摘 要:介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。
1 引 言
绝对距离干涉测量技术,是指不需要在两测量点之间架设测量导轨就可以测量两点之间距离的方法,也称之为无导轨测量。对于大尺寸长度测量,采用传统的干涉测量方法需要一个长度大于被测距离的导轨,这样作既不经济,加工检测也比较困难。因此,无需导轨的绝对距离测量是一种更适合于应用在大尺寸长度测量中的方法。绝对距离测量技术大致可分为两种:一种是以小数重合法为理论基础的多波长激光干涉测长,另一种是以雷达测距技术为基础的线性调频激光外差干涉测长。不同于上面两种方法,文中所介绍的这套干涉测量系统是基于光学倍乘和白光干涉的原理。测量之初先精密的测量一段短距离,我们称之为标准长度。被测的实际距离接近于这段标准长度的整数倍,因此只要测定出被测距离与倍乘后的标准长度之间的差值就能够计算出实际被测距离。这套干涉测量系统在光学设计、信号采集与处理方面都作了相应的考虑,对于这类系统的设计具有一定的参考意义。
2 系统原理
图1是系统的结构图。系统所依据的原理是白光干涉定位和光学倍乘的原理。在实际测量之前,要对标准具作在位标定,以确定标准长度。标准长度的确定需要参考镜在精密导轨上作一次全程扫描。标准具长度的确定是通过确定两次白光定位干涉点之间的距离来确定的。定位点的确定采用了白光干涉的原理,定位点之间的距离的测定采用了外差干涉仪的有导轨测距技术。当参考镜在导轨的右侧时,在探测器上接受到的干涉信号是通过标准具的零级透射光分光后经过参考和测量回路在探测器上迭加所形成的。当参考镜在导轨的左端时,形成干涉信号的是经过参考光路的标准具的零级透射和经过测量光路的标准具的一级透射光。标准具的零级透射光和一级透射光之间在光程上相差标准具长度的两倍。白光干涉定位被用来确定两次干涉的零光程差点,两次干涉的零光程差点之间的距离采用外差干涉仪测出,这样精密导轨的长度只需要长于标准具的长度就可以实现测量。实际测量时,要测出两次干涉定位之间的距离与标准具长度的整数倍之间的差值就能够确定实际被测距离。光路的调整要使光束的传播方向与导轨的运动方向的平行,否则参考镜的扫描移动就会使参考光束折返回到探测器上的位置发生改变,无法形成干涉信号。光学倍乘是依靠光束在标准具内多次反射实现的,因此要保证光束与标准具两端面的垂直,这样测量时才能够保证多级透射光在探测器上是重合的.
3 系统结构
3.1 光源的选择
对于通过采用参考光束在标准具内的多次反射来实现光学倍乘的干涉测量系统而言,光源的相干长度、光功率以及准直特性是必须要加以考虑的。当光源的相干长度超过标准具长度的二倍时,相邻的透射光之间就会产生干涉,探测器会同时接受到多组干涉信号,对测量产生干扰,严重时,测量信号会被完全淹没在相干噪声中,无法实现测量。作为倍乘干涉测量,参考光束在标准具内多次反射后,透射光的能量会急剧下降,难以检测出干涉信号。测量的距离较远时还要考虑光束的准直特性,较差的准直特性会降低光能的利用率,也就限制了可以测量的距离。白光源(比如卤素灯)、发光二极管(LED)以及超辐射发光二极管(SLD)的光谱宽度分别有几百nm、几十nm宽,从光谱宽度的角度来说都比较理想。传统的用于长度测量的白光干涉定位采用的是大功率的白光源,这种的光源的优点是零点捕捉范围很小,通常只有几个微米,定位的精度较高,可达几十纳米。但是白光源的发热较大,会对系统精度造成影响,而且难以准直。LED和SLD光源的光束出射角度一般在30—40°左右,准直效果不佳,而且模块化的LED和SLD产品的功率输出一般不超过1mW,无法满足系统对光源功率的要求。因此我们采用了经过准直的半导体激光器NDL3321DU作为光源,中心波长为λ=650nm,功率为5mW,谱线宽度约为1nm,相干长度在1m以内,可以实现长度为2m以内的测量。
3.2 Fabry-Perot标准具
