（测试计量技术及仪器专业论文）激光合成波长干涉技术的信号处理方法研究.pdf

学位论文作者签名： 涨埠 f 日期：助，o 年，月i2 ，日 i l 指导教师签名： 日期：7 lld 年 家 工 印 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 着微电子、超精密加工等高新技术的迅速发展，对纳米位移测量技术及仪 量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求。本论文依托于“激光合成波 干涉仪的研制”国家自然科学基金项目( n o 5 0 8 2 7 5 0 1 ) ，设计并研制了基于 器件( c p l d ) 的激光合成波长干涉纳米位移测量信号处理系统，实现了大小 数计数正确结合的纳米位移测量。 论文在描述了基于合成波长条纹细分原理的基础上，就激光合成波长纳米位移测量干 涉仪的信号处理方法的关键技术进行了详细研究，并针对干涉信号在测量过程中发生振荡 或抖动及停止位置处出现计数错误的问题，提出了双边沿触发计数的硬件大数计数和软件 修正相结合的新方法，完成了该信号处理系统的硬件设计和软件设计，研制并调试成功。 硬件设计主要包括基于c p l d 的大小数结合计数的各模块、信号预处理电路、电源电路、 时钟电路、j t a g 调试电路和串口通讯电路；软件设计是采用v i s u a lb a s i c 语言编写的上位 机程序。 本论文分别进行了以下实验：( 1 ) 小数计数位移测量实验：分别以5 r i m 、1 0 r i m 和2 0 n m 为步长进行了测量实验，在2 0 0 r i m 测量范围内，测量结果的线性相关系数分别为0 9 9 9 1 、 0 9 9 9 8 和0 9 9 9 8 ，标准偏差分别为1 8 5 r i m 、2 5 4i 吼和2 2 0 r i m ；( 2 ) 大数计数位移测量实 验：在1 5 1 上m 测量范围内，偏差最大为0 3 0 3 1 x m ，小于半个波长；( 3 ) 大小数计数相结合位 移测量实验：分别以0 5 i t m 和1 p m 为步长进行了测量实验，在1 5 l _ t m 测量范围内，标准偏 差分别为5 7 5 n m 和8 5 1 r i m 。上述实验结果表明，该信号处理系统能够满足大范围和高精 度测量的要求，具有较高的可靠性和实用性。 关键词：激光干涉；合成波长；c p l d ；纳米位移测量；信号处理。 1 1 1 r a p i d l yd e v e l o p i n g , n a n o d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa n di n s t r u m e n t sf o rl a r g e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tw i t hn a n o m e t e ra c c u r a c ya r ed e m a n d e d t h i st h e s i si ss u p p o r t e db y t h e d e v e l o p m e n t o fal a s e r s y n t h e t i c - w a v e l e n g t hn a n o d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t i n t e r f e r o m e t e r ( n s f c ，n o 5 0 8 2 7 5 01 ) as i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo ft h ei n t e r f e r o m e t e rb a s e d o n ac o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f f r i n g es u b d i v i s i o nb yu s i n gas y n t h e t i cw a v e l e n g t h ，t h em e t h o do f i n t e r f e r o m e t r i cs i g n a lp r o c e s s i n go ft h ei n t e r f e r o m e t e ri sr e s e a r c h e d an o v e ln a n o m e a s u r e m e n t m e t h o di sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t et h ec o u n t i n ge r r o r sw h i c h u s u a l l yo c c u ra tt h eo s c i l l a t i o