基于低速面阵CCD的正弦相位调制干涉测量

　　1　引　言

　　1986年Osami Sasaki等[1]提出一种正弦相位调制(SPM)干涉仪,此干涉仪在参考光路中的反射镜背面粘有一个压电陶瓷(PZT),通过施加给压电陶瓷一个正弦变化的电压使它正弦振动,实现了对参考光束的正弦相位调制,通过对干涉信号进行分析求出被测的物理量。该方法具有结构简单、精度高等特点,在位移、振动、表面形貌、微角度等测量领域得到应用[2~7]。当正弦相位调制干涉测量技术应用于物体表面形貌测量时,由于CCD的帧速必须高于300 frame/s,才能满足信号处理要求,因此系统必须采用高速面阵CCD。而且,在实际应用中CCD帧速需要与正弦相位调制干涉测量技术中的调制频率成整数倍关系,特别是在测量表面内每一点微振动振幅时[8]。由于调制频率的选择与振动频率有关,因此CCD的帧速需要根据实际测量对象进行改变。

　　一般面阵CCD的帧速只有固定几个值[1](包括OsamiSasaki等设计的用于正弦相位调制的CCD探测器),这限制了调制频率的选择,使得调制频率只能取部分固定的值,不能根据被测对象需求调整帧速,无法完全满足正弦相位调制技术对CCD的要求。因此,本文分析和讨论影响CCD帧速的因素,提出一种基于低速面阵CCD的高帧速图像传感技术,研制了基于低速CCD的高帧速图像传感器,将其用于正弦相位调制表面形貌干涉测量研究中,比较了不同帧速下的干涉测量结果。

　　2　原　理

　　根据采样定理知,当CCD取样正弦周期信号时,帧速至少是调制频率的3倍[9],取样后的数据才能恢复出原信号。对于表面形貌测量,一般电流调制频率fc≥100 Hz[1],因此CCD的帧速必须大于300 Hz,才能用于基于正弦相位调制技术的物体表面形貌测量。但高帧速CCD的帧速同调制频率没有整数倍关系,成本高,因此,正弦相位调制表面形貌的高精度测量一直没有得到很好的解决。

　　一般CCD的帧速取决于电荷转移的工作频率和CCD的像素总数。对于低速四相面阵CCD,驱动脉冲使电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间τ,即t>τ。在正常工作条件下,t= T/4=1/(4f),其中T为驱动脉冲周期,f为驱动脉冲频率,可得

　　因此,电荷自身转移时间对驱动电路脉冲频率的限制决定了CCD最高工作频率。帧速与积分时间、转移时间、输出时间有关[10],而积分时间占主要方面。图1显示了积分时间与像素总数之间的关系。

　　由图1可知,像素受到一定时间光照将产生光生电荷,在外加驱动脉冲作用下从寄存器转移到输出电路,输出电压信号V(x,y,t)。像素总数越多,光生电荷的积分时间就越长[10]。只要控制每帧像素总数,使得积分时间、转移时间、输出时间减少,帧速就会提高。