機(jī)噪聲接近物理的極限。2)固定圖形噪聲a光電二極管的暗電流、b轉(zhuǎn)移劣化、c像素感光度不均勻 這三種固定圖形噪聲中，暗電流噪聲帶來(lái)的影響最嚴(yán)重，其噪聲電壓值受到溫度與存儲(chǔ)時(shí)間的影響。在光譜測(cè)量中，暗電流噪聲理論上可以通過(guò)在

20、信號(hào)光譜采集前，先進(jìn)行一次無(wú)光的暗采集，然后采集信號(hào)光譜，然后將信號(hào)光譜采得的各點(diǎn)值減去暗采集的各點(diǎn)值來(lái)消除。第二章 激光干涉的原理介紹及測(cè)量分析激光器是六十年代初期出現(xiàn)的一種新型光源，激光器的出現(xiàn)為精密計(jì)量領(lǐng)域中開(kāi)創(chuàng)了新局面。在激光出現(xiàn)以前，用一般光源制成的干涉儀因?yàn)橄喔尚圆?，亮度低，只能用于在?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行比較測(cè)量。這也使得干涉儀沒(méi)有廣泛應(yīng)用于精密的測(cè)量。自1960年氦氖激光器出現(xiàn)以后，激光光源以其單色性、高亮度、很好的空間相干性和時(shí)間相干好等性能，使得干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，因此激光的出現(xiàn)為精密測(cè)量提供了一種新的思路方法。§2.1 激光及激光干涉激光的最初的中文名叫做“鐳射

21、”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是"通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。目前利用激光干涉原理測(cè)量長(zhǎng)度常用主要是以邁克爾遜干涉儀為主，并以穩(wěn)頻氦氖激光為光源，構(gòu)成一個(gè)具有干涉作用的測(cè)量系統(tǒng)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線性位置、速度

22、、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。利用激光干涉原理測(cè)量已有廣泛的應(yīng)用。§2.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于高精度測(cè)量技術(shù)狀況§2.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀分析 如下表所示為納米級(jí)別的測(cè)量系統(tǒng)的性能比較，由此可以看出國(guó)外在這方面的研究現(xiàn)狀。表2-1 納米級(jí)測(cè)量系統(tǒng)性能表產(chǎn)品分辨率（nm）精度（nm）測(cè)量范圍（nm）測(cè)量速度（nm/s）雙頻激光干涉儀0.6002.001×10125×1010光外差干涉儀0.1000.105×1072.5×102F-P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量?jī)x0.0010.0015510X射線干涉儀0.0

23、050.0102×1053×10-2衍射光柵1.05.05×1071×106掃描隧道顯微鏡0.500.0503×10410 從表中我們可以看出FP標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量?jī)x的精度與分辨率是最佳的，均可達(dá)到0.001m，但其測(cè)量范圍則僅有5nm，并且其測(cè)量速度是相當(dāng)緩慢的。而雙頻激光干涉儀、光外差干涉儀及衍射光柵的分辨率和精度也可達(dá)到納米，同時(shí)其測(cè)量范圍大，測(cè)量速度較快，因此應(yīng)用較多。 在國(guó)外，分辨率達(dá)到1nm的可進(jìn)行線性位移測(cè)量的激光干涉系統(tǒng)已用于商業(yè)運(yùn)行中，而且分辨率高于1nm的激光干涉測(cè)量系統(tǒng)也在研究中。目前世界上有三種比較典型且己很成熟的激光干涉儀：美

24、國(guó)HewlettPackard公司生產(chǎn)的HP系列雙頻激光干涉儀、美國(guó)Zygo公司研制的用于DSW光刻機(jī)X、Y工作臺(tái)直線及角位移測(cè)量的雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)、英國(guó)Renishaw公司的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)。表2-2是一些國(guó)外主要的一些干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比情況表。表2-2國(guó)外主要激光干涉測(cè)量系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品及性能指標(biāo)序號(hào)型號(hào)激光率（mW）分辨率（nm）精度（m）測(cè)量速度（m/s）生產(chǎn)廠家國(guó)家1SP125150.6352.54×10-3美國(guó)2ML10<11.00.11Renishaw美國(guó)3AXIOM/201.250.011.8ZYGO美國(guó)4LDDM100.10.45OPTODYNE美國(guó)5HP5527