no ra t t h ee n d i n gp o s i t i o no fi n t e r f e r o m e t r i cf r i n g ed u r i n gm e a s u r m e n t ah a r d w a r es y s t e mf o rt h e s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di sd e s i g n e di nd e t a i la n dr e a l i z e d ，i n c l u d i n gc p l dp r o c e s s i n gm o d u l e s ， as i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t ，ap o w e r c i r c u i t ，ac l o c kc i r c u i t ，aj t a gd e b u gc i r c u i ta n das e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t a n dt h es o f t w a r es y s t e mf o rt h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di sa n a l y z e d a n dd e s i g n e d ，w h i c hi sp r o g r a m m e d b yu s i n gv i s u a lb a s i cl a n g u a g e i nt h i sr e s e a r c hw o r k ，e x p e r i m e n t sa r ed o n ea sb e l o w ： ( 1 ) f r a c t i o n a lf r i n g ec o u n t i n ge x p e r i m e n t ：d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t sw i t h5 n m ， 10 n ma n d2 0 n md e p l a c e m e n ti n c r e m e n t sw e r ec a r d e do u t ，r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h el i n e a rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s0 9 9 91 ，0 9 9 9 8a n d0 9 9 9 8w i t ht h es t a n d a r d d e v i a t i o n so f1 8 5 n m ，2 5 4 n ma n d2 2 0 n mo v e ra r a n g eo f2 0 0n m ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) i n t e g r a lf r i n g ec o u n t i n ge x p e r i m e n t ：i nt h em e a s u r i n gr a n g eo f15 i _ t m ，t h em a x i m u m d e v i a t i o ni s0 3 0 3 肛ml e s st h a nh a l fa w a v e l e n g t h ( 3 ) c o m b i n a t i o no fi n t e g r a la n df r a c t i o n a lf r i n g e sc o u n t i n ge x p e r i m e n t ：d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t sw i t h0 5 岬a n dl 岬d e p l a c e m e n ti n c r e m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，r e s p e c t i v e l y i n t h em e a s u r i n gr a n g eo f15 i - t m ，t h es t a n d a r dd e v i a t i o ni s5 7 5 n ma n d8 5 1n m ，r e s p e c t i v e l y t h e i v p r o e e s s m g v 学硕士学位论文 1 1 第二章 录 i i i 。 1 1 3 1 2 1 常用的光学细分方法3 1 2 2 常用的电子细分方法。