激光干涉儀可視化控制系統設計

俞明輝，韓 森

（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.蘇州慧利儀器有限責任公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

光學產業和精密儀器制造業對相關零件和元器件要求越來越高。如何有效、快速地檢測加工后的元件是否滿足要求是對檢測儀器的一種考驗。激光干涉儀作為現代精密檢測儀器的代表，在精密制造、計量等各個領域得到廣泛應用。國外激光干涉儀發展較早，技術優于國內，雙方在原理研究方面基本同步，差距主要體現在儀器的光機電一體化技術和軟件處理技術上［1］。

傳統激光干涉儀光學調整單元控制基本是人工手動方式，通常情況下手動調節能夠滿足對精度要求較低的檢測。但是在高精度檢測時，手動調節方式的控制精度往往無法在短時間內使測量環境調節到最佳狀態，而且易因人為因素使計算機采集到的干涉條紋圖產生不規則抖動，相對延長了檢測時間，對檢測精度也有一定影響［2］。

為實現對激光干涉儀光學調整單元的計算機控制，本文提出一套可視化控制系統設計方案。硬件以CC2530 單片機和STM32F103C8T6 單片機為核心，并用C 語言分別編寫控制執行程序和位置數據采集程序，PL2303HXD 模塊用于進行串口通信的電平轉換。上位機軟件設計用C#語言編寫Windows 窗體應用，用于控制命令的發送和位置數據的接收與同步顯示。

激光干涉儀是一種高精密的光學檢測儀器，高精度、高靈敏度特性使其在光學、精密機械和材料等多個領域有著廣泛應用［3］。隨著應用的深入，干涉儀的控制方式、檢測精度以及人機效率等有了更高要求，國內外學者對此進行了研究并取得相應成果。盧慶杰等［4］采用光電轉換、PID算法控制的方法，提出一套光強實時反饋控制系統和同步校準方案，能夠將光強穩定在任一設定值之間，提高了面形精度的測量指標，但是忽略了激光器在穩定狀態下的功率波動會不斷減小，因此該系統對激光干涉儀的作用有限；任少華等［5］提出通過無線遙控的方式對激光干涉儀的光學部件進行非接觸調節，解決了激光干涉儀接觸調節對儀器造成較大抖動且無法定量微調的問題，具有普遍適用性，但在控制距離和環境干擾等方面存在不足；石明吉等［6］以STC89C52 單片機為核心設計了一套邁克爾遜干涉條紋測控裝置，該裝置可以實現干涉條紋中心亮度檢測；文獻［7］提出一種基于邁克遜干涉儀原理的非接觸玻璃厚度測量系統。

然而，以上方法在激光干涉儀光機電一體化技術方面都沒有綜合提升。本文通過可視化控制方法對激光干涉儀進行光學調節，綜合研究機械精準限位及計算機電控等技術，改進激光干涉儀的控制方式，提高了檢測精度，且該可視化控制軟件可與干涉儀的檢測軟件相結合，提高了人機效率。

1 激光干涉儀工作原理及控制系統設計

激光干涉儀是一種利用光學干涉計量原理進行測量的儀器，依據兩路光經參考面與被測樣品后存在一定的光程差產生干涉條紋現象，通過CCD 相機對產生的干涉條紋進行采集和分析，達到對待測樣品表面形貌等信息進行準確測量的目的。該儀器具有精度高、非接觸、快速、抗干擾等特點［8］。可視化控制系統由上位機、傳輸網絡和下位機3 部分組成。上位機可視化控制界面由串口號選擇、速度檔選擇、連續與微調控制模式選擇和控制按鈕4 部分組成。

