光學(xué)在精密測量中的運(yùn)用范文

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摘要：在現(xiàn)代工業(yè)測量中，傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)不能滿足需要，因此利用光學(xué)原理的非接觸式測量開始被廣泛應(yīng)用。本文論述了干涉儀、定量相位成像顯微鏡、激光三角法以及光譜共焦四種光學(xué)精密測量儀器的原理，并進(jìn)行了對(duì)比，提出了改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：非接觸式測量；精密測量；干涉儀；相位；光譜共焦

隨著科學(xué)研究的不斷進(jìn)展，以及工業(yè)應(yīng)用中對(duì)產(chǎn)品精度的要求提高，精密測量技術(shù)越發(fā)顯得重要。在傳統(tǒng)的測量中普遍使用的接觸式測量，由于測量頭需要和物體接觸，會(huì)對(duì)待測物體造成損傷，具有先天的缺陷。而光測量由于其非接觸、反應(yīng)快、測量精準(zhǔn)的特性，在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。光在表現(xiàn)為電磁波特性的時(shí)候，其不光具有振幅特征，也具有相位特征。傳統(tǒng)相機(jī)傳感器記錄的是光的振幅特征，即光的亮度，而忽略了光的另一種特性相位。1881年，美國物理學(xué)家邁克爾遜制造出了全世界第一臺(tái)干涉儀。作為具有悠久歷史的傳統(tǒng)測量方法，具有速度快、精度高特性的干涉儀依舊在工業(yè)精密測量上具有不可替代的地位。隨后，光的相位成像技術(shù)的應(yīng)用使得我們能夠更快速、更精確地利用相位進(jìn)行測量。低成本的光譜共焦和激光三角法作為新興的高精密度的工業(yè)測量方案，在工業(yè)測量中扮演著重要的角色。

在本文中，我們將會(huì)分別分析和總結(jié)對(duì)比上述的三種測量方法，并提出一些改進(jìn)的意見。托馬斯•楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為光的波動(dòng)形成學(xué)說提出有力的證據(jù)，正是因?yàn)楣馐且环N波，才出現(xiàn)了明暗條紋。而邁克爾遜干涉儀就是應(yīng)用了光的干涉原理，完成了許多著名的實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，邁克爾遜干涉儀利用了一束光分為兩束，因?yàn)榫哂泄獬滩睿a(chǎn)生干涉原理，可以用來測量一些物體的平整度。由光源射出一束光，經(jīng)分光板P1后分成一束反射光和一束透射光。透射光經(jīng)光補(bǔ)償板后到達(dá)M1。經(jīng)M1反射后，再次透過補(bǔ)償板，之后又經(jīng)P1反射，形成光束1；另一束反射光在M2反射后透過P1，形成光束2，和光束1平行。通過移動(dòng)M的位置，使兩束光的光程不同，會(huì)產(chǎn)生光程差，兩束光干涉后，會(huì)使該點(diǎn)的亮度產(chǎn)生變化。在面上的所有這樣的點(diǎn)組成了一幅明暗相間的條紋圖片。假設(shè)M2與M2’（M2的初始位置）之間的空氣膜厚度為d。由電磁波的電場強(qiáng)度和亮度之間的關(guān)系可以得出，兩束波長相等、偏振方向相同的單色光，亮度分別為I1和I2，干涉之后的亮度為：通過CCD上記錄的圖像各處亮度信息，我們可以推算出測量樣品的實(shí)際高度和M2初始位置高度的差值，從而得以重建樣品的表面形貌信息。同樣地，干涉儀還能夠測量單色光源波長信息、介質(zhì)折射率、和微小位移。定量相位成像（QPI）是一種對(duì)透明對(duì)象進(jìn)行觀測和相位成像的技術(shù)，在生命科學(xué)中很有價(jià)值，尤其是對(duì)活細(xì)胞的研究。細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位，細(xì)胞的大小、形狀和結(jié)構(gòu)決定了細(xì)胞的功能。細(xì)胞的深入研究，對(duì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展都有巨大的推動(dòng)作用。因?yàn)槲覀冎荒苡肅CD來記錄振幅信息，傳統(tǒng)的細(xì)胞化學(xué)染色法是在忽略細(xì)胞的相位信息的情況下觀察細(xì)胞。由于大多數(shù)的細(xì)胞都是透明的，當(dāng)光通過細(xì)胞時(shí)，振幅和波長的變化并不明顯。傳統(tǒng)的顯微鏡無法清楚地觀察細(xì)胞。細(xì)胞化學(xué)染色方法通常用于傳統(tǒng)的顯微鏡。這種方法是基于顏色親和力不同區(qū)分不同的部分。因此，細(xì)胞的不同部分會(huì)有不同的顏色。它很容易被傳統(tǒng)的顯微鏡檢測出來。但這些染料可以抑制活細(xì)胞的生物活性，并可能殺死細(xì)胞。定量相位成像技術(shù)(QPI)是一種較先進(jìn)的技術(shù)。QPI的基本思路是當(dāng)光線通過細(xì)胞時(shí)檢測相位信息。由于細(xì)胞不同部位的厚度和折射率不同，光路的不同將引起相位偏移。例如，相差顯微鏡的采樣光束，通過樣品而被分離，相對(duì)背景光被偏移-90°。