5 3 论文研究意义6 4 论文的组织结构及研究思路7 测量原理及系统结构 2 1 本章概述8 2 2 基于合成波长条纹细分原理的纳米测量方法8 2 2 1 合成波长8 2 2 2 合成波长干涉条纹细分原理8 2 2 3 合成波长干涉纳米位移测量方法l o 2 3 信号处理系统“ 2 3 1 系统结构及工作原理1 1 2 3 2 主要元件的选择1 2 2 第三章 3 3 3 3 第四章 4 4 4 4 4 4 本章小结1 5 干涉信号处理方法研究。 l 本章概述1 6 2 干涉信号处理方法设计16 3 2 1 总体方案1 6 3 2 2 干涉信号大数计数1 7 3 2 3 干涉信号小数计数2 1 3 2 4 干涉信号的大小数结合2 7 3 硬件电路的设计3 0 3 3 1c p l d 器件的选择。3 0 3 3 2 预处理电路设计3 l 3 3 3 电源电路设计3 3 3 3 4 时钟电路设计3 4 3 3 5j t a g 调试电路设计。3 4 3 3 6 串口通讯电路设计3 5 3 3 7 整体电路原理图3 6 4 上位机软件设计3 6 5 本章小结。3 7 实验与误差分析。3 8 l 本章概述3 8 2 小数计数位移测量实验一3 8 3 大数计数位移测量实验4 4 4 大小数计数结合位移测量实验4 6 5 误差分析5 2 4 5 1 激光器的频率稳定性引起的误差5 2 v l l 浙江理工大学硕士学位论文 第一章综述 s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 的基本涵义是在纳米级尺度( 0 1 子运动规律和特性，是一门基础研究与应用探索紧密结合的 理学、纳米电子学、纳米机械学、纳米材料科学、纳米显微 学、纳米测量学和纳米制造技术等。纳米科技是2 1 世纪科技产业革命的重要内容之一，是 可以与产业革命相比拟的，它是高度交叉的综合性学科。它不仅包含以观测、分析和研究 为主线的基础学科，还包括以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术 是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系【l - 3 】。 纳米测量学是纳米科学技术的重要学科之一，其内涵涉及纳米尺度的评价、成份、微 细结构和物性的纳米尺度的测量，是在纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新 现象、发展新方法、创造新技术的基础。纳米测量不仅是2 1 世纪纳米科技的关注焦点，更 是测试计量领域研究的重中之重。现在纳米级精度的测量已经成为科学发展和工业发展迫 切需要解决的问题。其中，举凡精密机械、微机电系统、电子c i 产业等，都需要高分辨率、 高精度位移传感器，以达到纳米甚至亚纳米精密定位。 纳米位移测量是纳米测量学的最重要分支，它是长度、表面形貌、振动、应变、折射 率等物理量测量的基础，从目前美国、德国、日本、韩国等发达国家的科技项目立项情况 来看，世界各国都把大范围高精度的纳米位移测量技术作为本国的一项战略研究计划。可 以说，谁解决了大范围、高精度的纳米位移测量这个技术难题，谁就掌握了这些高新技术 进一步发展的主动权。鉴于纳米位移测量技术的重要性，世界各国都在加强对纳米位移测 量技术及仪器的研究，力争在世界纳米技术领域处于领先地位。 国外，特别是美、日、欧等发达国家均投入相当大的人力和物力予以重点支持。例如： 美国a g i l e n t 公司生产的5 5 2 9 a 型激光外差干涉仪( 需要说明的是，测量分辨率在0 5 r i m 以 下的该类仪器是美国集成电路生产设备的核心检测仪器，一直对我国禁售) ，美国国家标 准与技术研究院( n i s t ) 研制的分子测量机1 4 , 5 1 、外差式迈克尔逊干涉仪1 6 1 、用于原子力显微 镜z 轴位移测量及外差干涉仪非线性测量的法布里一珀罗干涉测量系统【刀。日本的y o s h i d a 纳米机械计划研制的单频干涉仪 s l ，激光外差干涉仪 9 1 ，用于大范围平面形貌测量的亚纳 米级双剪切外差干涉仪u0 1 ，用于晶体晶格间距测量的扫描隧道显微镜和激光干涉仪相结合 l 浙江理工大学硕士学位论文 的直接测量仪器【1 1 】。英国r e n i s h a w 公司的g o l dm l l 0 型单频干涉仪，英国国家物理实验室 ( n p l ) 研制的具有亚纳米级测量能力的激光干涉仪【1 2 1 ，w a r w i c k 大学研制的测量范围l o 微 米的x 射线干涉仪【”】。德国联邦物理技术研究院( p t b ) 为集成电路芯片特征尺寸测量而开发 的纳米比较仪【1 4 1 、计量型扫描探针显微镜【1 5 】、以及带激光干涉仪位移测量的扫描电子显微 镜【1 6 】。意大利计量研究院( i m g c ) 、德国p t b 和英 n p l 等联合研制的用于高精度纳米位 移测量的激光和x 射线组合干涉仪( c o x i ) ，应用于传感器的校准0 7 1 。