25、B1100.1HP美國(guó)6HP55291100.1HP美國(guó)7L-IM-10A1100.1TSK日本8MI50010.60.4SIOS德國(guó)§2.2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)于70年代開(kāi)始了激光測(cè)量系統(tǒng)的。1975年由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與陜西機(jī)械學(xué)院共同研制出我國(guó)每一臺(tái)國(guó)產(chǎn)雙頻激光干涉儀樣機(jī)，量程為60m，測(cè)量精度為0.5m。到目前為止，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、天津大學(xué)等也相繼開(kāi)展了對(duì)激光干涉儀及相關(guān)技術(shù)的研究。成都工具研究所已生產(chǎn)出帶有測(cè)量空氣參數(shù)裝置并進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)?見(jiàn)表14)。還有清華大學(xué)研制出的光纖偏振光干涉儀其測(cè)量精度優(yōu)于5.52nm 。由上海光機(jī)所研制的半導(dǎo)體干涉

26、儀的測(cè)量擴(kuò)大到125.56m的情況下，仍可達(dá)到1.2nm的重復(fù)精度，為大范圍內(nèi)進(jìn)行納米精度測(cè)量成為可能。表2-3 MJS系列雙頻激光干涉儀技術(shù)指標(biāo)儀器準(zhǔn)確度(1)±（R+0.01L）m（真空）（R為分辨率，L單位為米）(2)±1.5ppm（使用MJSS460波長(zhǎng)補(bǔ)償器）分辨率（1）0.16m(MJS5A型)（2）0.08m(MJS5B型)（3）0.02m(MJS5C型)最大測(cè)量速度300mm/s速度測(cè)量準(zhǔn)確度±0.1%顯示值最大測(cè)量距離20m§2.3 CCD的工作原理 He-Ne激光器屬于原子激光器類，能產(chǎn)生許多可見(jiàn)光的激光譜線，多采用連續(xù)工作方式，其輸

27、出功率多在2mW10mW之間，He-Ne激光器輸出激光的方向性好，通常在光束直徑為lmm的情況下，輸出功率和波長(zhǎng)能控制得很穩(wěn)定，其波長(zhǎng)穩(wěn)定性高達(dá)量級(jí)。 He-Ne激光器輸出激光的高穩(wěn)定性，很適合用于在干涉實(shí)驗(yàn)中用作相干光源光源。 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)原理為：把目標(biāo)反射鏡和被測(cè)物體固定起來(lái)，參考反射鏡不動(dòng)。當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩光路出現(xiàn)光程差，干涉條紋將發(fā)生明暗交替的變化。用光電探測(cè)器接收，當(dāng)被測(cè)的物體移動(dòng)過(guò)一定距離時(shí)，干涉條紋將交替出現(xiàn)亮暗變化，可以用光電探測(cè)器觀察記錄數(shù)據(jù)。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出移動(dòng)的位移量。如圖2-3所示為設(shè)計(jì)的干涉原理測(cè)量的位移的基本原理圖。

28、 圖2-3 激 光 干 涉 原 理 圖如圖2-4所示，測(cè)量開(kāi)始時(shí)，一束激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡和分光鏡將光分成兩束，它們經(jīng)固定反射鏡C和可移動(dòng)被測(cè)物體B上的反射鏡后沿原路返回，并在分光點(diǎn)重新相遇，兩束光的光程差為： （2.1） 測(cè)量時(shí)，可移動(dòng)被測(cè)物體B移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到位置時(shí)，物體距離分光鏡的距離為，被測(cè)物體移動(dòng)了L的距離。此時(shí)的的光程差為： （2.2） 在測(cè)量前后過(guò)程中，總的光程差為： （2.3） 光程差每變化一個(gè)波長(zhǎng)，干涉條紋就會(huì)出現(xiàn)明暗交替將變化一次，測(cè)量過(guò)程中與光程差相對(duì)應(yīng)的干涉條紋變化次數(shù)為K： （2.4） 圖 2-4 光 程 差 測(cè) 量當(dāng)測(cè)得干涉條紋的變化次數(shù)K之后，便可由上式求得被測(cè)長(zhǎng)度L。在

