高精度光学测量微位移技术综述
光电位移精密测量技术pdf
光电位移精密测量技术pdf光电位移精密测量技术是一种高精度的测量方法，广泛应用于各种科学研究和工业生产领域。
本文将从定义、应用、优缺点及发展方向等方面进行详细介绍，希望对广大读者有所启发和指导。
一、定义光电位移精密测量技术是通过光电传感器对目标物体进行位置、位移、速度和加速度等多维度测量的一种高精度测量方法。
其原理是利用激光或LED光源照射目标物体，测量物体反射或透射出的光信号，经过光电转换器转化为电信号，并由信号处理器进行数据处理和分析，最终得出目标物体的位移数据。
二、应用在生产制造领域，光电位移精密测量技术主要应用于机械加工、测绘、机器人、自动化控制等行业，用于精密测量各种机械零件的位置和位移量，以确保机器的稳定性和精度。
在医学领域，该技术可用于测量人体各种生物信号如呼吸、心跳等，同时也被广泛应用于神经科学、心理学等领域的研究中。
此外，在军事、环保等领域也有广泛应用。
三、优缺点相对于传统测量技术，光电位移精密测量技术有以下优点：1. 非接触式测量，避免了测量中对目标物体的影响；2. 高精度，可实现亚微米级的测量；3. 测量范围广，可测量多维度数据，具有多功能性；4. 快速反应，实现实时数据采集和处理。
但是，光电位移精密测量技术也存在一些缺点，如：1. 测量精度受环境因素影响，如温度、湿度、振动等；2. 高昂的成本，不适用于小型跨国企业和普通家庭使用；3. 对物体反射性能和光学特性有一定要求；4. 在测量距离较远或弱光照射下，可能会出现测量误差。
四、发展方向随着科技的发展，光电位移精密测量技术也在不断创新与进步。
未来该技术的发展将会从以下几个方向进行：1. 精准度提高：通过技术创新，提高测量的精准度和稳定性，进一步满足高精密度测量需求；2. 自动化和智能化：利用AI、机器学习等技术，实现光电位移精密测量技术的自动化、智能化，减少人力操作和误判；3. 小型化和便携化：将光电位移精密测量技术应用到小型装置中，实现便携式测量，为个人和特殊行业解决测量问题；4. 多功能性：结合多种传感技术，实现多功能性的光电位移精密测量系统，提高测量效率和准确性。
面向浸没式光刻机的超精密光学干涉式光栅编码器位移测量技术综述
光学精密工程Optics and Precision E^ngineering第27卷第9期2019年9月Vol. 27 No. 9Sep. 2019文章编号 1004-924X(2019)09-1909-10面向浸没式光刻机的超精密光学干涉式光栅编码器位移测量技术综述王磊杰8，张呜，朱煜，吋伟楠，杨富中(清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室9精3超精3制造装备及控制北京市重点实验室，北京100074)摘要:超精密平面光栅编码器位移测量技术是02〜7 nm 节点浸没式光刻机的核心技术。
通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局，提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。
针对现有的光栅编码器，开展了基本 测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析，提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题b 面向亚纳米级测量精度的需求,针对光栅编码器的仪器误差6 对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析，提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题B 本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考B 关 键 词：浸没式光刻机；光学干涉式光栅编码器；位移测量中图分类号:TH741 文献标识码：A doi ：10. 3788/OPE. 20192709. 1909Review of ultra-precision optical interferential grating encoder displacement measurement technology forimmersion lithography scannerWANG Lei-jie* , ZHANG Ming, ZHU Yu, YE Wei-nan, YANG Fu-zhon g(State Key Labo 厂ato 厂y o 于 T^iboZogy & Beijing Key Lab of Precision/Jltra-precision Manufacturing Equipments and Control , Department of Mechanical Engineering ,T singhua University , ing 100084, C 加na)8 Co 旷a 讥hor, Ewa 讥：il. tsinghua. edu. cnAbstract : The utra-precision grid encoder is the key technology of the immersion lithography scannerfor 32—7 nm node. Firstly, by analyzing the requiremen t s and lay o ut of the grid encoder posi t ion measurement system of the immersion lithography scanner , the basic requirement of a special grid en coder for the scanner is proposed. Secondly, for the present grating encoder , research on the basic op tical path, phase detection, resolution multiplcation, off-axis/rotation tolerance, anddead-path re strain scheme is reviewed and analyzed. Then, the key problems of the present scheme in the applica tion of the iithography scanner are proposed. Thirdly, to address the required nanometer accuracy for收稿日期：2019-05-22；修订日期：2019-06-13.