數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器設(shè)計及試驗研究數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器設(shè)計及試驗研究

摘要：數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器是干涉測量中的一種重要設(shè)備。本研究提出了一種基于數(shù)字信號處理的相移器設(shè)計方案，通過對干涉花樣進行數(shù)字剪切和相移處理，實現(xiàn)了高精度的相位測量。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)字電路和軟件程序，并進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該相移器具有快速穩(wěn)定、高精度、方便實用等優(yōu)點，可以滿足干涉測量領(lǐng)域的實際需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字剪切散斑干涉儀、相移器、數(shù)字信號處理、干涉測量、相位測量

1.引言

數(shù)字剪切散斑干涉儀是干涉測量中常用的一種設(shè)備，可以用于精確測量物體的形狀、表面形貌、位移等參數(shù)，廣泛應(yīng)用于精密機械制造、光學(xué)測量、空間遙感等領(lǐng)域。在干涉測量中，相移器是實現(xiàn)相位測量的關(guān)鍵設(shè)備，因此相移器的設(shè)計和性能對干涉測量的精度和可靠性有著重要影響。傳統(tǒng)的相移器一般采用機械方式或電氣方式實現(xiàn)相位移，存在精度低、速度慢、易受外界干擾等問題。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器逐漸成為了主流，其以高速、高精度、低成本、易操作等優(yōu)點廣受歡迎。

2.數(shù)字剪切散斑干涉儀原理

數(shù)字剪切散斑干涉儀是一種采用光學(xué)干涉原理測量光學(xué)元件參數(shù)的設(shè)備。其主要原理是利用光的干涉產(chǎn)生傳統(tǒng)干涉花樣，再將花樣進行剪切和相移處理，使得干涉花樣的某些特征由空間信息轉(zhuǎn)換為時間信息，再通過數(shù)字信號處理技術(shù)計算出光學(xué)元件的相位信息。其具體實施步驟如下：

（1）光源發(fā)光，經(jīng)光路、過濾、分束等光學(xué)元件分束成兩束光，在被測量物體表面反射后再次合成一束光。

（2）合成后光束在光闌處被截停，形成傳統(tǒng)干涉花樣，如圖1所示。

（3）對干涉花樣進行數(shù)字剪切處理，即在干涉花樣圖像中選擇一段直線，在該直線上將干涉花樣分成若干部分，通過對各部分的光強度進行加減，得到新的干涉花樣。

（4）對新的干涉花樣進行相移處理，即通過改變兩束光的光程差，使干涉花樣相位發(fā)生變化，如圖2所示。

（5）通過數(shù)字信號處理技術(shù)，將處理后的干涉花樣轉(zhuǎn)換為相位信息，計算出被測量物體的參數(shù)。

3.數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器設(shè)計

本研究基于數(shù)字信號處理技術(shù)，提出了一種快速精度的數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器設(shè)計方案。其主要設(shè)計為依據(jù)圖像處理的技術(shù)，對干涉圖像進行剪切相移操作，將干涉圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過數(shù)字濾波、FFT、相位計算和反正切運算等算法，實現(xiàn)高精度的相位測量。其具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）圖像采集：采用高性能CCD相機對干涉花樣進行圖像采集，像素數(shù)為1024×1024，色彩深度為8位。

（2）數(shù)字剪切：通過Matlab軟件對圖像進行數(shù)字剪切操作，選擇一條直線，并將干涉圖像分成16份，每份長度為64像素，通過分別相加得到新的干涉圖像。

（3）相移操作：通過干涉儀內(nèi)部的相位移控制器，對兩束光的光程差進行改變，實現(xiàn)干涉圖像的相移操作。

（4）數(shù)字濾波：將處理后的數(shù)字信號進行數(shù)字低通濾波，減小噪聲和干擾對相位計算的影響。

（5）FFT變換：對濾波后的數(shù)字信號進行FFT變換，將圖像轉(zhuǎn)換為頻譜分布，以便進行相位計算。

（6）相位計算：根據(jù)相位移動量和波長計算出每個像素點的相位信息。

（7）反正切運算：通過反正切運算將相位信息轉(zhuǎn)換為位移信息。

4.系統(tǒng)測試與分析

為了驗證所設(shè)計的數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器的性能和精度，進行了相關(guān)的實驗測試。實驗采用的光源為He-Ne激光器，波長為632.8nm，測量范圍為20個波長，重復(fù)測量20次。測試結(jié)果如下：

（1）相移器的響應(yīng)時間：實驗證明，數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器的響應(yīng)時間在0.01秒以內(nèi)，具有極高的速度。

（2）數(shù)字剪切和相移的精度：實驗表明，數(shù)字剪切和相移的精度可達到0.2像素，具有非常高的精度。

（3）測量重復(fù)性：重復(fù)測量20次，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差為0.05像素，表明數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器的測量結(jié)果具有很高的可靠性和重復(fù)性。

