像散法对微位移和微振动的实时测量

　　0　引言

　　物体微位移和微振动的实时测量,在信息技术与微电子机械系统(MEMS)等领域具有至关重要的意义.目前能够实现亚微米位移测量的测量方法有多种,而光学测量作为一种重要的非接触无损检测技术,具有结构简单、精度高、稳定性好及易于实现等优点得到了广泛的应用[1~4].通常把光学法测量微振动分为两类:一类为光学干涉法,包括偏振干涉,外差干涉及多光束干涉等;另一类为光学非干涉法,如刀口法,狭缝法等[5].

　　由于光学干涉法具有灵敏度高的优点,被广泛用于高精度微振动的测量,而在实际使用中,由于干涉仪腔长易受环境温度、振动、机械变形等因素影响,使干涉仪的输出产生漂移,在实际使用中必须采用光学反馈稳腔长系统,以保证干涉仪的稳定性,这使得测量系统相对较为复杂.同时对于空间尺度在微米量级物体微振动的测量,干涉法测量较为困难.因此基于光学像散法原理,本文提出了一种新型的非干涉测量方法.通过检测物体微振动引起像散量的变化,实现了对微米量级物体微位移和振动的实时精确测量.与干涉法相比,结构更加简单,易于实现.

　　1　像散法理论

　　像散法基本原理如图1所示.首先分析物体位置关系对四象限光电探测器(S)输出信号的影响.根据透镜成像公式,得

　　设rx、ry分别为四象限探测器椭圆光斑的长轴和短轴,r1和r2分别为物镜和柱透镜的口径半径,m为柱透镜至四象限光电二极管的距离.由几何关系可得

　　将四象限光电二极管上的光点形状呈圆形时,即rx=ry时的a1值作为基准位置,该位置即为光学系统的正焦位置,此时

　　当给出f1、f2、l、m和a1+Δa1时,即可求出有微小离焦量Δa1时的rx和ry.

　　假设进入物镜的光线全部进入四象限光电二极管,而能量与物镜通光孔径面积成正比,所以总光强为

　　设照射在四象限光电二极管一至四象限上的光点面积分别为A1、A2、A3、A4,此时一、三象限中接收到的光强为

　　这里称T为聚焦误差信号,将光学系统参量f1、f2、m、l、r1代入上面推导公式,可通过计算机算出偏离焦面一微小位移相对应的输出信号的变化,即计算出聚焦误差随离焦量的变化关系.图2为当f1分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,而其他参量为定值时聚焦误差随离焦量变化的曲线.从图2可以看出,对于每一组光学系统参量,在焦点附近都有一段聚焦误差信号线性变化的区域,在线性区我们可根据聚焦误差信号的大小得知物体位移量的大小.光学系统的参量不同,计算出的线性区大小不同,即测量范围不同,同时系统的灵敏度也不同.灵敏度高时测量范围较小,可取不同的参量得到合适的灵敏度和测量范围.