連續模式：選擇速度檔位后鼠標按下不同的控制按鈕，會有相應的控制命令通過傳輸網絡連續發送至CC2530單片機。CCC2530 接收到控制命令后，根據命令產生PWM波給對應的L298N 驅動模塊，L298N 根據PWM 波的占空比進行調壓，以此達到控制電機轉速的目的［9］；微調模式：單擊控制按鈕后，發送單個控制命令給CC2530 單片機，CC2530 根據命令輸出一段PWM 波給對應的L298N，該段PWM 波的時長與占空比按照各個測量單元的微調需求進行定制。傳輸網絡由計算機USB 口、CC2530 單片機的RXD、STM32F103C8T6 單 片機的串口TXD 和PL2303HXD電平轉換模塊4 部分組成。

2 激光干涉儀調節功能需求分析

2.1 光強調節

光強調節在激光干涉儀檢測中主要用于調節干涉條紋圖的光照度，使CCD 相機能夠正常工作于線性響應區，過高或過低的光強都會影響檢測結果［10］。調節光強時通過觀察干涉條紋圖，可以看到視場明顯的亮暗變化，當調節到視場內的紅色亮紋剛好消失時即達到最佳的光照度。圖1 為光強過強時調節前后對比情況。

Fig.1 Comparison before and after light intensity adjustment圖1 光強調節前后對比

2.2 干涉條紋對比度調節

干涉條紋對比度調節用于改善經光電轉換后的信號參數，主要是信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、對比度以及幅度。只有調節到條紋對比度最佳時才能使光電測量器有更好的響應，便于后續圖像采集及數據處理。

激光器發出的光束具有一定的偏振，當光束穿過偏振棱鏡時，通過改變偏振方向使其與光束的偏振方向一致，此時亮條紋光強最強，暗條紋光強最弱，干涉條紋的對比度最佳［11］。圖2 是條紋對比度較差時調節前后對比情況，可以看出條紋對比度有了顯著改善，但是部分干涉條紋光強略微過強，需要再次微調光強。由此可以看出，光學測量參數調整后需要多次微調才能使測量環境達到最佳狀態。

Fig.2 Comparison of fringe contrast before and after adjustment圖2 條紋對比度調節前后對比

2.3 變倍及補償調節

激光干涉儀在對不同口徑樣品進行檢測時，CCD 相機所能采集到的干涉條紋圖大小會有所不同，這對檢測精度有一定影響。通常采用移動被測樣品的固定支架來改變被測樣品與參考鏡的相對位置，從而改變干涉條紋圖大小，使條紋圖高度占視場高度約90%。但是移動支架方式會產生較大振動，此時需要等待條紋圖平穩后才能繼續檢測，這相對增加了檢測時間，影響檢測效率。圖3 為變倍調節前后對比情況。

由于變倍后圖像清晰度會有損失，因此通過補償功能來彌補損失，補償調節前后對比如圖4 所示。

Fig.3 Comparison before and after zoom adjustment圖3 變倍調節前后對比

Fig.4 Comparison before and after compensation adjustment圖4 補償調節前后對比

2.4 CCD 切換

CCD 切換又稱成像和監控攝像頭切換。監控攝像頭是用于輔助光路對準，將測試光束和參考光束調至重合，使之能夠產生干涉條紋；成像鏡頭用于采集干涉圖像，并將采集到的圖像經光電轉換為數字信號然后傳輸給計算機，計算機經過相移算法［12］（Phase Shifting Algorithm，PSA）和數據處理等得出被測樣品表面形貌參數。傳統激光干涉儀CCD 切換通過拉桿裝置的前后移動使黑色物塊切換遮擋攝像頭，切換前后對比如圖5 所示。

Fig.5 Comparison before and after CCD switching圖5 CCD 切換前后對比

3 系統硬件設計

系統硬件由主控板和電機限位電路構成，主控板主要用于控制命令的接收與執行、位置數據的采集與發送以及電機限位電路供電。當測量單元調節到限位位置時，電機限位電路可以精準地斷開直流電機當前供電電路，并且反向電路仍能供電。

