（光学工程专业论文）多功能激光数字化干涉显微系统.pdf

浙江人学坝：j ：学位论文 摘要 本文提出并实现了一种幽光学显微系统、偏振干涉技术和条纹扫描波面位相 实时检测技术相结合，集三维轮廓测量和粗糙度测量为一体的多功能激光数字化 干涉显微系统。该系统将泰曼格林系统与光学显微系统结台，可用来测量不同 反射率样品表面的微观轮廓和粗糙度。 本文在分析了国内外不同干涉显微系统的基础上，根据干涉显微测量方面的 需求提出了采用偏振干涉和条纹扫描方式实时检测波面位相的激光干涉显微系 统，提出了一种可用于表面微观轮廓及粗糙度参数测量的光学显微干涉系统的光 路，然后介绍了条纹扫描波面位相实时检测技术以及四步移相法，并在此基础上 完成了光学系统及相关的机械结构。 设计并完成了精密移相的啦片机控制用于压电晶体驱动的高压放大电路，并 且提出了一种新颖的对工作状态下压电晶体非线性软件校f 的新方法，并得到了 很好的实验结果。 建立了干涉图像的采集、位桐计算、消跳变处理和波面拟合的相关算法，并 用软件实现了这些算法。 最后应用该系统对已知参数的阶梯板及精密表面进行了测量，得到非常吻合 的实验结果。 关键词：干涉显微系统、微观轮廓、粗糙度、移相术、偏振干涉 a b s t r a c t am u l t i f u n c t i o n a ll a s e ri n t e r f e r o m e t e rw h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r et h et h r e e d i m e n s i o nm i c r o c o s m i cp r o f i l ea n dr o u g h n e s so fo p t i c a lc o m p o n e n ti si n t r o d u c e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i tc o v e r sm i c r o s c o p y ，p o l a r i z e di n t e r f e r o m e t r ya n dr e a l - t i m ep h a s e d e t e c t i o na l g o r i t h m s i n t e g r a t i n gt y n m a ns y s t e mw i t hp o l a r i z e ds y s t e mt o g e t h e r ，t h e l a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sc o m p a t i b l ef o r t h es u r f a c ew i t hd i f f e r e n tr e f l e c t a n c e f i r s t ，o nt h eb a s i so fs y n t h e s i z i n gd i f f e r e n ti n t e r f e m m e t r i cm i c r o s c o p e ，t h ea u t h o r i n t r o d u c e dak i n do fl a s ei n t e r f e r o m e t e rc o m b i n i n gp o l a r i z e di n t e r f e r o m e t wa n d r e a l - t i m ep h a s ed e t e c t i o na l g o r i t h m s ，f i r s t ，ak i n do fo p t i c a lc o n f i g u r a t i o ni s i n t r o d u c e d ，w h i c hi sr e a l i z e di nt h ea b o v ei n t e r f e r o m e t e r t h e n ，t h eo p t i c a ls y s t e ma n d m e c l m i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h ei n t e r f e r o m e t e ra r er e a l i z e d ，w h i c ha r eb a s e do np h a s e d e t e c t i o na l g o r i t h m sa n df o u r - s t e pa l g o r i t h m i nt h ef o l l o w i n gw o r k ，w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dad ch i g hv o l t a g ea m p l i f i c a t i o n c i r c u i tb ym c u ，w h i c hi su s e dt od r i v e rp