（物理电子学专业论文）干涉仪测试系统的改进及测量范围扩展的研究.pdf

塑皇些! 叁兰塑! ：兰垡堕塞 一y 二_ 五2 5 6 4 0 业 摘要 本文紧紧围绕着干涉仪工程化这一主题，以改进中8 0 m m 移相 式泰曼干涉仪为例，扩大了干涉仪的测量范围，使干涉仪测量具有 较高的自动化功能，从而改进了干涉仪的测试系统。从加入变焦镜 头、光强自适应调节到变焦镜头的自动控制等三个方面着手进行了 深入的研究和设计。通过使用数字信号处理器( d s p ) 控制步进电 机带动渐变滤光片旋转来调节因变焦镜头的工作而引起的光强变 化，把d s p 引入到光学系统中，从而确保了干涉仪的测量精度，同 时又使得光强的调节具有实时性和自动化功能。设计了变焦镜头的 控制电路，操作起来非常方便，形成光电一体化的系统，使原来干 涉仪的科研样机形成产品。本文包括了变焦部分的光路的设计、光 强自适应调节、控制变焦镜头工作的电路设计、电路的抗干扰设计 以及系统的调试等。这种改进方法同样适用于其他口径的干涉仪。 关键词：移相式泰曼干涉仪，自适应调节，p i d 。 塑皇些二叁：| = 塑! 兰竺堡_ ：j ! ；! 燮 a b s t r a c t a l qe x a m p le0 fi m p r o v e m e n t o f ( p8 0 m mp h a s e s h i f t in gt w y m a r l jn te r f e r o m t er is g iv e n int h is p a p e r t h eg o a l ist 0e x p a n d th er a r l g e o fm e , i s u f e l i l e n ta n dm a k e th eir l te r f e i , - or i l e te rh a y e h ig h era u t o m a t i0 nf uf i c t i0 n s 0a s t 0i m p r 0 v et h etes t s y s t e m t h ep r o b le l nis0 r ig ir l a te df r o mt h r e ew a y s ，i t i c lu d in g ，a d d in g z o o m1e n s se l f a d a p t in g 1 ig h t p o w e r ，a u t o m a t ic a lc or l tr 0 1 sysle mo fz o o m1er ls t h ed ig i t a l s ig n a l p r o c e ss 0 r ( d s p ) i s us e dt0c o n tf 0 1s te pm o t o rt h a td r iv e sth eg r a d u a l 1yv a r i a b le f i1te rt0a d j u s tt h e 1ig h tin te n s i t y ir l d u c e d b y t h ec b a n g e 0 fz o o m1e ns d s pu s e dir l0 p t ic a ls ys te mer l s u r esth ep r e c i s i0 n o fm e a s u r e m er l ta n da tt h es a m et i m em a k e st h ea d j us t in g1 ig h t in te n s i t vh a v et h ec h a r a c te r is t ic0 ff e a lt i m e , a n da u t0 m a t i0 n f u n c t i0 n t h ec 0 n t f 0 1c ir cu i t0 fz 0 0 m1e f i sisd e s ig n e dw h i c h m a k eso8 0 m mp h a se s h i f t in g in te r f e r or f l e t e fc a nb e o p e r a te d v o r yc o n v e n i e n t l y i tb e c o m e sasys te mo fp h o t 0 一e le c tr ic i ty a n dm a k est h ef es e a r c hs a m p l e0 fin te r f e r o l n e te rb e c o m ea p r o d u c t t h i sp a p e rir l c lu d es ：t h ed e s ig no fb e a mp a t ho ft h e z 0 0 mur l i t ，s e l f a d a p t in gl ig h tin te n s i t y ， t h ed e s ig n0 ft h e c ir c u i tt oc or l tr 0 1t h ez o o m1e l q s ，t h ed e s ig no fa n t i j a l i l m ir l g 0 fc