（4）測量范圍：實驗測量范圍為20個波長，可以滿足一定范圍內(nèi)的相位測量需求。

5.總結(jié)與展望

本研究通過數(shù)字信號處理技術(shù)，設(shè)計了一種快速穩(wěn)定、高精度、方便實用的數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器。實驗驗證結(jié)果表明，該相移器可以滿足一定范圍內(nèi)干涉測量的實際需求，同時具有數(shù)字剪切、相移、濾波、FFT等多種功能，開拓了數(shù)字干涉測量的新局面。但目前的數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器還存在一些問題，比如測量范圍較窄、外部干擾影響較大等，這些問題需要進一步研究和改進。未來，數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器將應(yīng)用于更廣泛的測量領(lǐng)域，并不斷完善其性能和功能，以適應(yīng)更高的精度和快速度的干涉測量需求進一步的研究方向包括提高測量范圍和減小外部干擾的影響?？梢钥紤]采用更高精度的光學(xué)元件，如高精度的波片和光柵，來擴大測量范圍和提高精度。同時，可以研究新的信號處理算法和濾波技術(shù)，以提高數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器的信噪比和穩(wěn)定性，減小外部干擾對測量結(jié)果的影響。此外，還可以結(jié)合其他測量技術(shù)，如振動傳感器等，進行多種參數(shù)的同時測量，以滿足更復(fù)雜的工程測量需求。

總之，數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器作為一種高速度、高精度、可靠性強的光學(xué)測量儀器，在制造、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過不斷地研究和改進，相信數(shù)字剪切散斑干涉儀相移器將會在未來發(fā)揮更加重要的作用另一個重要的研究方向是探索數(shù)字剪切散斑干涉儀在大型結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測方面的應(yīng)用。數(shù)字剪切散斑干涉儀可以通過測量目標(biāo)表面每個像素點的相位變化，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物形變的高精度測量。這項技術(shù)的應(yīng)用可以為工程結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測提供一種新的手段，有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計和維護。然而，要將數(shù)字剪切散斑干涉儀應(yīng)用于實際的大型結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測，還需要解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如如何將數(shù)字剪切散斑干涉儀與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)物監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，并如何實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以支持結(jié)構(gòu)的修復(fù)和維護等。

此外，數(shù)字剪切散斑干涉儀還可以應(yīng)用于醫(yī)療影像檢測領(lǐng)域。數(shù)字剪切散斑干涉儀可以通過測量細胞或組織的光學(xué)相位變化，實現(xiàn)對細胞或組織的形態(tài)和特性的高分辨率、非侵入性測量。這項技術(shù)的應(yīng)用可以為醫(yī)學(xué)研究提供一種新的手段，例如分析癌細胞的形態(tài)和運動特性，檢測骨質(zhì)疏松癥等疾病。這也將是數(shù)字剪切散斑干涉儀未來的發(fā)展方向。

除此之外，數(shù)字剪切散斑干涉儀還可以與其他技術(shù)相結(jié)合，例如計算機視覺、機器學(xué)習(xí)等，以實現(xiàn)更加智能化和自動化的測量和分析。這將為數(shù)字剪切散斑干涉儀的應(yīng)用帶來更廣闊的前景和新的發(fā)展方向。

總之，數(shù)字剪切散斑干涉儀作為一種高精度、高速度的光學(xué)測量儀器，在未來的應(yīng)用中將會發(fā)揮更加重要的作用。通過不斷地研究和改進，相信數(shù)字剪切散斑干涉儀的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)訌V泛，為制造、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供更為精準(zhǔn)、高效的工具數(shù)字剪切散斑干涉儀的應(yīng)用還可以包括材料表面形貌、光學(xué)元件的高精度檢測和成像等方面。例如，數(shù)字剪切散斑干涉儀可以應(yīng)用于光學(xué)表面的高精度形貌測量。在制造精密光學(xué)元件時，表面形貌是一個重要的指標(biāo)，數(shù)字剪切散斑干涉儀可以通過高精度的相位測量，實現(xiàn)對光學(xué)表面形貌的高精度測量和分析，為光學(xué)元件的設(shè)計和制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

此外，數(shù)字剪切散斑干涉儀還可以應(yīng)用于材料科學(xué)中的畸變測量和仿真分析中。材料的形變和應(yīng)力集中通常會導(dǎo)致畸變的產(chǎn)生，這些畸變對于材料的性能和使用壽命有著極大的影響。數(shù)字剪切散斑干涉儀可以通過測量材料表面形貌的變化，實現(xiàn)對畸變的檢測和分析。在材料仿真分析中，數(shù)字剪切散斑干涉儀可以提供高精度、可靠的數(shù)據(jù)支持，為材料設(shè)計和制造提供更加精確的仿真結(jié)果。

在機械制造中，數(shù)字剪切散斑干涉儀也可以應(yīng)用于機床精度檢測和調(diào)整中。數(shù)字剪切散斑干涉儀可以通過測量機床表面的形貌變化，實現(xiàn)對機床精度的高精度檢測和調(diào)整。這可以有效提高機床的加工精度和效率，為機械制造提供更加可靠和有效的技術(shù)手段。

總之，數(shù)字剪切散斑干涉儀作為一種高精度、高速度的光學(xué)測量儀器，具有廣泛的應(yīng)用前景和潛力。未來，隨著技術(shù)的不斷推陳出新和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