z t , a n dp r e s e n t e dan e wm e t h o dt om e a s u r e t h en o n l i n e a r i t yo f p z z a f t e rt h a t ，a l g o r i t h m sa b o mt h ea n a l y s i so fi n t e r f e r o g r a mw e r er e a l i z e di n m a t l a b t h er e l a t e dp r o g r a ma n a l y z e st h ei n t e r f e r o g r a m ，a n dg i v e st h et h r e e d i m e n s i o np r o f i l eo fs a m p l es u r f h c e f i n a l l y , w ea p p l i e dt i f f ss y s t e mt om e a s u r et w ok i n do fd i f f e i v n ts a m p l e s ，a n dt h e r e s u l to fm e a s u r e m e n tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h a tb yo t h e rm e t h o d ： k e yw o r d ：i n t e r f e r e n c em i c r o s c o p es y s t e m ；p r o f i l e ；r o u g h n e s s ；p h a s es h i f t i n g t e c h n i q u e ；p o l a r i z e di n t e r f e r e n c e 4 浙江人学碳 ：学位论艾 第一章绪论 1 1 国内外研究状况 目前常见的干涉显微系统主要有m i c h e l s o n 、m i r a u 、l i n i k 、n o m a r s k i 和双焦 干涉轮廓仪等五种，前三种属于分光路系统，后两种属于共光路系统。图1 1 分别给出了前四种干涉显微系统的原理图。 o r b s c ) m i r a u 系统 闱ii 再种r 涉系统慷胖i 蜊 桂镜 r m i c h e l s o n 系统要求物镜有较长的工作距离；l i n i k 系统要求两组物镜的波面 具有一致性；m i r a u 系统只需一个物镜，虽然属于分光路系统，但因为参考光路 和测量光路所处的环境条件比较接近，可以排除很多干扰因素；n o m a r s k i 系统 中参考光和测量光是由n o m a r s k i 棱镜分丌的，两者之问的夹角很小，是共路系 统，所以具有抗干扰能力强的特点，但是被测样品表面的倾斜、棱镜位置、光源 的强度分布都影响干涉条纹，相位信息的提取有很大的难度。双焦干涉轮廓仪的 原理如图1 2 。双焦于涉轮廓仪光路结构较为简单，并且测量光和参考光完全共 路。对外界振动和气流影响有很强的抑制作用，无需参考面1 2 1 ，因此也不存在由 浙江大学i ；】；l l 学位论义 ， m r 澈，匕嚣! ：丹上游井】0 啦措4 ”咒精5 州寰惩镜 6 址融1 目镜，叫分之池f i - 8 掩陶器9 九i u 搬什 i t l2 剐热i ：涉轮蛳投f 向采绒味删 参考面引入的误差，但不足的是只能获得被测表面的二维轮廓。 以上系统在实际应用中已经达到相当高的测量精度，像z y g o 公司的三维 表面轮廓仪n e w v i e w s 0 0 0 ，基于m i r a u 干涉结构，其纵向分辨率可达到0 1 n m ， 横向分辨率可达到o 4 5 u r n 。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室研制的双焦 干涉轮廓仪，其纵向分辨率小于2 r i m ；横向分辨率可达1 7 6 , t e n ，精度优于2 12 】。 以上许多系统由于受工艺限制，有些从国外进口，价格高达百万，而有些受 调整的技术限制难于普及。所以本课题将寻求面向科技产业化的以泰曼一格林干 涉结构为基础，组合了显微成像系统、光学偏振系统、移相系统和图像采集分析 系统。实现了显微干涉图像的数字化处理。浚系统既可以测量样品的三维微观轮 廓，又可以测量表面粗糙度，满足光学元件表面测量中的多种需求，系统结构简 单、信号稳定、操作方便，且具有良好性价比的数字化显微干涉系统，使科研更 好地为国民经济产业化服务。 1 2 本课题的研究内容及主要任务 本课题的研究内容是既可检测表面微观轮廓形貌又可进行粗糙度指标检测 的多功能激光数字化干涉显微系统。其具体任务如下： ( i ) 搭建光学原理性实验，并在此基础上设计实现光学偏振干涉显微系统 ( 2 ) 根据光学系统设计相关的机械结构。 6 浙江大学坝小学位论文 ( 3 ) 完成实现条纹扫描波面实时检测所需要的、由单片机控制电路、高压放大 电路和压电叠堆组成的移相控制系统。 ( 4 ) 完成显微干涉图像的数据采集和分析的系统软件，能够显示表面结构的三 维轮廓图、等高图及相关的粗糙度结果。 浙江大学硕i ：学位论文 第二章系统总体设计 多功能激光数字化干涉显微系统基于泰曼一格林( t w y m a n - g r e e n ) 干涉结构。 为了实现显微探测及数字化处理，整个系统在泰曼一格林系统的基础上又增加了 显微成像系统、光学偏振系统、移相系统和图像采集分析系统。通过干涉条纹移 相扫描的方式实现波面位相的实时检测。2 1 节介绍了泰曼一格林干涉系统测量 的基本原理以及条纹扫拙波面位相实时检测技术，2 2 节在此基础上论述了系统 总体结构的设计，并给出了详细的系统结构图。在2 3 和2 4 中详细论述了光学 系统以及相关机械结构的设计。 2 1 系统原理 2 1 1 秦曼一格林系统的测量原理 栅绷邶 嗍2 l 泰曼一格林干涉系统的基本结构见图2 1 。胁一肌激光器发出的光束通过 一个望远镜系统被准直扩柬，然后通过分束器被分成光束1 和光束2 。光束l 被 参考镜反射，透过分束器形成光束1 。，而光束2 则被待测样品表面反射，再经分 束器的反射形成光束2 。1 和2 。这两束光束在观测面上形成干涉。 浙江犬学颂1 b 学位论文 2 1 2 条纹扫描波面位相实时检测技术” 根掘上面的的测量原理，采集一幅干涉条纹图像进行分析就可以得到被测样 品表面轮廓信息，但是由于这样的条纹实际还包含干涉仪自身的系统误差，并非 完全是被测表面的实际面形误差，而且测量过程中大气扰动、振动等随机影n 向也 会引入误差。这使检测精度只能达到五2 0 一五3 0 。因此，本系统采用条纹扫描 波面位相实时检测技术，以减小随机误差对检测精度的影响。 其基本原理如下： 在图2 中，参考镜被压电晶体驱动产生位移，其t 时刻的位移为d ，被测 表面的面形为 ，i = 口e x p i 2 k ( s + d ) ( 2 - - 3 ) 被测光路波面为 w 2 = 6 e x p i 2 k s + ，( x ，y ) ( 2 4 ) 式中口，b 为两波面光强振幅，s 为两干涉光路的起始光程。根据干涉理论，干涉 条纹的光强分稚为 l ( x ，y ，一) = j ”，l + w ! l 2 = a 2 + b2 + 2 a b c o s 2 k w ( x ，y ) 一d ， ( 2 5 ) = ( “2 + b2 ) ( 1 + r c o s 2 k w ( x ，y ) z 】) 式中r = 2 a b ( a 2 + b 2 ) 为干涉条纹的对比度。 式( 2 5 ) 蜕明，干涉场中任意一点的光强都是d ，的余弦函数，出于d ：随时 间变化，因此式( 2 5 ) 具有时间周期函数的性质，这就可以应用通信理论从带 有噪声的信息中提取信号的相关检测技术或同步检测技术，以便从带有噪声的干 涉条纹中提取出所需要的波面位相信息。 设干涉条纹光电接收时，由于振动、空气扰动、光源及光电转换系统的噪声 等的影响，使信号中不仅包含被测的位相信息，而且还包含有噪声项”( f ) 。若用 一个相同载波频率的余弦信号与被测信号进行相关运算，则有 = 。恶* 地出一) 州明c 。s 2 k d , d t ( 2 6 ) 浙江人学硕士学位论文 把式( 2 5 ) 代入上式，并设n ( f ) 为纯随机噪声，则其相关积分场为 - r e o s 2 k w ( x ，y ) ( 2 7 ) 因此相关函数 反映了波前w ( x ，y ) 的大小，为了能得到w ( x ，y ) ，将被测信号 同时与s i n 2 k d , 相关，于是同理可得 = r s i n 2 k w ( x ，y ) ( 2 8 ) 则由式( 2 - - 7 ) 、( 2 - - 8 ) w y ) = 去信“豢 ( z _ 9 ) 为了利用干涉检测达到与上述相关检测技术相同的结果，把式( 2 - - 5 ) 展丌 成傅立叶级数的形式( 设对比度，= i ) ： i ( x ，y ，d ，) = + a lc o s 2 k d , + b ls i n 2 k d ， ( 2 1 0 ) 式中 a o = a 2 + 6 2 a l = 2 a b c o s 2 k w ( x ，y ) ( 2 1 1 ) 乜= 2 a b s i n 2 k w ( x ，y ) 为便于对干涉场内多数据点采样，使d 作阶梯式变化，如图2 1 所示。因为d 每 变化2 2 ，条纹亮暗变化一个周期，设一个周期内d 的阶梯数为肝，也即d 变化 一个条纹周期对每个场点采样n 次，其采样值为 i ( x ，y ，d ，) = 爵o + 口1c o s 2 k d ，+ b ls i n2 k d ， 咖去t 圳小z 3 n 一， _ 1 2 根韬= 角幽数的j f 燹性关系，口 求出傅立叶级数的各个系数，即 铲音善m 彤西) 铲言善地州) c o s 2 蜮 ( 2 - 1 3 ) ”考善如州凋们纠r 式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 3 ) 给出的傅立叶级数表达式式在平方意义匕对干涉场喜 浙江大学硕一【：学位论文 吣川= 去留。