基于二維正交光纖微焦準(zhǔn)直的微尺度傳感方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)的迅速發(fā)展與微機(jī)械的廣泛應(yīng)用,對(duì)具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的需求日益迫切。目前,探針傳感器與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相結(jié)合的測(cè)量手段成為進(jìn)行復(fù)雜微結(jié)構(gòu)尺度測(cè)量的最有效手段之一。但是,現(xiàn)有探針傳感器在加工制作、深徑比、工作空間、三維測(cè)量能力、測(cè)量效率等方面存在問(wèn)題,嚴(yán)重制約了復(fù)雜微結(jié)構(gòu)加工工藝的進(jìn)步及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
　　本論文針對(duì)上述問(wèn)題,在現(xiàn)有微焦準(zhǔn)直傳感的基礎(chǔ)上,提出了一種基于二維正交光路的微焦準(zhǔn)直傳感方法,建立了微焦準(zhǔn)直光

2、路模型,仿真并分析了微焦準(zhǔn)直光路的傳感特性,最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.在分析現(xiàn)有基于微焦準(zhǔn)直微深內(nèi)腔尺度傳感性能缺陷的基礎(chǔ)上,提出基于二維正交微焦準(zhǔn)直光路的傳感方法。該方法采用反射式物鏡獲得點(diǎn)光源,克服現(xiàn)有微焦準(zhǔn)直傳感探針工作空間狹小、位移傳遞系數(shù)低、僅具有一維探測(cè)能力的缺陷;同時(shí),針對(duì)二維正交光路,采用基于中垂線法的快速孔徑測(cè)量方法,提高孔徑測(cè)量效率。
　　2.建立基于光線理論的微焦準(zhǔn)直光路模型

3、,分析微焦準(zhǔn)直光路的離焦特性。利用菲涅爾衍射理論與德拜近似計(jì)算顯微物鏡與反射式物鏡所形成的點(diǎn)光源的光場(chǎng)分布函數(shù),分析點(diǎn)光源與環(huán)形點(diǎn)光源的區(qū)別。針對(duì)不同特性的點(diǎn)光源,利用光線追跡軟件FRED,從波動(dòng)光學(xué)的角度,對(duì)兩種點(diǎn)光源所成的微焦準(zhǔn)直光路進(jìn)行仿真與分析。
　　3.利用FRED對(duì)點(diǎn)光源變化所引起的位移傳感特性改變進(jìn)行仿真分析。獲得橫向與縱向離焦特性曲線;根據(jù)環(huán)形點(diǎn)光源微焦準(zhǔn)直光路所成準(zhǔn)直像的特點(diǎn),提出準(zhǔn)直像條紋提取法,對(duì)位移傳感特性

4、進(jìn)行改善。經(jīng)過(guò)條紋提取后,利用直徑為125μm的光纖搭建的微焦準(zhǔn)直傳感光路,理論分辨力可達(dá)0.8nm;在±3μm的范圍內(nèi),因縱向離焦而引入的橫向離焦位移傳感的最大偏差約為±9nm。該方法可有效提升傳感器的橫向位移分辨力,并解決微焦準(zhǔn)直光路在二維傳感中的耦合問(wèn)題。
　　4.制作了基于二維光纖微焦準(zhǔn)直的傳感器,并進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定性、位移分辨力與觸測(cè)重復(fù)性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在傳感器的光纖測(cè)桿直徑為125μm,CCD像面距離光纖測(cè)桿距離約