一种光电方法测量微小位移分解(共32页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上一种光电方法测量微小位移摘 要高精度的测量广泛的应用于微电子、超精加工、生物工程、未来医学、航天技术、材料科学、纳米操作等高技术产业中，且成为这些领域的关键技术，也成为许多领域不断进步的制约性因素。干涉的方法测量长度是激光在几何量测量中最重要的应用。以迈克尔逊干涉仪为代表的光波干涉法一直是公认的精密测量长度和位移的有力手段。激光的出现与发展给干涉测量长度提供了极好的相干光源，光波干涉技术测量逐渐成为科研与生产中精密测量的重要手段。但是测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差，再加许多其它客观外部因素的存在，很难统计干涉条纹，从而造成很大的误差。为了提高测量的精确度，

2、本文采用线阵CCD为条纹记录工具，通过后台电路，对干涉条纹的图像进行分析得到微小位移量。本文的主要研究内容有：第一、 线阵CCD的结构及工作原理。第二、 迈克尔逊干涉实验的分析研究，阐明利用激光干涉测量位移量的原理，设计出简单实用的干涉测量光路。第三、 用设计的实验装置进行实际测量，并对其测量数据进行数据处理和结果分析。最后，根据实验结果，比对和分析采用的实验方法的可行性和不足，并对后继工作提出一些需要改进和完善的地方。关键词：微小位移，激光，干涉条纹，干涉条纹间距，线阵CCDone ABSTRACTKEY WORDS: 目 录专心-专注-专业前 言计量科学技术的水平集中体现了一个国家科学技术

3、发展的水平。计量科技水平越高，工业产品的质量就越好；计量测试精度越高，产品的性能越高，竞争力就越强。长度量是最基本的几何量，长度量的计量有着极为重要的意义。随着人们认识的提高和科学技术的不断发展，高精度的测量在微电子、超精加工、航天技术、材料科学等高技术产业中有着广泛的应用。成为许多领域的关键性技术，同时也已成为许多领域不断发展进步的制约性因素。无论是生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工等，这些都需要精确地测量定位。在20世纪70年代提出了精密、超精密加工。而这一概念的提出，就迅速在美国、日本和英国等国家得到了重视和发展。各国都投入了大量的人力物力研制超精密测量仪器。当前美国的水平

4、最高，不仅应用于中小型超精密仪器的加工，而且广泛的应用于国防和尖端技术的当中。干涉法测量长度是激光在几何量测量中最重要的应用以迈克尔逊干涉仪为代表的光波干涉法作为精密测量长度和位移的有力手段，一直是公认的精度最高的检测手段。近代激光及激光技术的出现与发展给干涉测量长度提供了极好的相干光源，光波干涉技术测量逐渐成为科研与生产中精密测量的重要手段。传统的迈克尔逊测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差对测量的精度有很大的影响。CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)于1969年由贝尔研究所的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，并于次年发表。由于CCD具有储存信号

5、电荷后传输的功能，被广泛应用于内存，显示器，延迟单元等。在其后的几年里，CCD迅速发展成熟，并逐渐应用于图像传感器。经过几十年发展，CCD现今已经在摄像扫描等领域占据重要地位，而线阵CCD在静态图像摄取方面应用非常广泛的应用。CCD线阵传感器因其能在一次曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，在现代光谱测量技术中获得了越来越广泛的应用。本文以激光的干涉的原理，利用线阵CCD采集数据。提出了一种图像分析法测量微小位移的方法，并对测量的位移的误差进行分析研究。第一章 线阵CCD的数据采集系统分析CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)于1969年由贝尔研究所的W.S.Bo

6、yle与G.E.Smith发明，并于1970年发表。由于CCD具有储存信号电荷后传输的功能，被广泛应用于内存，显示器，延迟单元等。在其后的几年里，CCD迅速发展成熟。关键应用的CCD图像传感器，利用称为桢转移(Frame Transfer)方式(FT-CCD)的简单构造，于1971年也由贝尔实验室发表。在电荷检测技术方面的FD(Floating Diffusion，浮置扩散)电荷检测构造也于同年发表。此外还有目前广泛使用的CCD图像传感器构造的IT-CCD(Interline Transfer，行间转移)方式的构造于1972年发表，而在信号处理的相关技术方面也开发出了抑制CCD图像传感器信号内

