烏氏干涉測量的信息讀取

張景和，張順國，董躍華

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001）

烏氏干涉測量的信息讀取

張景和，張順國，董躍華

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001）

針對烏氏干涉儀條紋信號調整難、用肉眼讀數難等問題，提出將He-Ne激光作為烏氏干涉儀光源的設計，得到了高質量的干涉條紋信號，并采用光電轉換方法將條紋移動信號轉變?yōu)殡娦盘枌崿F了微位移的高精度測量。設計了光電信號檢測電路，利用雙門限整形電路標定出整形方波，克服了干涉信號在設定比較值附近抖動引起誤處理的缺點；提出了辨向細分電路，在1路干涉條紋信號下，提取了具有正交性的2路電子信號，實現了干涉條紋的移動辨向與信號細分。按此方案設計并搭建了一套激光干涉檢測實驗裝置，用2個計量差值為5 μm的標準量塊，對激光干涉檢測裝置進行了標定，在電路為4細分的情況下，該裝置測量分辨率達79 nm；解決了烏氏干涉儀自動讀數的問題，提高了烏氏干涉儀的測量精度和準確性。

烏氏干涉儀；激光干涉；信號處理；雙門限整形；辨向細分

1 引 言

高精度位移檢測系統(tǒng)是在機械、儀表、工具、兵器、宇航等產業(yè)和研究領域獲得高位置精度的基礎，也是上述領域產品及技術不斷進步的制約因素。隨著科學技術的不斷推進，近代機械工業(yè)尤其是當代超精密加工技術、微納米技術、微機電系統(tǒng)的興起與發(fā)展對長度量的檢測提出了越來越高的要求，不僅要求測量分辨率從微米級上升到亞微米級甚至納米級，同時要求測量范圍達到1～100 mm，甚至更大［1，2］。現階段，能實現高精度測量的儀器種類較多，但大多數只能滿足高精度的檢測要求，測量范圍較小，能同時滿足高精度與大測量范圍要求的僅有激光干涉儀和光柵位移測量儀器，而采用激光干涉儀進行檢測，還可以將其量值直接溯源到激光波長，從而便于統(tǒng)一科研、工業(yè)技術中各種納米尺度量值的溯源，具有十分重要的意義［3，4］。

本文對烏氏干涉儀光源進行了改造，并采用計算機自動讀數與數據處理的方法提高了烏氏干涉儀的測量精度和微測量量程，擴大了烏氏干涉儀的應用范圍。本文的工作對相關白光干涉儀的改進具有借鑒意義。

2 激光應用于烏氏干涉儀

烏氏干涉儀，即白光干涉儀，其工作原理與單頻激光干涉儀工作原理類似，不同的是烏氏干涉儀使用的光源不是激光，而是低相干的白光光源，產生的干涉條紋為彩色，干涉圖樣中存在一個與波長無關的中心條紋。測量原理如圖1所示，在檢測位移變化時，測頭帶動反射鏡來回移動，產生的干涉條紋也隨之移動。位移每變化半個光源波長λ/2時，干涉條紋便產生一個周期的明暗變化，干涉條紋變化的周期數N與被測位移L有如下關系：

式（1）表明，若能記錄干涉條紋變化的周期數N，即可測出被測長度。在實際測量中，需要人眼判讀中心條紋位置的移動量來實現計量。這種通過人眼對干涉條紋移動量的判讀，引入了較大的讀數誤差［5］。

另一方面，能否觀察到干涉條紋還要取決于光源的相干長度［6］：

式中λ為光源的中心波長，Δλ為譜線寬度，當Δλ?λ時，有：

由此可知光的單色性越好，即Δλ越小，相干長度Lc越大。

圖1 烏氏干涉儀測量原理圖Fig.1 Measurement principle of Ubbelohde interferometer

白光單色性差，相干長度僅為幾微米至幾百微米［7］，因此其測量范圍受到較大限制；而且其干涉圖樣僅在兩臂光束光程差接近零時才能發(fā)生干涉，調整出干涉圖樣較為困難。

綜上所述，烏氏干涉儀具有不易判讀、量程小、不易調試等缺點。激光具有能量集中、方向性和相干性好、能如實地負載物體光波信息等特性?；诩す獾母呦喔尚?，以激光作光源的檢測儀器，測量范圍可達1 m以上，且干涉條紋明暗對比度高，易于調試。目前，激光干涉儀不僅能測量線位移、線速度，還能測量小角度以及各種形位誤差等幾何量［8］。