导 ：土一2 ll ( x , y , d , ) s i n 2 k d i 2 1 4 2 。喵吾窆地州) c o s 2 m w ( x ，y ) = = 去t g 1 z 庀 j 善似们) s i 舵材 ；善jz p ，c x , y , d j 灿s z 材 ( 2 1 5 ) 因此，孔径内任意一点的位相即可由该点上”p 个光强采样值计算求得，算出 整个孔径上各点得位相，就可得到整个被检表面得位相或面形。 由式( 2 1 5 ) 可见，干涉光强中的直流项口和b 被消去，因此光强扰动产生 得直流漂移也被消除了。 在相关检测过程中，位相w ( x ，y ) 的测量误差与随机噪声、条纹对比度和检测 时得抽样数等因素有关，根据通信理论求出得相关检测得位相均方误差为 一 w , - 7 一丽1 ( 2 一1 6 ) 式中为抽样数，n = n p ；s 为信号的信噪比。式( 2 - - 1 6 ) 表明在相关检测 中增加抽样数| v ，可有效地抑制随机噪声对测量的影响。 2 1 3 四步移相法 在上面讨论的波面位相实时检测中，有多种的移相方法，有三步、四步、五 步等等，可根据需要选择合适的移相步数。本系统中应用四步移相的方法，其 原理如下： l l 浙江大学顺_ ：学位论文 根据上一节，若在一个条纹亮暗变化周期内，阶梯数为4 ， 可由以下表达式确定： ，( x ，y ，仍) = ，o 1 + ，c o s o ( x ，y ) + 妒，】 式中 仍：生坚，f = l ，2 ，3 ，4 将上式可写为 ，l = i o 1 + r c o s ( p ( x ，y ) 】 ，2 = i o 1 一r s i n 妒( x ，y ) 1 1 = i o 1 一c o s o ( x ，y ) 】 1 4 = l o 1 + rs i n e ( x ，y ) 】 根据式( 2 1 8 ) ( 2 2 1 ) 可得 则干涉场的光强 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 贴棚咄1 惜( 2 - - 2 2 ) 本课题中干涉图像位相分析就采用的是四步移相法。 2 2 系统的总体结构 图2 2 即为多功能激光数字化干涉显微系统的总体结构图 浙江- 人学硕1 ：学位论艾 i f i ；i 摊，c n e 激光： ： 2 州2 波 3 水 扩柬器4 偏振分光枝髓5 , v 4 波 6 显微物镜i7反射毓8j h ； g t * 体茜堆9 烈瞪什透镜l o 韭微物镜2i i x 1 4 波片1 2 被测样品1 3 捡偏器1 4 衰碱j # i5 成像透镜 2 2 如图2 2 ，来自激光器的光束经分束后，分别于参考镜表面和被测样品表面 反射，在c c d 表面形成干涉条纹。计算机控制移相系统驱动压电晶体产生位移， 然后在控制图像采集系统对干涉条纹图像进行采样，最后对采集到的干涉图像进 行分析。 从功能的角度上，可将整个系统划分为光学系统、相关机械结构、移相系统、 图像采集系统以及图像分析等五部分。以下对各个功能部分做以简单的蜕明，具 体的设计及实现在以后的章节中将会一一论述。 光学系统是以泰曼一格林干涉系统作为基本的干涉结构，并在此基础上增加 了显微系统，采用偏振干涉的方法。 移相系统包括单片机控制电路、高压放大驱动电路和压电晶体叠堆。它通过 计算机的控制，输出直流高压到压电晶体叠堆上，使压电晶体叠堆发生位移，最 终出于参考光路的光程发生变化而使干涉条纹产生位相调制。 浙江火学倾_ ：学位论文 图像采集系统由c c d 图像传感器和图像采集卡组成，在计算机的控制下对 干涉条纹图像进行采集，并将图像存储在计算机硬盘上。 干涉图像分析通过对多幅干涉图像的分析，经过波面位相连续化和消倾斜处 理，得到不同样品的微观表面的轮廓以及粗糙度数据，并用三维图直观地显示出 来。 本章以下小节将对其中的光学系统以及相关的机械结构设计两个部分进行 详细地论述。第三章对移相系统的设计与实现进行了论述。干涉图像的采集和分 析则在第四章中作了论述。 2 3 光学系统 在图2 2 中已给出了详细的光学系统结构。 光学系统的工作原理具体如下： 偏振h e n e 激光器发出一束线偏振光，通过偏振分光棱镜分成两柬线偏振 光，偏振分光的原理如图2 3 所示。其中在偏振分光棱 镜上的反射光是偏振方向垂直于纸面的，透射光的偏振 方向则平行于纸面。反射光通过一个x 4 波片，变为圆 偏振光，被显微物镜l 聚焦于平面参考镜上，经平面镜 的反射通过显微物镜l ，再次透过五4 波片，由圆偏振光 变为线偏扳光，但偏振振动方向发生了变化，由垂直于 纸面变为平行于纸面。偏振分光棱镜上的透射光通过双 胶合透镜与显微物镜组成的显微系统，透射经过x 4 波片，变为圆偏振光，照剁 在样品表面，经样品表面反射再次通过x 4 波片和显微镜系统，偏振方向变为垂 直于纸面。这样参考光和检测光经偏振分光棱镜的透射和反射，再通过一检偏器， 在检偏器透光轴上相同振动方向的分量形成干涉。干涉图像再经成像透镜成像在 c c d 表面。由于激光光强对c c d 来说过大，为防止c c d 图像产生饱和，所以需 要光束进入c c d 前的光路上放置衰减片。 