7、噪声的相关双采样(CDS：Correlated Double Sampling)电路(1974年)等技术。经过几十年发展，CCD现今已经在摄像扫描等领域占据重要地位，而线阵CCD在静态图像摄取方面应用非常广泛。1.1 CCD的分类CCD的分类方法有许多，最主要的有： 1、依成像色彩分为：、。 2、依分辨率灵敏度等可分为：（1）影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。（2）影像像素在38万以上的高分辨率型。 3、按CCD靶面大小可分为：CCD芯片已经开发出多种尺寸，但目前采用的芯片大多数为“1/3和1/4”。4、按扫描制式分为 ：PAL

8、制、NTSC制。 5、依分为：110VAC、220VAC 、24VAC 、12VDC 、9VDC。6、按同步方式分为： 内同步、外同步、功率同步、外VD同步。 7、按照度划分为：普通型 、月光型 、星光型 、红外型 。1.2 CCD的工作原理CCD的工作可以分为四个方面来完成： (1)光电转换； (2)电荷的存储； (3)电荷的转移； (4)电荷的检测。 其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管中进行的，电荷转移是在CCD移位寄存器中进行的，电荷检测是在FD放大器中进行的。1.2.1 光电转换光电转换就是将光信号转换成信号电荷。物理上的光电转换分为外部光电效应和内部光电效应。外部光电效应就是在固

9、体表面的电子，接受光子的能量被释放到真空的想象。而内部光电效应是半导体Si单晶中的电子接受光子能量从价带激发到导带的现象。CCD中光电转换属于光电二极管内Si衬底中的内部光电效应。用于CCD图像传感器的Si单晶材料，在室温下价带Ev与导带Ec的电势差约为1.1eV。此电势被称为禁带(Eg)，如图1-1，只有能量大于此一能级的光子才能进行光电转换。光子能量E可由式1.1表示： （1.1） 通过计算，可知能量大于1.1eV禁带的光，波长大约在1100nm以下。所以在Si单晶内可以进行光电转换的光波长最大约为1100nm，称为基础端。 图1-1 电 子 能 跃 迁 图1.2.2 电荷的存储电荷存储就

10、是搜集光电转换所得的信号电荷，直到输出前的存储动作。基本思想是在光电二极管中制造出高于周围电势的高电势阱来存储电荷。以MOS构造、两端子电容器为例，其结构如图1-2所示。以P型Si为例，在P型Si衬底上通过氧化在表面形成层，然后在上淀积一层金属为栅极，P型Si里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，形成高于周围电势的电势阱。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下不能移动的带负电的少数载流子在紧靠层形成负电荷层(耗尽层)，这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，达到存储电荷的目的。 图

11、1-2 MOS 电容器1.2.3 电荷的转移 可以说，电荷转移才是CCD的功能。所谓Charge Coupled Device(电荷耦合器件)，原来指具有电荷转移的功能元件，由于其主要应用在图像传感器方面，现在似乎成了图像传感的代名词。 （a） （b） （c） （d） 为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观察图1-3中的四个彼此靠得很近的电极。电荷最初存储在偏压为10V的电极(2)下边的深势阱里，其它电极上均加有大于某临界值电压的较低电压(例如2V)，称为阈值电压。如果逐渐将电极(3)的电压由2V增加到10V，这时(2)、(3)两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在

12、一起，原先存储在电极(2)下面的电荷，就在两个电极下面均匀分布，如图1-3(b)所示，然后，再逐渐将电极(2)的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图1-3(c)所示，这时电荷全部转移到电极(3)下面的势阱中，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加相同的时钟脉冲。CCD内部结构决定其正常工作需要的脉冲。图1-3所示的结构需要三相时钟脉冲(图1-3d)。 1.2.4 电荷的检测电荷检测是将转移的信号电荷转换成电信号的动作。实际使用的电荷检测方法可分为以下两种：(1)

