基于光纤微焦准直的微内尺度传感机理研究

跨尺度测量问题是解决下一代技术的重要科学问题，此问题的解决将为精密工程、纳米工程等领域的发展产生划时代的意义。微内尺度的精密测量问题是跨尺度测量问题的关键，本项目将在光纤微焦准直的基础上研究微内尺度精密测量传感机理，探索光纤作为微米量级焦距透镜使用时对球面光束的准直规律，建立基于光纤微焦准直的微位移传感机理模型，以严格数学模型研究光纤微焦准直机理问题；研究基于光纤微焦准直的微内尺度传感机理和规律，揭示光纤微焦准直后光束能量中心及分布的特性规律，建立准直像能量中心及分布与光纤探杆的空间位置对应规律；研究点光源的获取方法，分析不同焦距及数值孔径的透镜聚焦时对光束束腰半径及发散角的影响规律，建立光束自身漂移对点光源形成的影响规律模型；研究高速动态成像光学系统和相应的图像处理方法，建立新的图像分析模型。本项目的研究将为跨尺度测量问题提供理论基础和技术储备，是解决微内尺度测量的一种原创性技术。

依据新一代装备技术发展对于解决宏观核心器件中超精密微内腔的精密测量问题的迫切需求，提出了基于微焦准直原理的深微内尺度几何参数的传感与测量方法。研究了基于光纤微焦准直的微尺度传感机理，探索了提高微内尺度测量分辨力的方法及工程实现方法，建立了光纤微焦准直像能量中心及分布特性与光纤微焦准直探针测量时在空间位置的对应关系，分析了光纤微焦准直探针进行测量过程中光纤作为“测杆”时发生变形而导致准直像的能量中心与分布特性之间的非线性变化，并将此非线性变化融入传感器的设计中，为传感器的工程实现提供依据。通过球面透镜组的方式为光纤微焦准直获取较为理想的点光源，并通过数据的动态处理与分析技术，提高了传感器的分辨力，其横向分辨力可达5nm。同时，实现了超精密气浮直线运动和定位技术、基于混合控制的大型超低频空气弹簧隔振技术等相关核心技术，并完成超精密多维阵列深微/深小几何参量测量仪。可实现最大深径比为20:1的微内孔径的测量，可用于解决解决宏观核心器件中超精密微内腔的精密测量问题。