英国n p l 和德国p t b 将扫描隧道显微镜和x 射线干涉仪相结合，用于光栅结构的测型埽】；把c o x i 和原子力显微 镜( a f m ) 相结合，以克服扫描探针显微镜( s p m ) 非线性、不可溯源性及测量范围小的缺点 【1 9 1 。韩国科学与标准研究院( k r i s s ) 利用混频方法实现的激光外差干涉仪1 2 0 和非线性动态 补偿零差激光干涉仪【2 1 1 。 我国各高等院校、科研院所近几年来也相继开展了纳米位移测量技术的研究，取得了 显著成绩。例如：清华大学的x 射线干涉法【2 2 1 、激光频率分裂法【2 3 】、外差干涉共焦法【2 4 1 ， 浙江理工大学与清华大学的合成波长法【2 5 1 ，中国计量科学研究院的计量型原子力显微镜 【2 6 1 、拍频f p 干涉法【2 7 1 ，天津大学的双f p 光纤干涉澍2 8 1 、耦合差动干涉法【2 9 1 、电容测微仪 【3 0 1 ，浙江大学和中国计量学院的双f p 干涉过零检测法【3 ，中国科学院化学所、北京电子 显微镜实验室、浙江大学、天津大学等研制的原子力显微镜【3 2 弓5 1 等等，这些研究都获得了 纳米或亚纳米级的测量精度。 表1 1 各种纳米测量方法的比较 概括国内外的纳米测量方法，可以分为两类：一类是非光学方法：包括扫描探针显微 术、电子显微术、电容电感测微法；另类是光学方法：包括各种激光干涉仪、x 射线干 2 1 2 1 常用的光学细分方法 图1 1 光学倍程法示意图 的关注。激光干涉仪测量精 ，激光干涉仪都毫无例外对 精度 3 6 , 3 7 】。 条纹细分方法，主要分为两 学元件特性的设计来实现； ( 1 ) 光学倍程法【3 8 】 一般的干涉仪是通过测量反射镜位移引起测 量光程二倍于位移的变化，实现二细分。光学倍 程法即利用这种思路设计测量光路，使光线进行 2 n 次往返即可实现2 n 次干涉条纹的细分，一种 典型的光路结构如图1 1 所示，图中实现的是4 细分。这种方法是从光学角度来实现条纹的细分， 因此结构简单，但是易受光强损失和偏振态变化的影响，对光学元件表面的膜层质量和元 件的加工精度有很高的要求。一般细分系数在1 6 以内。 ( 2 ) 分步调相法f 3 9 】 分步调相可以对干涉条纹小数( 即相位差中不 足2 万的尾数) 进行读取。典型的光路如图1 2 所 示，干涉仪由偏振分光镜p b s 、固定在压电晶体 p z t 上的参考反射镜r 、测量反射镜m 和检偏器p 组成。 图1 2 分布调相光学系统 设干涉仪的原始信号表示为： 厶= l + ，c o s a o 1 ( 1 ) 3 论文 三次，每步相移后光强为： 1 - ( 2 ) 1 - ( 3 ) 测平面取代测量反射镜m ，实现对平 面形状的测量，可应用c c d 阵列器件对光场扫描接收，做出表面的三维形状图形。这种 细分方法要求调制结构的位移直线性和位移准确性较高，但是能够实现的细分系数可以达 到1 0 0 0 ，大大高于光学倍程法的系数。 ( 3 ) 磁光偏振光干涉仪 4 0 1 偏振干涉仪中条纹细分原理见图1 3 。通过对线偏振光的偏振面进行调制，检测线偏振 光经正交放置的偏振器件后偏振面的变化。其调制信号为u + u c o s ( e o t ) ，其中u 是一个很 大的直流量，根据法拉第磁光效应它可以使光的偏振态发生旋转，是产生一缈的相移； u c o s ( t o t ) 是调制项，利用相敏检波电路和二倍频判据可以判断干涉信号的极大值点。再由 u 与一缈的关系就可以计算出与被测位移相对应的角度缈。 图1 3 磁光干涉仪典型光路图 4 浙江理工大学硕士学位论文 这种细分方法实现的细分系数较大，测量系统的位移测量分辨率可达到亚纳米级，其 缺点是测量范围小，所使用的磁光调制器体积较大，调制器的发热会影响测量精度；另外 对电子电路的要求较高。 1 2 2 常用的电子细分方法 ( 1 ) 电阻链移相细分4 l 】 电阻链移相细分是应用很广的电子细分技术，主要实现对正余弦模拟信号的细分。其 原理是将两个相位不同的交变信号施加在电阻链的两端，由于电压合成的移相作用，在电 阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号，再用鉴零器对它鉴 零、整形，便可在干涉条纹一个周期内得到若干个脉冲信号而达到细分目的。这种细分方 法可以实现几十到几百的细分。 ( 2 ) 锁相倍频细分方法【4 2 掣】 锁相倍频细分方法常用于对精密定位等要求实时采样的测量速度比较快的场合，其特 点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。图1 4 为锁相倍频 电路的框图，由鉴相器，低通滤波器和压控振荡器三部分组成。压控振荡器输出信号频率五 经n 分频以后的信号f o 作为反馈信号，和输入信号石一起送入鉴相器进行鉴相，输出 同两信号的相位差成控制电压，经过低通滤波器滤除高频噪声和干扰后，从压控振荡器输 出，经过跟踪使得f o n = z 即z = 氓，完成了倍频。这种方法存在的问题是系统对锁相 环的最大频率和动态跟踪范围要求较高。 