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高精度光学测量微位移技术综述

***

（****** 大学光电 ** 学院，重庆 400065）

摘要

微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传

统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、

体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光

三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、 X 射线干涉法和 F-P 干涉法几个

类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特

点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。

关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势

1 引言

随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不

断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法

的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技

术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，

较为常用。目前，三端电容传感器可测出 5×10－5μｍ的微位移，最大稳定性为

每天漂移几个皮米

[1]

。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微

镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）

等二十多个品种

[2]

。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量

[3]

、光

杠杆法

[1,4]

、光栅尺测量法

[5]

、光纤位移测量法

[5]

和激光干涉法等，测量分辨力在

几十皮米到几纳米之间。此外，利用 X 射线衍射效应进行位移测量的 X 射线干

涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，

可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差

[6]

。现将主要

的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表 1 所示。

纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领

域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭

新的时代。由表 1 可见，目前电容传感器和 SPM 的测量分辨力也很高，但它们

的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标

定和校准。根据 1983 年第 17 次度量大会对 “米”的新定义，激光干涉法对几何量

值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。

本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。

表 1 常用微位移测量技术

仪器种类分辨力 /nm 测量范围

电容传感器 0.05-2 10nm-300μｍ

电感传感器 5 10μｍ

SPM 0.05 1-10μｍ

激光三角测头 2.5 100-500μｍ

光纤位移传感器

2.5 30-100μｍ

双频激光干涉仪 0.1 >10m

光栅尺 0.1-10 70-200mm

X 射线干涉仪 0.005 200μｍ

F-P 干涉仪

0.001 5nm-300μｍ

2 光学微位移测量技术概述

2.1 激光三角法微位移测量技术

随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统

的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和

实时性，已经成为测量领域的热点。同时由于电子学和光学技术的飞速发展，光

电检测已经成为非接触测量的一种主要方法。激光三角法是光电检测技术的一种，

由于该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点

在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。

2.1.1 激光三角法微位移测量原理

在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射

最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也

发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对

像移的检测和计算得到。激光三角法的框图如图 1 所示。

其中，是投影光轴与成像物镜光轴的夹角，是光电探测器受光面与成像

物镜光轴的夹角，而 s 和 s’分别是物距和像距， d 是传感器上的成像点的偏移，

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