基于CCD激光干涉微位移测量系统准确度分析

基于CCD 激光干涉微位移测量系统准确度分析赵育良,张忠民(海军航空工程学院青岛分院,山东青岛266041)摘 要:条纹处理是微位移测量系统的关键,从条纹去噪入手,分别介绍了去噪装置、判向变频系统及条纹的细分方法,有效地解决了传统系统中由于噪声、位移方向误判等因素造成的错误计数,提高了系统测量的准确度。

同时对系统测量准确度进行了深入分析。

关键词:线阵CCD;微位移;干涉中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2002)07-0035-03Accuracy analysis of laser micro displacement measurementsystem based on CCDZHAO Yu liang,ZHANG Zhong min(Qingdao Branch,Naval Aeronautical Engineering Academy,Qingdao 266041,China)Abstract :Str ipe handling is the key of micro displacement measur e,the w ays of eliminating noise,frequency conversion and differentiating direction are introduced,the problem of system is solv ed,the precision of system is improved.At the same time,the precision o f system is analysed deeply.Key words :linear CCD;micro displacement;interference0 引 言高准确度的位移测量系统越来越成为各领域特别是在军事领域技术不断进步的制约因素,高准确度的微位移测量有着重要的意义。

而这些方面栅尺类及迈克尔逊激光干涉计量等测量方法以其能够精确到波长级的优势成为位移测量系统的主要代表[1]。

而传统的测量方法大多以光电探测器为条纹接收工具,再加上受分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的存在,就给条纹的细分造成困难。

而且由于测量过程中诸如振动等一些外界影响,经常会造成测量系统的误计数,使测量准确度受到较大影响。

本文提出以一种以线阵CCD(charge coupled device)取代传统的光电探测器作为条纹拾取工具,并配以去噪装置、条纹判向系统、条纹细分系统,使系统理论误差仅为CCD 的一个像元,实现了对条纹的高准确度细分,并对微位移实现了高准确度测量,较大地提高了系统的测量准确度和系统的稳定性,并基本消除了系统的计数误差。

1 干涉微位移测量原理图1是一微位移测量原理图,系统基于位相调收稿日期:2002-03-07制原理,利用光的干涉效应对被测物体微位移实现测量。

图1 系统原理图Fig 1 Schemtal d iagram of s ystem系统主要由四部分组成,H e Ne 激光光源、迈克尔逊干涉机构、CCD 及其驱动装置和信号处理系统。

由H e Ne 激光器发出的激光束经起偏器和1/4波片到达分光镜P 后分成光束1和光束2,反射光束1经迈克尔逊干涉仪上的固定反射镜M 反射后仍然回到分光镜P,透射光束2到达被测物体O 后也反射回来到达分光镜P,两束光在分光镜P 处发生干涉。

由于光束1的光程长度不变,而光束2的光程长度是随被测物体的移动而改变的,因此,当两352002年第21卷第7期 传感器技术(Journal of T r ansducer T echnolog y)束光的光程差是激光半波长的偶数倍时,光束相互叠加而加强,在接收屏上形成亮条纹;当光程差是激光半波长的奇数倍时,两束光波相互抵消,在CCD 上形成暗条纹。

结果,两束合成光的强度加强或减弱,完全是由两束光的光程差来决定的,而光束1的光程是固定不变的,光束2的光程则随被测物体O 的移动距离变化,为此,干涉条纹的明暗变化,直接可以测量被测物体的微位移距离。

被测物体O 每移动 /2距离,光束2的光程就改变了一个波长[1],于是干涉条纹就产生一个周期的明暗变化,这个变化可由光电转换装置及记录装置表达。

所以,只要记录被测物体移动时的干涉条纹变化的周期数K 便可获得被测物体的位移量X ,即X =K2.2 系统条纹去噪方法采用CCD 为测量中干涉条纹的接收装置,系统受分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的影响,实际得到的干涉条纹不是理想的正弦分布,而是叠加有背景噪声使条纹边缘不清晰,图2是由CCD 采样得到的水平方向各像素点的光强分布图。

图2 条纹处理前后光强对比Fig 2 Light intensity contrast before and after s tripe handling其中的噪声及干扰易造成条纹位置的误判,必须进行处理。

对具有一定空间载频f 0的干涉条纹,光强分布为[2]g 1(x ,y )=a 1(x ,y )+b 1(x ,y )cos [2 f 0+1(x ,y )],式中 1(x ,y )为含有位移引起的相位变化, 1(x ,y)的变化引起条纹的移动;a 1(x ,y )、b 1(x ,y)含有不均匀的光反向和其它干扰引起的噪声;f 0为空间载频;g 1(x ,y )为光强分布函数。

在大多数情况下,比起由空间载频f 0引起的变化,a 1(x ,y )、b 1(x ,y )和 1(x ,y )是缓变量。

考虑沿x 方向一维变化有g(x )=a(x )+b (x )cos [2 f 0+ (x )].(1)由式(1)中的余弦函数写为指数形式,则g(x )=a(x )+c(x )ex p (i2 f 0x )+c *(x )ex p (-i2 f 0x ),式中 c(x )=(1/2)b(x )ex p [i (x )];c *(x )为c(x )复数共轭。

对式(1)进行傅里叶变换得G (f )=F [g(x )]=!-!g(x )exp (-i2 f 0x )d x=A (f )+C(f -f 0)+C *(f +f 0),式中 f 为空间频率。