if c u it s y s te me t n dt h e s y s te m d e b u g g ir l g t h i ste c h n iq u e c a nb eu s e d in0 t h e f t y p e0 f in te r f e r 0 1 1 e te rw jt hd i f f e r e n t a d e f t ur e k e y w o r d s ：p h a s e s h i f t in gy w y m a r lin te r f e r o m e t e r ，s e l f a d a p t j i q ga d j us t ，p i d 绪论 1 论文背景 光干涉计量测试技术和光f 涉仪是公认的高精度计量测试方法和仪 器，它在光学测量中有着广泛的用途，可用来测量光学零件的面型( 平面、 球面、非球面) 、折射率均匀性、平行性误差、反射棱镜及屋脊棱镜的角度 误差及棱差、光学系统的波像差；在长度测量中用来提供长度的基准和比 较各种块规的长度，用于量值统一和传递等等。光学干涉仪输出的信息包 含在干涉条纹中，干涉条纹是干涉场中所有等光程差点的轨迹，在光学测 量中根据干涉条纹的形状、方向、疏密度、颜色以及条纹移动等现象，就 可获得与光程差有关的物理量。 随着电子技术的迅速发展，特别是大规模集成电路的飞速发展，使干 涉仪的测量技术日趋自动化、智能化。传统的干涉仪已发生了很大的变化。 目前国内的干涉仪在理论水平上和国外差距不大，但是由于在器件、 丁艺、加工等方面落后于国外，导致了国内的干涉仪在整体性能上的落后， 本课题就是拟采用新器件来改进传统的干涉仪，以缩短和国外的差距。 本课题所涉及到干涉仪的研制背景是，国内传统光学产业正在向光子 产业转变，大量国际定单的高精度光学元器件，需要与国际接轨的测试仪 器，因此是科研项目走向市场的大好时机。这转变导致干涉仪的普及及 操作者的变化一一由科研人员研究型应用转为一般人员的生产性测试，因 此在仪器的稳定性、可靠性、操作的便利性和整机的集成度等方面要求更 高。以此为背景，课题要求在传统的中8 0 m m 移相式泰曼干涉仪中增加了变 焦系统，同时增加电路控制系统，使仪器操作起来简单、方便。 另一方面是光通信中有源、无源的光器件测试量大。但这些器件体积 小、精度要求高，加工困难，检测更困难。如激光棒的一个主要指标一一 均匀性是否合格就需要干涉仪来检验，但是激光棒口径小，仅有几个毫米， 精度要求高，如果不加变倍系统，则成在c c d 靶而上的干涉图像面积仅为 干涉仪满口径下的1 左右，而移相法对干涉图像的采样和运算均需一定 的采样密度，太少的采样点数将使精度大大下降，而少于每个条纹4 个采 样点将无法复原波面。为了达到预定的精度，必须使干涉条纹成在c c d 靶 面上的面积足够大，最好充满整个视场的7 0 8 5 ( 本系统使用的c c d 的像素为7 9 j 5 9 6 ，面积6 m m 4 m m ) 。因此在浚仪器中加上焚焦系统以垲 加仪器的使用范围。由此带来的一系列问题则是本课题需要解决的。 本课题虽以中8 0 m m 移相式泰曼二 | 涉仪为例，但该技术也应用在其他系 列十涉仪，p 。如中3 0 r a m 、中1 5 0 m m 、中2 5 0 m m 等系列干涉仪，形成系列产品。 2 本论文做的工作 本论文的目标是围绕着改进巾8 0 m m 移相式泰曼干涉仪，在保持精度的 自口提f ，增加了干涉仪的测试功能，同时又使之操作起来简单方便。 本论文做了以下工作： 为干涉仪设计了变焦系统，并研讨由此引起的共轭、光强、渐晕 等问题和解决方法。 设计、制作了干涉仪的电控集成系统，包括光强自适应调节，调 焦、变焦、光圈、调整测试切换等电路。 对d s p 器件用于干涉仪光强控制进行了探索，设计。 第一章移相式泰曼十涉仪 第一章移相式泰曼干涉仪 移相式泰曼_ t 涉仪是本课题的工作对象，因此其原理、目前发展状 况、及技术发展趋向是我们必须了解和密切关注的。白移相干二涉术被提出 以来，随着光电技术、计算机技术和激光技术的迅速发展，各种新的研究 成果和应用层出不穷。作为一种实时、自动、高精度测量原理，移相干涉 术不仅在光学系统波差测量中有成功应用，也被应用到激光产生等离子体 研究的实验干涉图分析、全息图的自动分析、光通信等方面，它已成为计 算机辅助干涉测试技术中的最重要领域之一。 1 1 移相干涉仪 1 1 1概述 移相干涉术p s i ( p h a s es h i f t in gi n t e r f e r o m e t r y ) 是1 9 7 4 年b r u n in g 等人提出的，他把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉计量术中， 是计算机辅助干涉计量测试中一 个最重大的发展。它的原理是在 千涉仪中两相干光之日j 的相位差 引入等问隔阶梯式位移，当参考 光程( 或相位) 变化时，于涉条 纹的位置也作相应的移动( 图 1 1 ) 。在此过程中，用光电探测 器对干涉图进行多幅阵列网格的 采样，然后把光强数字化后存入 一一 帧存贮器，由计算机按照一定的 图i 1 移相干涉术中的条纹位移 数学模型根据光强的变化求得波 面的相位分布，同时也可以分辨出波面的凸凹性。