动态微位移量的自动干涉测量系统

　　1　系统硬件集成

　　光干涉计量是公认的高精度测量方法,立式接触式干涉仪[1]是基于光干涉的一种常用微位移量精确测量仪器,属于测试臂带有移动镜的迈克尔逊干涉仪。当被测件的尺寸有微小变化时,测头带动反射镜上下移动,将位移变化转化为干涉条纹的平移。目视情况下在分划板上读出条纹移动数,从而达到测量的目的。其工作方式分两部分:当插入干涉滤光片时是单色光干涉,用于定度;取出时是白光干涉,用于测量。本系统(图1所示)去掉了分划板和目镜,代之以面阵CCD摄像机,干涉图被直接成像在靶面上,CCD和图像捕获器将以光强表示的干涉图转换为以灰度阶数表示的数字化图像,由软件系统处理。同时将图像传输到显示器上,保持原有观察能力,更加便于观察和使用。当用计算机控制微位移驱动系统时,就可对被测件的微小尺寸变化进行自动、连续测量,构成动态测试的集成系统。

　　2　单色光干涉条纹的自动定度

　　接触式干涉仪的定度目的,是确定分划板上每一格所代表的位移量。用CCD摄像机取代人眼接受干涉图时,分划板由CCD靶面所替代,靶面的横向640像素相当于格值数为100的原分划板。因此,进行自动定度,就要确定CCD各像素所代表的测头位移量(称为像素格值)。考虑到接触式干涉仪的测量范围是由视场中的干涉条纹数确定的,一个条纹间隔的变化对应于测头位置变化λ/2(λ是干涉滤光片的中心波长),故只要确定在CCD靶面像素坐标上的干涉条纹间隔,即可完成定度。在单色光照明下,CCD接受到的干涉图和一维光强分布曲线如图2所示。系统通过比较图像中各点的光强来识别干涉条纹。光强极大(小)值,被认为是亮(暗)条纹的中心点。通过确定光强极值点的数量及空间坐标,就可以确定CCD的像素格值。

　　从图2可以看出,由于图像中干扰噪声的存在,光强分布曲线上含有大量因噪声引起的光强极值点。若要根据极值点位置确定条纹的间隔,必须通过数据平滑去除图像中的干扰噪声。在图像处理技术中,数据平滑的方法可分为两类,一类是空间域处理,一类是频率域处理[2]。我们曾采用Savitzky-Golay法与加权平均法在空间域作数据平滑,又采用快速傅立叶变换(FFT)方法在频率域数据平滑。实践证明,频率域的处理更有效。这是因为,作为有效信息的干涉条纹是变化缓慢的低频图像,具有一个相对固定的频率,而作为干扰信息的噪声多为随机变化的高频图像,基本平均分布在整个频谱域内。因此在频率域中设置一个低通滤波器,可滤除高频噪声。图2所示干涉图的一维光强表达式为

　　式中,y0为垂直于干涉条纹的一维抽样分析,a为背景光强,b为调制度,φ为位相,n为噪声信号,f0为因干涉仪参考镜与测试镜相对倾斜而引入的空间载频。由欧拉公式,(1)式可写为