13、浮置扩散放大器；(2)浮置栅极放大器。几乎所有CCD图像传感器都使用浮置扩散放大器，因此我们仅对浮置扩散放大器进行说明。 如图1-4所示为浮置扩散放大器的结构，相邻移位寄存器最终段的PN结二极管结构，在施加逆向偏压得状态下，形成一电容器。电容器两端的电压变化与存储电荷量成正比，其两端电压变化可由式1.2计算， (1.2)式中：Q 为转移过来的信号电荷量； 浮置扩散区有关的总电容。由于此PN结二极管的N型区域呈现浮游状态，故称浮置扩散（FD）。当CCD电荷转移过来时，连接此处的放大器将电压信号缓冲放大输出。每次检测完一个像素的信号电荷，在下一个信号电荷转移过来前，必须复位FD中的信号电荷。通过在

14、复位栅(RG:Reset Gate)端加复位脉冲RG，使复位栅导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到复位漏极(RD:Reset Drain)的电压。连接于FD的放大器，通常是与CCD做在同一个硅片上的MOS晶体管的源极跟随器。 浮置扩散放大器为破坏性的一次性输出，检测完毕后，信号电荷便由RD吸收消失，无法再被利用。浮置栅极放大器可以实现非破坏性检测，因其放大管栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连，而是与沟道上边的浮置栅相连，通过浮置栅感应出转移到其下的信号电荷的镜像电荷来控制栅极电位。因为检测电极与送来信号电荷的转移沟道的电容耦合，相比于浮置扩散放大器转移效率偏低。 图1-4 浮置扩散放大器载

15、面构造1.3 CCD的工作原理CCD的主要性能指标有：响应度、光谱响应度、动态范围、分辨率、噪声等。 (1)响应度:CCD的响应度可以定义为单位曝光量所得到的有效信号电（）也就是说，在一定的相面照度下，响应度的大小等于有效信号电压与其曝光量之比值。响应度的大小反映了CCD像元的灵敏度和输出级的电荷/电压转换能力。影响响应度的要素，包括光电二极管的量子效率、微镜头(为提高响应度而在像素上方做成类似聚光透镜的微小结构)的集光效率、FD放大器的转换效率及像素尺寸。(2)光谱响应度：光谱响应特性表示CCD对于各种单色光的相对响应能力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应的50

16、所对应的波长范围称为光谱响应范围。光谱感光度特性主要由光电二极管表面的反射与Si的光吸收特性所决定。由于波长较短的光，经Si表面的保护膜等吸收或反射后，导致光量衰减，因此CCD在短波段响应度偏低。此外普通光学玻璃在紫外段对光的吸收较大，也限制了玻璃窗CCD在紫外段的响应。目前市售的大部分CCD器件的光谱响应范围在400nm1100nm左右。(3)动态范围：动态范围定义为饱和信号量与噪声之比，实际CCD器件的动态范围常定义为所有有效像素中最小饱和输出电压和所有有效像素中最大暗信号电压之比。(4)分辨率：分辨率就是CCD能分辨多细的图像信息。常用调制传递函数MTF来评价。通常来说像素越多，分辨率越

17、高。扫描用的线阵CCD的第二位分辨率则取决于扫描速度与CCD光敏单元的高度等因素。(5)噪声：分为随机噪声和固定图形噪声。1)随机噪声随机噪声是与输出的图形位置无关的噪声。CCD本身发生的典型随机噪声有如下四种：a、暗电流散粒噪声；b、FD复位噪声；c、FD放大器噪声；d、光散粒噪声。以上四种随即噪声中，对于近年来的高性能CCD，其平均暗电流被抑制得很小，暗电流散粒噪声基本可以忽略，而FD复位噪声可由电路控制，因而主要需要考虑的是FD放大器噪声的影响。如果今后提高FD放大器的MOS晶体管性能，使其小于光散粒噪声，光散粒噪声将成为主要的噪声源，这表示随机噪声接近物理的极限。2)固定图形噪声a光电