多幅的采样可抑制噪声 影响，在低条纹对比度的情况下有比较好的结果，它的测量精度与整个光 瞳面上光强不均匀无关，可避免激光高斯分布的影响。 移相干涉术的移相器一般由压电陶瓷堆p z t ( p ie z o e le c t r i c l r a n s d u c e rd e v ic e ，由压电晶体材料制成) 作驱动，p z l 、是其中关键器件， 它被用来推动参考平面移动以改变相位。 ? 一 南京理1 人学f ! 1 1 2 学位论史 复原算法 第一章移相式泰曼十涉仪 在双光束一r 涉场中，干涉场光强分布函数可以写成： ，( x ，y ) = 订( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s p ( x ，y ) + 妒，j ( 1 1 ) 式中o ( x ，力为被测波面的相位分布函数；a ( x p 力为干涉场背景光强；6 ( x j 力 为 二涉条纹的调制度；( p 为参考波面的可变相位位移，i = 1 ，n 是步进计 数；( x ，力为出瞳面上的坐标。 由公式( 1 1 ) 可见，在光瞳面上任意一点( 以力的光强，随相位( p 呈 正弦变化，对于干涉场中某一点( n ) ，公式( 1 1 ) 可简写为： ，= a + b c o s o + ( p f j f19 ) ：d + b c o s c o s ( p 一b s i n o s i n g o ； 、1 对于移相干涉术中波面复原的算法，国际和国内的研究均比较多。不同的 算法适应不同的移相方式，对移相误差等的灵敏度也不一样。本课题用到 的四步移相法：起始相位( p 、= 0 ，采样间隔相位： o ( x ，j ，) = a r c t g ，；( x ，y ) ，。( x ，y ) ，( x ，y ) ，2 ( x ，y ) ( 1 3 ) 移相下涉术利用干涉图光强值进行相位计算，用一般电视摄像机( 如 c c d 摄像机) 就可以进行干涉图采集，且有较高的相位分辨率和空间分辨 率。由于这种方法复原相位是利用多幅干涉图，对随机噪声有很强的抑制 能力。由公式( 1 3 ) 可知，光强之差，3 ( x ，y ) 一，( 并，y ) 以及，。( x ，y ) 一，2 ( z ，y ) 的误差对相位o ( x ，y ) 的误差有影响，对于固定的点，由误差传递公式可知， 若= f ( i ，。) ，则有 中 j 酉o f ，2 。圳2 + ( 篆) 2 ( ，z ) 2 + ( 篆) 2 ( 鸲) 2 + ( 篆) 2 ( 她) 2 对巾分别进行求偏导，则有 2 ，) 2 】2 ( ，) 2 】2 ( 世2 ) 2 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 一姒_ 一地土 第一章移相，泰曼十涉仪 c 釉2 = 矿赫】2 ( 2 ( 川2 = 矿赫 2 ( 叫。) 2 ( 1 7 ) ( 1 8 ) i j 式( 1 5 ) 至式( 1 8 ) 可知，相位误差中和光强变化 ( ，。一，) 2 + ( i ，一i 。) 。成反比，和( ，4 一，：) 或( i ，一1 1 ) 成正比，即图像的光强 差越大，相位误差越小，当c c d 的工作状态进入到暗区( 光强不足) 时， 所采集的图像的光强差较小，因此所带来的相位误差也变大；当进入到饱 和区( 光强太强) ，则光强变化与相位关系失真，导致不能进行测量。 1 2 改进的8 0 m m 移相式泰曼干涉仪 传统的中8 0 m m 干涉仪是本校在6 0 年代丌发的产品，已经有四十多年 的生产历史，产品遍布全国各地，是国内最多的泰曼一格林干涉仪。该仪器 是通过目视干涉条纹的，其精度在很大程度上取决于操作人员的经验，主 观性很大，因而精度很难保证。9 0 年代丌始进行移相技术改造，以计算机 判读代替目视判读，是一个很大的进步，它不仅保证了精度和提高了稳定 性，而且也向仪器的智能化迈进了一大步。然而，由于被测物体大小各异， 因而产生的干涉面也大小不一，若干涉面太大或太小，导致c c d 靶面的采 样点不能采完整个图像或采样点不足，均会带来很大的误差。为此，我们 在此基础上加上变焦镜头，对干涉面进行放大或缩小，使干涉图像充满适 当的靶面。引入变焦镜头后，又带来另一个问题，就是当变焦镜头对干涉 面进行放大时，干涉面光强减小，这时也引起成在c c d 靶面：的像的光强 减小，即干涉条纹产生的电信号也减小，当光强减小到最低照度时，便不 能根据所成像正确分辨景物信息“”1 。 为了解决这个问题，我们在成像镜和c c d 之间放一个半透半反的分光 镜，其中，一路进c c d ，另一路经一个成像透镜会聚，该成像透镜大小要 选取合适，和干涉条纹缩小到最小时一样大。然后在成像透镜焦点上放置 一个光电探测器，连接一光电转换和放大电路，使电压值和光强成正比。 当变焦镜头把干涉条纹放大到超过变焦镜头大小时，这时只有部分干涉条 纹进入成像透镜，经过透镜会聚后使光电转换后的电压变小。反之电门i 变 大。