4 浙江人学硕i ：学位论文 由于分束器为偏振分光棱镜，并且光路中加入了五4 波片、检偏器等偏振光 学元件，所以图2 2 中的光学系统是偏振干涉系统。采用偏振干涉系统具有的特 点是：能够有效地消除非被检表面的光强干扰；同时能够改变参考光路和检测光 路的光强。根据式( 2 1 ) ，条纹的对比度为 r = 等= 去s - ( 2 - - 2 3 ， ba 显然当玎= b 时，= l ，此时条纹对比度晶好，在本系统中可以通过调整偏振系 统改变参考光路和检测光路的光强得到较好的条纹对比度。这使本课题中的光学 系统对于不同表面反射率的样品具有很强的适应性。 2 4 相关机械结构 根据图2 2 所示的光学系统结构设计相关机械结构如图2 4 。 机械结构的设计不仅要考虑能够装载光学元件，而且还要考虑系统工作时能 够方便地调整光学系统。另外由于本干涉测量系统是非共路的，所以对振动、空 气扰动的影响比较敏感，在机械结构的设计中应尽量使两支干涉光路的镜筒保持 较好的刚性。出于采用的是多纵摸的娩一a 0 激光器，如果参考光路与检测光路 的光程不等时，干涉条纹的对比度会随着激光器模式的漂移发生改变。所以在设 计时尽量使参考光路和检测光路等光程。对于机械结构的细节，图2 4 已经都包 括了，这里不再赘述。 出于设计中较好的剐性及等程差的设计，利用该机构在最后的系统调整中获 得了非常稳定的表面微观结构的干涉图样，为数字化处理打下了扎实的基础。 浙江大学烦i ：学位论文 2 5 小结 本章主要阐述了本研究涉及的多功能激光数字化干涉显微系统的基本原理、 条纹扫描波面位相实时检测技术以及四步移相法，在此基础上构建了本系统的总 体结构，并实现了其中的光学系统和相关的机械结构。采用偏振干涉系统的设计 有效抑制了光学系统的噪声及光路中杂散光的影响。 本系统主要是用于于涉结构的研究，整个光学系统没有经过专门的光学设 1 6 浙江人学i i | ； l 学位论文 计，这一点在系统改进中将会提到。 浙江大学坝i ：学位论史 第三章移相系统 移相系统是由于条纹扫描波面相位实时检测技术中需要位相调制而产生，本 课题中的移相系统包括单片机控制电路、高压放大驱动电路和压电晶体叠堆三部 分。本章对移相系统的设计和实现做了详细地论述。首先在3 1 节中，简要介绍 了压电晶体的电压位移特性，然后在3 2 节中讨论了移相驱动电路的设计和实现， 并测量了驱动电路的相关参数。最后在3 r 3 节中对移相系统的性能参数，即压r 邑 晶体位移曲线进行了测量，并用最小二乘法来拟合曲线。 3 1 压电晶体的微位移特性 在压电晶体两个表面施加定的电压，压电 品体会沿施加电场的方向发生微量的伸缩。压电 晶体的这种性质使它能够用作微位移器。压电晶 体的微位移是由电致伸缩效应、逆压电效应和铁 电效应的共同结果，由于电致伸缩效应对位移的 贡献极其微弱，可以忽略不记；单纯的逆压电效 应是线性的，而铁电效应则是迟滞非线性的1 6 1 1 ”，这导致施加电压与压电晶体产 生的位移之间的关系是返滞非线性，如图3 1 所示。非线性表示施加电压的变化 与微位移的变化不是线性关系，而迟滞性表示电压递增与递减的位移曲线不是同 一曲线。压电晶体的迟滞性是用迟滞系数来表征的。迟滞系数定义为两条曲线问 的最大偏移量与在所施加的电压范围内压电晶体的最大位移之比，即d d 。， 最大能达到2 0 。 另外，压电晶体还存在动态频率响应的特性 8 1 。例如采用f 弦交变电压驱动 压电晶体，当交变电压的频率上升到某一数值时，压电晶体的动态位移值比静态 位移值小，也就是蜕压电晶体的位移的变化落后于驱动电压的变化，而且随着频 率的增加，这种落后的现象越来越明显。压电晶体的动态频率晌应随压电材料、 压电叠堆的粘合、电路驱动方式的不同都会有所改变，根据文献1 7 1 中测得的数据， 1 r 浙江人学颂l 学位论文 动态频率响应的范围在0 l k h z 之间。 压电晶体位移的控制方式有很多，包括电压丌环控制、电压闭环控制、电衙 闭环控制等p 1 ，这里采用电压丌环控制。出于丌环控制是基于模型的控制，所以 在丌环控制是必须知道压电晶体特性数学模型。在后面的小节中我们测量出压电 晶体的特性曲线，并用二次多项式进行拟合。 在本课题中，移相系统工作时只采取电压递增的方式驱动压电晶体位移，所 以对压电晶体的迟滞性可以不予考虑。另外，在本系统中对图像采集的速度没有 严格的要求，移相系统的电压驱动频率小于2 5 h z ( 根据c c d 图像采集的速度) ， 所以对压电晶体的动态频率响应也可以不做考虑。以下各小节主要考虑压电晶体 的非线性。 3 2 移相驱动电路 根据压电晶体的性质以及条纹扫描微观轮廓波而实时检测的需要，移相驱动 电路要求能在0 3 0 0 v 的范围内线性可调，且最小分辨率为0 1 矿，电压波动在 0 1 v 以内。为了计算机控制达到o 1 v 的电压分辨率，8 位d 爿已不能满足需求， 因此实现一个1 2 位的d a 输出，以得到较高的电压分辨率。移相驱动电路采用 单片机控制高压放大输出，通过串行1 ：3 与计算机通信。 3 2 1 移相驱动电路的设计和实现 移相驱动电路的结构如图3 2 所示 杜十h 一“础l u 路 。，一，。