18、二极管的暗电流、b转移劣化、c像素感光度不均匀 这三种固定图形噪声中，暗电流噪声带来的影响最严重，其噪声电压值受到温度与存储时间的影响。在光谱测量中，暗电流噪声理论上可以通过在信号光谱采集前，先进行一次无光的暗采集，然后采集信号光谱，然后将信号光谱采得的各点值减去暗采集的各点值来消除。第二章 激光干涉的原理介绍及测量分析激光器是六十年代初期出现的一种新型光源，激光器的出现为精密计量领域中开创了新局面。在激光出现以前，用一般光源制成的干涉仪因为相干性差，亮度低，只能用于在实验室中进行比较测量。这也使得干涉仪没有广泛应用于精密的测量。自1960年氦氖激光器出现以后，激光光源以其单色性、高亮度、很好

19、的空间相干性和时间相干好等性能，使得干涉测长技术取得了很大的进展，因此激光的出现为精密测量提供了一种新的思路方法。2.1 激光及激光干涉激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前利用激光干涉原理测量长度常用主要是

20、以为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。利用激光干涉原理测量已有广泛的应用。2.2 国内外关于高精度测量技术状况2.2.1 国外现状分析 如下表所示为纳米级别的测量系统的性能比较，由此可以看出国外在这方面的研究现状。表2-1 纳米级测量系统性能表产品分辨率（nm）精度（nm）测量范围（nm）测量速度（nm/s）双频激光干涉仪0.6002.001101251010光外差干涉仪0.1000.1051072.5102F-P标准具测量仪

21、0.0010.0015510X射线干涉仪0.0050.0102105310-2衍射光栅1.05.051071106扫描隧道显微镜0.500.050310410 从表中我们可以看出FP标准具测量仪的精度与分辨率是最佳的，均可达到0.001m，但其测量范围则仅有5nm，并且其测量速度是相当缓慢的。而双频激光干涉仪、光外差干涉仪及衍射光栅的分辨率和精度也可达到纳米，同时其测量范围大，测量速度较快，因此应用较多。 在国外，分辨率达到1nm的可进行线性位移测量的激光干涉系统已用于商业运行中，而且分辨率高于1nm的激光干涉测量系统也在研究中。目前世界上有三种比较典型且己很成熟的激光干涉仪：美国Hewlet

22、tPackard公司生产的HP系列双频激光干涉仪、美国Zygo公司研制的用于DSW光刻机X、Y工作台直线及角位移测量的双频激光干涉测量系统、英国Renishaw公司的激光校准系统。表2-2是一些国外主要的一些干涉测量系统对比情况表。表2-2国外主要激光干涉测量系统厂家的产品及性能指标序号型号激光率（mW）分辨率（nm）精度（m）测量速度（m/s）生产厂家国家1SP125150.6352.5410-3美国2ML1011.00.11Renishaw美国3AXIOM/201.250.011.8ZYGO美国4LDDM100.10.45OPTODYNE美国5HP5527B1100.1HP美国6HP552

23、91100.1HP美国7L-IM-10A1100.1TSK日本8MI50010.60.4SIOS德国2.2.2 国内的研究现状我国于70年代开始了激光测量系统的。1975年由中国计量科学研究院与陕西机械学院共同研制出我国每一台国产双频激光干涉仪样机，量程为60m，测量精度为0.5m。到目前为止，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、天津大学等也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究。成都工具研究所已生产出带有测量空气参数装置并进行误差补偿的(见表14)。还有清华大学研制出的光纤偏振光干涉仪其测量精度优于5.52nm 。由上海光机所研制的半导体干涉仪的测量扩大到125.56m的情况下，仍可达到

24、1.2nm的重复精度，为大范围内进行纳米精度测量成为可能。表2-3 MJS系列双频激光干涉仪技术指标仪器准确度(1)（R+0.01L）m（真空）（R为分辨率，L单位为米）(2)1.5ppm（使用MJSS460波长补偿器）分辨率（1）0.16m(MJS5A型)（2）0.08m(MJS5B型)（3）0.02m(MJS5C型)最大测量速度300mm/s速度测量准确度0.1%显示值最大测量距离20m2.3 CCD的工作原理 He-Ne激光器属于原子激光器类，能产生许多可见光的激光谱线，多采用连续工作方式，其输出功率多在2mW10mW之间，He-Ne激光器输出激光的方向性好，通常在光束直径为lmm的情况