为了快速实时处理,对图2(a )表示的干涉条纹进行快速傅里叶变换得到其空间频谱分布。

在频域内用带通滤波器,滤出含频率f 0的项,再作逆傅里叶变换就能复原干涉条纹。

图2(b )是复原后的干涉条纹的光强分布,图2(b )表明复原后的干涉条纹消除了背景噪声和白噪声,因此,确定条纹的位置误差可以达到CCD 的一个像元。

3 条纹判向计数装置在微位移实际测量过程中,由于外界振动等干扰,可能会使被测物体产生正、反两个方向的移动,如果不采取相应的措施就会使计数器产生误计数,因此必须对被测物体位移方向进行判别以实现干涉信号的可逆计数。

为了消除计数误差,本系统采用了如图3的判向计数系统。

图3 判向与计数框图Fig 3 Block diagram of distinguish direction and countingCCD 拾取的干涉信号通过移相的方法,可以获得两路相差 /2的干涉条纹的光强的信号,该信号由两只光电检测器接收,便可获得干涉信号相对应的两路相差 /2的正弦信号和余弦信号,经放大、整形、倒向及微分处理等,可以获得四个相位依次相差 /2的脉冲信号,若将脉冲排列的相位顺序在反射镜正向移动时定为1、2、3、4,反向移动时定为1、4、36 传感器技术 第21卷2、3,由此,后续的逻辑电路就可以根据脉冲1后面的相位是2还是4,便可判断是正向脉冲还是反向脉冲,并分别送入是加脉冲的∀门#或减脉冲的∀门#,这样便可实现判向的目的消除误计数,也可以达到抗干扰,提高测量的稳定性的准确度。

同时,经判向后,将一个周期的干涉信号变成四个脉冲输出信号,使一个计数脉冲代表1/4干涉条纹的变化,从而表示被测物体移动量为 /8,实现了干涉条纹的四倍频计数。

4 系统准确度分析影响激光干涉微位移测量系统准确度的因素主要有三点:(1)干涉条纹的拾取。

本系统采用线阵CCD为条纹自动拾取工具,提高了系统的测量准确度并基本消除了人为的计数误差,传统的测量系统大都以人眼通过示波器读取,这样一对明暗条纹相对应被测物体移动 /2的位移[3],而人眼通过示波器大都只能分辨幅度值的1/10~1/20,因此其准确度只能达到 /20~ /40,而使用线阵CCD就大大提高了条纹分辨能力,使系统可探测干涉条纹的最小移动为一个像元,调整条纹间距,可以改变测量的最小位移。

系统采用波长 =0.63299!m的H e Ne激光器,同时又在CCD前面加了前置放大镜,对条纹进行放大,使条纹最大间距为100个象素,系统理论上能分辨的最小位移为0.0032!m。

随着科学技术的不断发展,CCD技术的不断进步,系统测量分辨力还会不断提高。

(2)激光器的频率稳定性。

以He Ne激光器为例,当不考虑计数K的误差,仅仅考虑激光器的频率稳定性即波长 的不稳定所造成的微位移X的相对误差为∀X X =K2∀K2=∀,式中 ∀ 为激光波长的变化;∀X是由于∀ 变化引起的X绝对测量误差。

如果要求在1!m的测量中误差小于0.001!m,则激光波长的稳定性要求为|∀|=10-6∃0.0011=10-9.而激光的波长稳定性可视为频率的稳定性,所以即要求激光的频率稳定性小于10-9。

而目前He Ne激光器的频率稳定度可达2∃10-12以上,所以,1!m的位移测量误差从理论上讲,可以达到0.01nm,因此,本系统可以获得极高的测量准确度。

另外为了防止被测物体和参考光路返回激光器干扰激光器的输出,反过来又使激光信号不稳定,所以在激光器前面加了一个光学隔离器,此隔离器由起偏器和1/4波片组成,两者光轴夹角45%,激光经1/4波片后输出圆偏振光,返回再次经过时成为与初始激光偏振方向下次的线偏振光,不能透过起偏器进入激光,因而排除了它的干扰。

(3)是空气扰动、外界振动引起条纹移动,从而对测量产生较大影响。

利用自己设计的紧凑的干涉系统,将系统放在减震台上,能很好地解决这一问题。

系统采用波长 =0.63299!m的H e Ne激光器作为光源,像元尺寸为7.0!m光谱响应范围在0.4~1.2!m之间(属可见光及近红外光范围)具有2048个像元的线阵CCD作为条纹识别元件,同时,选用帧存方式实现线阵CCD视频信号的高速动态数据采集器,配以相应的驱动、计数及接口电路。

系统理论分辨力约为0.0032!m,经实验测定,实测准确度&0.0002!m,表1是一组对某微位移的实测数据。

表1 一组微位移真值与实测值对比(单位:10-3!m)Tab1 Contrast of true valu e and measure valu e(Unit:10-3!m)真实值012.424.840.654.471.6实测值012.424.640.754.271.4误差值00-0.20.1-0.2-0.25 结束语测试信号经去噪及判向计数处理后的微位移测量系统与传统位移测量方法相比,灵敏度、准确度及稳定度等方面都有了显著的提高,具有较高的实用价值和发展前景。