红外移相干涉仪中移相器的非线性校正

　　1　引　　言

　　现代天文望远镜的光学系统主镜多采用大口径、快焦比的非球面镜。这类镜面加工中,细磨阶段镜面粗糙,不宜用传统的可见光干涉方法检验镜面的面型精度。根据物体表面对光的散射随光波波长增大而减小的原理,以红外光作检测光源,采用移相干涉法的红外移相干涉仪,可以对细磨阶段的镜面精度进行检测。其中,移相器(PZT)是红外移相干涉仪的关键部件。干涉仪工作时,要求移相器随步进数线性位移,以推动标准参考镜匀速平移。但由于PZT自身随电压伸长的位移特性曲线总是有一定的非线性。所以必须对其非线性进行校正,以达到移相器非线性度在1%以内的要求。

　　2　移相器电压位移特性

　　2.1　移相器简介

　　压电晶体微位移器(PZT),与其驱动源和控制器组成移相器。计算机通过接口卡向控制器输入数字信号,控制器里的15位数模转换器将数字信号转化为0V—5V的小电压模拟信号,去控制驱动源输出高稳定度的0V—300V的电压。PZT在驱动源电压作用下,表现为一种微米级的机械形变,与它的机械固定装置和导向装置一起推动标准参考镜平移,改变两路光臂的光程差,产生干涉条纹。移相器中,驱动源和控制器的输入输出都是线性对应的,唯有PZT的电压位移特性是非线性对应的。

　　2.2　PZT的电压位移特性测试

　　红外移相干涉仪采用WTDS—IB的PZT,其电压位移特性在中压段线性度较好。如图1,驱动电压v由驱动电源输出提供,位移um是驱动电压作用下PZT的位移,最大非线性误差约为6um,非线性度为9.6%。

　　3　位移非线性校正

　　3.1　几种非线性校正方法介绍

　　尽管压电晶体PZT构成的移相器具有体积小、分辨率高等优点,但存在非线性的不足之处,因此需要对它的非线性进行校正。通常有以下四种方法:1)闭环控制法[1];2)电荷控制法[2];3)设计参考模型法[3];4)逐次逼近法[4]。本文参考3)、4)两种方法提出一种分段非线性校正法。

　　3.2　分段非线性校正的原理

　　通常情况下,当驱动源对微位移器施加一个线性的电压序列时,微位移器对应产生一个不呈线性变化的位移。若驱动电源施加一个合适的非线性电压序列时,微位移器输出位移将会线性变化。实验发现,微位移器的电压位移特性在低压段位移线性度不如中压段的位移线性度。因此按最小二乘法寻求整体电压区域上的电压位移最佳拟合多项式时,这个最佳拟合多项式的逼近效果不如电压区域分段上的电压位移最佳拟合多项式效果。由于电压位移最佳拟合多项式是推导校正电压模型的基本根据,所以拟合多项式的逼近程度与真实情况愈接近愈真实,分段非线性校正的思想由此而来。