1激光检测学科发展现状在光电检测领域,利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹,然后到散斑,再到全息干涉,出现了一个个干涉场,物理量(如位移、温度、压力、速度、

郭隐彪

Laser & Optoelectronics Progress

Xiamen University Institutional Repository

图。tu :s e· · · ·……划V ol.43,N o.10砚天 t.Z IX陷1 激光检测学科发展现状在光电检测领域,利川 光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹,然后到散斑,再到全息干涉,出现了一个个 于涉场,物理量 (如位移、温度、压 力、速度、折射率等 ) 的测量不再需 要单独测量,而是整个物理量场 一起进 行测量。自从激 光出现以后,电子学领域的许多探测 方法 (如外差、相关、取样平均、光 子计一数等) 被 引人,使测量灵敏度和测量精度 得到大大提高。由于光纤能控制光束的传播路径,光纤技 术的出现使光调制方法增 多,接收更为方便,同时它能进人物体内部,扩大了测量范围,提高了测量精度,甚激光检测技术的发展. 郭隐彪作者简介 : 郭隐彪 ( 1 962一 ),厦门大学机电系教授、博士生导师,日本东北 大学中 日联 合培养工学博士,日本东北大学博士后,多年从事精密、超精密加工 制造及测量技术的教学和研究工作,多次参 与微纳米加工 项 目的国际合作研 究,现为日本东北大学和 日本理 光光学公 司客座研究员,现承担 863 课题“大型轴对称非球面的加工技术”等国家、省部级重大科研项目多项。已在国内外重要学术刊物 与国 际会议上发表论文 8 0 余篇,获 中国发明专利 l 项,科研获奖 8 项。E 一m ia l: guoyb @ xrnu.e d u.e n至可以事先铺设在各种建筑物内部,作实时检测和 自动控制等。,光纤激光器具有非常高的电光转换效率,其光束质量无 与伦 比,在 光学检测领域发挥着重要作用`、在激光技术 发展过 程 中,利用 C CD 图像处理技术,可以提 高测量信噪 比,并扩大测量范围,「l前其正全面改造着传统的光学测量方法 ; 因其高的分辨率,可以 汽接用于物体外部尺寸、轮廓以及位移和有关物理量的测星。由 l几图像具有非常 高的信息量.特别是彩色 C C D,在遥感技术和光纤传感技术中也得到普遍应用 利用光与物质的相互作 J刊,如激光w 、 即、 v.o P t i e sj o u rn al.n e t—中困光学期刊网 . . 口. . . .V bL43,N众 100 以.2侧抢兴电弓字进展P. 奋 .致超声、激光热效应等新的探测方法,在无损检侧中也得到广泛应用。随粉科学技术的日新月异,新的检测方法还会不断出现。激光检侧技术属于非接触式测 t 技术,与接触式测量方法相比.具有限制更少、效率更高、不损伤测 t 表面、不易受被测对象表面状态影响等优点,因此高精度的激光检测技术越来越广泛地应用到精密、超精密加工中。超精密加工技术,其精度从微米级到亚徽米级、纳米级,在高技术领域和军用工业以及民用医疗工业中都有大 t 需求。就国防工业而言,如人造卫星用 的姿态轴承和遥测部件、飞机发动机转子叶片、导弹惯性仪表、激光陀螺仪的平面反射镜、红外制导的导弹反射镜等,其表面粗糙度均要求微纳米级,需要离精度激光检侧技术。而非球面作为超精密加工中的重点和难点,其加工和检测技术引起了各个国家的高度重视。目前,非球面的商精度检测技术及设备由日美和欧盟国家掌握,同时鉴于在信息处理、通信、生物、医疗、地面和空间技术、制造业,尤其是国防上的巨大应用前景,国外已对中国实行技术保密和技术封锁。如圈 1 原子力显徽锐检侧结果圈果一 直从 国外引进相关先进设备,一是受到许多限制,二是会永远落后于别人,不利于我国制造工业的发展。联系( 国家中长期科学和技术发展规划》,在激光检测技术学科方面,我认为,激光非球面检测技术应作为重点攻关方向之一。2 激光非球面检测技术长期以来,非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高,尤其对于高精度非球面的检测。常规的非球面检测方法如刀口 阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等,对于检测工件表 面来说都有一定的局限性。图 1 为原子力显微镜 ( AF M )检测结果图。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上,当针尖很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位里。