把光电转换后的模拟电压输入到a d 转换器，经a d 转换后再送入数 南京理t 人学坝i 学付论文第一审移相- 泰曼十涉仪 65 图1 2改进的中8 0 m m 移相式泰曼干涉仪的光路示意图 字信号处理器中进行处理，输出的结果反馈给步进电机，步进电机带动渐 变滤光片( 参见附录c ) 旋转，形成一个闭环控制。渐变滤光片放置在激 光器和反射镜之f b j ，凶此，滤光片转过一剧时，透过的光强是逐渐变化的。 堕里些土叁兰竺! ：兰竺堡兰垫：至壁塑盛壅呈鲨坚 把滤光片放在这个位置而1 i 放在扩束后的干涉场中是考虑到此时激光光束 很小，透过滤光片后仍可看作是均匀的。改进的中8 0 m m 移相式泰曼干涉仪 的光路图如图1 2 所示。 图中，激光器发出激光经渐变滤光片进行调整光强，然后经反射镜1 和2 反射，改变光路方向，毛玻璃用t ：消除激光散斑。由扩束镜扩束后形 成发散的球面波，经准直物镜l 变成孔径为8 0 m m 的平行光，通过半透半反 镜，由参考反射镜的反射面和测试反射镜的反射面反射，形成两相干光束 返叫。再通过准直物镜2 会聚，经过反射镜3 改变光路方向，由分光镜4 反射进入调整或测试光路。后面分成两路光路，一路为调整光路，由分划 板和c m o s 组成，分划板放在c m o s 焦平面的位置上。分划板上可以看到参 考表面和测试表面的两个光点，调整时只要把这两个点调到重合即可。测 试光路由成像镜5 ，毛玻璃6 ，变焦镜头，成像镜，c c d 组成。经分光镜4 反射后的光，通过成像镜5 把像成在毛玻璃6 上，再通过变焦镜头对干涉 图像进行放大或缩小，从变焦镜头出来的平行光经过成像镜把像成在c c d 的靶面卜，然后输入到监视器罩。在测试光路中，我们通过分光镜8 分出 一路光作为采样光，然后经过成像镜7 使干涉光会聚在光电探测器上。这 样就完成了对干涉图像的采样。 整个闭环控制的原理框图如图2 1 所示。本人在整个仪器的改进过程 中所做的工作有：参与了变焦系统的设计和调校，独立完成了整个闭环控 制系统，包括系统设计和调试。具体内容在第二至第四章详细叙述。 1 2 1 成像系统的光照度 通过使用变焦镜头后，可以把干涉条纹放大到合适的大小，然而，如 果不采取其他的措施的话，得到的放大的干涉条纹中间和边缘的照度发生 了变化。其中的原因是轴上像点和轴外像点经过成像光学系统后的光照度 f i 一样。 1 轴上像点的光照度 图1 3 表示了一个成像光学系统。d a 和d a 分别代表轴上点附近的 物和像的微小面积，物方孔径角为u ，像方孔径角为u ，物面和像面的光 亮度分别为l 和l7 。若物被看作是余弦辐射体，则微面积d a 向孔径角为u 的成像光学系统发出的光通量 塑塞些! 叁兰塑! 兰垡堡兰 中：碰洲s i n2 u 从出瞳入射到像面d a 微面积上的光通量为 第一章移相式泰曼十涉仪 巾：碰d as i n 2u 光n ! 光学系统中传播时，存在能量损失， ( 19 ) ( 1 1 0 ) 若光学系统的光透过比为t ，则 图1 3 成像光学系统 ( 1 ) = 仰， 因此 ：z z r l d as i n 2 u 轴e 像点的光照度为 e ：竺：现一d a s i n2 u 洲洲 一 幽l 义2 - d a 所以 e 。= 古砒s i n 2 u 当系统满足磁斛吼= 器 故e 1 ：婪斑s i n2 u ( 11 2 ) ( 1t 3 ) 式( 1 _ 1 2 ) 和( 1 13 ) 就是像面轴上点照度表达式。式( 卜l2 ) 表明，轴 上像点的照度与孔径角币弦的平方成正比，和线性放大率的平方成反比。 2 轴外像点的照度 塑皇些三叁兰塑! ：兰篁堡兰 笙：主堡塑丛查兰鲨垡 图1 4 表示了轴外点成像的情况。轴外像点m 的主光线和光轴问有一 ：面 图1 4光学系统的轴外成像 央角脚。，此角就是轴外点m 的像方视场角。它的存在时轴外点的像方孔 径角u 0 比轴上点的像方孔径角u 小。在物面亮度均匀的情况下，轴外像 点的照度比轴上点低。在物面亮度均匀的情况下，轴外像点m 的照度可用 式( 1 13 ) 表示为 厶：等现s i n2 u 0 ( 1 14 ) 当u 0 较小时，有 d s i n u ：，坦u ，= - - _ 一c o s 国r = 兰坚s i n u c 。s z 万， ( 115 ) s i n u o2 留u 二2 午0 2 皇兰豸0 - - 旦s i n u c 。s 2 万1 ( - 式中d 为出瞳直径；1 j 为像面到出瞳的距离。 把s in u 0 代入式( 1 14 ) ，得到 i ，= 等础s i n 2 ，c 。s _ 即 e ，= e jc o s 4 刃 南京删 式中， 人学坝 e o 第一章移相式泰曼十涉仪 为像面轴上点的照度。 式( 1 16 ) 表明，轴外像点的光照度随视场角c o 的增大而降低( c o s ( ) 。4 ) “。为了避免出现轴七点和轴外点的照度相差太大的现象，采取了压缩视 场角的方浊，经过压缩后，最犬为4 。，c o s4 - 0 9 9 0 。因此，经过 变焦镜头放大后的干涉图像轴上和轴外点的光照度近似相等，消除了照度 比值相差过大的现象。 1 3 干涉图象的光强采集和处理 在干涉测试中，必需把连续的光强分布( 干涉场或干涉图片) 用图象 输入设备变成离散型的图象，称为离散抽样或采样。因此，采样系统的特 性是我们设计光强自动调节系统的主要依据之一。