光學(xué)在精密測量中的應(yīng)用

張?zhí)┤?/p>

（河南 洛陽 471000）

隨著科學(xué)研究的不斷進展，以及工業(yè)應(yīng)用中對產(chǎn)品精度的要求提高，精密測量技術(shù)越發(fā)顯得重要。在傳統(tǒng)的測量中普遍使用的接觸式測量，由于測量頭需要和物體接觸，會對待測物體造成損傷，具有先天的缺陷。而光測量由于其非接觸、反應(yīng)快、測量精準的特性，在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。光在表現(xiàn)為電磁波特性的時候，其不光具有振幅特征，也具有相位特征。傳統(tǒng)相機傳感器記錄的是光的振幅特征，即光的亮度，而忽略了光的另一種特性相位。1881年，美國物理學(xué)家邁克爾遜制造出了全世界第一臺干涉儀。作為具有悠久歷史的傳統(tǒng)測量方法，具有速度快、精度高特性的干涉儀依舊在工業(yè)精密測量上具有不可替代的地位。隨后，光的相位成像技術(shù)的應(yīng)用使得我們能夠更快速、更精確地利用相位進行測量。低成本的光譜共焦和激光三角法作為新興的高精密度的工業(yè)測量方案，在工業(yè)測量中扮演著重要的角色。在本文中，我們將會分別分析和總結(jié)對比上述的三種測量方法，并提出一些改進的意見。

托馬斯·楊的雙縫干涉實驗為光的波動形成學(xué)說提出有力的證據(jù)，正是因為光是一種波，才出現(xiàn)了明暗條紋。而邁克爾遜干涉儀就是應(yīng)用了光的干涉原理，完成了許多著名的實驗。如圖1所示，邁克爾遜干涉儀利用了一束光分為兩束，因為具有光程差，產(chǎn)生干涉原理，可以用來測量一些物體的平整度。

圖1 干涉儀原理示意圖

由光源射出一束光，經(jīng)分光板P1后分成一束反射光和一束透射光。透射光經(jīng)光補償板后到達M1。經(jīng)M1反射后，再次透過補償板，之后又經(jīng)P1反射，形成光束1；另一束反射光在M2反射后透過P1，形成光束2，和光束1平行。通過移動M的位置，使兩束光的光程不同，會產(chǎn)生光程差，兩束光干涉后，會使該點的亮度產(chǎn)生變化。在面上的所有這樣的點組成了一幅明暗相間的條紋圖片。假設(shè)M2與M2’（M2的初始位置）之間的空氣膜厚度為d。由電磁波的電場強度和亮度之間的關(guān)系可以得出，兩束波長相等、偏振方向相同的單色光，亮度分別為I1和I2，干涉之后的亮度為：

通過CCD上記錄的圖像各處亮度信息，我們可以推算出測量樣品的實際高度和M2初始位置高度的差值，從而得以重建樣品的表面形貌信息。同樣地，干涉儀還能夠測量單色光源波長信息、介質(zhì)折射率、和微小位移。

定量相位成像（QPI）是一種對透明對象進行觀測和相位成像的技術(shù)，在生命科學(xué)中很有價值，尤其是對活細胞的研究。細胞是生命活動的基本單位，細胞的大小、形狀和結(jié)構(gòu)決定了細胞的功能。細胞的深入研究，對醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展都有巨大的推動作用。因為我們只能用CCD來記錄振幅信息，傳統(tǒng)的細胞化學(xué)染色法是在忽略細胞的相位信息的情況下觀察細胞。由于大多數(shù)的細胞都是透明的，當光通過細胞時，振幅和波長的變化并不明顯。傳統(tǒng)的顯微鏡無法清楚地觀察細胞。細胞化學(xué)染色方法通常用于傳統(tǒng)的顯微鏡。這種方法是基于顏色親和力不同區(qū)分不同的部分。因此，細胞的不同部分會有不同的顏色。它很容易被傳統(tǒng)的顯微鏡檢測出來。但這些染料可以抑制活細胞的生物活性，并可能殺死細胞。

