激光合成波长干涉仪零相位检测实验研究

0 g l 言 1 激光合成波长干涉仪的零相位检测自从 1986年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以纳米技术为基础的制造技术向微型化方向快速发展，生物技术向基因组分析方向快速发展，微电子制造向超大规模集成电路方向快速发展，这些领域的发展对精密测量过程提出了达到纳米级测量精度的要求1]。原子力显微镜、单频偏振干涉仪和激光外差干涉仪等成为国内外纳米测量技术研究的重要内容[2 ]，其中各种激光干涉仪由于可实现米溯源性，被广泛应用于长度、角度、振动、直线度和表面微观形貌等测试计量技术领域 ]。激光合成波长干涉技术采用合成波长对干涉信号进行细分来实现纳米级位移测量[8]，其涉及的零相位检测的准确性是实现高精度纳米级位移、波长和折射率等测量的关键。

因此，本文针对激光合成波长干涉中的零相位检测方法进行研究，对不同采集点数据量的零相位检测的准确性进行重复性实验，以获得较为准确的零相位检测方法。

激光合成波长干涉仪的零相位检测如图 1所示，激光器发出-束波长为 和 。的正交线偏振光，射向由分光镜 BS、参考镜 M 、偏振分光镜 PBS和测量镜 M 组成的合成波长干涉仪，形成各 自的干涉信号，经偏振分光镜 PBS。反射和透射后，分别由探测器 D 和探测器 D。检测。探测器探测的两路干涉信号经零相位检测，可以获得两路干涉信号同时过零时参考镜 M 的位置。根据激光合成波长干涉测量原理8]，测量镜 Mz的位移 和参考镜M 的位移 △L之间的关系可以表示为：△z-譬△L (1)A式中， - 。 z/ - 。l为合成波长。

据式(1)可知，当测量镜 M。运动-纳米级被测位移时，将引起波长 的干涉信号相位发生变化，此时需要移动参考镜 M 进行相位补偿，通过软件进行方向判断，寻找波长 和 的干涉信号同时过零点的位置，即零相位检测。

收稿 日期：2O13-02-27基金项目：国家 自然科学基金项 目(51205365)；浙江省 自然科 学基金项 目(Yl110495)；浙江侍育厅科研项 目(Y201019094和ZD2OO7OO4)作者简介：张雪峰(1988-)，女 ，浙江宁波人，硕士研究生 ，主要从事激光干涉测量技术的研究。

通信作者：严利平，电子邮箱：yanliping###zstu.edu.ca686 浙 江 理 工 大 学 学 报 2013年 第 3O卷零相位的检测精度将直接影响被测位移的测量精度，因此，在波长 和 。的干涉信号零相位附近，选取-个最优的采集点数，能够有效地提高过零点相位的检测精度。

图 1 激光合成波长干涉仪零相位检测2 零相位检测信号处理方法2.1 零相位检测方法零相位检测的信号处理采用填脉冲计数的方法，检测 和 z干涉信号的上升沿时刻差，向其填入高频脉冲CLK，填入的脉冲个数为 ，。在参考镜M 相位补偿过程中，从 干涉信号的上升沿由滞后 干涉信号的上升沿到与 干涉信号同相位，再到超前 的干涉信号上升沿的填脉冲数变化如图 2所示。在参考镜 M 匀速移动过程中，N 的值应该是呈单调的线性变化，当填人的高频脉冲数 N为零时， 和 干涉信号之间的相位差即为零相位。

CI Il lⅣl Ⅳ1m图 2 零相位检测信号处理方法2.2 零相位检测的过零点计算方法实际情况中，由于参考镜 M 运动的速度会有微小的波动，将引起 和 两路干涉信号周期的变化，从而导致填人 和 。干涉信号上升沿之间的填脉冲数会出现振荡，如图3所示。对应 和 z干涉信号的上升沿时刻差的填脉冲数与参考镜位移的变化趋势呈线性关系，需要用函数逼近的方法将离散的数据规律化。因此，可采用线性回归拟合的方法，求出对应填脉冲数为零时的参考镜位置 P，称作参考镜过零点位置。

籁是鸶0l- / -P 雠 m -图 3 填脉冲数的变化根据线性回归拟合公式 Y- b，有：∑(z - )( - ) ∑z Y -以- L - - - - - - 圭 - - - (2)∑(z - )。 ∑z 。-nsg- l -1bY-- ax- (3)式中， 为线性回归拟合点数，即零相位采集点数，-z 为第i个采样点，Y 为第 i点的填脉冲数， 为个采样点的平均值， 为 个填脉冲数的平均值。