图1 4 锁相倍频细分电路框图 ( 3 ) 数字鉴相条纹细分法【4 5 】 数字鉴相法最常用的实现方式是基于填脉冲原理的相位测量，即采用一定的数字逻辑 器件将参考信号和测量信号的相位差和周期取出，分别向其中填入高频计数脉冲n 和n 。 小数相位缈可以表示为缈= n l n ，目前这种方法的条纹细分系数可达1 0 0 0 以上。 浙江理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 程序细分方法【4 8 】 程序细分方法，也称软件细分方法、a d 变换细分、c c d 变换细分。这种细分方法是 利用计算机具有的运算和逻辑功能来完成对干涉条纹信号的细分。例如干涉信号( s i n 和 c o s 信号) 分别经各自的a d 转换器，转换成数字量，再经接口电路进入计算机；或者干 涉条纹图像经c c d 摄像后被送入计算机。计算机通过判别干涉信号的极性和绝对值大小， 实现对干涉条纹信号的细分。该细分方法受测量通道的一致性影响较大，系统直流漂移和 信号幅度变化对测量结果有较大的影响。细分系数一般为几十到1 0 0 0 。 综上所述，各种常用的干涉条纹细分方法得到的细分结果如下：光学倍程法细分系数 在1 6 以内，且多次反射造成界面多光损失大，偏振态产生不必要的变化，影响测量精度； 分布调相法细分系数达到1 0 0 0 ，主要用于准静态干涉条纹测量、三维形貌测量；磁光偏振 光干涉仪可达亚纳米级分辨率，但是其测量范围小( 几十纳米) ，且磁光调制器体积及冷 却装置体积庞大。软件细分和电阻链细分法细分系数可达几十到1 0 0 ，通常应用于直流干 涉仪，需要多个探测量；锁相倍频细分达到亚纳米级的测量分辨率，适用于快速测量，受 到锁相环频率跟踪范围限制，影响了相位速度；数字鉴相条纹细分法细分系数达1 0 0 0 以 上，在零相位处测量误差较大，需要精心设计。 1 3 论文研究意义 近年来，随着微电子、超精密加工等高新技术的迅速发展，对纳米位移测量技术及仪 器提出了既要测量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求，这突出表现在以下几个方 面：( 1 ) 微电子技术领域：超大规模集成电路芯片线宽不断缩小而硅晶片尺寸不断扩大；( 2 ) 超精密n - r 技术领域：超精密加工的定位精度不断提高而运动范围不断增加；( 3 ) 光存储 技术领域：光存储信息点特征尺寸不断减小而存储容量不断增大；( 4 ) 精密测试计量技术 领域：各种扫描探针显微镜、三坐标测量机、激光干涉仪、光栅尺和其他位移传感器等也 离不开大范围高精度的纳米位移测量仪器的校准或标定。由此可看出，以上这些技术领域 的基础科学前沿研究，都涉及到了毫米量程大范围内纳米级精度的超精密位移测试计量问 题，大范围高精度的纳米位移测量技术及仪器已是制约这些高新技术进一步发展和技术提 升的一个瓶颈，已成为精密测量科学当前需要重点解决的关键科学技术问题4 9 巧1 1 。 本课题组前期研究了基于合成波长条纹细分的原理，实现了对干涉条纹极大细分( 细 分系数达l 4 4 0 0 0 0 ) ，采用粗精定位相结合干涉信号同相位测量方法，实现了不同频率干涉 信号同相位的测量，主要实现了小范围纳米位移的测量，以及采用软件计数方法实现了大 6 浙江理工大学硕士学位论文 小数结合计数【5 2 , 5 3 】。软件计数虽然有一定的智能性，但是对干涉信号频率上限有限制，并 且实时性方面有欠缺，限制了测量速度的提高。 本论文依托于“激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制 国家自然科学基金项目 饼o 5 0 8 2 7 5 0 1 ) ，在基于合成波长干涉条纹细分原理的基础上，就激光合成波长纳米位移测 量干涉仪的信号特点进行详细研究，提出了双边沿触发计数的硬件大数计数和软件修正相 结合的新方法，解决了干涉信号在测量过程中发生振荡或抖动以及出现计数误差的问题， 实现了干涉条纹信号的大数和小数的正确结合，设计了基于复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的激光合成波长干涉纳米位移测量信号处理系统，实现了同时兼顾大范围和高精度的纳米 位移测量。 论文的意义不仅是实现基于以合成波长进行光学干涉条纹极大细分的信号处理方法， 而且要解决干涉信号大小数计数的正确结合问题，从而研制出一套实现大范围高精度纳米 位移测量的信号处理系统，为激光干涉纳米测量方法提供技术支持。 1 4 论文的组织结构及研究思路 论文共分为五章，各章完成的内容如下： 第一章综述 论述纳米位移测量在纳米科学中的重要地位；介绍国内外纳米测量研究现状和干涉条 纹细分处理方法，总结本课题组前期研究工作引出本论文的研究意义。 第二章测量原理及系统结构 介绍基于合成波长干涉条纹细分原理的纳米位移测量方法，设计信号处理系统结构， 描述其工作原理和系统采用的主要元器件。 