基于多CCD同步协同的同步移相干涉测量技术研究

论文总字数：10551字

摘 要

同步移相干涉术以其天生较强的抗振特性，成为很多高端光学干涉测试设备的首选技术。针对美国4D公司的PhaseCam_6000干涉仪采用的单CCD，瞬时相移，高速光学相位传感器技术，提出了一种利用多个CCD同步分别提取几幅干涉图的解决方案，提高干涉相位图的空间分辨率。提出了一种基于OPA692视频放大器的同步信号驱动和分发电路，设计了一种以视频同步信号发生器CXD1217Q为核心的同步信号发生和外协同电路。

关键词：干涉测量；同步移相；抗振；多CCD同步协同

Abstract：Simultaneous phase-shifting interferometry is always considered firstly to be the basic technology of high quality optic-testing system ,as it is born with competency of anti- vibration. PhaseCam_6000, the product of 4D company in the USA, is made with Single camera, high-speed optical phase sensor to isolation vibration. So that, a program is brought up that several CCD cameras of the same characteristics are ultilized to pick up the different spacial interferograms synchronously, so that the spacial resolution of the interferogram can be improved effectively. A circuit of the drive and distribution of sync-signals is presented by using the video operation amplifier OPA692. Meanwhile, a central circurt of sync-signals generation and signal-cooperation is designed by the video sync-signal generator CXD1217Q as the main IC.

Keywords: interferometry; simultaneous-phase-shifting; anti-vibration; multi-CCD-synergy

目录

1. 绪论 1

2. 同步移相干涉原理 1

2.1 干涉条件及其实现 1

2.2 移相干涉 3

2.3 基于棱镜分光、 波片移相的同步移相干涉测量 5

3. CCD图像传感器原理 8

3.1 电荷存储 8

3.2 电荷耦合 9

3.3 CCD的特性参数 10

4. 系统设计 11

4.1 硬件电路实现 12

4.2 同步信号发生、外同步协同电路 12

4.3 同步信号驱动与分发电路 14

总结 15

参考文献 16

致谢 17

1. 绪论

光学测试技术中的干涉术（特别是移相干涉）及相关的干涉仪在现代工业测试领域发挥着举足轻重的作用。光学测试精度的发展更是象征着工业生产水平的进步。特别是近几十年来，由于将光学性能优越的激光技术、各类先进的光电子器件、数字信号处理技术以及电子计算机技术的引入，使得光学测试技术以工作波长为尺度的测量发展到一个前所未有的高度与水平，比如相关设备的测试灵敏度、准确度、重复性都获得了质的飞越^[1-3]。目前，光学测试技术（特别是代表高端技术的基于移相干涉的干涉仪）被应用于工业产品加工、检测、计量校准、国防等广泛的领域。

按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类^[1,3]。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一种是通过测量被侧面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量就得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即静态干涉；另一种是通过测量干涉场上指定点的干涉条纹的移动或光程差的变化量求得试样的尺寸大小、位移量等，即动态干涉。

在数字波面干涉仪中，CCD图像传感器作为系统中的核心元件，其性能的好坏直接影响到干涉仪的测量精度。CCD的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数以电流或电压为信号的载体的器件。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测^[2]。

本课题以数字波面干涉仪为基础，结合同步移相干涉术较强的抗振特性以及CCD图像传感器独特的工作原理，利用多个CCD同步分别提取几幅干涉图的解决方案以提高干涉相位图的空间分辨率^[3]。以及，设计了一种以视频同步信号发生器CXD1217Q为核心的同步信号发生和外协同电路，提出了一种基于OPA692视频放大器的同步信号驱动和分发电路。

1. 同步移相干涉原理
2. 干涉条件及其实现

干涉测量是一种基于光波叠加原理，分析处理干涉场中亮暗变化、条纹形状变化或其条纹数变化，从中获取被测量的相关信息的技术。

发生稳定的干涉现象的条件包括^[3]：

① 相遇光波的频率相同（或相近）；

② 相遇光波的相位差恒定；

③ 相遇光波的振动方向相同（或相近）；

④ 相遇光波的光程差小于光波列的长度。

在满足干涉条件的前提下，两束相干光波形成的合场强可以表示为

(1.1)

其中，∆表示为两束相干光波在干涉场中某点处的光程差；I₁，I₂则分别表示为两束相干光的光强；为它们的工作光波长。

由（1.1）式可知，在干涉场中光程差相同的点形成干涉条纹。亮纹和暗纹由以下两个方程决定。

(1.2)

(1.3)

其中，m=0,1,2,3⋯，表示干涉条纹的干涉级。

∆则表示干涉仪中两束相干光的光程差。如果用n_i, n_j分别表示干涉仪两支光路的介质折射率，用l_i,l_j分别表示干涉仪两支光路的几何路程，那么∆可以又可以表示成

(1.4)

如果在干涉仪的其中一支光路中引入被测量，那么干涉条纹也将随之发生变化，也即干涉仪的两支相干光的光程差发生了变化。通过对这种变化进行相关分析，可以得到测试物的各种几何量和物理量，比如平面度，密度等。

将一束光波分离形成两束相干光波，一般有三种方式^[3]。第一种方式称为分波前法，即利用平面上的两个小孔或反射和折射等方法，将一束光波的波前分为两束相干光波列，比如杨氏干涉装置（如图1）、菲涅尔双面镜、菲涅尔双棱镜、洛埃镜、比累对切透镜；第二种方式称为分振幅法，即是利用两个部分反射的光学平面，将入射光波前通过振幅分割的方法产生两个相干的反射光波或两个相干的透射光波，比如等倾干涉（如图2）、等厚干涉等；第三种方式称为偏振干涉，即是利用波片、偏振片等光学元件将光束进行分割。

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