考慮激光測量的優(yōu)勢，本文改換激光作為烏氏干涉儀的干涉光源，以移植激光干涉測量的優(yōu)點，同時采用光電轉換信號處理判讀方法，將條紋移動時的光強變化轉化為電信號，經過信號處理提取移動信息，實現位移的高精度測量，如圖2所示。

圖2 激光干涉儀測量原理圖Fig.2 Measurement principle of laser interferometer

3 干涉信號的提取

采用光電轉換信號處理判讀方法，需要從干涉條紋中提取出干涉信號，并設計辨向電路以判別干涉條紋的移動方向，實現精確測量。一般要求從干涉條紋中提取出2路干涉信號近似正交來實現辨向電路功能，而這正是本文討論的判讀方法的難點之一。目前，干涉信號常用的提取方法是采用分光鏡、光柵等分光元件將干涉條紋分解成相位差為 π/2的幾路條紋，再用光電器件接收、轉化并合成2路相位差為π/2的干涉信號。

本文提出的方法是直接采用2個光敏二極管1，2相差1/4條紋周期排布，如圖3所示。當干涉條紋移動時，兩光電器件接受條紋光強周期性的變化，分別形成近似正弦的信號I1和I2，干涉條紋左移時，信號I1相對信號I2剛好滯后π/2；而當干涉條紋右移時，信號I1相對信號I2剛好超前π/2，根據這2路干涉信號相位的超前/滯后，即可判斷干涉條紋的移動方向。

圖3 兩路正交干涉信號的提取Fig.3 Extraction to two orthogonal interference signals

4 雙門限整形電路

為了提高信號的信噪比，采用了靈敏度較高的硅光敏二極管作光電轉換器件，采用低噪聲器件設計前置放大電路對光電信號進行放大，同時選用一階Butterworth低通濾波器來濾除噪聲，最終提取得到的干涉信號，如圖4所示。

圖4 濾波后輸出的干涉信號Fig.4 Interference signal after filtering

由于電路器件非理想，濾波輸出的信號仍含有少量噪聲，見圖4。為了便于后續(xù)電路的處理，需要將得到的信號整形為方波。若直接采用常規(guī)比較器整形為方波，信號在設定比較電壓值附近抖動時，輸出的方波信號也會隨之抖動，從而造成后續(xù)電路的誤處理。為解決該問題，本文設計了一種雙門限整形電路，如圖5所示。

圖5 雙門限整形電路Fig.5 Dual threshold circuit

設定了2個比較電壓，當干涉信號幅值上升剛過初始比較電壓時，輸出信號電平高低發(fā)生變化，控制模擬開關選通另一電壓較低的比較電壓，使干涉信號在此處抖動不影響輸出信號，直到干涉信號下降至剛低于比較電壓時，輸出信號電平才會變動。依此循環(huán)，就可以直接從帶噪聲的信號波中整形出所需要的方波，最終整形得到的兩路正交干涉信號，如圖6所示。

圖6 整形輸出的兩路正交干涉信號Fig.6 Two orthogonal interference signals after shaping

5 辨向細分電路

對干涉條紋移動方向進行判別，是實現精確測量的必要條件。本文采用微分型基本辨向電路，實現了干涉條紋移動方向的精準判別，如圖7所示。

圖7 微分型基本辨向電路Fig.7 Differential-type of basic discerning circuit

當條紋正向移動時，U1比U2超前90°，只有信號Y1有計數脈沖，Y2為低電平，觸發(fā)器置1；當條紋反向移動時，U1比U2滯后90°，只有信號Y2有計數脈沖，Y1為低電平，觸發(fā)器復位輸出為0。由此即可以以觸發(fā)器的輸出作為辨向信號，實現對干涉條紋移動方向的辨別［9］。

圖8 4細分辨向電路原理圖Fig.8 Principle diagram of 4 subdivision and discerning circuit

基本辨向電路不對干涉信號進行細分，只能在條紋移動相位變化大于π弧度時判向，而且得到的辨向信號總是滯后于條紋的移動［10，11］。 為了提高測量分辨率，本文還通過對2路方波在一個周期內的2個上升沿和2個下降沿的處理，實現了對干涉信號的4細分［12，13］，設計的4細分辨向電路如圖8所示。

整形得到2列方波信號ina和inb，經過同向與反向輸出得到4路信號a1，a2，a3和a4，這4路信號再經過單穩(wěn)觸發(fā)器提取得到b1，b2，b3和b4，即為2路方波信號在信號的上升沿處與下降沿處的4個觸發(fā)脈沖。然后對這8路信號進行邏輯運算，得到正向計數信號add和反向計數信號sub：