第三章干涉信号处理方法研究 分析激光合成波长纳米位移测量干涉仪的干涉信号特点，根据实际测量时存在的问题 和难点，设计干涉信号处理方案。并对所设计的信号处理方案及其实现进行详细解析，包 括硬件电路的实现和软件系统的实现。 第四章实验与误差分析 分别进行大数计数、小数计数、大小数计数结合的位移测量实验，给出激光合成波长 纳米位移测量干涉仪的实验结果；并分析各种误差对系统的影响。 第五章总结与展望 总结与课题有关的工作，展望激光合成波长纳米位移测量信号处理方法的发展。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 本章概述 第二章测量原理及系统结构 本章介绍了基于合成波长干涉条纹细分的原理的纳米位移测量方法，设计了信号处理 系统结构，描述了其工作原理和系统采用的主要元器件。 2 2 基于合成波长条纹细分原理的纳米测量方法 2 2 1 合成波长 多波长激光干涉测量技术是一种高精度绝对距离干涉测量方法，其基本思想是利用若 干单波长形成长度逐渐增加的合成波长链，并通过逐渐求解被测长度使之逼近真值。1 9 7 7 年c r t i f o r d 首先系统地提出了合成波长( s y t h e t i e o r e f f i c i t i v e w a v e - l e n g t h ) 的概念和一套完 整的用多个波长尾数确定被测长度的分析方法。其中两个基本思想( 1 ) 合成波长链的形成方 法和( 2 ) 逐级精化测量结果的方法，为后续的绝对距离测量提供了理论依据【5 4 1 。设两个光波 波长分别为五和五，则它们产生的合成波长为乃= 五五l 五一乞i ，合成波长是一个大于其单 波长若干个数量级的值。合成波长在绝对位移测量的应用中所起的作用是以一个相对小的 尺子( 指合成波长) 去实现对一个相对大的绝对位移的测量。 2 2 2 合成波长干涉条纹细分原理 激光合成波长干涉条纹细分的基本原理【5 2 ，5 3 】如图2 1 所示，由激光器输出的两个正交 偏振光五、五射向分光棱镜b s ，其中波长为为 的光束经分光镜b s 分成两路，分别射 向偏振分光镜p b s 和参考镜m l 后被反射回形成干涉，再经偏振分光镜p b s l 全反射，由探 测器d l 检测其干涉条纹信号；波长为五的光束经分光镜b s 分成两路，一路透过偏振分光 镜p b s 射向测量镜m 2 后返回，另一路射向参考镜m l 后返回形成干涉，其干涉信号透过 偏振分光镜p b s l ，再经b s l 分成相位相差9 0 。的两路信号，由探测器d 2 检测波长为如的 s i n 干涉条纹信号，由探测器d 3 检测波长为五的c o s 干涉条纹信号。这样，系统中实际存 在两个共光路的干涉仪：一是由m l 、b s 和p b s 组成的对 的一个干涉仪，称为参考干涉 仪；二是由m i 、b s 和m 2 组成的对五的一个干涉仪，称为测量干涉仪。 r 浙江理工大学硕士学位论文 图2 1 激光合成波长干涉条纹细分原理图 下面分别对波长五、五的干涉情况进行分析。由图2 1 可以看出，波长 只在参考干 涉仪中进行干涉，由探测器d l 接收其干涉信号，其干涉信号的相位差为： 一万筹 2 ( 1 ) 式中，- - z , 阿一厶一是在参考干涉仪中的光程差，厶阿、厶一分别是波长丑在参考干 涉仪中的参考光路光程和测量光路光程。 波长乃在测量干涉仪中进行干涉，由探测器d 2 接收其干涉信号，其干涉信 号的相位差为： 一万c 等+ 争 2 均 式中，是与波长a 光程相等的部分，厶是p b s 和m 2 之间的光程。 设伊= 仍一仍，则有： 妒2 万c 等一争 2 郫， 9 浙江理工大学硕士学位论文 式中，乃2 尚是合成波长。 当测量镜m 2 有微小的位移，引入的光程变化为，( 纳米量级) 时，则两路干涉信号 的相位差变为： 伊_ 2 刀( 竿一譬马 2 ( 4 ) 以吒 为使缈回到驴，可以将图2 1 中的参考镜m l 移动缸来进行相位补偿，即使得 一l t + a l ，则矿j 缈。由公式2 一( 3 ) 、2 ( 4 ) 可得到： ，：拿缸 2 ( 5 ) 以 一 相位补偿时参考镜m i 的移动方向分为两种情况：( 1 ) 当a 屯时，若测量镜m 2 靠近 p b s 运动越，则需使参考镜m 1 远离b s 运动a l ；若测量镜m 2 远离p b s 运动j ，则需将 参考镜m 1 靠近b s 运动址。( 2 ) 当4 9 0 外形尺寸 反射透射= 5 0 5 0 a ：5 丁= ( 霉+ 乙) 2 ，r = ( r s + 彤) 2 出射光束偏转：o o 士3 ( d ，9 0 。+ 57 限) 偏振分光器由两个直角棱镜胶合而成，在其中一块棱镜的胶合面上交替地镀上高折射 率介质硫化锌膜层和低折射率介质氟化镁膜层。激光入射棱镜后，以布儒斯特角进入介质 层，经过多层介质膜反射和折射后，得到垂直振动的反射偏振光( a 分量) 和水平振动的 透射偏振光( b 分量) 。如图2 4 所示。在合成波长干涉仪中用了两块，分别是p b s 和p b s l 。 