基金项目：国家重大科技专项(02专项)资助项目(No. 2017ZX02102004,No. 2018ZX02101003)1910光学精密工程第27卷the instr u men t a#error of the grid encoder,the research on nonlinearity,dead-pa t h,t h ermal drift,and wave-front distortion error are reviewed and analyzed；and the key problems to achieve sub-nanometer accuracy for the grid encoder are proposed.Finally,the above review is summarized,which can serve as a reference for the special grid encoder of immersion lithography scanner.Key words:immersion lithography scanner；optical interferential grating encoder；displacement measurement1引言毋庸置疑，当今世界已迈入信息化时代。
《微位移技术》课件
随着技术的成熟和规模化生产，微位移技术 的成本将逐渐降低。
精度和稳定性提升
未来微位移技术将不断提高精度和稳定性， 以满足更广泛的应用需求。
标准化和模块化
未来微位移技术将逐步实现标准化和模块化 ，方便用户使用和推广。
微位移技术的未来展望
更广泛的应用领域 智能化和自动化 人机交互和协作 创新研究和开发
生物医疗
在生物医疗领域，微位移技术 能够实现细胞和组织的细微操 控，为医疗诊断和治疗提供更
精确的工具。
微位移技术的发展历程
20世纪初
01
微位移技术的概念开始萌芽，人们开始探索如何实现细微的位
移控制。
20世纪中叶
02
随着科技的发展，各种微位移技术开始出现，如压电陶瓷、超
声电机等。
2术得到了更广泛的应用和发展
基于位移范围的分类
纳米级微位移技术
位移范围在纳米级别，主要用于 微观尺度的精确控制和测量，如 纳米制造、纳米测量等领域。
毫米级微位移技术
位移范围在毫米级别，主要用于 宏观尺度的精确控制和调整，如 机器人的关节运动、光学系统的 调整等。
厘米级微位移技术
位移范围在厘米级别，主要用于 大型设备和结构的微小调整，如 大型机械臂的定位、大型镜面的 调整等。
精度和稳定性问题
微位移技术的精度和稳定性是影响其应用的 重要因素，需要进一步提高。
成本高昂
目前微位移技术的设备和制造成本较高，限 制了其大规模应用。
缺乏统一标准
目前微位移技术缺乏统一的标准和规范，影 响了其推广和应用。
微位移技术的发展趋势
技术创新
随着科技的不断进步，微位移技术将不断涌 现出新的理论和方法。
微位移技术的数学模型
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，微小位移量的测量是一个重要的环节。
纳米级的位移量可以帮助我们研究非常微小的事物。
而光学测量方法是一种高精度、非接触式的测量方法，被广泛应用于微小位移量的测量中。
本文将介绍几种常用的光学测量方法。
一、白光干涉法白光干涉法是一种常用的测量光程差的方法。
在实验中，利用Michelson干涉仪产生干涉条纹，通过计算干涉条纹的移动距离，可以得到微小位移量的数值。
在白光干涉法中，由于光波长的分散性质，光源的发光波长不同，因而干涉条纹的颜色也随着移动位置的改变而改变。
通过光谱技术，可以将光源发的不同波长的光分离开来，进一步减小误差。
白光干涉法的优点是光源便宜易得，采样快速；缺点是对光源的光谱性质要求较高，需要对光源进行调整。
二、激光干涉法与白光干涉法相比，激光干涉法具有光源单色性好、光强稳定等优点。
激光干涉法也是一种非常重要的光学测量方法。
激光干涉法的原理与白光干涉法相同，所不同的是，激光干涉法使用的是激光的单色性，因此绝大部分的激光干涉仪是由He-Ne激光器作为光源。
激光干涉法的优点是可使干涉条纹清晰明显，易于处理数据；缺点是激光器使用成本较高。
三、莫尔条纹法莫尔条纹法是利用干涉现象测量表面形状和表面变形的方法。
在莫尔条纹法中，将一系列的‘条纹’透射到平整或有形状的表面上，通过观察条纹的特殊布局和消失位置等，可以得到表面的变化信息。
莫尔条纹法的主要优点是测量精度高、分辨能力强，其测量原理基于光学干涉，不易受到外界干扰，具有快速、高效等特点。
四、激光视轮法激光视轮法是一种利用激光束对物体进行带有方向的扫描，然后依据扫描的结果来测量物体表面形状和位移量等的方法。
在实验中，将激发的光束反射到物体表面，同时维持一定角度的斜向照射，通过扫描预先设定区域，生成一个三维物体的表面形状的图像。
激光视轮法的优点是测量精度高、成像速度快、测量能力强等，目前已被广泛应用于工程领域、生物医学领域等多个领域。
光学高精度测量技术研究
光学高精度测量技术研究在当今现代工业的发展中，高精度测量技术是不可或缺的。
光学测量技术也是其中极为重要的一种技术。
本文将会对光学高精度测量技术的研究进行探讨。
第一部分：光学测量原理1.1 光的干涉光的干涉是光学测量的基础，在光源发出的同一频率的两束光线相遇时，它们可以相长或相消。
相长产生叠加，即点上亮度增强；相消则叫做干涉，即点上亮度减弱或消失。
