微位移光学测量系统的设计开题报告

全文总字数：4508字

1. 研究目的与意义（文献综述）

微位移测量的准确性在精密加工、自动控制以及半导体制作工艺等领域具有极其重要的意义。目前，微位移测量的主流方法主要有三大类：电学测量方法、显微镜测量方法以及光学测量方法。随着纳米科技的迅速发展以及制造业精度要求的不断提高，对微位移的测量分辨力提出更高的要求。相比于其它两种测量方法，光学微位移测量技术具有精度高、原理简单、操作方便等优点。因此在微位移测量领域，基于光学原理的非接触微位移测量系统发展更快。但是目前的光学微位移测量系统结构复杂，成本高，不利用其大规模应用，而且影响其精确测量的因素也很多，导致这类系统尚不能实现高精度的测量。因此，如何提高光学微位移测量系统的精度具有十分重要的现实意义。

根据不同的光学原理，光学微位移测量方法可以分为：光杠杆法、激光三角法、光纤位移测量法、激光干涉法等，测量的分辨率可在几十皮米到几纳米之间。随着研究的不断深入，激光用于测量微小位移的方法不断被探索出来，引起了国内外学者的广泛关注。激光由于本身的单色性好、亮度高、方向性和相干性强等优势，被广泛用于各种光学测量方法之中。查阅现有资料显示，目前国内外学者主要从以下几方面展开了相关研究：

（1）在激光三角测量法原理的基础上，应用光学系统的成像技术以及光电位置传感器进行实验数据的采集，并建立数学模型，实现了被测物厚度-微位移变化量的测量；（2）利用光杠杆的原理，通过平面反光镜使光线多次反射使微位移放大，利用光电位置传感器采集数据，并建立数学模型，设计出基于光杠杆原理的光学微位移测量系统；（3）在马赫-曾德尔干涉仪的基础上进行改进，运用激光多普勒技术及激光偏振干涉技术，重新设计测量光路。利用dsp技术及8细分算法，研制出新型亚纳米级位移测量系统；（4）基于迈克尔逊干涉仪，设计出零差激光干涉仪，通过观测微位移引起光程差改变导致的干涉条纹移动量或干涉条纹强度分布，转换成相位变化，进而得出微小位移变化；（5）基于激光调制进行高精度位移测量，利用激光准直技术以及四象限探测器的工作原理，设计出测量光路，通过四象限探测器上光斑位置的相应变化，获取待测微位移信息；（6）基于可变相位延迟，提出偏振光干涉双路结构，利用楔形双折射晶体组作为核心器件将相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟，进而将位移变化转变为合成光强的变化。再之建立数学模型，确定光强变化与微位移之间的关系，达到测量微位移变化的目的；（7）在激光反馈干涉系统的基础上引入衍射光栅，借助利特罗条件，使入射光束通过反射式全息光栅后返回激光腔，并在腔内发生反馈干涉效应。最后通过正弦相位解调技术，可以高精度测量一维及二维微位移；（8）利用激光散斑进行二次曝光，借助二次曝光散斑的功率的逆傅里叶变化光场的自相关强度峰值点的间距测量横向微位移量。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

（1）通过对现有文献进行数据收集，在迈克尔逊干涉仪的基础上设计达到微位移测量目的要求的方案，并对该方案进行原理上的数据评测，根据数据情况获取设计方案的性能并作出相应评价或优化。

（2）利用zemax光学仿真平台建立所设计的迈克尔逊干涉方案模型，进行光学微位移测量仿真实验，并将所得数据与原理上的数据进行比对，最终校准仿真模型，达到仿真要求。

3. 研究计划与安排

（1）第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的基本原理，基本设计方法。确定方案，完成开题报告。

（2）第4－6周：完成测量系统的初始结构设计。

（3）第7－12周：优化设计，并完成相应仿真分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张攀峰, 吴宇, 刘晓旻, 等. 基于光杠杆原理的纳米级微位移测量系统研究[j]. 光学仪器, 2006, (02): 61-65.

[2]alzahrani k, burton d, lilley f, et al. absolutedistance measurement with micrometer accuracy using a michelson interferometerand the iterative synthetic wavelength principle[j]. optics express, 2012, 20(5):5658-5682.

[3]wu m, lu g, ma y, et al. double speckle patterninterferometric measurements for micro-angular displacement and the center ofrotation[j]. optics letters, 2020, 45(1): 188-191.