图2 4 中，r k 3 ：棱镜玻璃折射率；r l l ，n 2 ：两种膜层的折射率；a ：反射偏振光分量； 图2 4 偏振分光器 b ：透射光分量。其他参数如下： 材料：k 9 玻璃 通光孔径： 9 0 外形尺寸 入射光入射角：0 0 4 - 2 0 出射光束偏转：0 0 士3 ( t ) ，9 0 0 + 5 ( r ) 消光比：t p 3 0 0 ：1 ( 3 ) 反射器的选择 常见的反射器主要有平面反射镜、“猫眼 反射器和角锥棱镜。平面反射镜虽然对横向 移动不敏感，但是，在测量过程中平面反射镜的镜面出现偏转角时，干涉条纹的宽度 和方向都发生相应的变化，所以，在高精度的干涉仪系统中一般很少采用。“猫眼”反射 器虽然容易加工且不影响偏振光的传输，但是它的缺点是使反射光与入射光重合。而角锥 棱镜不仅对偏转不大敏感，而且入射光与出射光有横向位移，避免了激光回收。所以在激 光合成波长纳米位移测量干涉仪里就采用角锥棱镜作为测量镜和参考镜。 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 太 一 一 么 角锥棱镜反射器如图2 5 所示，它是一个四面体棱镜，3 面直角反射镜互相垂直，第4 个面是折射面，也称为基面，它 与3 个反射面的夹角相等，光线从这个面入射和出射。 角锥棱镜具有这样的特性：当光束从基面进去后依次由 三个反射面反射，然后仍从基面射出，出射光束与入射光束平 行但方向相反；不管入射光线沿与基面的法线成何种 图2 5 角锥棱镜角度入射，只要光线在三个直角面上依次反射并从基面射出， 那么在沿着入射光线的方向向角锥棱镜看去的试图中，入射点和出射点相对于角锥棱镜的 顶点呈中心对称；不管光线从基面的哪个部位正入射，也不管它在角锥棱镜内部如何反 射，光线在棱镜内部的光程是恒定的，等于两倍的角锥棱镜高度。由于具有上述特点，使 用角锥棱镜可消除导轨直线性误差引起棱镜偏转所带来的误差，这样可以降低对导轨的要 求。另外由于入射光与出射光有横向位移可避免激光回授，也使调整比较方便。 ( 4 ) 直线位移工作台的选择 直线位移工作台的作用是放置参考镜，提供参考镜的补偿位移，基本要求是有效移动 范围大于丑2 = 1 4 0 r a m ，位移的x - y z 直线性误差和旋转误差都要求比较小。系统采用的 是德国p i 公司生产的m 5 x l 系列直线位移工作台。它的性能见表2 1 【5 5 】。 表2 1p im 5 3 1 d d 导轨性能指标 导轨长度位移分辨率重复定位精度最大速度电机功率质量 ( m m )( m )( p m )( m m s )( w )( k g ) 3 0 60 10 15 03 07 2 ( 5 ) 纳米位移工作台的选择 纳米工作台的目的是放置测量镜，在测量位移中提供纳米量级的位移分辨率。作为精 密的测量平台，理想的纳米工作台应该满足如下要求： l 、应具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复定位精度，同时还应满足 工作行程的要求。 2 、应具有极高的几何精度，即滚转、俯仰和偏转误差要小，同时应具有较高的精度 稳定性。 3 、应具有较高的固有频率，最好采用直接驱动的方式，无传动环节，从而确保良好 的动态特性和抗干扰能力。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 4 、微动系统要便于控制，响应速度要快。 根据以上要求选用的是德国p i 公司生产的p i 7 5 2 高精度p z t 平台，它的主要性能见 表2 2 1 5 6 。 表2 2 纳米工作平台主要指标 开环状态下位 闭环状态闭环状 移范围下位移范分辨率 态下线刚度 电容质量 ( o v - l o o v ) 围性度 2 0 1 a r e a = 2 0 1 5 p m 如1 n m 9 9 9 7 3 0 n i t m + 2 0 2 7 1 a f + 2 0 2 5 0 9 - a = 5 2 4 本章小结 本章介绍了合成波长理论、合成波长干涉条纹细分原理及激光合成波长干涉纳米位移 测量的理论和方法，这种方法的条纹细分系数可以达到1 4 4 0 0 0 0 ，是激光合成波长纳米位 移测量干涉仪实现大范围和高精度位移测量的理论基础。设计了信号处理系统结构，描述 7 - t = p _ 广伽皤懈土n 石馈研i - i = 1m 工荫= 明，止 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 3 1 本章概述 第三章干涉信号处理方法研究 一个高质量的光学干涉仪的构建只是完成了位移向干涉信号的转化，要获得最终的测 量结果，还须有高质量的信号处理系统，由此可见，信号处理系统是激光合成波长纳米位 移测量干涉仪的重要组成部分。本章分析了激光合成波长纳米位移测量干涉仪的干涉信号 特点，根据实际测量时存在的问题和难点，设计干涉信号处理的总体方案，对本论文所设 计的信号处理方案及其实现进行了解析，包括硬件电路的实现和软件系统的实现。 