最后將正反向計數信號經過鎖存器就可以得到辨向信號dir，正反向計數信號輸入到或門就得到計數脈沖jishu。

由圖9可知，在1個信號周期內，無論在條紋正向移動還是反向移動時，干涉信號每變化1個周期，都有4個計數脈沖輸出，實現了對干涉信號的4細分；在條紋正向移動時，dir始終輸出高電平，在條紋反向移動時，則始終輸出低電平，通過判斷信號dir電平高低，就可以判別條紋移動方向，實現辨向功能。

圖9 4細分辨向電路EDA仿真圖Fig.9 EDA simulation map of 4 subdivision and discerning circuit

最后設計了可逆計數器，根據辨向信號電平高低，將條紋移動時產生的計數脈沖個數累加/減計入，即可實現計數。

6 系統(tǒng)標定實驗

標定實驗的基本思想是：選擇一個標準量塊，用本檢測裝置進行測量，理論上，測量值應該與標準量塊的實際值相符。

如圖10所示，采用基本辨向電路進行標定實驗，烏氏干涉儀通過固定架固定在平臺上，其測頭頂在標準量塊上，移動平臺，分別使干涉儀的測頭頂在2量塊上測量，2標準量塊（編號分別為1006和1001）厚度相差5 μm，則測量差值應為5 μm，同時記錄下干涉條紋移動輸出的計數脈沖差量，依此重復20次測量，記錄下對應的脈沖差量數據如表1所示。

圖10 標定實驗實物圖Fig.10 Physical map of calibration experiment

表1 標定實驗數據Tab.1 Calibration experimental data

根據光干涉原理，干涉條紋的明暗條紋程周期性變化，若光源波長為λ，相鄰的明（暗）條紋對應的實際位移（條紋當量）為L0，則有：

式中，n為光束在空氣中的折射率，取n=1，β為干涉儀兩鏡片的夾角，β=30°，采用He-Ne激光，其波長為λ=632.8 nm=0.632 8 μm，則理論上1個條紋當量為：

標定實驗中采用基本辨向電路，位移變化1個條紋當量，恰好發(fā)出1個計數脈沖，則取理論條紋當量值計算，實際每次標定測量的位移值如表2所示。

表2 標定實驗位移數據Tab.2 Displacement data of calibration experiment （μm）

20次標定測量的位移平均值為4.967 μm，單次測量中的最大誤差為0.6 μm，標定實驗位移數據結果與實際情況相近，表明檢測裝置的測量結果可靠。

若采用4細分辨向電路進行測量，其在位移變化1個條紋當量時，發(fā)出4個計數脈沖，理論測量分辨力為：

此外，由激光干涉測量原理可知，在烏氏干涉儀的量程內時，干涉條紋會隨位移變化而移動，可利用改造的檢測裝置進行測量。

7 結 論

本文用激光作為烏氏干涉儀的光源，移植了激光干涉測量的優(yōu)點，同時采用光電器件將干涉條紋光強變化量轉化為電信號變化量，用信號處理電路提取出條紋的移動方向、移動條紋數等信息來實現精密測量。按此方案設計并搭建了干涉檢測裝置，通過標定實驗測出分辨率可達79 nm，驗證了檢測結果的可靠性。本文設計的檢測裝置的不足在于分辨率仍較低，下一步工作需要進一步研究干涉信號的細分；另外，檢測裝置存在信號三差、測量環(huán)境誤差等系統(tǒng)誤差［12］，亦需要分析系統(tǒng)誤差來源及其引入的不確定度，對測量結果進行修正。

［1］蘇紹璟.大量程納米級光柵位移測量理論及關鍵技術研究［D］.長沙：國防科技大學，2001.SU SH J.The theory and key technology of the large range of nano-grating displacement measurement［D］.Changsha：National Uniυersity of Defense Technology，2001.（in Chinese）

［2］TOLLES W M.Nanoscience and nanotechnology in Europe［J］.Nanotechnology，1996，（7）：59-105.

［3］高宏堂.2.5維大范圍納米激光干涉測長信號處理子系統(tǒng)的研究［D］.北京：中國計量科學研究院，2005.GAO H T.The study of 2.5-dimensional large-scale laser interferometer measuring signal processing subsystem［D］.Beijing：National Institute of Metrology P.R.China.，2005.（in Chinese）

［4］宋浩.高精度大量程位移測量與校準器的研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.SONG H.The study of large range and high-precision displacement measurement and calibration devices［D］.Wuhan：Huazhong Uniυersity of Science and Technology，2007.（in Chinese）

［5］SUN CH S，YU L CH，SUN Y X，et al..Scanning white-light interferometer for measurement of the thickness of a transparent oil film on water［J］.Appl.Opt.，2005，44：5202-5205.

