角度测量中对显微光杠杆技术的应用

【摘要】角度测量是几何测量中的重要组成部分，它不仅在机械加工和机械制造等行业中有重要的意义和作用，也在低钠取个钱的角度测量中有广泛的应用。显微光杠杆技术就是其中使用的一种较为成熟的技术。光学测量技术是一种非接触式的高准确度和灵敏度的测量方法，随着其发展，受到了人们的关注和重视。为此本文针对角度测量中，显微光杠杆技术的应用进行分析研究。

【关键词】角度测量；显微光杠杆技术；四象限光电二极管

引言

测量技术是当前各个工作中需要测量时应用的一种技术，尤其是在机械加工等需要精度和准确度的行业中，测量技术的应用非常的广泛。角度测量是经常使用的一种测量，而在角度测量中，显微光杠杆技术的应用，可以提高角度测量的精确度和准确度[1]。随着科学技术的发展和进步，在角度测量中，各种先进的测量技术逐渐的得到应用，微型结构的测量技术也得到了提升，显微光杠杆技术在角度测量中的应用，提高角度测量的精确度和准确度。

1、显微光杠杆技术分析

随着经济的发展，显微技术得到广泛的应用，在显微技术发展的过程中，显微光杠杆技术产生，并在测量中得到广泛的应用。显微光杠杆技术在角度测量光路如下图。显微光杠杆技术的测量原理与光杠杆位移测量的原理类似，其通过对检测探测器上的光斑的位移变化，对被测量结构的偏转角进行测量。

显微光杠杆技术的光路测量，其采用的是无线共轭显微光路，以及光杠杆光路共路设计方式，在角度测量中，样品放在物镜焦点上，反射光通过物镜后转变为平行光，然后再通过分束器，进入到管镜汇聚于焦面处的CCD相机上形成图像。

在显微光杠杆技术进行角度测量中，光斑的位移就是被测样品偏转角度的变化，而光斑的位移，会受到各种因素的影响，例如测定环境的影响等。显微光杠杆测量系统中的物镜聚焦光斑的直径，影响着测量样品的微结构的尺寸，当被测微结构的初始状态为物镜轴线垂直方向的初始倾角时，可以通过激光器的平移，形成一定的偏心量平行于物镜主轴入射，进而保证聚焦的光束与被测样品结构的反射面呈现垂直，而此时物镜上的光斑是最小的[2]。

而为了保证显微光杠杆技术可以在角度等测量中广泛的应用，需要加强显微光杠杆测量光路中各个元器件的选择，有效的提高光路测量系统的性能，保证测量的准确度和精确度。例如光源的选择、光电探测器的选择等。在角度测量中，显微光杠杆光路系统的光源选择，需要从光源的稳定性、光谱的特性等方面进行充分的考虑，保证输出的光线具有较高的稳定性。在光电探测器的选择中，则需要从灵敏度、响应时间、探测的准确度等因素进行综合考虑，保证角度测量的准确度和精确度，常用的光电探测器有位置敏感器件、四象限探测器等。在显微光杠杆技术的应用中，形成的显微光杠杆光路测定系统，其它元件的选择，也需要从多个因素上进行综合考虑，保证显微光杠杆技术的性能。

综合进行分析，显微光杠杆技术，在角度测量中的应用，需要充分的结合，显微光杠杆光路系统的各项要求，将相关的因素消除，进而准确的进行显微光杠杆光路的测量。

2、显微光杠杆技术在角度测量中的应用

从以上的内容中我们知道，显微光杠杆技术在测量工作中的应用有诸多的要求和影响因素，随着显微光杠杆技术性能的提升，其在测量工作中的应用，会逐渐的加强。微量更好的对显微光杠杆技术的性能和应用进行分析，本文针对显微光杠杆技术在角度测量中的应用进行分析研究。