Fabry-Perot标准具是倍乘测量的基准,由一个管状的间隔器在其严格平行的两端光胶上两块光学平板构成。间隔器选择熔融石英玻璃作间隔器的材料,用K9光学玻璃作两端光学平板的材料。标准具在设计中对间隔器两端面的平行差、平面度以及平板的平面度都作了相应的考虑。平板本身做成略微楔形,以避免外表面反射光的干扰,内表面选用了高反膜,外表面蒸镀了宽带增透膜。标准具长500mm,考虑到受自身重量的影响会产生弹性变形,根据力学计算,两个支撑点选择在距离端面为总长度的1/5处,这样可以使弯曲后的标准具依然能够保持两端面平行。
3.3 棱 镜
这套干涉系统所采用的棱镜根据需要也作了相应的考虑。当测量的距离是标准具的长度的N倍时,参考光束是F-P标准具的第2N次透射光,而测量光束是标准具的1次透射光。如果入射到标准具的光能归一化为1,标准具内两反射面的反射率分别为R1和R2,第N次的透射光光强为I = (1-R1)·(1-R2)·(R1·R2)n。这样测量光和参考光的比值比较低,也就降低了干涉信号的对比度。因此两个棱镜分别作了这样的设计。棱镜1为分光棱镜,分光膜分成AB和BC两段。其中AB段的透反比(T/R)为1∶2,而BC段的透反比为2∶1。这样,与把分光膜设计成统一的分光比相比较,参考光和测量光的比值就会提高了4倍,提高干涉信号的对比度。棱镜2的镀膜被分为3段:AB、BC和CD。其中AB和CD两段镀的是高反射铝膜,用于对半导体激光器发出的光束进行折光;BC段则镀的是632.8nm的增透膜,使He-Ne外差干涉仪的光能够到达参考镜。这样的设计使半导体激光动态干涉仪和激光外差干涉仪同轴,消除了阿贝误差。
4 信号处理方案。
采用干涉信号的极大值来确定零光程点需要信号具有较高的信噪比。白光干涉所得到的信号,一般收敛很快,只分布在零光程附近几个微米的范围内,对干涉信号的信噪比要求相对较低。半导体激光器的光谱较窄,信号幅值的收敛较慢,所需要的信噪比也就越高。因此,受有限的信噪比的影响,以半导体激光器为光源所产生的干涉信号直接采用信号的极大值法确定零光程点的精度是比较低的,所以有必要对数据作适当的处理,以提高定位精度。采用宽光谱光源的白光干涉,有下面几种数据处理的方法:频域算法[1]、重心法[2]、非线性法[3]、以及包络曲线拟合法[4]。频域算法要求信号的离散傅里叶变换的频率相位分布在功率谱极大值处是连续的,也就是要求算法能够对光源光谱作有效的分解,对半导体激光器这样的光源所生成的干涉信号,需要数据的采样长度很长,才能达到足够的分辨率。重心法要求干涉信号在待处理的数据段内收敛,同频域算法相似,也需要数据的采样长度很长,而计算精度较低,而非线性算法对窄带光谱光源的干涉信号基本上是无效的。从仿真分析的结果来看,这三种方法都不适用于以半导体激光器为光源所产生的干涉信号。对信号包络作曲线拟合是一种可行的方法。提取信号包络可以采用希尔伯特变换[5]和傅里叶变换滤波[4]的算法。我们采用了希尔伯特变换的算法来提取信号的包络,然后对包络作了非线性的最小二乘曲线拟合。从仿真的结果来看,在信号包含一定噪声的情况下,这种算法的精度优于直接以干涉信号极大值作为零光程点的方法。
为了使信号处理更具灵活性,系统采用了一种高速的数字化信号处理方案。如果将AD转换部分和外差信号处理部分分别制成PC总线的板卡,由PC机来控制,以Windows这样的非实时操作系统作为平台来实现这个过程,难以超过20kHz/s的采样速度,速度会较慢。在系统中,参考镜的位移由外差干涉仪测出,这就需要由处理器读出外差干涉仪的结果。精密导轨的行程要超过500mm,在用锁相环作电子细分之后,外差干涉仪的计数长度将超过20位,如果采用8位数据总线的单片机来处理,速度仍然很慢。因此我们采用了TI公司的55x系列的数字信号处理器(DSP)TMS320VC5509作为控制器,大大提高了处理的速度。A/D转换器采用了采样速度可达1MHz,精度为16位的AD7677,加之DSP本身可以直接使用廉价且大容量的SDRAM存储器,这样就解决了信号的高速采集和大容量存储。在采用并行的程序加载模式后,DSP的可以利用的SDRAM存储空间约为2M字长,AD转换的结果连续存储在这个空间,这样只需要记录下每个空间的起始位置所对应的由外差干涉仪所测出的参考镜的位置,而不必记录每个干涉信号所对应的位置值。相邻的两个单元所存储的干涉信号在空间上的距离也就是外差干涉仪细分后的一个测量单位。
