STC89C54单片机PSD的光点移动量测量系统的研究(6)
3.1 移相干涉测量基本原理
移相干涉术(Phase Shifting Interferometry-PSI)是在干涉仪的参考臂上，把参考镜固定到移相器(如压电陶瓷移相器PZT)上，通过移相器驱动参考反射镜产生少量位移（约波长量级），从而使参考光束和测试光束的光程差发生改变，也就是干涉图相位相对发生变化，称之为移相。用CCD采集三幅或多幅不同相位的干涉图，经计算机按一定算法进行处理，就可以求得被测相位分布。如图3.1所示：
在双光束干涉场中，干涉光强分布函数可以写成
式中： 为干涉场的直流光强分布； 为干涉场的交流光强分布； 为被测波面的相位分布函数； 为两支干涉光路中的可变相位。
由式（3.1）可见，在光瞳面上的任意一点 的光强值随相位 呈正弦变化。对于干涉场中的某一点 ，式(3.1)可简写为：
图3.1 装有压电陶瓷驱动器的泰曼干涉仪
若移相四步，每步移相π/2，每次移相采集一幅干涉图，则干涉场光强函数
式中 为被测波面与参考波面的相位差分布(或称被测波面相位)；a为干涉场的直流光强分布；b为干涉场的交流光强分布。
于是上述方程可得如下结果：(3.7)
由于式(3.7)中含有减法和除法运算，上述干涉场中的固定噪声和面阵探测器的不一致性影响均自动消除，这是移相干涉技术的一大优点。
3.2 振动对移相干涉的影响
移相干涉仪是对振动十分敏感的仪器，由于振动的存在，各个镜片以及被测件的相对位置都要发生变化。这会导致测量误差增大，甚至使测量无法进行。外界的振动改变了干涉仪参考光和测试光之间固定的光程差，使干涉图抖动。这会带来两方面的影响，一是CCD采集图像需一定的时间，采集到的图像实际是一段时间的积分，因而图像变模糊甚至干涉条纹完全消失，使测量无法进行。二是对移相精度的影响，由于干涉图相位的振动，很难保证采集到的几幅干涉图的相位差依次相差π/2。
不同频率的振动对干涉仪的影响是不同的，干涉仪通常有较厚重的底座并放在橡胶垫上，这样的结构使得干涉仪的固有频率较低。真正影响干涉仪测量的是频率较低的振动，通常幅度较大，导致图像模糊不清，移相也无法进行。干涉仪抗振主要是针对100Hz以下的振动。
3.3 光点移动量（干涉条纹移动量）的检测
为了保证干涉条纹的稳定，需要实时探测因环境扰动造成的条纹移动量，并通过电路、单片机等处理控制驱动PZT进行实时补偿。下面介绍选用的光电器件及检测光点移动量的原理。
3.3.1 PSD光电位置探测器原理
经比较，选用PSD光电位置探测器。
位置敏感器件(Position Sensitive Detector) 简称PSD ,是一种对接收器光点位置敏感的光电器件。它与CCD 电荷耦合器件不同,属于非离散型器件,在精密尺寸、位置检测元件中,其性能、价格介于CCD 与其它光电阵列器件之间。PSD 器件响应速度快、位置分辨率高,输出与光强度无关,仅与光点位置有关,其独特的工作方式,在精密尺寸测量、三文空间位置、机器人定位系统中有独到之处。
PSD 可分为一文PSD 和二文PSD。一文PSD可测出光点的一文位置坐标,而二文PSD 可以检测出光点的平面位置坐标。实用的PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图3.2所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流 ，光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流 和 ，显然 。而 和 的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图3.3所示的电位器模型，其中 、 为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然 、 正比于光点到两个输出电极间的距离。