利用光的干涉可以实现高精度测量。
1.2 光的散射当光线碰到物体时，光线不仅可以被物体吸收，还可以被散射。
根据散射方式不同，可以分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射可以被视为一个新的光源。
此外，光的散射还可以通过散斑技术实现测量。
第二部分：光学测量应用2.1 光学拉伸测量光学拉伸测量利用了光的干涉原理。
将宽度较窄的平梁或圆环附加到一束光线上，然后用另一束光线照向平梁或圆环，使两束光线相互照射。
如果发现两束光线之间出现明亮的干涉图案，则在平梁或圆环的变形、弯曲或伸长时，会发生干涉微小变化。
将变化与形状变量相关联，就可以实现精确的形状测量。
2.2 光学定位和测量光学定位和测量通常用于二维、三维形状的测量。
测量者可以放置一个编码器，在光线距离二维或三维物体时进行测量。
在测量时需要使用精度高的摄像头来记录位置和位移信息，通过干涉计算得出对应的形状数据。
第三部分：光学测量技术的发展趋势现代工业的要求越来越高，精度要求越来越高。
因此，光学测量的需求也会随之增加。
下面就简单谈一些光学测量领域需要发展的方向。
3.1 光学测量局域化在光学测量领域中，局域化技术是一项主要的研究方向。
如何将大样品采样分解成可以实现局部处理的小样品，是局域化技术所需的关键因素。
3.2 光学纳米测量在光学技术中，纳米测量是目前最先进和最有前景的技术之一。
这种测量技术可以在光学显微镜中获得非常高的分辨率。
大铆钉和微量液滴例如能够轻松地被检测到。
在高精度测量技术发展中，纳米测量将会有着越来越多的应用。
结论光学测量技术随着时间的推移和技术的进步将会在现代工业中发挥更为重要的作用。
5 微位移技术
静态特性：指微动工作台的输入位移 x 不随时间变
化时的特性。静态特性主要取决于驱动器的特性。
迟滞现象
5.5 微动工作台的设计及特性 ——动态特性分析
动态特性：指微动工作台的输入位移x按正弦变化时
的特性。
要避免系统在刚度极小值（谐振频率）附近工作，
引起共振，给系统带来很大的误差或是破坏。
5.6其他类型的微位移机构 ——电热式微位移机构
（2）滚动导轨-压电器件驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
X Xi
？
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
杠杆 支点 杠杆 支点
杠杆 支点
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（4）平行弹簧-电磁或电致伸缩驱动
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
（4）四类压电振动模式
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都具有这4类模式。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（1）电致伸缩效应与场强成二次方关系，曾被称为“二次 方压电效应”，且与其方向无关。逆压电效应与场强成正 比，且与其方向有关。 （2）逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩
效应是所有的电介质晶体都有。
（3）外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致 伸缩效应之和。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（4）一般电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小 几个数量级。某些高介电常数的铁电体，电致伸缩效应引 起的应变较大。 （5）压电效应与晶体的温度有关，存在一个相变温度（居
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法光学测量是物理实验中常用的一种测量方法，它可以精确的测量微小的位移量。
在物理实验中，微小的位移量是非常重要的，因为它们可以提供关于物体运动和形状的关键信息。
在光学测量中有多种方法可以用来测量微小的位移量，这些方法包括干涉法、衍射法、激光测量法等。
本文将对这些光学测量方法进行详细介绍。
1.干涉法干涉法是一种光学测量方法，它利用光的干涉现象来测量微小的位移量。
当一个物体发生微小的位移时，会导致其表面或表面附近的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过观察干涉条纹的移动，可以测量出物体的位移量。
干涉法有许多种实现方式，常见的有薄膜干涉、朗伯干涉、迈克尔逊干涉等。
薄膜干涉是一种利用薄膜表面反射光产生干涉现象的方法。
当薄膜表面发生微小的位移时，会引起薄膜的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出薄膜的位移量。
朗伯干涉是一种利用透过两个旋转角度不同的偏振镜的光产生干涉现象的方法。
当光通过两个旋转角度不同的偏振镜时，会产生两束光，这两束光之间会发生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
迈克尔逊干涉是一种利用分束镜将一束光分为两束光，并使其经过不同的光程，然后再通过合束镜使其重新合并产生干涉的方法。
通过改变一个光程使得两束光之间产生相位差，从而产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
2.衍射法衍射法是一种利用光的衍射现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象。
当物体发生微小的位移时，会导致其衍射图样发生变化，从而可以通过测量衍射图样的变化来计算出物体的位移量。
衍射法有许多种实现方式，如菲涅尔衍射、菲索衍射等。