3.1 串口通信技術載入

串口通信參數主要有波特率、數據位、停止位以及奇偶檢驗位，實際工作時根據需求統一匹配這些參數。波特率是衡量通信速率的參數，表示每秒傳輸的位的個數。數據位是通信中實際數據的位數。停止位用于表示單個數據包或者一幀的最后一位。奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢錯方式［13］。

本設計傳輸的數據每個字節包含8 個數據位、1 個起始位和1 個停止位。控制命令每幀有3 個字節，其中2 個數據字節和1 個校驗字節；采集數據每幀有22 個字節，其中20個數據字節、2 個校驗字節。

3.2 主控板硬件結構設計

主控板是控制系統核心，主要用于實現控制命令接收與執行和位置數據的采集與發送，主控板硬件結構如圖6所示。

Fig.6 Hardware structure of main control board圖6 主控板硬件結構

（1）電機驅動電路。驅動電路用于以PWM 波形式實現小電流控制大電流［14］。

（2）復位電路。用于上電復位和必要時手動復位，確保電路能夠穩定運行。

（3）電源模塊。外部電源提供5V 和12V 電壓，5V 電壓通過AMS1117-3.3V 正向降壓得到3.3V 電壓給單片機供電。

3.3 電機限位電路設計

電機限位電路是激光干涉儀計算機控制中必不可少的部分，本設計的限位電路采用開關、繼電器和二極管相結合的方式，如圖7 所示。

Fig.7 Motor limit circuit圖7 電機限位電路

當調整單元處于非限位位置時，電機的正反驅動電路均能供電。當電機正向轉動到限位位置時，接近開關1 檢測到物體，輸出信號控制繼電器吸合，斷開當前供電電路［15］。此時只有反向電流能通過電路，以此達到限位目的。

4 系統軟件設計

4.1 上位機軟件設計

上位機軟件在VisualStudio 2017 開發環境下采用C#語言編寫Windows 窗體應用［16］。上位機數據收發流程如圖8所示。

Fig.8 Data sending and receiving process of upper computer圖8 上位機數據收發流程

打開串口，軟件會自動接收來自串口的數據，判斷數據完整性和幀頭幀尾是否為指定字符后，將數據中的有效字符經過處理后通過trackBar 控件顯示［17］。

控制功能在連續模式下選擇控制速度后按下控制按鈕，軟件會按照一定的速率通過串口持續發送相應的控制命令給CC2530 單片機，松開按鈕后軟件停止命令發送。在微調模式下單擊控制按鈕，軟件發送單個控制命令給CC2530 單片機。

4.2 下位機軟件設計

下位機軟件在IAR Embedded Workbench 和Keil uVision5 開發環境下用C 語言分別編寫控制程序和ADC 采集程序。程序控制流程如圖9 所示。

Fig.9 program control flow of lower computer圖9 下位機程序控制流程

CC2530 單片機接收到控制命令后校驗命令，命令確認后進入控制子程序，在子程序中完成相應的控制動作。

將電位器安裝于直流電機軸上，電機與電位器調節旋鈕同步轉動，在電位器兩端分別接地和3.3V 電壓，通過采集可調端電壓即可間接實現光學調整單元位置測量［18］。ADC 采集流程如圖10 所示。

Fig.10 ADC acquisition process圖10 ADC 采集流程

5 系統調試

本文通過一塊轉動的線性漸變濾光片［19］調節光強，該濾光片覆蓋范圍為0～270°，光密度［20］為0.04～4.0OD，通過光功率計測得光學系統使用的氦氖激光器光功率為3.92mW。在相同條件下光強與光功率呈正比。