29、實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)測(cè)量開(kāi)始時(shí)使計(jì)數(shù)為0，測(cè)量結(jié)束時(shí)記得數(shù)字K的值就為是被測(cè)長(zhǎng)度L相對(duì)應(yīng)的條紋數(shù)K。則由2.4式可以得出移動(dòng)的位移量的計(jì)算表達(dá)式： （2.5） §2.4 用激光干涉測(cè)量位移不足分析 激光的出現(xiàn)與發(fā)展給用干涉的原理測(cè)量長(zhǎng)度提供了極好的相干光源。干涉的方法測(cè)量因其測(cè)量的精度比較高，在測(cè)量微小位移和微小尺度的時(shí)受到青睞，在其他領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。 相干法測(cè)位移雖然測(cè)量的精度比較高，但在測(cè)量時(shí)也存在著許多的問(wèn)題。問(wèn)題主要集中在： 1、相干法位移測(cè)量應(yīng)用難以推廣，主要受限于如何精確地計(jì)量干涉條紋移動(dòng)的條數(shù)； 2、如何探測(cè)激光干涉條紋干光源的中心及半徑； 3、 激光干涉測(cè)量很容易受環(huán)

30、境溫度、大氣壓力、濕度、大地振動(dòng)、機(jī)械變形、電子和機(jī)械噪音等外界環(huán)境的影響，如何減小外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響這是至關(guān)重要的；4、 應(yīng)用領(lǐng)域的受限，應(yīng)該如何推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。第三章 利用干涉和線陣CCD設(shè)計(jì)微位移測(cè)量激光干涉的法測(cè)量微小位移的精度雖然高，但存在著許多的問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)的利用圖像分析法測(cè)量微小位移的方法，用線陣CCD作為記錄干涉條紋移動(dòng)的條數(shù)，然后由記錄的圖像知道條紋移動(dòng)的量。這樣可以減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。§3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量如圖4-1所示，為利用線陣CCD測(cè)量微小位移的原理圖。利用標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)為632.8nm為He-Ne激光器作為光源，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡和分束鏡

31、和可移動(dòng)被測(cè)物體反射鏡后，形成了干涉條紋。干涉條紋由線陣CCD進(jìn)行采集。采集后直接由后臺(tái)處理電路進(jìn)行處理。 圖3-1 利用干涉和CCD測(cè)量微小位移裝置原理圖測(cè)量時(shí)，移動(dòng)可移動(dòng)被測(cè)量物體，固定在可以動(dòng)被測(cè)物體上的反射鏡反射的光和固定反射鏡反射的光形成干涉條紋，此時(shí)線陣CCD就會(huì)記錄采集的圖像信息。當(dāng)移動(dòng)被測(cè)量物體時(shí)，記錄移動(dòng)的明暗條紋數(shù)。 3-2 激 光 干 涉 圖如圖3-2和圖3-3所示為線陣CCD采集到從顯示裝置中看到的信號(hào)圖像。其中圖3-2為激光的干涉圖樣，3-3表示干涉過(guò)程中的光強(qiáng)分布圖。 圖4-3 干 涉 光 強(qiáng) 分 布 圖測(cè)量時(shí)記錄一固定位置移動(dòng)的條紋條數(shù)或者某一位置移過(guò)的光強(qiáng)的波峰

32、個(gè)數(shù)，由公式可以計(jì)算出移動(dòng)的位移。§3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果1、 白天測(cè)量數(shù)據(jù)表編號(hào)實(shí)際位移量(mm)記錄條紋數(shù)計(jì)算出的位移量(mm)誤差(mm)10.01321.01248×10-20.000124820.02652.0566×10-20.00056630.051615.09404×10-20.000940440.103231.021972×10-10.002197250.206412.028124×10-10.002812460.5015995.059236×10-10.005923671.0032011.01279640.