菲涅尔衍射是一种利用衍射光产生的干涉现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象，而衍射光会产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
光学高精度测量技术研究
光学高精度测量技术研究光学高精度测量技术是指利用光学原理与技术手段进行测量的一种方法。
随着科学技术的不断发展，光学测量技术逐渐成为高精度测量领域中的重要手段之一、本文将从光学高精度测量技术的原理、应用领域以及发展前景等方面进行探讨。
光学高精度测量技术的原理主要基于光学传感器对光信号的测量和处理。
光学传感器是通过光传输与能量转换实现信息的传递和采集的装置。
在光学高精度测量中，常用的光学原理有干涉、散斑和激光测量等。
其中，干涉测量是一种基于光程差的测量方法，通过测量光波的传播路径差，确定待测物体的形状、尺寸或位移等参数。
散斑技术则是通过散斑图案的变化，对物体的形貌进行非接触式的测量。
激光测量则是利用激光束的特性，通过测量光信号的反射、散射或透射等信息，对物体的位置、形状、尺寸、位移等进行测量。
光学高精度测量技术在许多领域都有广泛的应用。
其中，制造业是应用光学高精度测量技术最为广泛的领域之一、在制造过程中，通过光学测量技术可以对产品的尺寸、形状、表面质量等进行精确测量，确保产品的质量和精度。
在汽车、航空航天等高端制造领域，光学高精度测量技术已经成为不可或缺的工具，用于测量复杂零部件的形状、尺寸和位置等参数。
此外，光学高精度测量技术还在医疗、生物学、地质勘探等领域有广泛的应用。
比如在医疗领域，光学高精度测量技术可用于眼科手术中的角膜建模和眼底病变的检测等；在生物学领域，光学高精度测量技术可用于细胞形态学的研究和细胞迁移的测量等；在地质勘探领域，光学高精度测量技术可用于地表形变的监测和地下油气储层的检测等。
光学高精度测量技术在未来的发展中具有广阔的前景。
随着科学技术的进步和理论的完善，光学高精度测量技术的测量精度和测量范围将不断提高。
在传感器技术方面，由于光学传感器具有响应速度快、测量精度高、稳定性好等特点，因此将会得到更加广泛的应用。
另外，由于激光技术的快速发展，光学高精度测量技术将更加便捷、高效。
例如，利用激光雷达等现代化仪器，可以实现对三维物体的快速、精确测量。
基于光学的高精度测量技术研究
基于光学的高精度测量技术研究随着工业制造业的不断发展，对于高精度测量的需求也越来越高。
而基于光学的测量技术由于其非接触、高精度和高效率等优势，已经成为工业测量领域的重要手段之一。
一、概述光学测量技术是一种物理测量方法，能够利用光的传播和相互作用实现对物体形状、位置和运动等参数进行测量。
与传统的机械测量方法相比，光学测量技术具有高精度、高速度和无接触等优势，适用于各种形状、尺寸和表面性质的物体测量。
光学测量技术包括三角测量法、视差测量法、全息术、干涉测量法等。
其中，干涉测量法是一种基于光波干涉原理进行测量的方法，广泛应用于高精度测量领域。
二、干涉测量法原理干涉测量法是一种利用光波的干涉现象进行测量的方法。
其原理是：将光波经过分光器分为两束，经过不同的光程后再次合并在一起，使两束光波在合并处形成干涉条纹。
由于两束光波的光程差与物体表面形状相关，因此通过测量干涉条纹的空间分布和变化，可以推断出物体表面形状。
三、应用案例1. 汽车车身检测光学测量技术在汽车车身检测中有着广泛应用。
通过干涉测量法，可以将汽车车身表面进行高精度的三维测量，获得车身表面的精确高度图和曲率图，为汽车设计和制造提供依据。
2. 航天器测量基于光学的高精度测量技术在航天器测量领域也有着重要的应用。
在航天器制造和维修过程中，需要对航天器表面进行高精度的测量和检测。
光学测量技术可以非接触地对航天器表面进行测量，比传统的机械测量方法更为方便和高效。
3. 玻璃表面瑕疵检测在玻璃制造和加工过程中，表面瑕疵对产品质量会产生极大的影响。
基于光学的高精度测量技术可以对玻璃表面进行高精度的瑕疵检测。
通过干涉测量法，可以测量玻璃表面的高度差异，对玻璃表面的瑕疵进行自动检测和分类。
四、发展趋势光学测量技术在工业制造和科学研究领域有着广泛的应用前景。
未来，随着光学成像技术的发展和精度的提高，基于光学的测量技术将在高精度测量领域中发挥更大的作用。
同时，随着数字化和智能化的发展，基于光学的测量技术也将向自动化和智能化方向发展，实现高效、自动化和智能化的测量和检测。
基于光学的高精度测量技术的研究
基于光学的高精度测量技术的研究近年来，随着科技的不断进步，基于光学的高精度测量技术得到了极大的发展。
这种技术具有快速、精准、非接触等优点，被广泛应用于导航、制造、医疗等领域。
下面本文将从光学测量的原理、光学测量的分类和应用领域三个方面来探讨这种高精度测量技术的研究进展以及未来发展趋势。
一、光学测量的原理光学测量，是通过利用激光束、光电子束或光束等测量信号与测试物之间的相互作用来将测量对象的表面特征物理量转化为光学信息，再进一步测量并分析得到目标物体优劣等级的测量方法。
通过这个方法，可以实现对目标物体高速精准非接触式的测量。
光学测量技术主要基于反射、折射、干涉、散射等现象进行测量。
其原理在于测量表面特征物理量与光学特性之间的五种关系：反射率，折射率，透明率，吸收率及干涉条纹等。
例如，利用光学显微镜、电子显微镜、穿过物体测厚仪等来实现测量的时候，都是利用了上述原理来实现的。
二、光学测量的分类根据测量的原理和光源类型的不同，光学测量可以分为多种类型。
（一）激光干涉测量技术激光干涉测量技术全称为激光干涉仪技术，是通过激光的干涉相位变化，来测量物体上各点的高度差、形态误差等信息的方法。
该方法具有非接触式测量、高精度、数字化等特点，适用于工程测量、三维造型等应用领域。
（二）光纤传感技术光纤传感技术是通过利用光学仪器，将物理变化转化为光学信号，来实现对各种物理量的测量的方法。
具有高灵敏度、非接触式测量、多点测量等特点。
广泛应用于工程测量、医疗监测、生态环境监测等领域。
（三）电子束测量技术电子束测量技术是利用电子束和样品发生的相互作用来获得样品的信息的技术。
其优点是能够得到较高的空间分辨率，适用于材料科学、生命科学、纳米科学等领域。