对一个连续波面进行离 散抽样，然后又重建这个波面，这是数学中一个研究了很长时间的问题。 采样将干涉图的连续光强分布转换为计算机能够处理的有限的数集，即在 空问或时间的连续集合中选择一个离散子集，在后面的处理中只需要这些 点卜的信息值。离散抽样概括地讲，需要进行两步： 1 ) 在平面空间确定抽样的位置，这些离散的位置可称为像素。 2 ) 将各个像素上所包含的信息( 光强) 进行量化得到离散的数字量。 随着计算机辅助干涉术的发展，图象采样的设备也不断发展，目前最 常用的是c c d 摄象机。在干涉场的采样中，c c d 的靶面必须位于光路中所 需采样干涉场的共轭位置，并保证光强分布在c c d 的线性区f n j 。下面叙述 c c d 的- 丁作原理和本系统中采用的c c d 的型号和参数。 1 3 1c c d 的工作原理及参数 概述 长期以来，由于采用真空系统，所以摄像器件大而笨重。为此人们 直在研究固体成像器件。到1 9 7 0 年，随着电荷耦合器件的出现，使得固体 白扫描摄像器件得到飞跃发展。目前已经得到广泛应用。其中包括黑白与 彩色、微光与红外摄像器件。它具有体积小、重量轻、结构简单、功耗小、 成本低等优点。它已成为光电器件的一个重要分支。 固体象感器件按像素的空1 1 日j 排列主要分为两大类，其应用也主要有两 个方面：( 1 ) 线阵象感器用于谱分析，图形尺寸检验( 如测量精确的位移 一 u一一 一 s些现 塑生矿 南京理丁人学坝i 岸叫立论文第一章移相式泰曼十涉仪 量) 。也可以线阵象感器通过附加的机械扫描，得到_ 维图象，以实现文字， 图象谚 别( 用于图象传真) 以及航空摄影与遥测。( 2 ) 面阵象感器基本上 用于实时摄像，如广播电视，民用电子摄象机，闭路电视( c c t v ) ，监护系 统一i ，廉价的传感器以及生产线上移动t 件的装配控制和可视电话等等。本 课题使用的是而阵象感器( 面阵c c d ) 。这些应用对器件的要求是十分不同 的。 二c c d 工作原理的概述 电荷耦合器件 将电荷包有规则地传送出去。这一 过程就叫c c d 的电荷转移。它是靠 图1 5c c d 的光电转换特性 各个m o s 的栅极在时钟电压的作用 下，以电荷耦合方式实现的。 三c c d 的性能参数 c c d 摄像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、 动态范围、暗电流等，c c d 摄像器件的优劣即用这些参数衡量。 i 光电转换特性 c c d 图象的光电转换特性如图1 5 所示。图中横轴为曝光量，纵轴为 输出信号电压值。它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，具有良好的线性。 特性曲线的拐点g 所对应的曝光量叫饱和曝光量( s 。) ，当曝光量大于5 。 时，c c d 输出信号不再增加，g 点所对应的输出电压p j 。，为饱和输出电压。 _ 。为暗电流输出电压，即当无光照时，c c d 输出的电压值。 2 光谱响应 目前广泛应用的c c d 器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围均在 4 0 0 l l o o n m 。红外c c d 器件用多元红外探测器阵列替代可见光c c d 图象器 件的光敏，亡部分，光敏元部分主要材料有1 n s b ，p b s n t e 和h g c d t e 等，具光 谱范围延伸至3 5 岫和8 1 4 帅。 3 动态范罔 饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为c c d 的动态范围。 4 暗电流 暗电流的存在限制了器件动念范围和信号处理能力。暗电流的大小与 光积分时间、周围环境温度密切相关，通常温度每l s t 3 0 3 5 。c ，暗电流 提高约一个数量级。c c d 摄像器件在室温下暗电流约为5 1 0 n a c 聊2 。 5 分辨率 1 o 0 8 0 6 0 4 o 2 o 0 20 40 6 0 81 0 f ( 归一化空日j 频率) 图i 6 某线阵c c d 的评价曲线 f 分辨率是图象器件的重要特性，常用调制传递函数m t f 来评价。图1 6 示出了用2 8 5 6 k 白炽光源照明下某线阵c c d 的m t f 曲线。c c d 具有很高的 空i 日j 分辨率。4 0 9 6 4 0 9 6 面阵器件的整机分辨能力在1 0 0 0 电视线以上”j 。 本干涉仪使用的是台湾敏通公司产的型号为m t v l 8 8 l e x 的c c d ，该型 号为普通的商用低照度c c d ，具有良好的价格优势，其主要参数如下： ( 1 ) 像素：7 9 5 ( h ) 5 9 6 ( v ) ( c c i r ) ( 2 ) 分辨率：6 0 0 电视线 ( 3 ) 最低照度：0 0 2 lx ，f 1 2 ( 4 ) a ：s ：1 5 0 1 1 0 0 0 0 0 秒( c c i r ) 南京删人学坝i 学位论文笫辛移相泰曼f 涉仪 ( 5 ) 信噪比：大于5 0 分贝 ( 6 ) 电源：d c l2 v 1 0 1 3 2 c c d 视频信号处理 根据c c d 传感器视频信号的不同，c c d 视频信号的处理有两种方法。 