25、下，输出功率和波长能控制得很稳定，其波长稳定性高达量级。 He-Ne激光器输出激光的高稳定性，很适合用于在干涉实验中用作相干光源光源。 本实验设计的激光干涉测量长度的实验原理为：把目标反射镜和被测物体固定起来，参考反射镜不动。当目标反射镜随被测对象移动时，两光路出现光程差，干涉条纹将发生明暗交替的变化。用光电探测器接收，当被测的物体移动过一定距离时，干涉条纹将交替出现亮暗变化，可以用光电探测器观察记录数据。对记录的数据进行分析可以得出移动的位移量。如图2-3所示为设计的干涉原理测量的位移的基本原理图。 图2-3 激 光 干 涉 原 理 图如图2-4所示，测量开始时，一束激光经过扩束镜和分光镜将

26、光分成两束，它们经固定反射镜C和可移动被测物体B上的反射镜后沿原路返回，并在分光点重新相遇，两束光的光程差为： （2.1） 测量时，可移动被测物体B移动，当移动到位置时，物体距离分光镜的距离为，被测物体移动了L的距离。此时的的光程差为： （2.2） 在测量前后过程中，总的光程差为： （2.3） 光程差每变化一个波长，干涉条纹就会出现明暗交替将变化一次，测量过程中与光程差相对应的干涉条纹变化次数为K： （2.4） 图 2-4 光 程 差 测 量当测得干涉条纹的变化次数K之后，便可由上式求得被测长度L。在实际测量中，当测量开始时使计数为0，测量结束时记得数字K的值就为是被测长度L相对应的条纹数K。

27、则由2.4式可以得出移动的位移量的计算表达式： （2.5） 2.4 用激光干涉测量位移不足分析 激光的出现与发展给用干涉的原理测量长度提供了极好的相干光源。干涉的方法测量因其测量的精度比较高，在测量微小位移和微小尺度的时受到青睐，在其他领域也得到广泛的应用。 相干法测位移虽然测量的精度比较高，但在测量时也存在着许多的问题。问题主要集中在： 1、相干法位移测量应用难以推广，主要受限于如何精确地计量干涉条纹移动的条数； 2、如何探测激光干涉条纹干光源的中心及半径； 3、 激光干涉测量很容易受环境温度、大气压力、湿度、大地振动、机械变形、电子和机械噪音等外界环境的影响，如何减小外界环境对测量结果的影

28、响这是至关重要的；4、 应用领域的受限，应该如何推广应用到其他领域。第三章 利用干涉和线阵CCD设计微位移测量激光干涉的法测量微小位移的精度虽然高，但存在着许多的问题，本课题设计的利用图像分析法测量微小位移的方法，用线阵CCD作为记录干涉条纹移动的条数，然后由记录的图像知道条纹移动的量。这样可以减小测量误差，提高测量精度。3.1 实验测量如图4-1所示，为利用线阵CCD测量微小位移的原理图。利用标准波长为632.8nm为He-Ne激光器作为光源，开始实验时激光经过扩束镜和分束镜和可移动被测物体反射镜后，形成了干涉条纹。干涉条纹由线阵CCD进行采集。采集后直接由后台处理电路进行处理。 图3-1

29、利用干涉和CCD测量微小位移装置原理图测量时，移动可移动被测量物体，固定在可以动被测物体上的反射镜反射的光和固定反射镜反射的光形成干涉条纹，此时线阵CCD就会记录采集的图像信息。当移动被测量物体时，记录移动的明暗条纹数。 3-2 激 光 干 涉 图如图3-2和图3-3所示为线阵CCD采集到从显示装置中看到的信号图像。其中图3-2为激光的干涉图样，3-3表示干涉过程中的光强分布图。 图4-3 干 涉 光 强 分 布 图测量时记录一固定位置移动的条纹条数或者某一位置移过的光强的波峰个数，由公式可以计算出移动的位移。3.2 实验测量结果一、 白天测量数据表编号实际位移量(mm)记录条纹数计算出的位移