三、光学测量的应用领域基于光学的高精度测量技术具有快速、精准、非接触等优点，能够应用于各种领域。
以下列举几个典型的应用领域。
（一）材料与结构的稳定性研究在可靠性、持久性等要求高的工程结构体领域，光学测量技术被广泛应用于材料与结构的稳定性研究。
光学高精度测量技术研究
光学高精度测量技术研究引言随着工业制造技术的不断发展和现代化程度的提高，对于高精度测量技术的需求越来越大。
而光学高精度测量技术在这个方面表现出了越来越广泛的应用和突出的优势。
本文将着重介绍和探讨光学高精度测量技术的发展和应用。
一、光学高精度测量技术的基本原理光学测量技术是以光的传播和反射等自然规律为基础的一种测量技术。
在光学高精度测量技术中，无论是光路测量还是图像测量，都需要精密光学元件和高精度检测仪器的配合。
其基本原理是通过测量出光线经过物体后光学特性的改变或者图像的形态变化，来确定物体的精确尺寸和形状。
光学高精度测量技术主要分为三类：直接尺寸测量、光学干涉测量和光学成像测量。
直接尺寸测量方法是一种基于光学光栅、光学标尺等直接量具进行测量的方法。
光学干涉测量方法则是以一个稳定的相干光源为基础，通过相干光和待测物体产生的干涉条纹等现象，来测量物体的形态、表面粗糙度等参数。
光学成像测量方法则是通过光学成像系统，对物体产生的投影图像进行几何学和尺度的计算，来测量物体的尺寸和形状。
二、光学高精度测量技术的应用光学高精度测量技术在工业领域中应用广泛，主要包括以下几个方面：1. 制造业在制造业中，光学高精度测量技术常用于微电子、半导体等工业的制造过程中，以控制产品的质量和性能。
比如，在光刻等制造过程中，通过使用高精度光刻机和高分辨率的激光束，可以在半导体芯片等微小制品表面上加工出亚微米级别的线条、点阵和图案等微型结构。
2. 建筑工程在建筑工程领域中，光学高精度测量技术常用于建筑结构的测量和监测。
通过在建筑体上设置合适的标志点和光学传感器，可以精确地测量建筑物的变形、位移、挠度等参数，以及地面的沉降、扭曲、裂缝等情况，及时发现和排除安全隐患。
3. 消费电子在消费电子领域中，光学高精度测量技术也得到了广泛的应用。
比如，在手机、笔记本电脑等产品中，可采用非接触式光学测量方法，利用相机等光学器件来实现对产品的尺寸、速度、形态的测量。
微位移技术
微位移技术摘要：微位移技术是实现超精密加工的重要途径，据此介绍了当前微位移技术研究的背景和意义，并对微位移系统做了简单介绍。
参考有关文献着重的对压电元件和电致伸缩微位移机构进行解读。
围绕压电驱动器的几个弊端，介绍了解决的方法以及控制系统在其中的作用。
一、微位移技术的研究背景和意义高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。
它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。
同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。
从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。
随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统，例如，生物、医学、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。
微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展。
目前发达国家都在纳米技术的研究上投入了大量的资金和人力。
而我国在这方面的研究还比较落后，精密、超精密加工水平，大规模集成电路的生产水平远远落后于美日等发达国家。
因此，开展精密微位移系统的研究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距，促进我国精密仪器仪表、精密超精密加工水平的提高，有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展，促进我国纳米技术方面的研究。
二、微位移系统介绍微位移系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。
检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。
也就是当微位移机构达不到预想的精度时，需要检测装置和控制装置不断的纠正和反馈，使得微位移机构能够更精确的执行，三者关系如下。
微位移机构：指行程小，精度高(亚微米、纳米级)及灵敏度高的机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一种机、电、磁一体化的组合件。
它既可作为微进给和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。
高精度光电位移传感器技术研究
高精度光电位移传感器技术研究一、引言随着工业自动化技术的进步，光电传感器作为一种强大的非接触式测量工具，广泛应用于机器人、自动化加工、无人控制等领域。
光电位移传感器作为其中较为重要的一种，在精度、带宽、线性度等方面一直是关注的焦点，因此高精度光电位移传感器技术的研究对于提高工业自动化生产的效率和质量具有重要的意义。
二、光电位移传感器的基本原理光电位移传感器是一种将光信号转换为电信号的测量设备，其基本原理是利用光电转换原理，将传感器发射的光束在目标物体上反射，然后再通过传感器接收器将反射光信号转换为电信号。
光电位移传感器的测量原理是利用反射光束从光发射器射出到被测物体表面上后反射回光接收器中的时间或光电信号强度来测量被测距离。
三、高精度光电位移传感器技术研究现状1. 光电探头光电探头是光电位移传感器的核心部件之一，其主要作用是发射和接收光信号。
目前，光电探头的制造材料主要包括半导体材料、玻璃、陶瓷等。
相比之下，半导体材料的应用较广泛，因为半导体材料制造工艺成熟，制造出来的探头具有较高的稳定性和精度。
同时，随着光学技术的发展，微纳加工技术也得到了长足的进步，可以在探头的制造过程中制造出更加精细的结构，提高探头的灵敏度和精度。