第一种：对c c d 视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集。第二种， 对c c d 视频信号进行采样、量化编码后，再采集到微机系统。由于计算机 处理的是干涉条纹的灰度图像，所以用第二二种方法。f 面主要介绍第二种 方法。 1 c c d 视频信号量化处理过程 c c d 视频信号量化过程如图1 7 所示。首先将c c d 视频输出的脉冲调 c c d 视频信号 一堡亟匿互h 堕卜匝一低通滤波h 采样保持卜_ 叫计算机卜_ 叫量化编码l 。一l-_-一 图1 7c c d 视频信号量化处理过程 制信号经过低通滤波器滤波，变成在时间上连续的模拟信号，然后按照对 图象分辨率的要求用采样保持电路对连续的视频信号在时间上进行间隔 采样，把c c d 视频信号变成离散的模拟信号，再由a d 转换器转换成数字 萤。 2 图像数据采集接口 根据对c c d 视频信号数据采集速率的不同，采集系统有三种类型：第 一种是适用于静态图像信号的慢速数据采集系统，其数据采集速率为几十 k h z ；第二种是采用d m a 方式传送的高速数据采集系统，其数据采集速率可 达数百k h z ；第三种是采用帧存储方式的最高速的数据采集系统，其数据 采集速率可达几m h z 。 c c d 在驱动脉冲的作用下，移位寄存器内所寄存的电荷不断地向读出 器方向转移，由于驱动脉冲的频率比较高，一般在l o o k f z 到l o m h z 。微机 用程序采集一个字节数据大约需要十几个肛s 的时间。因此c c d 在比较高的 时钟频率驱动下，微机很难把c c d 输出的序列模拟信号按顺序直接进行采 集。 1 3 一 ! ! 塞些! 苎兰竺! 兰竺堡墨垫：!壁塑苎堡呈堡! ! 静态图像数据采集系统采集静止图像，可以用间隔重复扫描的方法实 现对c c d 逐个象元输出信息的采集。采用d m a 方式对c c d 视频信号进行采 集，利用d m a 以较高速度把a d 转换数据传送到外部存储器内，待所有数 据采集完成后再由计算机取走数掘进行处理，如系统所用的线阵c c d 由 1 0 0 r h z 时钟脉冲驱动，要求采集子系统在1 0 , l t s 时f n j i t 日j 隔内完成一次数据 采集。高速动态图像的数据采集接口当c c d 的扫描速度很高时，采用帧存 储方式可实现c c d 视频信号的高速采集。该方法是靠硬件电路以很快的速 度将c c d 视频信号采集到一个外部的存储器里暂存，待全部数据采集完成 后，由计算机取走数掘后再处理。由于数据的采集是靠硬件电路完成的， 所以采集速度的极限由存储器的读周期所决定。帧存储方式不但采集速度 快，而且采集数据容量可以很大，因此在c c y ) 视频信号数据采集系统单应 用最为广泛”1 。 1 4 本章小结 本章首先简单介绍了移相式泰曼1 二涉仪的工作原理，四步移相法是整 个干涉仪的算法基础。然后介绍了本人在改进的o8 0 m m 移相式泰曼干涉仪 中所做的工作，其主要目的是紧紧围绕着在保持精度不变的前提下扩大该 仪器的测量范围。最后分析了c c d 的工作原理，为设计光强自动调节系统 提供依据。 第一章 光强自动词节系统 第二章光强自动调节系统 随着电予技术的迅速发展，特别是大规模集成电路的飞速发展，使干 涉仪的轻型化和智能化成为可能。传统的干涉仪已发生了很大的变化。除 了应用计算机技术和图像处理算法外，干涉仪主机内部的各种电器控制部 件也由集成电路代替了分立元件，各种嵌入式微型芯片也有应用，在轻型 化和可靠性方面都得到了大大的提高。本章介绍了在移相干涉仪光电硬件 及其控制系统一一变焦镜头的控制、光强自动调节系统方面所做的工作， 包括光电探测、数据采集、d s p 控制设计，d s p 处理、i ) s p 和微机通信等。 2 1 系统工作原理 图2 1系统工作原理框图 系统的一r 作原理框图如图2 1 所示。前已述及，当测量较小的器件时， 成在c c d 靶面上的干涉条纹也很小，不能充满合适的靶面，处理起来具有 较大的误差，直接影响到精度。因此必须把成在c o d 靶面上的干涉条纹放 大，使它充满适当人小的靶面。为此我们采用变焦镜头放大干涉条纹，使 一1 5 塑坐型! 叁兰塑! ：兰垡堡兰 塑兰里垄塑旦望塑羔堡竺 干涉条纹充满合适的靶面。这时进入c c d 的靶面单位面积的光强发生变化， 当测莓的物体很小时，变焦镜头必须对干涉条纹放大很多倍才能充满合适 的靶面，但这时又引起了另外一个问题，这时干涉条纹的光强低于c c d 的 最低照度，信噪比人大降低，影响了测量精度。为了保证精度，我们使用 了渐变滤光片米调整光强。整个系统的工作原理如下：选择光源使在最大 变倍条件下有合适的照度，变焦镜头。l ：作引起干涉条纹光强变大，经探测 器采样，a d 转换，d s p 处理，输出控制量控制步进电机带动渐变滤光片 调节光强，提高c c d 的信噪比。