30、量(mm)误差(mm)10.01321.0124810-20.20.02652.056610-20.30.051615.0940410-20.40.103231.10-10.50.206412.10-10.60.5015995.10-10.71.0032011.0.82.0064112.0.95.00160275.0.1010.003207310.0.二、 夜晚测量数据表编号实际位移量(mm)记录条纹数计算出的位移量(mm)误差(mm)10.01319.808410-2-0.20.02631.9933210-2-0.30.051574.9674810-2-0.40.103191.10-10.5

31、0.206392.10-10.60.5015945.10-10.71.0032001.012480.0124882.0064032.0.95.00159975.0.1010.003199810.0. 第四章 误差及影响条件分析 激光干涉法是经典的长度计量法。激光干涉的方法在长度测量领域中已得到广泛应用，但在高精度位移测量中用的激光干涉仪要求具有高稳定性、高分辨率和高精度，因用激光干涉的方法测量长度的过程中将会受到设备自身的精度、环境变化、外界振动及噪声等影响。在测量过程中会受到以下五大测量误差的影响：激光干涉仪器的系统误差、余弦误差、死区误差、波长修正误差及被测物件的热膨胀误差。4.1 系统误

32、差 单频激光干涉的测量性能如何主要是取决于激光波长的稳定程度和强度的稳定程度。激激光波长误差包括了激光波长准确度和波长稳定度这个两面。要减少系统误差带来的误差影响，就必须减少环境对激光波长及强度的稳定程度的影响，必须尽量减少死区长度，改善环境条件(如保持温度湿度恒定等)。4.2 余弦误差单频激光干涉的测量性能如何主要是取决于激光波长的稳定程度和强度的稳定程度。激激光波长误差包括了激光波长准确度和波长稳定度这个两面。要减少系统误差带来的误差影响，就必须减少环境对激光波长及强度的稳定程度的影响，必须尽量减少死区长度，改善环境条件(如保持温度湿度恒定等)。4.3 死区误差 由于反射镜和可移动被测物体

33、在安装时不可能紧凑地安装在一起，两者间必然会相隔一段距离，这段距离被称为死区。同时，死区长度在不同的测量过程是不同的，因此不可能在波长修正及线性膨胀修正过程中消除。死区是曝露在空气中的一段距离，激光经过死区将会受到大气温度、大气压及湿度的影响。当死区存在时，死区给测量带来的误差存在如下关系(其中LD 表示反射镜和可移动被测物体之间的间距大小)：大气温度变化l时，带来的误差为：LD10-6；大气压变化3.3hPa时，带来的误差为：LD10-6；大气相对湿度变化70时，带来的误差为：LD10-6；4.4 波长修正误差 大气中激光波长将会受到大气温度、大气压及大气湿度等影响，当然还会受气流的影响，但

34、气流流动是一个随机量无法进行人工补偿，当气流影响存在时，计算机输出的值将会不很稳定，不过气流是易于消除，只需将测量装置置于一个封闭环境中，即可消除其带来的影响。然而，大气温度、大气压及大气湿度等的变化是缓慢但不易控制的，若要保持恒温、恒压及恒湿的环境是非常困难的，代价太大而影响其实用性。因此，波长修正(又称为空气参数补偿)在激光干涉测量中是一项非常重要的工作。 由于温度、大气压及湿度传感器的测量精度所限，对激光波长修正后依然存在波长修正误差如下（其中LM测量移动的位移）：大气温度变化1时，带来的误差为：LM10-6：大气压变化33hPA时，带来的误差为：LM10-6；大气相对湿度变化70时，带

35、来的误差为：LM10-6。4.5 热膨胀误差 对于物体而言，均存在着热胀冷缩现象，这一现象导致同一物体在不同温度下的长度值不同，那么就必须采用标准温度作为基准就不同湿度下测得值折算成同一温度下的可比值，通常采用20 作为基准。由于热膨胀现象不仅作用于工件还影响着工作台，因而存在两项热胀误差，即：工件热膨胀误差和工作台热膨胀误差。结 论大量程、高精度、高分辨率、低成本的微位移测量系统，具有重要的现实意义。干涉的方法测量用于高精度的测量已得到了大家的认可。本课题是一种基于激光干涉条纹和线阵CCD的微小位移测量实验。利用的传统的干涉光路形成干涉条纹，利用高分辨率的线阵CCD作为采集图像的仪器，采集得