33、012796482.0064112.02844040.028440495.00160275.07094280.07094281010.003207310.14789720.14789722、 夜晚測(cè)量數(shù)據(jù)表編號(hào)實(shí)際位移量(mm)記錄條紋數(shù)計(jì)算出的位移量(mm)誤差(mm)10.01319.8084×10-2-0.000191620.02631.99332×10-2-0.000066830.051574.96748×10-2-0.000325240.103191.009316×10-10.000931650.206392.021796×10-10

34、.002179660.5015945.043416×10-10.004341671.0032001.012480.0124882.0064032.02590920.025909295.00159975.06145080.06145081010.003199810.12416720.1241672 第四章 誤差及影響條件分析 激光干涉法是經(jīng)典的長(zhǎng)度計(jì)量法。激光干涉的方法在長(zhǎng)度測(cè)量領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用，但在高精度位移測(cè)量中用的激光干涉儀要求具有高穩(wěn)定性、高分辨率和高精度，因用激光干涉的方法測(cè)量長(zhǎng)度的過(guò)程中將會(huì)受到設(shè)備自身的精度、環(huán)境變化、外界振動(dòng)及噪聲等影響。在測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到以下五大測(cè)

35、量誤差的影響：激光干涉儀器的系統(tǒng)誤差、余弦誤差、死區(qū)誤差、波長(zhǎng)修正誤差及被測(cè)物件的熱膨脹誤差。§4.1 系統(tǒng)誤差 單頻激光干涉的測(cè)量性能如何主要是取決于激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定程度和強(qiáng)度的穩(wěn)定程度。激激光波長(zhǎng)誤差包括了激光波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和波長(zhǎng)穩(wěn)定度這個(gè)兩面。要減少系統(tǒng)誤差帶來(lái)的誤差影響，就必須減少環(huán)境對(duì)激光波長(zhǎng)及強(qiáng)度的穩(wěn)定程度的影響，必須盡量減少死區(qū)長(zhǎng)度，改善環(huán)境條件(如保持溫度濕度恒定等)。§4.2 余弦誤差單頻激光干涉的測(cè)量性能如何主要是取決于激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定程度和強(qiáng)度的穩(wěn)定程度。激激光波長(zhǎng)誤差包括了激光波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和波長(zhǎng)穩(wěn)定度這個(gè)兩面。要減少系統(tǒng)誤差帶來(lái)的誤差影響，就必須減少環(huán)境對(duì)激光

36、波長(zhǎng)及強(qiáng)度的穩(wěn)定程度的影響，必須盡量減少死區(qū)長(zhǎng)度，改善環(huán)境條件(如保持溫度濕度恒定等)。§4.3 死區(qū)誤差 由于反射鏡和可移動(dòng)被測(cè)物體在安裝時(shí)不可能緊湊地安裝在一起，兩者間必然會(huì)相隔一段距離，這段距離被稱為死區(qū)。同時(shí)，死區(qū)長(zhǎng)度在不同的測(cè)量過(guò)程是不同的，因此不可能在波長(zhǎng)修正及線性膨脹修正過(guò)程中消除。死區(qū)是曝露在空氣中的一段距離，激光經(jīng)過(guò)死區(qū)將會(huì)受到大氣溫度、大氣壓及濕度的影響。當(dāng)死區(qū)存在時(shí)，死區(qū)給測(cè)量帶來(lái)的誤差存在如下關(guān)系(其中LD 表示反射鏡和可移動(dòng)被測(cè)物體之間的間距大小)：大氣溫度變化l時(shí)，帶來(lái)的誤差為：±LD×10-6；大氣壓變化3.3hPa時(shí)，帶來(lái)的誤差為：