j ：一一一一一一一一一一一一一一一一一 ：高l h 刊 也- 悱 计算机通过r s 2 3 2 串行口发送数据到单片机，单片机接受到要放大的电压数 浙江人学坝i ：学位论文 掘后，向d a 发送数据，由d a 将数字信号转换成模拟信号提供给高压放大电 路，高压放大电路将o 5 v 的电压放大至0 4 0 9 6 v 输出到压电晶体( 由于高 压放大电路偏压的缘故，实际电压输出的范围没有这么大) 。 根据功能划分，整个移相驱动电路可分为单片机控制电路和高压放大电路两 部分。 ( 1 ) 单片机控制电路 单片机控制部分的电路如图3 - 3 。 选用a t 8 9 c 5 1 作为单片机控制芯片，为了实现串行口与计算机进行通信，选 用m a x 2 3 2 c p e 作为电平转换芯片，以实现丌z 和r s 2 3 2 之间的电平转换i t o l 。 1 2 位d a 选用”公司的t l v 5 6 1 6 c p 。d a 的电压参考芯片选用 a n a l o gd e v i c e 公司的高精度电压参考芯片a d 7 8 0 ，输出电压2 5 y ，最大误 差为l m v 。d a 输出接运算放大器n e 5 5 3 4 构成的电压跟随器，以提高带负载能 力。采用7 4 l s l 6 4 移位寄存器实现l e d 驱动电路。a t 8 9 c 5 l 芯片的 p 3 2 、p 3 3 、p 3 4 、7 4 l s l 2 5 和7 4 l s l 3 9 构成片选电路。外部输入电源为1 5 v ， 通过l 7 8 0 5 转换成+ 5 矿电压提供给a t 8 9 c 5 1 、片选电路、l e d 驱动电路以及 m a x 2 3 2 c p e 。 电路工作原理如下： 首先，a t 8 9 c 5 l 芯片通过7 4 l s l 3 9 选通与m a x 2 3 2 c p e 相连的7 4 l s l 2 5 三态 门，等待计算机通过串行口输入数据。a t 8 9 c 5 1 接受到数掘，经过一定处理， 选通d 4 芯片，通过串口通信方式0 将数据发送给t l v 5 6 1 6 c p ，然后将数据变 换成显示编码，选通l e d 驱动电路，显示输入数据。t l v 5 6 1 6 c p 接受到来自 a t 8 9 c 5 1 的数据，将其转换成0 5 v 的模拟信号，输出给电压跟随器。在完成 d a 转换和l e d 显示后，a t 8 9 c 5 1 会延迟一段时问然后发送信号通知计算机 d t a 转换完成。a t 8 9 c 5 1 发送数据到d a 和l e d 驱动电路都是通过串行口通 信方式0 ，和计算机通信则采用方式1 ，具体的通信机制见文献。 2 0 浙江人学颈i ：学位论文 ：，；一。；：；：蛙重托；。鹌二：蠢撕芒f一：。誓t童 葛_釉盘：、_!。!， ! ：l “0 ；羹巨 霉誊 一 m j = = ) 日! 洲 m = = = ) - 一 卜o ：“叫 竹一v荨坤# = 嚣并 - _ _ _ _ - 一e m l 、 = ； i i 所孤；一”0 ；鞲三毒套 _ - - _ _ _ _ _ _ 一 l l 、l川，如 i ：l ； $ 三羹鲁粼 、“f n 墒i 、比= ， f ；二穹摹鞘 “- _ _ _ _ _ _ _ _ ，。“。 一习镐旨陌 ：； ： _ “j 一”：j 鳍三；莓套 卜“：“一掣 蒂? 0 纂鞘 t f _ _ - - _ 一i i 口| 、 ? 1 广 1 i - i 划l 护 7 m 器j 萎巨宝蔫釜 $ 葛錾邑粼 、一r 一j ：1 l o l “| _车；= j 鞣! 瓣 ： 。蛆：l 1 。；t 、 2 i 5 # l 二 b1 u i 1 f 每h v i i 襄 i i ! 壕 赢籼| 。 j 卜 _ 一 图 h * 目释攀器 强 1r i 书；上# 弛t 0 j ；蘸缓臻嚣瓢，i ，“曩i 支扛 ；卜_ 可卜l 酽圹鼗 h 埠l ： i 参点 蠡 1 二 浙江大学硕i ：学位论文 下面对d a 芯片t l v 5 6 1 6 c p 作简要的介绍：d i n 珏y 5 6 1 6 c p 是t i 公司的1 2 位d 名芯片，最大s 雩芸 线性误差为o 0 8 ，具有两种转换速率模式，d a 转 f s 换的时间分别为3 , u s 和9 圳，高阻抗参考电压输入。 数掘输入为串行通信方式，封装形式为p d 伊，管脚 定义如图3 4 。数据输入的时序如图3 5 c s f 8 v d d o t 盯 r e ff n a g n d 卜止t w f s c 螂 罔35 图3 5 中各参数要求见表3 1 。 这里注意，由于死y 5 6 1 6 c p 输入数据 时，要求从最高位d 15 丌始，而a t 8 9 c 5 1 在 串1 ：3 通信方式0 时先输出最低位，所以 a t 8 9 c 5 l 在发送数据到7 z 矿5 6 1 6 c p 之前要 先将数据做倒序处理。 