36、到干涉图样和光强分布图。记录当有位移时，某一固定的位置移动干涉条纹的条数或者光强分布的波峰个数。利用公式计算出移动的微小位移的大小。经过实验验证，此种利用激光干涉的方法进行微小位移的测量的方法，实验方法操作简单方便，切实可行。与传统的迈克尔逊干涉的方法相比，由于记录的条纹方法的改善，测量的精度有了一定的提高。但作为实验系统，虽然硬件结构简单，光路调试简单，测量精度有一定的提高，但是还有许多需要改进的地方。如：进一步改进记录条纹的方法，细化条纹，提高干涉光源的稳定性，减小五大误差对实验的的影响，以便进一步提高实验精度，应用到更多的高精度的测量领域当中。参考文献1 韩旭东，艾华，龙科慧一种新型单频

37、激光干涉系统的研究J光电工 程，2002，29(5)，49-512 李向荣，王安敏，周桂莲基于快速傅里叶变换的条纹图像处理研究J光学技术，2007，33（4），171-1723 张淼，唐芳，李华基于迈克耳孙干涉仪的激光多普勒实验仪及其实验J 物理实验，2007，27(4)，9-124 赵育良，张忠民激光干涉微位移测量系统准确度分析J海军航空学院，传感器技术，2002，35 -375 付继武，徐旭明，一种利用激光干涉条纹位相进行微位移测量方法J南昌大学2003, 27(3), 299-3026 薛巍，吴胜利一种低成本线阵CCD驱动与采集处理系统的研究J西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室2

38、008，34（z1）1901937 李书民，唐军应用迈克耳孙干涉仪研究压电陶瓷的特性J物理实验2008，28(6)，24-438 赵育良，许兆林，李开端基于CCD的激光微位移测量系统研究J激 光技术，2003，27(1)，73-759 赵辉，浦昭邦，刘国栋基于双频激光干涉技术的高精度直线度基准装置J中国激光20017，28(7)，637-64010 吕海宝激光光电检测M长沙：国防科技大学出版社，1999131-15411 费业泰误差理论及数据处理M北京，机械工业出版社,2004122-12812 王选择，郭军，谢铁邦以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移 工作台J, 光学精密工程，2003(0

39、5),36-4013 王选择，郭军，谢铁邦精密衍射光栅信号的椭圆拟合与细分校正算法J上具技术，2003(12)，301-36014 万德安激光基准高精度测量技术M，北京：国防工业出版社，1999， 141-17415 Beer R，Marjanidmi D.Wavefronts and construction tolerances for a cats -eye retroreflector .Appl Opt 1966,5(7),1191-119716 Snyder JJ .Paraxial ray analysis of a cats-eye retroreflector .Appl O

40、pt 1975, 14(8),1825-1828 17 章海涛高精度定位平台的标定及补偿技术研究，上海大学， 2005年硕士论文18 楚兴春纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究国防科技技术大学, 2005年博士论文19 夏若彬CCD光谱测量系统的数据采集及信号数字化处理浙江大学2007年硕士论文20 周欣测试计量技术及仪器天津大学2005年硕士论文致 谢本论文是在导师闫海涛老师的严格要求和悉心指导下完成的。从选题到研究思路的确定，资料的搜集到布局谋篇，从内容结构到最后成文，闫老师给了我无私的关怀和帮助。闫老师高尚的师德、严谨求实的治学态度渊博的理论知识、活跃的学术思想、一丝不苟的科研作风以及甘为人梯的奉献精神都成为我毕生学习的烤馍和奋斗目标。在今后的学习工作中将以加倍的努力来回报老师的教诲。感谢甄志强老师、吕珍龙老师他们给我提供了实验条件和帮助，同时也感谢所有帮助我的同学和老师。是你们的支持和帮助让完成了学业，完成了自己的毕业论文，并让自己成长，成熟起来。感谢各位参加评审本论文的老师，你们的意见和建议时十分宝贵的。最后，谨向所有曾经关心和帮助过我的老师和同学表示感谢。 附录附录1：实验装置图附录2：干涉图