同時(shí)，參照物光束因?yàn)樗鼪]有通過樣本而沒有相位偏移。但當(dāng)參考光束通過相移環(huán)時(shí)有90°的相位偏移。因此，相對(duì)相位差就成了180°。通過樣本光束和參考光束之間的干擾，相位信息顯示為條紋圖案，被CCD記錄。計(jì)算機(jī)可以利用這些信息以非常高的準(zhǔn)確性重建細(xì)胞結(jié)構(gòu)。細(xì)胞不同部分的折射率也可以被測量。CCD只能記錄強(qiáng)度信息。很明顯，相位信息在強(qiáng)度記錄期間丟失的。為了將相位信息轉(zhuǎn)換成可以被CCD記錄的強(qiáng)度，一個(gè)參考光束需要引入。結(jié)果強(qiáng)度將是:I=|(Ui+UR)2|=|(Ui)2|+|(UR)2|+2|(Ui)||(UR)|cos[(w)×(t-tR)-((k)-kR)r+φ(x,y)]。在這個(gè)表達(dá)式中，(w)是平均頻率，(k)為平均波長，tR為參考束時(shí)間延遲，kR為參考光束和樣本波束的波的傳播差異。φ(x,y)是我們需要的相位信息。激光三角法是一種非接觸式的測量方法，在現(xiàn)代工業(yè)中的長度和距離的測量有著重要的輔助作用。如圖2（左），半導(dǎo)體激光照射在待測物體上，由漫反射形成的光束被受光鏡頭聚集后，再由光接收元件成像。當(dāng)物體發(fā)生移動(dòng)時(shí)，反射光束在光接收元件上的成像位點(diǎn)也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)成像位點(diǎn)的變化，可以計(jì)算出物體移動(dòng)距離。由于受光鏡頭距離光接收元件遠(yuǎn)小于到待測物體的距離，所以成像位點(diǎn)之間的移動(dòng)不會(huì)很大，便于測量。同樣，在測量形狀變化的物體時(shí)也可以利用這種方法，精度在20微米左右。光譜共焦，同樣是一種非接觸式的測量方式，與激光三角法不同的是，它主要運(yùn)用了光的色散，并且具有更高的分辨率。光源的發(fā)射和接收光路相同，不會(huì)出現(xiàn)激光三角法中光路容易被遮擋或因待測物表面太過于光滑而無法發(fā)生漫反射以致于接收不到信息的情況。光譜共焦以不同顏色光的不同特征為基礎(chǔ)，對(duì)待測物進(jìn)行測量和分析。如圖2（右），一束白光（混合光）經(jīng)光纖耦合器可視為點(diǎn)光源。這些光束經(jīng)過一個(gè)色散鏡頭進(jìn)行聚焦，由于不同波長（顏色）光的折射率不同，因此波長不同的光聚焦位點(diǎn)也不相同，紅光的折射率最小，聚焦位點(diǎn)最低，其它顏色的光聚焦位點(diǎn)依次升高。這些光束掃過凹凸不平的待測物時(shí)，反射的光束顏色也不相同，反射的光束經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入光譜儀，從而得到反射光的波長。通過分析反射光的波長，我們可以得到實(shí)際反射點(diǎn)的距離信息。通過這些信息就可以對(duì)待測物的形狀、平整度進(jìn)行分析。不同于傳統(tǒng)的方法，這種方式測量平整度更加精密，其精度可達(dá)1.8μm左右，對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)中高精密的測量有很好的幫助。本文主要論述了四種精密光學(xué)儀器，對(duì)于它們，我們需要進(jìn)行對(duì)比分析，比較差異性和同一性，并加以展望。對(duì)比表格如表1。對(duì)于以上表格內(nèi)容，我們可以對(duì)它們進(jìn)行具體分析。

（1）干涉儀與定量相位成像顯微鏡對(duì)比：由表格知，干涉儀與定量相位成像顯微鏡都是運(yùn)用了干涉原理，甚至可以說前者是后者的基礎(chǔ)。定量相位成像顯微鏡的技術(shù)相對(duì)成熟，將生物學(xué)原理與干涉儀結(jié)合，在用途、精度以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理方面更加先進(jìn)。不過其本質(zhì)還是干涉儀，可以說干涉儀的發(fā)展推動(dòng)了定量相位成像顯微鏡的發(fā)展，而定量相位成像顯微鏡的先進(jìn)技術(shù)對(duì)干涉儀加以補(bǔ)充，相輔相成。

（2）激光三角法和光譜共焦對(duì)比：激光三角法和光譜共焦的原理相似，但光譜共焦對(duì)待測物的測量更加立體和清晰，并且克服激光三角法的部分弊端，所以被廣泛應(yīng)用。激光三角法的優(yōu)點(diǎn)在于它更加方便，它使用的儀器簡單，可以方便快速的被人們應(yīng)用于實(shí)際工作中。

（3）四種儀器對(duì)比：這四種儀器雖然在某些方面有所不同，但由于它們都是使用光電儀器用于精密測量，因此有共同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是精度高，受技術(shù)和儀器限制，傳統(tǒng)的測量精度不高，對(duì)于一些高精度的物質(zhì)無法測量，而光的波長是nm級(jí)的，大大提高了精度，不足之處在于對(duì)外界的改變十分敏感，微小的振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，對(duì)于這個(gè)不足，我們可以用電磁阻尼的原理來減小誤差。不僅如此，這些儀器不能進(jìn)行分子級(jí)的測量，因?yàn)榉肿悠毡樾∮?nm，因此，在未來的發(fā)展中光學(xué)儀器還有待發(fā)展，并不斷進(jìn)步。

作者：張?zhí)┤?單位：河南洛陽