2. 光电转换器光电转换器是将接收到的光信号转换为电信号的基础设备，直接影响到光电位移传感器的精度与性能。
目前，常用的光电转换器主要有PN结、APD、PIN等。
其中，PN结的成本较低，广泛应用于低精度的测量领域；APD器件在高端精度领域得到了广泛应用；而PIN器件则普遍应用于带宽较宽的场合。
3. 信号处理方法光电位移传感器的信号处理方法包括模拟信号处理和数字信号处理两种。
其中，模拟信号处理主要是对光电转换后的模拟信号进行放大、滤波等处理；数字信号处理则是将模拟信号经过采样、A/D转换、数字滤波、数字信号处理等一系列处理使之变成可供计算机处理的数字信号。
数字信号处理的主要优点是抗干扰性能好，精度高，适用于需要高精度、高速度测量的场合。
高精度光学测量微位移技术综述
高精度光学测量微位移技术综述**＊（＊＊*＊＊*大学光电*＊学院,重庆400065）摘要微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。
光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。
本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳,对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括.关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1 引言随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。
目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。
电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。
目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1］.而显微镜测量技术种类较多,主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜(包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种［2]。
按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量［3］、光杠杆法[1，4］、光栅尺测量法［5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。
此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注,其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力,避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6］。
现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示.纵观位移测量技术的发展历程,如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭1新的时代。
基于光学传感器的高精度位移测量技术研究
基于光学传感器的高精度位移测量技术研究随着科技的进步和发展，高精度位移测量技术越来越重要。
在制造业、航空航天、生物医学、机械工程、科学研究等领域中，对物体位移、形变等参数进行精确测量的需求日益增加。
因此，基于光学传感器的高精度位移测量技术受到了广泛关注。
一、光学传感器的种类光学传感器是一种利用光学原理来测量物理量的传感器。
根据光学原理的不同，光学传感器又可以分为以下几种：1. 相位测量型传感器：基于干涉现象测量物体的位移变化实现精密测量，如激光干涉计、Fiber Bragg Grating传感器。
2. 信号周期测量型传感器：基于光电转换测量物体的位移变化实现精密测量，如位移传感器、位移编码器。
3. 相位差测量型传感器：利用不同路径的光线在返回前后之间产生相位差的测量特性，达到测量目的，如三角测量传感器、光学投影位移传感器。
二、光学传感器的应用1. 制造业在制造业中，如机械加工、半导体工艺和汽车制造等领域中，高精度位移测量技术是非常必要的。
利用激光干涉计等光学传感器，可以测量加工中的工件尺寸、形状和表面粗糙度等参数，为产品质量保证提供了有力的技术支持。
2. 航空航天在航空航天领域中，光学传感器起着至关重要的作用。
利用光学传感器测量飞行器在起降、空中飞行和卫星轨道维持时的位移、速度和姿态，使得飞行器能够按照预期轨迹飞行，保证了飞行安全。
3. 生物医学在生物医学领域中，光学传感器也有诸多应用。
例如白细胞测量、肝胆脾等治疗以及人体各种器官的内部组织结构等的观测方面都使用光学传感器。
利用相位测量型光学传感器可以实现生物组织内部的精密测量，为生物医学研究和诊疗提供基础数据。
三、光学传感器的发展方向随着科技的不断进步，光学传感器的发展方向也在不断扩展。
其中，精度、快速响应以及小型化是光学传感器发展的主要方向。
1. 精度：光学传感器的测量精度对整个实验和研究结果有决定性影响。
因此，提高测量精度是当前光学传感器发展的关键方向。
基于光学方法的高精度测量技术研究
基于光学方法的高精度测量技术研究高精度测量技术是科学研究和工程实践中至关重要的一项技术。
在多个领域，如制造业、航空航天和地质勘探等领域中，高精度测量技术的应用十分广泛。
为了满足对于越来越高精度测量需求的要求，光学方法作为一种非常有效的测量方式，被广泛应用于高精度测量技术的研究与实践。
光学方法是利用光的特性进行测量的一种方法。
它利用光的传播和反射等性质，通过测量光的传播路径、干涉、波长等，来实现对于测量目标的精确测量。
光学方法具有非常高的分辨率和灵敏度，可以实现亚微米甚至纳米级别的测量精度。
因此，光学方法成为了高精度测量技术中的重要手段。
一种基于光学方法的高精度测量技术是激光干涉仪。