单片机程序流程图见图3 6 ： 拍i nn o 聃m a x u k l t t s u c c s - f s l 1 0 t s u ( f $ - - c 目 8 t s t h c t 6 4 ：s ) 1 0 t s u ( c 1 6 z , s ) l o 蛐 2 5 t v a _ 2 5 o l 8 i | 1 f d ， 5 t w h ( f s ) z 0 浙江人学硕l 学位论史 开始 初始化与计 算机通信 向计算机发送 返同信息 k 魏裂哑据帧否乙l 二r 二 将接收的数据 做倒序处理 发送数据剑 上d 驱动电路 选通d 4 发送数据 削36 单片机的程序见附录l 。 ( 2 ) 高压放大电路 由于压电晶体在逆压电应用时，电特性与电容器相似。由于在工作范围内压 电晶体只有很小的漏电流，对于提供压电晶体的驱动电源来说，其负载可以看作 是一个纯电容，在稳态时功耗为零。高压放大电路采用运算放大器和晶体三极管 结合的多级放大，并运用电压串联负反馈方法来稳定输出电压，既利用了运算放 大器开环电压增益非常高的特点，又利用了晶体三极管的耐压可以达到很高的特 点。高压放大部分的电路如图3 7 。 浙江大学硕士学位论文 2 4 ik“?pj 匿：嘏强鹱喜冀鞠箍菩瑟藿警蝠雾譬廷 浙江人学倾j ：学位论文 电路工作原理如下： 高压放大电路输入为0 + 5 v ，运算放大器u l 与电阻r 2 、只4 以及电位器r l 构成反相器，u l 输出端电压u ，。从0 一5 v 。运算放大器u 2 与功率三极管 q l 、9 2 组成负反馈放大电路，将u 。放大到移相驱动所需的电压范围内。实际 起电压放大作用的只有q l ，q 2 对电压增益的大d 、并没有贡献，它的作用是构成 射极跟随器，提高带负载能力。放大管q 1 、q 2 的偏置采用非对称的电压供给 ”。电容c 2 用做滤波，减d 、电源电压波动对放大电路的影响。以下对u 2 与 q l 、q 2 组成的负反馈放大电路做一定的分析。 假定c ，2 的同相输入端电压u 。降低，根据运算放大器的性质，u 2 输出端的 电压也会降低，三极管q l 的基极电压己，。也随之降低。根据电路图有 u = u “l + ，f i - r 1 4 + u r l ( 3 - - 1 ) 上式中，u 。l 是三极管q l 基极与发射极之问的电压，约为0 7 v ；，。为发射极电 流；u ，是m c 7 9 1 2 提供的电压，为一1 2 v 。 将上式变为 k ：垃墨止垃( 3 - - 2 ) h l 一瓦 由于q l 的集电极电流，“= 万p 石7 “，所以有 “2 寿。半 ( 3 3 ) 根掘式( 3 3 ) ，显然当三极管q 1 的基极电压u 。降低时，其集电极电流会减小。 由于 u ( 1 = u f ，2 一( r 1 2 + r 1 3 ) - ，( 3 4 ) u2 = u 1 一u j 2 浙江大学硕1 ：学位论文 式中u ，2 = 4 0 0 v ；u 。2 是三极管q 2 基极与发射极之间的电压，约等于0 7 v 所以u 。：随u 2 的同相输入端电压u 。降低反而升高。由于u 。是反馈电压，它的 变化与u 2 的同相输入端电压u 。的变化方向相反，所以运算放大器u 2 与功率 极管q l 、q 2 组成的电路为负反馈电路。 根据负反馈放大电路的性质，电路的电压增益只与电阻毛、r ，、r 。有关“， 电压增益为 4 ：= 鲁= 等一熹( 3 - 5 ) 由于u l 与电阻r 2 、r 4 以及电位器r i 构成的反相器可看作是电压增益a 。= 一1 的放大电路，所以整个高压放火电路的电压增益为 爿。= 4 一爿一= r 旦5 + r7 ( 3 6 ) 为了选取合适阻值的尺；、尺，以及r 。，需要先确定高压放大电路电压增益爿， 的大小。在本课题中，考虑到高压放大电路电压要求的最小分辨率。= 0 1 v ， 而残y 5 6 1 6 e p 电压输出的最小变化为y 一n = 4 0 l 9 6 y ，所以有 4 。：型互：l ：8 1 9 2 ( 3 - - 7 ) a v 。 5 4 0 9 6 考虑到反馈电压 ，能到达3 0 0 矿甚至更高，反馈电阻r ，选用阻值为1 d n 。根据 式( 3 - - 6 ) 和( 3 - - 7 ) 霞，+ r ，：旦：些。1 2 2 1 k q( 3 8 ) 。 a ，8 1 9 2 。 所以r ，选用1 盥的电位器，r ，选用1 2 k f ) 的电阻。 由于高压放大电路在工作的时候，构成负反馈放大的三极管q 1 、q 2 集电极和发 射极之阃的电压可达到4 0 0 v ，所以选用集电极一发射极耐压可以达到7 0 0 v 的 b u 5 0 8 a 作为放大管。因为要承受高压，蜀、r 1 2 、r ，都采用功率电阻，额定功 浙江火学碳j ：学位论文 率分别为2 5 w 、1 0 w 、1 0 w 。 3 2 2 高压放大电路参数的测量 通过计算机串行口通信向移相驱动电路发送数据，测量了高压放大电路实际 输出电压值，测量的电压数据如图3 8 ： 测量电压与理想情况的对比 i 一测量电压曲线l 乏 j理想电压曲线1 7 - 口5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0 v l 卅3 8 可以看到，高压放大输出电压在0 3 0 0 v 的范围内成线性分布，在3 i o v 左右发 生截顶，与理想电压曲线存在一定位移。