定量相位成像技術(shù)(QPI)是一種較先進的技術(shù)。QPI的基本思路是當光線通過細胞時檢測相位信息。由于細胞不同部位的厚度和折射率不同，光路的不同將引起相位偏移。例如，相差顯微鏡的采樣光束，通過樣品而被分離，相對背景光被偏移-90°。同時，參照物光束因為它沒有通過樣本而沒有相位偏移。但當參考光束通過相移環(huán)時有90°的相位偏移。因此，相對相位差就成了180°。通過樣本光束和參考光束之間的干擾，相位信息顯示為條紋圖案，被CCD記錄。計算機可以利用這些信息以非常高的準確性重建細胞結(jié)構(gòu)。細胞不同部分的折射率也可以被測量。CCD只能記錄強度信息。很明顯，相位信息在強度記錄期間丟失的。為了將相位信息轉(zhuǎn)換成可以被CCD記錄的強度，一個參考光束需要引入。結(jié)果強度將是:I=|(Ui+UR)2|=|(Ui)2|+|(UR)2|+2|(Ui)||(UR)|cos[(w)×(t-tR)-((k)-kR)r+φ(x,y)]。在這個表達式中，(w)是平均頻率，(k)為平均波長，tR為參考束時間延遲，kR為參考光束和樣本波束的波的傳播差異。φ(x,y)是我們需要的相位信息。激光三角法是一種非接觸式的測量方法，在現(xiàn)代工業(yè)中的長度和距離的測量有著重要的輔助作用。

表1 不同光學(xué)測量方法的對比

圖2 激光三角法（左）和光譜共焦設(shè)備（右）原理示意圖

如圖2（左），半導(dǎo)體激光照射在待測物體上，由漫反射形成的光束被受光鏡頭聚集后，再由光接收元件成像。當物體發(fā)生移動時，反射光束在光接收元件上的成像位點也會發(fā)生移動，根據(jù)成像位點的變化，可以計算出物體移動距離。由于受光鏡頭距離光接收元件遠小于到待測物體的距離，所以成像位點之間的移動不會很大，便于測量。同樣，在測量形狀變化的物體時也可以利用這種方法，精度在20微米左右。光譜共焦，同樣是一種非接觸式的測量方式，與激光三角法不同的是，它主要運用了光的色散，并且具有更高的分辨率。光源的發(fā)射和接收光路相同，不會出現(xiàn)激光三角法中光路容易被遮擋或因待測物表面太過于光滑而無法發(fā)生漫反射以致于接收不到信息的情況。光譜共焦以不同顏色光的不同特征為基礎(chǔ)，對待測物進行測量和分析。

如圖2（右），一束白光（混合光）經(jīng)光纖耦合器可視為點光源。這些光束經(jīng)過一個色散鏡頭進行聚焦，由于不同波長（顏色）光的折射率不同，因此波長不同的光聚焦位點也不相同，紅光的折射率最小，聚焦位點最低，其它顏色的光聚焦位點依次升高。這些光束掃過凹凸不平的待測物時，反射的光束顏色也不相同，反射的光束經(jīng)光纖耦合器進入光譜儀，從而得到反射光的波長。通過分析反射光的波長，我們可以得到實際反射點的距離信息。通過這些信息就可以對待測物的形狀、平整度進行分析。不同于傳統(tǒng)的方法，這種方式測量平整度更加精密，其精度可達1.8μm左右，對于現(xiàn)代工業(yè)中高精密的測量有很好的幫助。本文主要論述了四種精密光學(xué)儀器，對于它們，我們需要進行對比分析，比較差異性和同一性，并加以展望。對比表格如表1。

對于以上表格內(nèi)容，我們可以對它們進行具體分析。

（1）干涉儀與定量相位成像顯微鏡對比：由表格知，干涉儀與定量相位成像顯微鏡都是運用了干涉原理，甚至可以說前者是后者的基礎(chǔ)。定量相位成像顯微鏡的技術(shù)相對成熟，將生物學(xué)原理與干涉儀結(jié)合，在用途、精度以及對數(shù)據(jù)的處理方面更加先進。不過其本質(zhì)還是干涉儀，可以說干涉儀的發(fā)展推動了定量相位成像顯微鏡的發(fā)展，而定量相位成像顯微鏡的先進技術(shù)對干涉儀加以補充，相輔相成。

（2）激光三角法和光譜共焦對比：激光三角法和光譜共焦的原理相似，但光譜共焦對待測物的測量更加立體和清晰，并且克服激光三角法的部分弊端，所以被廣泛應(yīng)用。激光三角法的優(yōu)點在于它更加方便，它使用的儀器簡單，可以方便快速的被人們應(yīng)用于實際工作中。

（3）四種儀器對比：這四種儀器雖然在某些方面有所不同，但由于它們都是使用光電儀器用于精密測量，因此有共同的優(yōu)點和缺點。優(yōu)點是精度高，受技術(shù)和儀器限制，傳統(tǒng)的測量精度不高，對于一些高精度的物質(zhì)無法測量，而光的波長是nm級的，大大提高了精度，不足之處在于對外界的改變十分敏感，微小的振動就會產(chǎn)生較大的誤差，對于這個不足，我們可以用電磁阻尼的原理來減小誤差。不僅如此，這些儀器不能進行分子級的測量，因為分子普遍小于1nm，因此，在未來的發(fā)展中光學(xué)儀器還有待發(fā)展，并不斷進步。