参考镜过零点位置计算方法如图 4所示，当和 z干涉信号上升沿之间填人的脉冲数绝对值小于设定的阈值时，保存此时参考镜初始位置P ；当采集满 点时，零相位检测结束，保存此时参考镜结束位置 Pz，得到参考镜过零点位置 P：PP：P1(P2-P1)× (4)P P2图 4 过零点参考镜位置计算简图3 实验及其结果分析根据图1构建零相位检测实验装置。其中激光器采用英国 f NISHAW 公司的 XL-80双频 He-Ne激光器，参考镜 Ml的运动位移由德国PI公司的M-521.I)I)直线位移工作台提供，零相位检测信号处理采用美国TI公司的I](、P芯片TMS320F28335，30 MHz的外部输入频率经锁相倍频后成为150 MHZ的时钟频率((、L，K)。

TMS320F28335有 6个增强型捕捉拈，分别是ECAP1到 ECAP6，这里选用其中的 ECAP1和ECAP3。设置波长 和 。两路干涉信号的上升沿第 5期 张雪峰等：激光合成波长干涉仪零相位检测实验研究 687为触发信号，ECAP1和ECAP3捕捉单元计数器同时工作，记录波长 和 。两路干涉信号上升沿时刻差值为API-Chanl2-Dif(即两路干涉信号之间的填脉冲数)。当 API-Chanl2-Diff的绝对值小于设定 的阈值 20时，则开始将该上升沿时刻差值API-Chanl2- Diff存入寄存器数组 ECAP-BUF-SIZE中，并保存参考镜初始位置 P ，当数组ECAP-BUF-SIZE中保存到预定的数据采集个数 时，保存参考镜结束位置 P。。最后将得到的 个 API-Chanl2- Dif值做线性回归拟合，根据公式(2)、公式(3)求出拟合直线表达式，当 Y-0时，求出拟合过采样点值 X，。

图 5是-组实测实验数据分布，表示的是数组ECAP-BUF- SIZE中保存的 1 000个 和 z两路干涉信号上升沿之间的填脉冲数与数据采集个数之间的关系，参考镜初始位置 P -285 513.5 m，结束位置 P2285 829.9 gm。从图 5可以看出，这1 000个填脉冲数的总体分布是从负到正的线性关系，但是中间存在非常明显的振荡。采用上述的线性拟合方法，可以算出 口-0.163，b：-54.59，则-O时的拟合采样点值 Xs-335，再根据公式(4)，算得该实验中 和 两路干涉信号同时过零时，参考镜过零点位置 P-285 619.5 btm。

0 200 400 600 800 l000数据个数图 5 拟合过零点计算结果实验过程中，由于两路干涉信号上升沿之间填脉冲数的振荡，当拟合点数太少时，可能找不到填脉冲数为 0的拟合采样点值，因此可以通过设置数组ECAP-BUF SIZE的大小来控制拟合点数的多少，从而达到不同的拟合精度。在能够找到拟合过零点的情况下，分别设置数组ECAP-BUF-SIZE的大小为 7 000、10 000和 13 000，进行 55组重复性实验，拟合计算得到参考镜过零点位置如图6、图7、图8所示。参考镜过零点位置平均值分别为 283 388.8、285 830.9、286 533.2 tLm，标准偏差分别为 0.25、0.43、0.36 m。实验结果表明，选取 7 000个填脉冲数用于拟合计算参考镜过零位置，标准偏差最小，此时计算得到的过零点位置最准确。

量过 删《盼翅图 6 拟合点数为 7 000时过零点位置图 7 拟合点数为 10 000时过零点位置注：平均值 285 830.9 m，标准偏差 0.43/2m0 10 20 30 40 50 60实验次数图 8 拟合点数为 13 000时过零点位置注：平均值 286 533.2 gm，标准偏差 0.36m4 结 论探讨了激光合成波长干涉仪零相位检测信号处理方法及其在 DSP上的实现，开展了激光合成波长干涉仪零相位检测实验研究，分别以7 000，10 000和13 000个拟合点数进行零相位检测实验测试，其O O O O O O O O O O O O 咖鲫枷瑚咖踟㈣栅 咖湖枷7 7 7 7 7 6 6 6 6 6 5 5 勰 勰 鹞 勰g 咖 ：l；魁∞ 如 ∞ 如 ∞ 如 0 如 ∞ 如 ∞3 2 2 1 1 - l 1 2 籁是鸶688 浙 江 理 工 大 学 学 报 2013年 第 3O卷中7 000个拟合点数的校准偏差最小，为 0.25 Fm，验证了所设计的研究方法的可行性。