我们通过实验和c c d 的数据手册所提供的 数据事先设定一个域值( 在这个域值范围内，计算机处理的精度符合要 求) ，经a d 采样进来后的值，通过p i d 控制算法运算，若在域值范围内， d s p 不输出脉冲，电机不转动，若不在这个范围内，则d s p 可立刻算出输 出的脉冲数和控制步进电机的方向的脉冲，使渐变滤光片转到合适的位 置，激光透过滤光片的光可以使c c i ) 工作在信噪比较高的区i 、日j 。因为d s p 是高速处理器件，在很短的时间内就能完成算法公式的计算，因而使得光 强的调节具有实时性。整个系统构成一个闭环控制。 2 2 变焦镜头的工作控制 前面已经叙述了系统的原理框图，它是由各种不同的硬件构成的，下 面详细地介绍各个硬件的工作原理和功能。本节先介绍变焦镜头部分的电 路，下节介绍光强自适应调节电路。 2 2 1 变焦镜头控制 本系统采用的变焦镜头是闩本生产的型号为h 6 2 0 8 1 2 m ( 84 8 m m ，1 ：1 2 ) 。它的工作情况是由给三对相互独立的导线供电决定的， 分别用于变焦、调焦、改变光圈。该变焦镜头的工作电压是直流9 v ，且工 作的电压反向时，执行相反的功能。例如给用于变焦的两根导线加9 v 的电 压时，如果此时变焦镜头起放大作用，则把两根导线反过来就执行缩小的 功能。其他两对类似。为了实现这种功能，设计了如下电路，电路原理如 图2 2 所示。 图中b s t9 0 1 为继电器，工作电压为1 2 v ，该继电器的工作原理是这 1 6 鹕一章 光强自动谢节系统 样的：当给“1 ”脚和2 脚之问加电时，“3 ”脚和“7 ”脚导通，4 脚 0 2 图2 2 变焦镜头的控制电路 和“8 ”脚导通。否则“3 ”脚和“5 ”脚导通，4 脚和6 脚导通。图 l 1 丌关为薄膜丌关的按钮。当左边的丌关按下时，则输出2 为f ，当右边 的丌关按下时，则输出l 为证，在同一时刻只能按下一个丌关。由此便实 现了换向的功能。变焦镜头的工作分别由三个这样独立的电路控制。改进 的巾8 0 m m 移相式泰曼涉仪外型图如图2 3 所示。 2 2 2 调整测试切 换 在测试之前一般都要先进 行调整，调整测试面的目的是 让两束光发生干涉，在监视器 上看到山c o m s 摄像头摄下的两 个亮点重合就表明已经调整好 了，可以进行测试，此时必须 切换到由c c d 摄下的干涉条纹 图2 3 中8 0 m m 移相式泰曼干涉仪外型图 塑皇型工叁兰堡! ：主垡笙苎 笙= 至堂塑旦垫型羔墨竺 进行测试。改进的中8 0 m m 移相式泰曼干涉仪也增加了这项功能。由于薄膜 丌天没有保持功能，因此在设计电路的时候必须增加保持功能。d 触发器 具有保持功能，只要把反相输出端q 反馈到输入端d 就可以实现保持功能。 当手从按住薄膜丌关到放丌时只有一个上升沿，d 触发器只触发一次。为 了对实际机械的过程进行消抖，采用r c 消抖，只需要使r c 乘积大于等于 1 0 m s 即可。经过计算和实验，确定的电阻参数和电容的参数如图2 4 所示。 5 v 电压是由c w 7 8 0 5 得到的，原理和图2 2 的相同。d 触发器输出的信号无 论足电压还是电流都不能驱动继电器，为此，我采用了光耦来驱动继电器。 这种光耦必须满足两个条件：d 触发器输出为低时不能导通光耦的发光二 极管；光耦的输出饱和电压不能驱动继电器。基于以上两个条件，我选用 了t i l l l3 这种光耦。该光藕的二极管正向压降v 。= 1 5 7 ；输出晶体管饱和 雎降v 。= 1 o v ，满足以上两个条件。因此，当用手按下薄膜开关并松手 时，d 触发器保持一个值，再按一下又保持另个值。光耦就在饱和和截 止这两种状态之问进行转换，继电器就可以进行通断控制了，这样就实现 了调整测试之间的切换。 图2 4调罄沏试切换申。路 2 3 光强自适应调节 采用了变焦镜头可以大大扩展移相十涉仪的测试范围，但同时也带) k 南京删t 人学坝l j 学位沦义 第一事 光强自动调节系统 了光强变化范围的火大增加，当超过c c d 的动态范围时，轻则降低测试精 度，重则使测试不能进行。因此设计制作光强自适应调节系统成为必须。 光强白适应调节系统主要有光电转换、数据采集、信号处理、d s p 和微 机通信、步进电机控制等部分构成的，卜面分别进行介绍。 2 3 1光电转换电路 1 光电探测器的应用选择 兰 光电探测器件的应用选 择，实际卜是应用时的一些事 ( 1 ) 光照特性 图2 5 画出了硅光电二极 管加1 5 v 反向偏压时的光电流 i 与照度e 的特性曲线，从图e 可以看出，它的光照特性的线 性比较好，适用于检测方面的 应用。 ( 2 ) 光谱特性 主要决定于所采用的材料 的禁带宽度，同时与结构、工 艺也有密切的关系。 1c ) 图2 6 光电二极管光谱响应曲线 塑呈些! 叁竺塑! ：兰竺丝兰笙= 里垄型旦垫塑羔墨竺 图2 6 中厕出了硅和锗光电二极管的光谱特性响应曲线。由图可见， 硅的光谱响应范罔在4 0 0 0 1l5 0 0 h ( 1 i en e 激光的波长为6 3 2 8 a ) ，其峰 值响应波长住7 0 0 0 a 左右；锗的光谱响应范围在4 0 0 0 一1 8 0 0 0 h ，其峰值响 应波长存l4 0 0 0 一】5 0 0 0 a ”1 。 ( 3 ) 伏安特性 光电二极管的伏安特性曲线，由电压和电流的方向关系应将其画在第 三象限内，但为了方便，常画在第一象限内。