基于二維正交光纖微焦準直的微尺度傳感方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術的迅速發(fā)展與微機械的廣泛應用,對具有復雜微結構產(chǎn)品的需求日益迫切。目前,探針傳感器與三坐標測量機相結合的測量手段成為進行復雜微結構尺度測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、三維測量能力、測量效率等方面存在問題,嚴重制約了復雜微結構加工工藝的進步及其相關領域的發(fā)展。
　　本論文針對上述問題,在現(xiàn)有微焦準直傳感的基礎上,提出了一種基于二維正交光路的微焦準直傳感方法,建立了微焦準直光

2、路模型,仿真并分析了微焦準直光路的傳感特性,最后進行了實驗驗證。論文的主要研究內容如下:
　　1.在分析現(xiàn)有基于微焦準直微深內腔尺度傳感性能缺陷的基礎上,提出基于二維正交微焦準直光路的傳感方法。該方法采用反射式物鏡獲得點光源,克服現(xiàn)有微焦準直傳感探針工作空間狹小、位移傳遞系數(shù)低、僅具有一維探測能力的缺陷;同時,針對二維正交光路,采用基于中垂線法的快速孔徑測量方法,提高孔徑測量效率。
　　2.建立基于光線理論的微焦準直光路模型

3、,分析微焦準直光路的離焦特性。利用菲涅爾衍射理論與德拜近似計算顯微物鏡與反射式物鏡所形成的點光源的光場分布函數(shù),分析點光源與環(huán)形點光源的區(qū)別。針對不同特性的點光源,利用光線追跡軟件FRED,從波動光學的角度,對兩種點光源所成的微焦準直光路進行仿真與分析。
　　3.利用FRED對點光源變化所引起的位移傳感特性改變進行仿真分析。獲得橫向與縱向離焦特性曲線;根據(jù)環(huán)形點光源微焦準直光路所成準直像的特點,提出準直像條紋提取法,對位移傳感特性

4、進行改善。經(jīng)過條紋提取后,利用直徑為125μm的光纖搭建的微焦準直傳感光路,理論分辨力可達0.8nm;在±3μm的范圍內,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,并解決微焦準直光路在二維傳感中的耦合問題。
　　4.制作了基于二維光纖微焦準直的傳感器,并進行了靜態(tài)穩(wěn)定性、位移分辨力與觸測重復性測試。實驗結果表明,在傳感器的光纖測桿直徑為125μm,CCD像面距離光纖測桿距離約