根據光密度公式：

可得出透射光功率的理論值（Y）與光密度（OD）的關系式為：

又因為線性漸變濾光片的覆蓋變化范圍與光密度呈線性關系，可以得出透射光功率的理論值（Y）與覆蓋范圍變化角度（A）的關系式為：

圖11 為透射光功率理論變化曲線。

Fig.11 Theoretical variation curve of transmitted light power圖11 透射光功率理論變化曲線

線性漸變濾光片與直流電機之間的齒輪比為1∶1，所需的力矩較小。圖12 為直流電機各檔位轉速擬合曲線。

Fig.12 Fitting curve of speed of each gear of DC motor圖12 直流電機各檔位轉速擬合曲線

通過可視化控制軟件的微調功能，控制CC2530 單片機輸出70ms 的全占空比PWM 波，使電機每次轉動約5°，使用光功率計測量每次轉動后光功率的值并記錄，圖13 為多次測試后通過MATLAB 擬合出的透射光功率實際變化曲線。

由于受測試環境影響，測得的光功率實際值會略大于理論值，但是其整體變化趨勢基本與理論曲線一致，因此本系統基本滿足對光強的調節要求。光強主要工作于曲線的前5%～50%，因此設定微調模式輸出20ms、70%占空比的PWM 波，控制電機每次轉動約1°，通過連續與微調的結合使光強調節到最佳位置。

Fig.13 Fitting curve of actual change of transmitted light power圖13 透射光功率實際變化擬合曲線

系統通過偏振棱鏡［21］實現對條紋對比度的調節，其有效垂直旋轉角度為180°，需要的轉動力矩與光強調節單元一樣較小，經過測試，直流電機各檔位轉速與光強一致。條紋對比度通常需要反復微調才能達到最佳狀態，因此需要更高的調節精度。由于過低的驅動時間和占空比無法驅動直流電機運行，所以采用與電機2∶1 的齒輪比以提高控制精度。微調模式同樣設定輸出20ms、70%占空比的PWM 波，控制偏振棱鏡每次轉動約0.5°。

本設計采用的變焦鏡頭焦距為5～50mm，轉動角度為100°，干涉條紋圖高度只需調節至視場高度的90%左右，因此對調節精度要求相對較低，相應的控制參數與光強一致即可。

補償調節旋鈕的轉動角度為80°，且補償調節的要求較高，因此與直流電機的齒輪比為4∶1，各檔位旋鈕的轉速相應為光強的1/4，相應微調的轉動角度約為0.25°。

CCD 切換的拉桿移動距離為8cm，過快的切換速度有較大的慣性，會對裝置造成損壞，過低的切換速度會影響人機效率。經過測試，3s 切換時間最為合適。通過單擊可視化控制軟件的CCD 切換按鈕發出切換命令，CC2530 單片機輸出3.5s 的全占空比PWM 波。CCD 切換到達限位位置時，電機限位電路會即時斷開，因此冗余的驅動不會對裝置造成損壞。

6 實驗結果與分析

通過可視化控制系統的連續控制模式，將各光學參數調節到合適位置，再通過微調模式，將光學參數調節到最佳位置。圖14（彩圖掃OSID 碼可見，下同）是未加入可視化控制系統的透鏡表面測量圖，它的PV 值是91.161nm，RMS 值是8.019nm。圖15 是加入可視化控制系統的透鏡表面測量圖，它的PV 值是71.767nm，RMS 值是6.832nm。PV表示光學表面最高點與最低點的差值，RMS 表示表面差值的均方根。

Fig.14 Measurement of lens surface without visual control system圖14 未加入可視化控制系統的透鏡表面測量情況

Fig.15 Measurement of lens surface with visual control system圖15 加入可視化控制系統的透鏡表面測量情況

實驗結果表明，在激光干涉儀中加入計算機可視化控制系統，PV 值減少了19.394nm，RMS 值減少了1.187nm，系統提高了激光干涉儀的測量精度。

7 結語

從實驗結果可以看出，可視化控制方式能夠提高激光干涉儀的控制精度。除此之外，非接觸控制方式能夠避免人為因素導致的儀器不規則抖動，提高檢測效率。通過對干涉儀控制系統研究，為進一步學習自適應控制（如光強、對比度自動調節）及相關控制系統研究打下堅實的基礎。