激光干涉仪利用激光的相干性和干涉效应来实现对于测量目标表面形貌的高精度测量。
它的工作原理是通过将激光光束分为两束，一束直接照射到测量目标表面，另一束经过反射后与直接照射的光束进行干涉。
通过测量干涉条纹的位移或形态变化，可以得到被测目标表面形貌的信息。
激光干涉仪具有亚微米级的测量精度，适用于表面形貌测量、位移测量等领域。
另外一种基于光学方法的高精度测量技术是白光干涉仪。
白光干涉仪利用白光的相干性和干涉效应，通过对干涉条纹的分析来实现测量目标表面形貌的高精度测量。
与激光干涉仪相比，白光干涉仪具有更宽的测量范围和更高的分辨率。
它适用于对于表面形貌复杂的测量目标进行高精度测量。
除了激光干涉仪和白光干涉仪外，还有一些其他基于光学方法的高精度测量技术，如光学干涉计、激光共焦显微镜等。
这些技术都基于光的干涉效应和相干性，通过测量光的特性来实现对测量目标的高精度测量。
总结而言，基于光学方法的高精度测量技术具有非常高的测量精度和分辨率，适用于多个领域和测量需求。
随着光学技术的不断发展和进步，相信光学方法在高精度测量技术研究与实践中将会发挥更加重要的作用，为科学研究和工程实践提供更加准确和可靠的测量手段。
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高精度光学测量微位移技术综述***（******大学光电**学院，重庆400065）摘要微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。
光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。
本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。
关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1 引言随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。
目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。
电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。
目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。
而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。
按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。
此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。
现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。
纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭1新的时代。
由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。
根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。
本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。
表1 常用微位移测量技术仪器种类分辨力/nm测量范围电容传感器0.05-210nm-300μm电感传感器510μmSPM0.051-10μm激光三角测头 2.5100-500μm光纤位移传感器 2.530-100μm双频激光干涉仪0.1>10m光栅尺0.1-1070-200mm X射线干涉仪0.005200μmF-P干涉仪0.0015nm-300μm2 光学微位移测量技术概述2.1 激光三角法微位移测量技术随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。
而非接触测量由于其良好的精确性和实时性，已经成为测量领域的热点。
同时由于电子学和光学技术的飞速发展，光电检测已经成为非接触测量的一种主要方法。
激光三角法是光电检测技术的一种，由于该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。
2.1.1 激光三角法微位移测量原理在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射最后在检测器上成像。
当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。
通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。
激光三角法的框图如图1所示。
其中，α是投影光轴与成像物镜光轴的夹角，β是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s’分别是物距和像距，d是传感器上的成像点的偏移，而δ为实际的物体表面的偏移，系统的相关参数为偏置距离，D 为从传感器到被测表面参考点的距离；测量范围为最大能检测到的物体表面的偏移，即δ的最大值；测量精度为传感器的最小测量单位；分辨率一般指测量的纵向分辨率，为测量精度和测量范围之比；横向分辨率为待测物体表面上所取测量点的最小间距。
图1 激光三角法原理图为了实现完美聚焦，光路设计必须满足斯凯普夫拉格条件；成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线，如图1中X 点所示。
系统的非线性的输入输出函数为：()sin 'sin sin ds s d βδααβ=-+ (1) 又可以写为： dA B dδ=- (2) 激光三角法的另一项重要的参数为线性度，就是三角测量法输入和输出关系的线性近似程度。
可以证明，在三角测量中，可以通过缩小测量范围，增大接收透镜的共轭矩，增大三角测量系统的角度，缩小接收透镜的放大倍率，达到线性测量的结果[7]。
