光学在精密测量中的运用范文

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摘要：在现代工业测量中，传统测量方法已经不能满足需要，因此利用光学原理的非接触式测量开始被广泛应用。本文论述了干涉仪、定量相位成像显微镜、激光三角法以及光谱共焦四种光学精密测量仪器的原理，并进行了对比，提出了改进意见。

关键词：非接触式测量；精密测量；干涉仪；相位；光谱共焦

随着科学研究的不断进展，以及工业应用中对产品精度的要求提高，精密测量技术越发显得重要。在传统的测量中普遍使用的接触式测量，由于测量头需要和物体接触，会对待测物体造成损伤，具有先天的缺陷。而光测量由于其非接触、反应快、测量精准的特性，在工业和科学研究领域正发挥着越来越重要的作用。光在表现为电磁波特性的时候，其不光具有振幅特征，也具有相位特征。传统相机传感器记录的是光的振幅特征，即光的亮度，而忽略了光的另一种特性相位。1881年，美国物理学家迈克尔逊制造出了全世界第一台干涉仪。作为具有悠久历史的传统测量方法，具有速度快、精度高特性的干涉仪依旧在工业精密测量上具有不可替代的地位。随后，光的相位成像技术的应用使得我们能够更快速、更精确地利用相位进行测量。低成本的光谱共焦和激光三角法作为新兴的高精密度的工业测量方案，在工业测量中扮演着重要的角色。

在本文中，我们将会分别分析和总结对比上述的三种测量方法，并提出一些改进的意见。托马斯•杨的双缝干涉实验为光的波动形成学说提出有力的证据，正是因为光是一种波，才出现了明暗条纹。而迈克尔逊干涉仪就是应用了光的干涉原理，完成了许多著名的实验。如图1所示，迈克尔逊干涉仪利用了一束光分为两束，因为具有光程差，产生干涉原理，可以用来测量一些物体的平整度。由光源射出一束光，经分光板P1后分成一束反射光和一束透射光。透射光经光补偿板后到达M1。经M1反射后，再次透过补偿板，之后又经P1反射，形成光束1；另一束反射光在M2反射后透过P1，形成光束2，和光束1平行。通过移动M的位置，使两束光的光程不同，会产生光程差，两束光干涉后，会使该点的亮度产生变化。在面上的所有这样的点组成了一幅明暗相间的条纹图片。假设M2与M2’（M2的初始位置）之间的空气膜厚度为d。由电磁波的电场强度和亮度之间的关系可以得出，两束波长相等、偏振方向相同的单色光，亮度分别为I1和I2，干涉之后的亮度为：通过CCD上记录的图像各处亮度信息，我们可以推算出测量样品的实际高度和M2初始位置高度的差值，从而得以重建样品的表面形貌信息。同样地，干涉仪还能够测量单色光源波长信息、介质折射率、和微小位移。定量相位成像（QPI）是一种对透明对象进行观测和相位成像的技术，在生命科学中很有价值，尤其是对活细胞的研究。细胞是生命活动的基本单位，细胞的大小、形状和结构决定了细胞的功能。细胞的深入研究，对医学和生物学的发展都有巨大的推动作用。因为我们只能用CCD来记录振幅信息，传统的细胞化学染色法是在忽略细胞的相位信息的情况下观察细胞。由于大多数的细胞都是透明的，当光通过细胞时，振幅和波长的变化并不明显。传统的显微镜无法清楚地观察细胞。细胞化学染色方法通常用于传统的显微镜。这种方法是基于颜色亲和力不同区分不同的部分。因此，细胞的不同部分会有不同的颜色。它很容易被传统的显微镜检测出来。但这些染料可以抑制活细胞的生物活性，并可能杀死细胞。定量相位成像技术(QPI)是一种较先进的技术。QPI的基本思路是当光线通过细胞时检测相位信息。由于细胞不同部位的厚度和折射率不同，光路的不同将引起相位偏移。例如，相差显微镜的采样光束，通过样品而被分离，相对背景光被偏移-90°。

同时，参照物光束因为它没有通过样本而没有相位偏移。但当参考光束通过相移环时有90°的相位偏移。因此，相对相位差就成了180°。通过样本光束和参考光束之间的干扰，相位信息显示为条纹图案，被CCD记录。计算机可以利用这些信息以非常高的准确性重建细胞结构。细胞不同部分的折射率也可以被测量。CCD只能记录强度信息。很明显，相位信息在强度记录期间丢失的。为了将相位信息转换成可以被CCD记录的强度，一个参考光束需要引入。结果强度将是:I=|(Ui+UR)2|=|(Ui)2|+|(UR)2|+2|(Ui)||(UR)|cos[(w)×(t-tR)-((k)-kR)r+φ(x,y)]。在这个表达式中，(w)是平均频率，(k)为平均波长，tR为参考束时间延迟，kR为参考光束和样本波束的波的传播差异。φ(x,y)是我们需要的相位信息。激光三角法是一种非接触式的测量方法，在现代工业中的长度和距离的测量有着重要的辅助作用。如图2（左），半导体激光照射在待测物体上，由漫反射形成的光束被受光镜头聚集后，再由光接收元件成像。当物体发生移动时，反射光束在光接收元件上的成像位点也会发生移动，根据成像位点的变化，可以计算出物体移动距离。由于受光镜头距离光接收元件远小于到待测物体的距离，所以成像位点之间的移动不会很大，便于测量。同样，在测量形状变化的物体时也可以利用这种方法，精度在20微米左右。光谱共焦，同样是一种非接触式的测量方式，与激光三角法不同的是，它主要运用了光的色散，并且具有更高的分辨率。光源的发射和接收光路相同，不会出现激光三角法中光路容易被遮挡或因待测物表面太过于光滑而无法发生漫反射以致于接收不到信息的情况。光谱共焦以不同颜色光的不同特征为基础，对待测物进行测量和分析。如图2（右），一束白光（混合光）经光纤耦合器可视为点光源。这些光束经过一个色散镜头进行聚焦，由于不同波长（颜色）光的折射率不同，因此波长不同的光聚焦位点也不相同，红光的折射率最小，聚焦位点最低，其它颜色的光聚焦位点依次升高。这些光束扫过凹凸不平的待测物时，反射的光束颜色也不相同，反射的光束经光纤耦合器进入光谱仪，从而得到反射光的波长。通过分析反射光的波长，我们可以得到实际反射点的距离信息。通过这些信息就可以对待测物的形状、平整度进行分析。不同于传统的方法，这种方式测量平整度更加精密，其精度可达1.8μm左右，对于现代工业中高精密的测量有很好的帮助。本文主要论述了四种精密光学仪器，对于它们，我们需要进行对比分析，比较差异性和同一性，并加以展望。对比表格如表1。对于以上表格内容，我们可以对它们进行具体分析。

（1）干涉仪与定量相位成像显微镜对比：由表格知，干涉仪与定量相位成像显微镜都是运用了干涉原理，甚至可以说前者是后者的基础。定量相位成像显微镜的技术相对成熟，将生物学原理与干涉仪结合，在用途、精度以及对数据的处理方面更加先进。不过其本质还是干涉仪，可以说干涉仪的发展推动了定量相位成像显微镜的发展，而定量相位成像显微镜的先进技术对干涉仪加以补充，相辅相成。

（2）激光三角法和光谱共焦对比：激光三角法和光谱共焦的原理相似，但光谱共焦对待测物的测量更加立体和清晰，并且克服激光三角法的部分弊端，所以被广泛应用。激光三角法的优点在于它更加方便，它使用的仪器简单，可以方便快速的被人们应用于实际工作中。

（3）四种仪器对比：这四种仪器虽然在某些方面有所不同，但由于它们都是使用光电仪器用于精密测量，因此有共同的优点和缺点。优点是精度高，受技术和仪器限制，传统的测量精度不高，对于一些高精度的物质无法测量，而光的波长是nm级的，大大提高了精度，不足之处在于对外界的改变十分敏感，微小的振动就会产生较大的误差，对于这个不足，我们可以用电磁阻尼的原理来减小误差。不仅如此，这些仪器不能进行分子级的测量，因为分子普遍小于1nm，因此，在未来的发展中光学仪器还有待发展，并不断进步。

作者：张泰然 单位：河南洛阳