3 2 干涉信号处理方法设计 3 2 1 总体方案 从2 3 1 系统结构上分析，信号处理存在以下难点： ( 1 ) 纳米干涉测量系统两个波长五、五的频率不同，且随着参考镜的移动，两路干涉信 号的相位不断变化，因此不能直接利用通常的相位测量方法。然而通过实际观察干涉条纹 信号可以发现，不论两路信号的频率如何不同，相位如何变化，在信号幅值为零处它们的 相位必定都为零，如果它们同时达到零相位，即说明两路信号达到同相位。小数计数重要 任务是对两个干涉信号的同相位位置的准确检测，这对信号处理系统实时性要求很高。 ( 2 ) 如何解决测量镜移动方向的判别、干涉信号在测量过程中发生振荡或抖动及停止位 置处出现计数错误的问题。 针对上述两大难点，本论文采用大小数相结合的干涉条纹计数方法实现大范围高精度 的纳米测量，干涉信号处理分为三个部分：干涉信号大数计数；干涉信号小数计数； 大小数计数的整合。信号处理系统核心器件采用复杂可编程逻辑器件c p l d 。c p l d 可以 将数字电路集成于一块电路芯片内，克服多块分离元器件之间的干扰、屏蔽外界对电路干 扰等对测量精度造成的影响，具有设计精确、开发速度快和可靠性高的优点，处理速度可 以达n n s 级，完全满足系统实时性要求。信号处理方案总体框图如图3 1 所示。 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 2 干涉信号大数计数 图3 1 信号处理方案总体框图 1 、大数计数原理 干涉信号的大数计数是对波长元干涉条纹的整周期数进行计数，由于测量镜在移动过 程中存在正反方向的运动，而正反方向的移动均使得干涉信号产生明、暗变化，因此干涉 信号大数计数的关键是对测量镜的位移方向进行判别以实现对干涉信号的可逆计数。 为了实现正反向的计数，需要产生相位相差为# 2 的两个光电信号，由图2 1 可知， 采用普通分光镜b s j 将五干涉信号分成两路，通过微调探测器d 2 和d 3 位置，即使得它们 相差万2 。 探测器d 2 检测到五的s i n 干涉信号，经预处理电路得到方波信号a ，探测器d 3 检测到 五的c o s 干涉信号，经预处理电路得到方波信号b ( 本章中d 2 和d 3 检测到信号经预处理 1 7 浙江理工大学硕士学位论文 一 后的信号都分别以信号a 、信号b 表示) 。一般的硬件大数计数的基本原理是：以信号a 的 上升沿作为计数触发信号，根据信号b 在信号a 上升沿时刻的电平状态，判断测量镜运动 方向，从而进行可逆计数。 这种单边沿触发计数在测量镜单方向运动时，可以正确计数，但当干涉信号在测量过 程中发生振荡或抖动时，这种计数将会出错。如图3 2 所示，当干涉信号发生振荡时，信 号b 一直为高电平，这样计数器将一直进行正向计数，造成了计数结果的错误。 ( a ) ( b ) 烈j 融、v 弼 、wv 7 图3 2 干涉条纹发生振荡时计数示意图 t t t 本文针对这种情况，设计了双边沿触发大数计数方法，即对信号的上升沿和下降沿都 进行计数。具体实现方法如图3 3 所示。 1 2 3 图3 3 双边沿计数原理图 图中1 表示信号a ，2 表示测量镜正向移动时信号b 波形，3 表示测量镜反向移动信号 1 8 浙江理工大学硕士学位论文 b 波形。以a 的上升沿和下降沿分别作为计数触发信号。( 1 ) a 上升沿时刻( 图中a 时刻) ： b 信号为高电平时( 如图中2 波形) ，则计数值t l 加1 ；b 信号为低电平( 如图中3 波形) 时，则计数值t 2 加l 。( 2 ) a 下降沿时刻( 如图中p 时刻) ：b 信号为低电平( 如图中2 波形) ， 则计数值t 3 加1 ；b 信号为高电平( 如图中3 波形) ，则计数值t 4 加1 。大数计数值1 1 即可 根据上面四个计数值获得：t l + t 2 - - t 3 + t 4 时，n = 寺l t l + t 3 - t 2 - t 4 1 1 ；t l + t 2 t 3 + t 4 时，n = m o d ( 吉l t l + t 3 - t 2 - t 4 1 ) 。采用这种方法，可以避免了图3 1 所示的振荡情况出现时发生的错 误计数的现象。 下面根据测量镜运动过程中有无振荡及干涉信号最终停止在正半周期还是负半周期， 大数计数值n 与t l 、t 2 、t 3 及t 4 的运算关系进行验证。由于正向运动和反向运动具有对称 性，这里仅以正向运动为例。 ( 1 ) 无振荡情况 如图3 4 所示，1 表示正弦信号停止在正半周状态，2 表示正弦信号停止在负半周状态。 处于状态1 时，由双边沿触发大数计数原理，t 1 值为4 ，t 2 值为0 ，t 3 值为3 ，t 4 值为o ， t l + t 2t 3 + t 4 ，n 值为3 。处于状态2 时，t 1 值为4 ，也值为0 ，t 3 值为4 ，t 4 值为0 ，t 1 + t 2 - - t 3 + t 4 ， n 值为3 。由图3 4 波形可知，计数结果正确。 a b ( 2 ) 有1 处振荡情况 a b 图3 4 无振荡干