［6］夏豪杰.高精度二維平面光柵測量系統(tǒng)及關鍵技術研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2006.XIA H J.High-precision of two-dimensional grating measurement system and key technologies［D］.Hefei：Hefei Uniυersity of Technology，2006.（in Chinese）

［7］鄖建平.基于白光干涉的表面形貌接觸和非接觸兩用測量系統(tǒng)的研究［D］.武漢：華中科技大學，2008.YUN J P.The study based on white light interference surface morphology of dual-use contact and non-contact measurement system［D］.Wuhan：Huazhong Uniυersity of Science and Technology，2008.（in Chinese）

［8］李東光，張國雄.高速精密激光干涉測量的研究現狀及其關鍵技術［J］.航空精密制造技術，1998，34（6）：29-34.LI D G，ZHANG G X.High speed precision laser interferometry′s research and its key technologies［J］.Aυiation Precision Manufacturing Technol.，1998，34（6）：29-34.（in Chinese）

［9］李家猛.嵌入式光纖溫度傳感器的設計［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2007.LI J M.The design of embedded fiber-optic temperature sensor［D］.Hefei：Hefei Uniυersity of Technology，2007.（in Chinese）

［10］張麗平.光柵測量在汽車輪轂跳動量測量中的應用［D］.長春：長春理工大學，2008. ZHANG L P.The application of grating measured in the beating wheel measurement［D］.Changchun：Changchun Uniυersity of Science and Technology，2008.（in Chinese）

［11］陳莉.球面曲率半徑的單頻激光干涉測量研究［D］.南京：南京理工大學，2005.CHEN L.The study of single-frequency laser interferometer measure in spherical radius of curvature［D］.Nanjing：Nanjing Uniυersity of Science and Technology，2005.（in Chinese）

［12］韓旭東，艾華.共光路移相單頻激光干涉測長系統(tǒng)［J］.光學技術，2004，30（2）：195-198.HAN D X，AI H.Common-path phase single-rate laser interferometric system［J］.Opt.Technique，2004，30（2）：195-198.（in Chinese）

［13］張景和.V形法測量中支撐對測量精度的影響［J］.光學 精密工程，1998（5）：128-132.ZHANG J H.Support for the measurement accuracy influence in V measurement［J］.Opt.Precision Eng.，1998（5）：128-132.（in Chinese）

［14］劉巖，龍科慧，王立朋，等.柵尺動態(tài)測量儀［J］.光學 精密工程，1993，1（2）：14-19.LIU Y，LONG K H，WANG L P，et al..Grating dynamic measuring instrument［J］.Opt.Precision Eng.，1993，1（2）：14-19.（in Chinese）

［15］BINNIG G，QUATE C F，GEBRER C.Atomic force microscope［J］.Phys.Reυ.Lett.，1986，56（9）：930-933.

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Information reading of Ubbelohde interferometry

ZHANG Jing-he，ZHANG Shun-guo，DONG Yue-hua

（Center for Precision Engineering，School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

For the shortcomings of the interference fringe difficult to read and adjust in an Ubbelohde interferometer，a He-Ne laser was used in the Ubbelohde interferometer as the source to offer interference fringe signals with high quality.Then，the fringe signals were transform into electron signals to implement the microdisplacement measurement precisely.A detection circuit was designed and the square wave signal was extracted by using a dual-threshold shaping circuit，which solveed the error processing problem when signals jittered near the set comparison value.A discerning direction and subdividing circuit was designed and the orthogonal electron signals were extracted to achieve the discerning direction of interference fringe movement and the subdivision of interference signals.On the schemes above，a laser interference detection device was designed and built.The device was calibrated by two standard gauge blocks with a difference value of 5 μm.Under four subdividing circuits，the resolution of the detecting device is 79 nm.Therefore，the Ubbelohde interferometerachieveds automatic reading and improves its measurement precision.

Ubbelohde interferometer；laser interference；signal processing；dual-threshold shaping；discerning direction and subdividing

TH744.3

A

1674-2915（2011）02-0147-07

2010-09-02；

2010-11-23

國家十五攻關項目（No.41318.2.12）

張景和（1955—）男，吉林梅河口人，教授，主要從事精密機械、非標設備設計、超精密加工和檢測等方面的研究。E-mail：zjh2059@163.com