一种光电方法测量微小位移分解

I一种光电方法测量微小位移摘要高精度的测量广泛的应用于微电子、超精加工、生物工程、未来医学、航天技术、材料科学、纳米操作等高技术产业中，且成为这些领域的关键技术，也成为许多领域不断进步的制约性因素。干涉的方法测量长度是激光在几何量测量中最重要的应用。以迈克尔逊干涉仪为代表的光波干涉法一直是公认的精密测量长度和位移的有力手段。激光的出现与发展给干涉测量长度提供了极好的相干光源，光波干涉技术测量逐渐成为科研与生产中精密测量的重要手段。但是测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差，再加许多其它客观外部因素的存在，很难统计干涉条纹，从而造成很大的误差。为了提高测量的精确度，本文采用线阵CCD为条纹记录工具，通过后台电路，对干涉条纹的图像进行分析得到微小位移量。本文的主要研究内容有：第一、线阵CCD的结构及工作原理。第二、迈克尔逊干涉实验的分析研究，阐明利用激光干涉测量位移量的原理，设计出简单实用的干涉测量光路。第三、用设计的实验装置进行实际测量，并对其测量数据进行数据处理和结果分析。最后，根据实验结果，比对和分析采用的实验方法的可行性和不足，并对后继工作提出一些需要改进和完善的地方。关键词：微小位移，激光，干涉条纹，干涉条纹间距，线阵CCDIIoneABSTRACTKEYWORDS:III目录前言..................................................................................................1第一章线阵CCD的数据采集系统分析..........................................3§1.1CCD的分类......................................3§1.2CCD的工作原理..................................4§1.2.1光电转换..........................................................................4§1.2.2电荷的存储......................................................................5§1.2.3电荷的转移......................................................................6§1.2.4电荷的检测......................................................................7§1.3CCD的工作原理..................................8第二章激光干涉的原理介绍及测量分析......................................10§2.1激光及激光干涉................................10§2.2国内外关于高精度测量技术状况..................11§2.2.1国外现状分析................................................................11§2.2.2国内的研究现状............................................................12§2.3CCD的工作原理.................................13§2.4用激光干涉测量位移不足分析....................15第三章利用干涉和线阵CCD设计微位移测量............................17§3.1实验测量......................................17§3.2实验测量结果..................................18第四章误差及影响条件分析.........................................................20§4.1系统误差......................................20§4.2余弦误差......................................20§4.3死区误差......................................20§4.4波长修正误差..................................21§4.5热膨胀误差....................................21结论................................................................................................22IV参考文献..........................................................................................23致谢................................................................................................25附录..................................................................................................261前言计量科学技术的水平集中体现了一个国家科学技术发展的水平。计量科技水平越高，工业产品的质量就越好；计量测试精度越高，产品的性能越高，竞争力就越强。长度量是最基本的几何量，长度量的计量有着极为重要的意义。随着人们认识的提高和科学技术的不断发展，高精度的测量在微电子、超精加工、航天技术、材料科学等高技术产业中有着广泛的应用。成为许多领域的关键性技术，同时也已成为许多领域不断发展进步的制约性因素。无论是生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工等，这些都需要精确地测量定位。