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像,就能间接获得样品表面的形貌图。AF M 突破了扫描隧道显微镜( s T M ) 只能够用于扫描不容易氧化的良导体样品的限制,可以扫描导体和绝缘体。AF M 具有多种扫描模式:接触扫描模式是原子力显微镜的基本工作模式 ; 轻敲扫描模式 (T 拜p p ign Mo d e )特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。图 2 为干 涉仪检测 法 原 理图。在光学系统中聚焦的激光束照射到试样表面,人射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉,使光束发生频移,由干涉仪检测器检测出频移,从而测量试样振动位移,从检测出的超声波可判断试样内部缺圈 2 干涉仪检测法原理圈. . . . . 遨. 中 . 先学期刊用w 、 即、 v.o p it c sJ 0 u r n al.ne t关注国家中长期发展规划V ol.43,N O.10C吮 t.Z IX陷淤一户~月e Sr.U占La留. . . . . . . . . . 甲 . 门目 . 目初 . 公 . . 侧脚眼 U侧斌胡欲瀚郎理到吸陌用钟叨组曰. . 曰娜 . . 曰曰曰 . 旧抽自口口口阿胆此旧 C圈 3 偏心光束对焦实验原理圈陷和微结构。3 主要发展方向3.1 偏心光束对焦系统近年来,非接触式测量技术在表面测量领域得到比较广泛的应用,其中自动对焦测量 已从微米尺度进人纳米尺度,在非球面检测中大大提高了非球面的测量精度,因此具有重大的研究价值和广阔的发展前景。自动对焦是利用物体光反射的原理,将反射光照射在 光电探测器上,经过光电转换而带动电动对焦装置进行对焦的方式。偏心光束对焦精度取决于光源的质量、光电探测器对光源的敏感度及 电动对焦装置的合理设计等。图 3 为偏心光束对焦系统的设计及调试,主要包括三部分:l) 激光作为光 源 ; 2)一维位置敏感探测器作为光电探测器 ;3 ) 电动机驱动电路 的设计。根据偏心光束对焦系统设计方案进行对焦实验。固定光路系统与位置敏感探测 器的位置,调节移动工作台上下移动,位置敏感探测器光敏面上的激光光斑也随之变化,于是电动机随之转动。转动情况决定了偏心光束是否对焦。当电动机停转时,即工件内表面位于物镜平面,对焦成功。3.2 激光扫描显徽镜激光扫描显微镜是融合光、机、电以及计算机和图像处理等技术的高新技术产品,它广泛应用于检测领域,已经成 为这个领域强有力的研究工具。激光共焦显微镜是利用激光光束经照明针孔 形成点光源,对标本内焦平面的每一点扫描,标本上 的被 照射点在探测孔处成像,由探测孔后 的光电倍增管( P M丁 ) 接收,在计算机屏幕上迅速形成荧光图像。由于扫描过程是逐点进行 的,因此需要由电动机驱动玻片沿万` Y 平面运动。高分辨率图像的获得,不但要求有完善的光学与精密机械系统,而且还要求玻片移动平稳.防止抖动出现,否则会影响扫描效果,这就对运动控制系统提出了较高要求。采用基于数字信号处理技术的移动控制器很好地解决了共焦扫描显微镜的运动控制问题。激光共焦扫描显微镜系统由光学扫描单元、数据传输及图像处理、运动控制单元和主机组成。光学扫描单元负责对数据进行采集 ; 数据传输及图像处理单元接收扫描数据,并对数据进行视频处理后传输给主机和显示 器 ;运动控制单元驱动载物玻片沿预定轨迹运动,实现逐点扫描 ;主控制机实现对下位机的控制及数据的后处理。4 结语激光检测技术由于其 自身的优势,正在逐步深人信息处理、通信、生物、医疗、制造业等各个领域,形成大规模产业。尤其是随着超精密加工、强激光、光电技术和半导体工业的发展,出现 了超光滑或有超精细结构的表面,高精度的激光检测技术已应用于对该领域的微观形貌的非接触测量。目前,利用激光检测关键技术 (激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术 )实现的激光干涉仪、激光位移传感器等,可以完成纳米级非接触测量。可以说,超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展 而 发展。w 、 v、 v.叩 t i e sj o u r n al.n et—中 . 先学期刊用

激光检测技术的发展

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/141868/%e6%bf%80%e5%85%89%e6%a3%80%e6%b5%8b%e6%8a%80%e6%9c%af%e7%9a%84%e5%8f%91%e5%b1%95.pdf?sequence=1&isAllowed=y

激光检测技术的发展

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository