光学在精细测量中的运用.docx

光学在精细测量中的运用摘要：在当代工业测量中，传统测量方法已经不能知足需要，因而利用光学原理的非接触式测量开场被广泛应用。本文阐述了干预仪、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细测量仪器的原理，并进行了比照，提出了改良意见。关键词：非接触式测量；精细测量；干预仪；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，精细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、反响快、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预仪。作为具有悠久历史的传统测量方法，具有速度快、精度高特性的干预仪照旧在工业精细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、更准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细度的工业测量方案，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比照上述的三种测量方法，并提出一些改良的意见。托马斯杨的双缝干预实验为光的波动构成学讲提出有力的证据，正是由于光是一种波，才出现了明暗条纹。而迈克尔逊干预仪就是应用了光的干预原理，完成了很多著名的实验。如图1所示，迈克尔逊干预仪利用了一束光分为两束，由于具有光程差，产生干预原理，能够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，构成光束1；另一束反射光在M2反射后透过P1，构成光束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，两束光干预后，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M2M2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能够得出，两束波长相等、偏振方向一样的单色光，亮度分别为I1和I2，干预之后的亮度为：通过CCD上记录的图像各处亮度信息，我们能够推算出测量样品的实际高度和M2初始位置高度的差值，进而得以重建样品的外表形貌信息。同样地，干预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、形状和构造决定了细胞的功能。细胞的深化研究，对医学和生物学的发展都有宏大的推动作用。由于我们只能用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。因而，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。但这些染料能够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，参照物光束由于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。因而，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。计算机能够利用这些信息以非常高的准确性重建细胞构造。细胞不同部分的折射率可以以被测量。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能够被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+(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。(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，在当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，由漫反射构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，能够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可以以利用这种方法，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一样，不会出现激光三角法中光路容易被遮挡或因待测物外表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，因而波长不同的光聚焦位点也不一样，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一样，反射的光束经光纤耦合器进入光谱仪，进而得到反射光的波长。通过分析反射光的波长，我们能够得到实际反射点的距离信息。通过这些信息就能够对待测物的形状、平整度进行分析。不同于传统的方法，这种方式测量平整度愈加精细，其精度可达1.8m左右，对于当代工业中高精细的测量有很好的帮助。本文主要阐述了四种精细光学仪器，对于它们，我们需要进行比照分析，比拟差异性和同一性，并加以瞻望。比照表格如表1。对于以上表格内容，我们能够对它们进行详细分析。1干预仪与定量相位成像显微镜比照：由表格知，干预仪与定量相位成像显微镜都是运用了干预原理，甚至能够讲前者是后者的基础。定量相位成像显微镜的技术相对成熟，将生物学原理与干预仪结合，在用处、精度以及对数据的处理方面愈加先进。不过其本质还是干预仪，能够讲干预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预仪加以补充，相辅相成。2激光三角法和光谱共焦比照：激光三角法和光谱共焦的原理类似，但光谱共焦对待测物的测量愈加立体和明晰，并且克制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愈加方便，它使用的仪器简单，能够方便快速的被人们应用于实际工作中。3四种仪器比照：这四种仪器固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细测量，因而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，缺乏之处在于对外界的改变特别敏感，微小的振动就会产生较大的误差，对于这个缺乏，我们能够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，由于分子普遍小于1nm，因而，在将来的发展中光学仪器还有待发展，并不断进步。