图2 7 绘出了光电二极管的 伏安特性曲线。由图可见，在零偏压时，光电二极管仍有光电流，这是光 生伏特效应所产生的短路电流。在低反向偏压下，光电流随电压的变化比 较敏感：反向偏压的增加，加大了耗尽层的宽度及电场强度，提高了光吸 收效率及对载流子的收集；但反向偏压再进一步加大，对光生载流子的收 集达到极限，光生电流趋向饱和，此时，光生电流与所加的电压几乎是无 关的，它仅取决于光照强度。 为此，有必要给光电二极管加5 v 反向偏压，一是让光生电流趋向饱 和，二是和系统其他供电电压相兼容。 3 集成运算放大电路 集成运放的任务是将微弱的电信号放大成便于与a d 转换器接口的电 信号。经过粗略估算以及参考有关电路，选用p a 7 4 1 作为放大器件。, u a 7 4 l 足第二代通用型集成运放的代表 性产品，国内对应型号为c f 7 4 l ( 只型号为f 0 0 7 ) 。它具有如下特 点：2 = l ( 1 ) 高增益：它的丌环电压放大 倍数为2 6 l o5 。 ( 2 ) 宽广的工作电压范围。 ( 3 ) j r 环差模输入电阻为2 m q 。 c ，( v ) ( 4 ) 内部具有补偿网络结构，保 图2 7光电二极管的伏安特性曲线 证了闭环电路的稳定性”1 。 光电转换及放大电路如图2 8 所示。由集成运放的“虚短”和虚断” 条件可计算出输出电压u ，和光电二极管输出的电流i 之问的关系。假设运 放3 脚的电1 h j 为己， 蚺章光强白动调节系统 “3 ”脚的方程 “2 ”脚的方程 u 1 = 1 x r e u o u 3u 3 r 4r 3 ( 21 ) ( 2 2 ) 由( 21 ) 、( 22 ) 式可得： u 。= ，足5 ( 1 + i r 4 ) ( 2 - 3 ) 由( 23 ) 式口j + 知，输 h 电压u ，和光电二极管的输出电流成f 比。r4 为可 图2 8光电转换电路图 变电阻，便于控制u 使u 。，在0 5 v 内变化。 2 3 2 a d 转换 经光电转换后的电信号，必须经过a d 转换后才能送入d s p 进行处理。 本节介绍a d 的选型依据以及本系统中a d 的工作情况。 2 3 2 1a d 的选型依据 a d 的技术指标很多，其中最重要的有两项：转换精度和转换速度。 塑皇型! 查兰塑l 兰丝笙兰笙二!堂垡旦望型! 墨竺 因此在选择a d 的时候主要是看这两个指标。因为c c l ) 采样后的图像经数 字化后变为2 5 6 个灰度等级的灰度图像，而计算机便于处理的图像的灰度 值的域值范围在几十个灰度等级之间，凶此，8 位分辨率的a d 精度就够 了。根据以卜实际情况，本课题采用了m a x i m 公司的m a x l 5 4 。m a x l5 4 有如 下特点。 2 3 2 2m a x l 5 4 的工作特点及方式 1 m a x l5 4 的特点 m a x l5 4 的管脚图如图2 9 所示，是一个四通道的8 位高速并行a d 。 其采样频率为4 0 0 k h z ，因在d s p 的程序中采用了1 0 次取平均的复合滤波 法( 详细内容参见抗干扰部分) ，故实际等效频率为4 0 k h z ，大于因变焦镜 头变化而引起电压变化的频率( 最大为2 k h z ) 的两倍。内部带2 5 v 的参考电压，单5 v 供 电，这给系统的统一供电带来方便。内带保 持电路，因此可以和d s p 直接接口。 2 m a x l5 4 的工作方式 一般的a d 转换器件具有三种工作方式： ( 1 ) 中断方式 ( 2 ) 查询方式 ( 3 ) 延时方式 m a x l5 4 有两种工作方式，分别为模式0 和模 式1 。模式0 实质上是一种查询方式，在硬件 卜是通过d s p 的r d y 脚和m a x i5 4 的r d y 脚相 图2 9m a x l 5 4 的管脚图 连。这种方式要求处理器进行等待。方式1 是中断方式，在硬件上是通过 d s p 的i n t 2 和m a x l 5 4 的，丁相连。其工作原理是这样的：首先由处理器 输出信号使m a x i5 4 的c s 和r d 脚为低，启动a d 转换，在转换过程中，7 1 脚为高，一旦转换结束后，w 7 1 脚为低( 低电平有效) ，向处理器申请中断， 处理器接受中断，然后处理器向m a x l5 4 的c s 和r d 脚输出低电平，把上 次转化的数据读进来，同时又启动下一次的a d 转换，转换完后7 1 为低， 向处理器申请中断，如此循环。由于m a x l 5 4 的这个特点，处理器读进的第 个数并t ，f i 足a d 采样的数据，应该从第二个数据月始处理，所以在编写 程序时应该汴意到这一点。很显然方式l 的效率比方式0 的效率要高，在 本系统中m a x l5 4 选用工作方式i ，其工作时序如图2 1 0 所示。 图2 1 0工作方式1 的时序图“7 2 3 3数字信号处理器 对于采集进来的数据需要进行处理，为了和另一课题“干涉仪抗振技 术”所使用的处理器一致( 一个处理器实现多项功能) ，同时也为了使用新 器件来改造传统仪器，因此，本课题的处理器采用了d s p 。 2 3 3 1概述 数字信号处理( d ig i t a