输出电压在0 3 0 0 v 内的最大偏差 a v , 。= m a x ( 1 k + 一k1 ) = 4 3 6 ， i = 0 ，1 ，2 ，3 3 0 0( 3 - - 9 ) 上式中r 。为测量电压值，”为理想电压值。平均偏差为 丽= 漕k - - 吣2 3 3 5 ， n = 3 0 1 所以输出电压的最大误差 、= 而a v 丽m , a x = 1 4 5 ( 3 1 0 ) 铷 ；善 拗 描 伽 仰 o 卸 ) m 铆 浙江犬学坝l 学位论文 平均误差 5 , - 7 = 。a v 【，j = 0 7 7 8 3 。 另外，测量得输出电压为1 5 0 v 时，输出电压的波动在o 0 5 v 之间，所以纹波系 数为o 0 6 7 。由于压电晶体本身的电压位移关系是非线性的，所以对高压放大 电路的线性并没有很高的要求，但对其纹波系数要求较高。在下一节中会看到上 面的测量参数足以满足移相的精度。 3 3 压电晶体位移曲线的测量及拟合 压电晶体位移曲线的测量采用了两种不同的方法，第一种方法应用j d s l 型 接触干涉仪束测量压电晶伴的电压位移曲线，测量数据如图3 9 ： 1 8 0 口 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 呈1 0 0 0 篓8 d o 0 4 0 0 2 0 0 0 压电晶体电压位移曲线 l 一电压递增位移曲线l 一 电压递减位移曲线i 彰 ， ， ， l 刃 ，乒 吵； j 衫 05 01 d d1 5 d2 0 02 5 03 0 0 电压 从上图可以看到压电晶体曲线是迟滞非线性的。在0 3 0 0 v 的驱动电压范围内， 压电晶体的最大位移能够达到将近3 x ( z = 6 3 2 ，8 n m ) 。 第二种测量方法是在整个多功能激光干涉显微系统组装完成的基础上，依掘 系统的实际工作状念，用平面反射镜作为被测样品，应用c c d 采集多幅干涉图 像，通过对干涉图像的分析获得压电晶体的电压位移曲线。具体过程如下： 2 8 浙江大学倾l j 学位论文 计算机向移相系统发送数据，使高压放大电路输出的电压能够一伏一伏增 加每增加一伏采集张干涉图像。这样在0 3 0 0 v 的范围内，可以得到3 0 1 幅 干涉图像。提取这些图像上某一个固定点的狄度信息，得到这个点的狄度变化信 息，如图3 1 0 所示。 实际上灰度变化就是位相的变化。可以看出图3 1 0 的曲线近似于余弦曲线。 为了尽量减少采集图像中的噪声以及其他误差的影响，在采集干涉图像时先将二1 = 二 涉条纹凋至垂直方向，沿干涉条纹方向多采几个点的灰度取平均值。根据式( 2 莱点随电压变化的灰度变化图 - - 3 ) ，干涉图像某点的光强变化为 l ( d ，) = a 2 + 62 + 2 a b c o s 2 k ( d ，+ z ) 】，i = 0 ，t ，2 ，3 3 0 0( 3 1 1 ) 式中( f 。表示初始位移，以为电压为f 时改变的位移。当c o s 2 k ( d , + 吐) 】：l 时 有 ，。、= a 2 + 6 2 + 2 a b ，。：口2 + 62 2 n 6 ( 3 一1 2 ) 根据式( 3 - - 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 有 浙江人学顺士学位论文 ，( 吐) = ! 竺l 孝立l + ! 竺l 三韭l - c 。s 2 k ( 以+ d ，) 】 ( 3 一1 3 ) i = 0 ，1 ，2 ，3 3 0 0 所以 d 。+ d ，：去。一- i 掌 ( 3 一1 4 ) 出于反余弦函数值域的缘故，上式的结果在【o ，7 - 的范围内，需要做连续化处理。 将图3 1 0 中的数据用式( 3 1 4 ) 计算，并做连续化处理后得到图3 1 l ，为了与 方法一中的数据做比较，将两者的数据画在同一图上。 压电晶体电压位移曲线 1 0 1 咖 1 4 0 0 1 2 0 0 至1 0 0 0 熟8 0 0 趔 0 4 0 0 2 0 0 0 - i力 古一时删亘烈= 【j 占 ， l 一方法二的测量数据 ，7 ；i 矗 ， 缪 少 7 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 电压( v ) 俐3 1 1 从图3 1 1 中可以看到，两种方法测量压电晶体的电压位移曲线存在较大的差异， 这主要是由于两种方法测量时压电晶体的安放方向不同，测量中受力变化而造成 的。方法二测量时的压电晶体是样品测量时的工作状态，所以在后续数据处理中 都采用方法二的测量数据。将方法- - n 量得曲线用二次多项式拟合得 d ( u ) = 0 0 0 2 4 6 1 3 u 24 - 4 6 4 6 4 u + 6 4 1 9 6 ( 3 1 5 ) 拟合的平均偏差为 浙江人学坝j ：学位论文 砑= 糟删_ | = 1 3 3 5 6 9 啪n = 3 0 1 - - 1 5 2 = 6 3 2 8 时，一a d = 熹丑 整个位移范围内拟合的平均误差为 & ，：堡：8 0 m a x d ，】 压电晶体位移拟合曲线的偏差 x 、h 如删