系统所采用的外差干涉仪,其频差约为1·8MHz。为了达到更高的位置分辨率,采用了锁相环对测量信号和参考信号分别进行了10倍频,这样就得到了λ/20的测量精度。外差信号的处理常采用的有脉冲对消法和大数对减的方法。采用了大数对减的方案,将参考和测量信号分别整型成方波后,经过锁相倍频,送至计数器。FPGA实现了对两路方波信号计数、锁存、以及总线译码等功能。计数的结果在程序中相减,计算出参考镜的位置。
系统在实际测量前先要对标准具进行标定。在近端形成定位信号的是标准具的零级透射光经过棱镜1分光后所形成的参考和测量光束;在远端形成定位信号的是经过测量镜的一级透射光和经过参考镜的零级透射光。将这两端的定位信号分别采集下来之后,并找出零点的位置后,就能够计算出光束在标准具内所经过的光程。(图4为利用这套采集系统所采集到的干涉信号,纵坐标为定位干涉仪所生成的干涉信号经量化后的值,单位为AD7677的量化单位,约为0·08mV,横坐标为由外差干涉仪所测出的参考镜的位移值,横坐标的单位为λ/20。)图4纵轴为定位干涉仪的光电探测器接收到的干涉信号经过AD转换所得到的结果,单位为AD7677的量化单位,既0·076mV;横轴为外差干涉仪的分辨率为λ/20(λ=632·8nm),其单位为31·64nm。采用对干涉信号包络作最小二乘曲线拟合的算法,定位干涉信号的定位精度可以达到±0·5μm。
5 结 论
采用标准具的倍乘干涉测量法,是对绝对距离干涉测量技术当中的一种。文章对这套干涉系统的光学设计、信号采集与处理作了介绍。受半导体激光器自身的功率限制,系统只能在2m的长度范围内实现绝对测量,定位精度可以达到±0·5μm。采用功率更强、光谱线更宽的光源将会有效的扩展测量范围、达到更高的定位精度。
参考文献:
[1] de Groot D. Determination of fringe order in white-light interfer-ence microscopy[J]. Appl Opt, 2002,41:4571—4578.
[2] Chen S, Palmer, A W, et al. Digital signal-processing techniquesor electronically scanned optical-fiber white-light interferometry[J]. Appt Opt, 1992,31:6003—6010.
[3] Larkin K. Efficient nonlinear algorithm for envelope detection inwhitelight interferometry[J]. J Opt Soc Am A,1996,13(4):832—843.
[4] Chim S S C。Three-dimensional image realization in interference mi-croscopy[J]. Appl Opt, 1992,31:2550—2553.
[5] Kino G S. Mirau correlation microscope[J]. Appl Opt, 1990,29:3775—3783.
作者简介:杨天博(1974-),男,辽宁省人,清华大学博士研究生,从事光电检测技术研究。
E-mail:yangtianbo99@mails、tsinghua、edu、cn
