压电晶体位移特性曲线干涉自动测量方法

　　0　引言

　　压电晶体(PZT)作为可控制高分辨率的微位移器件已经在光学测量1、精密工程2、天文主动光学以及光纤对焊等方面有广泛用途,其位移分辨率可达到0.01μm·在实际使用中用户最关心是PZT的动态的位移特性曲线,即PZT的位移量与驱动电压之间的关系曲线,如何高精度实时动态检测PZT特性曲线,这是非常重要的.

　　目前国内PZT的研制单位一般采用接触式干涉仪或迈克尔逊干涉仪等进行PZT位移量测量,这种测量方法一般定性地估读,不能进行实时动态检测出PZT随电压变化的特性曲线.我们利用干涉仪把PZT的微位移转化成干涉条纹相位变化量,通过快速傅里叶变换(FFT)方法复原干涉条纹相位的变化,从而换算出PZT的位移量,连续动态地测出PZT位移特性曲线.“FFT复原干涉条纹波前方法”一般应用在复原干涉条纹的波前的变化3,本文利用该方法来检测动态干涉条纹的相位平移量,从而求出PZT的位移量.根据此原理自行组合一套PZT位移特性曲线自动测试装置,编制了相应的控制、采样和计算软件,对我们自制的PZT进行实测,给出了PZT的特性曲线.

　　1　PZT位移特性曲线干涉测量原理

　　1.1　PZT位移特性曲线干涉测量装置

　　PZT位移特性曲线是施加在PZT上电压与PZT对应位移之间的关系曲线,该曲线反应了PZT的位移动态特性,要求对PZT在位移过程动态进行实时测量.图1为PZT位移特性曲线测试原理装置图,图中PZT测试干涉光路为典型的斐索型干涉仪,测试镜T与PZT相连,参考镜R与测试镜T之间形成干涉条纹,通过CCD摄象机可以把干涉仪中的干涉图采集下来,再由图象板把干涉图转化成数字干涉图贮存在计算机中待处理,计算机中的干涉图是干涉条纹的灰度值.

　　在图1中,PZT在驱动源的电压的驱动下推动测试镜T沿光轴方向位移,PZT在位移过程中改变了参考镜R与测试镜T之间的光程差,在干涉场中,干涉条纹随PZT的位移而平移,图2为PZT位移过程中动态实际干涉条纹,干涉条纹平移的相位变化量的多少反应了PZT位移量的大小.对于具有图2所示一定空间载频干涉条纹,光强分布值为4

　　 (1)

　　式中为a(x,y)为背景光强分布,b(x,y)为调制度,(x,y)为出瞳面上干涉场的坐标,fx,fy为参考镜R的倾斜所引入X和Y方向的空间载频,相位Φ(x,y)可表示测试镜的面形误差,l(v)为PZT的随电压变化的位移量,由式(1)可见,干涉条纹随PZT的位移l(v)而平移,动态的干涉图中包含了PZT的位移动态信息.

　　如图1所示,由于计算机既可以通过控制源来控制PZT驱动源的电压变化,又可以同时控制图象板和CCD对干涉图进行采样.因此,通过计算机给PZT由大到小线性施加电压,PZT随电压位移,干涉条纹在干涉场平移;同计算机控制CCD和图象板对动态的干涉图进行多幅动态采样,并贮存在计算机中;由式(1)可见在记录下动态干涉图的同时也记录下了PZT动态位移特性,只要对动态干涉图进行处理和分析,就能复原出干涉图中所含的PZT的位移特性曲线l(v).