此外，由(1)式对d 求导，得到输入输出曲线的斜率，即激光三角法的放大倍率ρ：()2'sin sin 'sin sin s s d s δαβρααβ∆==∆-+⎡⎤⎣⎦(3)系统的放大倍率决定了系统的分辨率，而放大倍率不但取决于系统参数，还是像移d 的函数。
激光三角传感器特性分析及研究现状激光三角传感器的主要优点有：(1)与非接触测量相比，它解决了接触测量中接触侧头与工件之间的接触压力；解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率问题；提高了检测速度(kHz 极，而接触式测量为1Hz 左右)[8]。
(2)与其它非接触方法相比：具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测表面要求较低，而离焦检测法和光干涉法等通常只能测量非常光滑的表面。
此外，三角测量法还具有如下特点：采用半导体激光器，测量仪器体积较小[9]；激光方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性，测量精度高；与计算机结合，形成智能测试系统；在生产现场实现在线检测；适用范围广[10]。
2.1.2 激光三角测头基本原理激光三角测头主要包含半导体激光器、汇聚透镜、接收透镜、光电探测器件CCD 及后续处理电路。
图2 激光三角侧头光路图 如图2所示，根据几何光学原理：111'l l f += (4) 'l x l X y Y -+= (5) 'f l X f y Y+-= (6) 消去X ，Y ：()1cot 'Y X l α= (7) 即像点的运动轨迹也为一条直线。
同时也得到了角α与角β之间的关系式：1cot cot 'l βα= (8) 当像点下移至无限远时，物点产生的距离为D 1：()1sin sin l D βαβ=+ (9) 物点下移至无限远时，像面上产生的距离为D 2：2'sin sin()l D ααβ=+ (10) 对公式（4）进行微分求得测头分辨率：()2'sin sin 'sin sin M ll A N l N αβααβ∂==∂-+⎡⎤⎣⎦(11) 2.1.3 激光三角法微位移测量的发展趋势入射光束的焦深限制：一般的高斯光束聚焦为入射光时，会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况，使系统很难满足高分辨率和大测量范围的要求。
当采用CCD 为检测器时，相应的改进方法是采用重心法取CCD 输出矩形脉冲的中心位置；而采用PSD 为检测器时可以较好的避免光斑形状的影响，但仍会影响系统的分辨率。
在文献[11]中提出采用无衍射光束作为光源解决这个问题。
由于被测表面的阶越，比如孔或者缝，使得传感器无法接受到反射或漫反射光。
解决方法有采用旋转对称性的光学三角传感器[10]。
被测面由于颜色、材料、粗糙度、光学性质以及表面形状等方面的差异导致同一光源入射时，物体表面对光的反射和吸收程度不同，特别是由于物体表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差。
改进的方法有，使测量工作平面(由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴决定的平面)平行于待测表面的纹理，可接受到足够的光强，有利于提高测量分辨率。
温度，湿度和机械振动等环境噪声，会影响三角测量法中的系统参数。
除了通过较好的标定方法提高系统的精度，还可以采用双无衍射光束作为光源提高系统的抗噪性[12]；采用完全对称双面双光路系统设计。
通过和智能控制系统的联合，同时开发更好更快的处理算法，以求最大程度的实现光电三角法的柔性测量，在德国的米铱测试技术公司所提出的采用激光三角位移传感器optoNCDT2200中已经实现了实时被测物体表面特性差异补偿。
2.2 激光干涉法微位移测量技术激光干涉位移测量技术是以激光波长为基准，通过干涉原理对位移进行测量的技术。
按照工作原理不同，主要有双光束干涉和多光束干涉两种类型。
迈克尔逊干涉仪或类似结构是双光束激光干涉仪主要结构形式，广泛应用于各种位移测量场合，它又分为零差干涉仪和外差干涉仪两大类。
而多光束干涉仪主要指法布里－珀罗干涉仪（下文简称法－珀干涉仪），它主要用于高分辨力微位移测量。
此外还有其它一些结构类型及相应的改进型激光干涉仪。
2.2.1 激光干涉仪分类及测量原理（1）零差激光干涉仪零差干涉仪是一种较简单的位移测量干涉仪形式，图3为基于迈克尔逊干涉仪结构的零差干涉仪示意图。
图3 零差干涉仪示意图由稳频激光器发出的光被分光棱镜分为测量光束和参考光束，测量镜发生位移时会引起光程差的改变，通过观测干涉条纹的移动量或由干涉条纹强度分布得到的相位变化即得到被测位移，基本测长公式即：2N L λ= (12) 其中N 是光电接收器接收到的干涉场固定点明暗变化的次数。
在信号处理时加入移相系统，还可以实现位移方向的判别。
零差干涉仪结构简单，应用较为广泛。
虽然光学倍程、电子倍频、干涉条纹细分等技术发展的使零差干涉仪的测量精度大为提高，但因受各种误差因素限制，传统干涉测量分辨力只能达到λ/10～λ/20。
零差干涉仪有个最大缺陷是光电接收器后的前置放大器只能用直流放大器，对激光器的频率稳定度和测量环境（温度、振动等）要求很高，测量时不允许干涉仪两臂的光强有较大变化。
（2）外差激光干涉仪外差干涉仪是采用具有一定频差Δf的双频光束作为载波信号的干涉仪，其典型结构如图4所示，测量镜位移产生的多普勒频移使得参考光束和测量光束的拍频信号改变，通过测量由Δf变化引起的条纹变化量或位相变化量，即得被测位移。
图4 外差干涉仪示意图由于即使测量镜不发生位移，干涉仪仍保留－Δf的交流信号，因此光电接收器后的前置放大器可用交流放大器，可有效抑制外界环境引起的直流漂移及大部分随机噪声，提高检测准确度和重复性。
同时若选用高放大倍数的交流放大器还可大大降低对光强的要求。
目前，外差干涉仪的位移测量分辨力已达到0。
1nm。
由于外差干涉仪的抗干扰能力较强，适用于现场作业，应用非常广泛。