37、±LD×10-6；大氣相對(duì)濕度變化70時(shí)，帶來(lái)的誤差為：±LD×10-6；§4.4 波長(zhǎng)修正誤差 大氣中激光波長(zhǎng)將會(huì)受到大氣溫度、大氣壓及大氣濕度等影響，當(dāng)然還會(huì)受氣流的影響，但氣流流動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)量無(wú)法進(jìn)行人工補(bǔ)償，當(dāng)氣流影響存在時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的值將會(huì)不很穩(wěn)定，不過(guò)氣流是易于消除，只需將測(cè)量裝置置于一個(gè)封閉環(huán)境中，即可消除其帶來(lái)的影響。然而，大氣溫度、大氣壓及大氣濕度等的變化是緩慢但不易控制的，若要保持恒溫、恒壓及恒濕的環(huán)境是非常困難的，代價(jià)太大而影響其實(shí)用性。因此，波長(zhǎng)修正(又稱為空氣參數(shù)補(bǔ)償)在激光干涉測(cè)量中是一項(xiàng)非常重要的工作。 由于溫度

38、、大氣壓及濕度傳感器的測(cè)量精度所限，對(duì)激光波長(zhǎng)修正后依然存在波長(zhǎng)修正誤差如下（其中LM測(cè)量移動(dòng)的位移）：大氣溫度變化1時(shí)，帶來(lái)的誤差為：±LM×10-6：大氣壓變化33hPA時(shí)，帶來(lái)的誤差為：±LM×10-6；大氣相對(duì)濕度變化70時(shí)，帶來(lái)的誤差為：±LM×10-6。§4.5 熱膨脹誤差 對(duì)于物體而言，均存在著熱脹冷縮現(xiàn)象，這一現(xiàn)象導(dǎo)致同一物體在不同溫度下的長(zhǎng)度值不同，那么就必須采用標(biāo)準(zhǔn)溫度作為基準(zhǔn)就不同濕度下測(cè)得值折算成同一溫度下的可比值，通常采用20 作為基準(zhǔn)。由于熱膨脹現(xiàn)象不僅作用于工件還影響著工作臺(tái)，因而存在兩項(xiàng)熱脹誤

39、差，即：工件熱膨脹誤差和工作臺(tái)熱膨脹誤差。結(jié) 論大量程、高精度、高分辨率、低成本的微位移測(cè)量系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。干涉的方法測(cè)量用于高精度的測(cè)量已得到了大家的認(rèn)可。本課題是一種基于激光干涉條紋和線陣CCD的微小位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。利用的傳統(tǒng)的干涉光路形成干涉條紋，利用高分辨率的線陣CCD作為采集圖像的儀器，采集得到干涉圖樣和光強(qiáng)分布圖。記錄當(dāng)有位移時(shí)，某一固定的位置移動(dòng)干涉條紋的條數(shù)或者光強(qiáng)分布的波峰個(gè)數(shù)。利用公式計(jì)算出移動(dòng)的微小位移的大小。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種利用激光干涉的方法進(jìn)行微小位移的測(cè)量的方法，實(shí)驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單方便，切實(shí)可行。與傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉的方法相比，由于記錄的條紋方法的改善，測(cè)量的精度有了一定的提高。但作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路調(diào)試簡(jiǎn)單，測(cè)量精度有一定的提高，但是還有許多需要改進(jìn)的地方。如：進(jìn)一步改進(jìn)記錄條紋的方法，細(xì)化條紋，提高干涉光源的穩(wěn)定性，減小五大誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的的影響，以便進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)精度，應(yīng)用到更多的高精度的測(cè)量領(lǐng)域當(dāng)中。參考文獻(xiàn)1 韓旭東，艾華，龍科慧一種新型單頻激光干涉系統(tǒng)的研究J光電工 程，2002，29(5)，49-512 李向榮，王安敏，周桂蓮基于快速傅里葉變換的條紋圖像處理研究J光學(xué)技術(shù)，2007，33（4），171-1723 張淼，