在20世纪70年代提出了精密、超精密加工。而这一概念的提出，就迅速在美国、日本和英国等国家得到了重视和发展。各国都投入了大量的人力物力研制超精密测量仪器。当前美国的水平最高，不仅应用于中小型超精密仪器的加工，而且广泛的应用于国防和尖端技术的当中。干涉法测量长度是激光在几何量测量中最重要的应用．以迈克尔逊干涉仪为代表的光波干涉法作为精密测量长度和位移的有力手段，一直是公认的精度最高的检测手段。近代激光及激光技术的出现与发展给干涉测量长度提供了极好的相干光源，光波干涉技术测量逐渐成为科研与生产中精密测量的重要手段。传统的迈克尔逊测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差对测量的精度有很大的影响。CCD(ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件)于1969年由贝尔研究所的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，并于次年发表。由于CCD具有储存信号电荷后传输的功能，被广泛应用于内存，显示器，延迟单元等。在其后的几年里，CCD迅速发展成熟，并逐渐应用于图像传感器。经过几十年发展，CCD现今已经在摄像扫描等领域占据重要地位，而线阵CCD在静态图像摄取方面应用非常广泛的应用。CCD线阵传感器因其能在一次曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，在现代光谱测量技术中获得了越来越广泛的应用。本文以激光的干涉的原理，利用线阵CCD采集数据。提出了一种图像分2析法测量微小位移的方法，并对测量的位移的误差进行分析研究。3第一章线阵CCD的数据采集系统分析CCD(ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件)于1969年由贝尔研究所的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，并于1970年发表。由于CCD具有储存信号电荷后传输的功能，被广泛应用于内存，显示器，延迟单元等。在其后的几年里，CCD迅速发展成熟。关键应用的CCD图像传感器，利用称为桢转移(FrameTransfer)方式(FT-CCD)的简单构造，于1971年也由贝尔实验室发表。在电荷检测技术方面的FD(FloatingDiffusion，浮置扩散)电荷检测构造也于同年发表。此外还有目前广泛使用的CCD图像传感器构造的IT-CCD(InterlineTransfer，行间转移)方式的构造于1972年发表，而在信号处理的相关技术方面也开发出了抑制CCD图像传感器信号内噪声的相关双采样(CDS：CorrelatedDoubleSampling)电路(1974年)等技术。经过几十年发展，CCD现今已经在摄像扫描等领域占据重要地位，而线阵CCD在静态图像摄取方面应用非常广泛。§1.1CCD的分类CCD的分类方法有许多，最主要的有：1、依成像色彩分为：彩色摄像机、黑白摄像机。2、依分辨率灵敏度等可分为：（1）影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。（2）影像像素在38万以上的高分辨率型。3、按CCD靶面大小可分为：CCD芯片已经开发出多种尺寸，但目前采用的芯片大多数为“1/3和1/4”。4、按扫描制式分为：PAL制、NTSC制。45、依供电电源分为：110VAC、220VAC、24VAC、12VDC、9VDC。6、按同步方式分为：内同步、外同步、功率同步、外VD同步。7、按照度划分为：普通型、月光型、星光型、红外型。§1.2CCD的工作原理CCD的工作可以分为四个方面来完成：(1)光电转换；(2)电荷的存储；(3)电荷的转移；(4)电荷的检测。其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管中进行的，电荷转移是在CCD移位寄存器中进行的，电荷检测是在FD放大器中进行的。§1.2.1光电转换光电转换就是将光信号转换成信号电荷。物理上的光电转换分为外部光电效应和内部光电效应。外部光电效应就是在固体表面的电子，接受光子的能量被释放到真空的想象。而内部光电效应是半导体Si单晶中的电子接受光子能量从价带激发到导带的现象。CCD中光电转换属于光电二极管内Si衬底中的内部光电效应。用于CCD图像传感器的Si单晶材料，在室温下价带Ev与导带Ec的电势差约为1.1eV。此电势被称为禁带(Eg)，如图1-1，只有能量大于此一能级的光子才能进行光电转换。光子能量E可由式1.1表示：chhE（1.1）通过计算，可知能量大于1.1eV禁带的光，波长大约在1100nm以下。所以在Si单晶内可以进行光电转换的光波长最大约为1100nm，称为基础端。5图1-1电子能跃迁图§1.2.2电荷的存储电荷存储就是搜集光电转换所得的信号电荷，直到输出前的存储动作。基本思想是在光电二极管中制造出高于周围电势的高电势阱来存储电荷。以MOS构造、两端子电容器为例，其结构如图1-2所示。以P型Si为例，在P型Si衬底上通过氧化在表面形成2SiO层，然后在2SiO上淀积一层金属为栅极，P型Si里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过2SiO绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，形成高于周围电势的电势阱。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下不能移动的带负电的少数载流子在紧靠2SiO层形成负电荷层(耗尽层)，这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，达到存储电荷的目的。图1-2MOS电容器6§1.2.3电荷的转移可以说，电荷转移才是CCD的功能。所谓ChargeCoupledDevice(电荷耦合器件)，原来指具有电荷转移的功能元件，由于其主要应用在图像传感器方面，现在似乎成了图像传感的代名词。（a）（b）（c）（d）为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位