激光检测技术简介及其进展

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激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。    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、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、光子计数等) 被引入，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，同时它能进入物体内部，扩大了测量范围，提高了测量精度，甚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CCD 图像处理技术，可以提高测量信噪比，并扩大测量范围，目前其正全面改造着传统的光学测量方法；因其高的分辨率，可以直接用于物体外部尺寸、轮廓以及位移和有关物理量的测量。由于图像具有非常高的信息量，特别是彩色CCD，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用，如激光致超声、激光热效应等新的探测方法，在无损检测中也得到广泛应用。随着科学技术的日新月异， 新的检测方法还会不断出现。激光检测技术属于非接触式测量技术，与接触式测量方法相比，具有限制更少、效率更高、不损伤测量表面、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微米级、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量需求。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， 需要高精度激光检测技术。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，非球面的高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（AFM）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，偏离原来的位置。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。AFM 突破了扫描隧道显微镜(STM) 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。AFM 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(Tapping Mode) 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，入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入纳米尺度，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：1) 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 激光扫描显微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(PMT) 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X-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，正在逐步深入信息处理、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。一些示例激光测距    激光测距的基本原理是：将光速为C的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离d。    即： d＝c t / 2       式中?t—激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。     可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。 激光测长    从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。若被测对象超过78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在0.1μm以内。 激光检测是非接触式的，不直接碰触物体，不影响测量对象和现场，还可遥测，比较方便地对处在高温或者不宜接近的有害场所作检测。同时，与电子技术相结合，能实现自动化检测和在线检测。       (1)激光导向、准直    生产过程中经常碰到导向、准直的问题，比如矿井坑道的掘进过程中，就需要仪器给挖掘机导向，让它定向直线掘进。高层建筑安装电梯，大型发动机组安装转子，造大轮船时调整发动机主轴系统、定中心线等，都需要一条准轰线。激光有很好的方向性，亮度又高，用它做准直线和导向，操作简便、快捷，而且精度高。    (2)表面质量和形状检测    过去，在生产线上检验产品里面质量，很大一部分工作是由人工观察鉴别。这不仅劳动强度大，眼睛容易疲劳，而且工效低，漏检率也比较高。采用激光代替眼睛观察检查，检查速度快，漏检率低，并且还能够在生产线上对产品表面质量进行分类，检查的项目有：纸张、磁带、玻璃、纺织品、电子线路等元件的疵点、压痕、裂纹、气泡、针孔等。在生产线上可以检测0.1毫米的疵点，测量光洁度和精度达0.05微米。三种激光检测技术简介一.激光干涉 1.原理   高频的激光脉冲输入下，依靠入射激光和反射激光的相位差来测量工件的瞬间位移变化，瞬间位移变化量的叠加可以描述工件轮廓的状况。照射到工件表面光斑直径保持为200微米左右，足够大的参考光斑可以给干涉仪提供稳定的参考信号。 2.国内外研究 国内：四川大学激光应用技术研究所, 周肇飞教授领导的课题组 。 国外：美国的ZYGO ,WYKO 型的光干涉式轮廓仪, 英国NPL 的双焦物镜轮廓仪 。 3.干涉技术展望 用于在线检测的高分辨干涉测量设备由于要适应直接放在精密机床上工作的较严酷条件, 又要调整快捷, 在灵敏度方面作了一定牺牲。不过, Ra 优于0. 2nm 的分辨力对于超精密加工在线检测已完全满足要求并有一定储备。如果确有更高的要求, 该领域尚有进一步提高灵敏度的潜力, 基于同样原理的实验室用轮廓仪已经做到分辨力优于0. 02nm。 二、激光共焦1.原理 结合音叉与共焦原理而达到的一种非接触的激光测量技术。 (1)从光源发出的激光光束透过一组以音叉上下快速振动的物镜而聚焦在目标物表面。 (2)反射光束离开目标物表面回到传感器，并且被一个半反射导向而收敛在光接受元件上的针孔。 (3)当激光光束聚焦于物体表面时，有一组传感器决定音叉的正确位置，从而计算出目标物表面的距离。 2.技术优势 适用范围广，不受目标物表面颜色、光泽度和材料等情况的影响。 响应速度快，由音叉的振动频率决定其响应速度。 3.国内外相关研究 国内：西安交通大学机械工程学院激光红外应用技术研究所，赵宏教授领导的课题组。 国外：日本的KEYENCE激光共焦位移计。 三、激光三角法 1.原理 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。 2.技术优势   用CCD图像传感器作接收光和光电转化元件制成的位移传感器具有高精度、高响应频率、高抗干扰性以及测量距离较大等优点。 3.国内外研究 天津大学精密仪器及光电子工程学院， 张国雄教授领导的课题组； 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室， 宋开臣副教授 4.技术应用     半导体晶片厚度在线测量