基于LMS算法的移相干涉仪环境振动控制器

　　引 言

　　移相干涉术(PSI)是一种以光学波长为单位的高精度、非接触式光学干涉测量方法，通常它也是一种时域测量方法，对外界环境的干扰十分敏感，微弱的环境振动会导致干涉条纹的抖动、模糊，使得在 CCD采样干涉图的过程中引入随机相位误差，难以保证 λ/20 甚至 λ/100 以上的预期测量精度。随着干涉测量应用场合的拓展，尤其是针对大型光学元件的测试和车间现场精密测试，除了对干涉测试系统采取必要的隔振措施外，应该运用特殊的主动抗振技术对环境振动进行实时补偿[1-3]，以获得稳定的干涉条纹图。在运用光学外差法测得干涉仪所受环境振动信号的前提下[4]，本文设计了一种基于高速 DSP 芯片的振动控制器，它由 DSP 核心芯片 TMS320C5402 以及外围电路(如 A/D、D/A、存储器等部分)组成[5]。振动控制器对环境振动信号进行实时采样、LMS 算法分析，输出反馈补偿信号，对振动引起的波前相位(光程差)变化进行自适应补偿。波前相位的补偿由 PZT 光学移相器完成。

　　1 干涉仪振动测量与控制装置

　　干涉仪所受环境振动的测量有多种方法，其中一个方法就是外差测振。如图1 所示，He-Ne 激光器、扩束器、分束镜 BS1、标准参考镜、PZT 移相器、成像物镜 、 光阑 、 CCD 等构成Twyman-Green 型移相干涉仪的主体。被测件与干涉仪放置于不同的平台上，外界环境振动直接影响参考臂与测试臂之间的光程差(OPD)。

　　为了测出环境振动信号，在干涉仪中嵌入如下光学外差测振系统：激光器输出的激光束通过声光调制器(AOM)产生 Bragg 衍射，0 级与1 级衍射光用角锥棱镜分开，0 级衍射光扩束后作为干涉仪的准直平面光源;1 级衍射光经分束镜 BS4 分为两部分，分别作为雪崩管光电探测器 APD1 和 APD2 的外差本振光;在干涉仪的参考臂与测试臂中分别插入分束镜BS2、BS3，于是从标准参考镜返回的参考平面光有一部分被分束镜 BS2 反射并经分束镜 BS5 到达 APD1 作为外差测量光，从被测件返回的测试光也有一部分经分束镜BS3、BS6 到达 APD2 作为外差测量光;这样在 APD1 和APD2 的光敏面上均有两种频率的相干光，形成外差干涉，输出两路外差电信号;两路外差电信号进入相位比较器(AD8302)进行比相[6]，输出大小不同的电压量来表示相位差，最终得到了以相位电压形式的环境振动信号。这一过程详见文献[4]。

　　在得到相位电压形式的环境振动信号后，以高速DSP 芯片为核心的振动控制器对相位电压进行实时采样，在DSP 内部进行分析，输出反馈信号至PZT 驱动器，控制 PZT 移相器对参考臂光程进行调整，以补偿环境振动对测试臂光程的影响。