显微光杠杆光路系统的光源取激光二极管，其产生的激光波长为532nm，且呈现的光斑为的圆形光斑，在显微光杠杆管路测定中，因而四象限光电二极管的响应速度非常的快，可以连续的测量出目标位置的变化，因此受到光斑形状的影响，四象限光电二极管的输出信号与光斑的位移在一定程度上呈现的是非线性关系[3]。

四象限光电二极管，其输出的信号的处理，可以采用电压模式，或者是电流模式。其中电压模式的电路，其先将四象限光电二极管输出的电流信号转换为电压值，然后再进行数值的运算，电路模式的电路，则是直接的对四象限光电二极管输出的电流信号，进行运算处理，得到相应的电流值之后，将是转换成电压信号。显微光杠杆光路系统的信号处理电路的总原理图如下：

图中T1～T8形成的电流镜A、B、C、D完成对四路输入电流的复制，并用于后面的计算。在显微光杠杆光路系统中，四象限光电二极管的信号处理电路宽带，是该显微光杠杆光路系统测量速度的关键，所以在实际的测量中，为了满足测量需求，需要满足四象限光电二极管的电路宽带需求。针对显微光杠杆技术在实际的角度测量中的应用进行分析，首先需要对其各项灵敏度元器件的性能进行测量，例如对四象限光电二极管的灵敏度等。完成对各个元器件精确度、灵敏度等的测量之后，进行角度的测量。我们以微悬臂梁偏转角的测量为例进行研究。本次研究中的微悬臂梁长度为100μm，宽度为35μm，厚度为2μm，材质为硅（Si），其反光面镀金（Au）。对微悬臂梁进行针尖施加载荷使其产生位移时，整个悬臂梁发生了弯曲。在对其进行显微光杠杆光路测定时，首先对其微悬臂梁的视场位置进行调整，使得显微光杠杆光路的光斑在针尖附近，如图3。

显微光杠杆技术的角度测量为：

第一，将微悬臂梁固定的位移台上，驱动位移台，使得微悬臂梁靠近，直到光斑聚焦在微悬臂梁上为止。第二，对微悬臂梁的水平位置进行调整，使光斑位于图3中测试点处。第三，驱动另一台位移台，进行纳米定位，使得微悬臂梁与蓝宝石恰接触针尖时停止，并开始对数据进行储存和记录。第四，驱动纳米定位的位移台，以100nm为步距，200s为间隔，进行梯度测定，并计算相应的角度值。测定结果如下表：

从表1中的数据可以得出，显微光杠杆光路系统测定的角度值与角度参考值非常的接近，由此说明显微光杠杆技术在角度测量中，有较高的可靠性。

总结

随着信息技术、显微镜技术等的发展，在测量领域中，显微镜技术得到应用。显微光杠杆技术是当前备受关注的一种测量技术，其是一种非接触的高灵敏度的测量技术。在角度测量中，显微光杠杆技术通过很小的光斑，对角度进行测量，且电路带宽较大，测定的角度值与参考值非常的接近，由此说明显微光杠杆技术在角度测量中的应用，有较高的可靠性和测定准确度。通过本次显微光杠杆技术在角度测量中的应用研究，可以得出显微光杠杆技术有较高的灵敏度、准确度和可靠性，在今后的发展，可以进一步的进行性能的优化，将其测量的精度、准确度等提升。

参考文献

[1]刘璐.基于显微光杠杆技术的微梁结构偏转角测量系统[D].天津大学，2014.

[2]刘璐，李艳宁，吴森，胡晓东.基于显微光杠杆技术的微结构偏转角测量系统[J].光学技术，2014，（03）：219-224.

[3]杨涛.激光外差干涉大范围位移和角度同时测量系统的设计与实现[D].浙江理工大学，2015.

[4]唐建波.基于光束扫描的共焦显微三维测量技术研究[D].哈尔滨工业大学，2011.

作者简介

梁文斌，男，1969年9月，汉族，籍贯湖北仙桃，单位：宁波永新光学股份有限公司，大学本科，工程师，研究方向：显微镜结构设计.