一、前言

表面形貌的检测是获取零件表面形貌特征的一种重要手段，扫描白光干涉法是一种相对比较新的非接触式三维表面形貌测量方法，它通过定位表面各点的零光程差位置来获得各点相对高度，克服了传统相移干涉测量法的一些不足，基于扫描白光干涉原理的仪器无论采用哪种显微镜结构形式，一般都要通过对干涉条纹的驱动来获取最佳干涉位置，从而实现三维形貌的测量 ，Z向精密工作台用于完成垂直位移的进给，干涉图样由CCD采集并通过图像卡存储在计算机中，计算机完成工作台的控制和干涉图样的分析评定。

目前，几乎所有的仪器都是通过压电陶瓷改变参考镜的位置来驱动干涉条纹，这是由于压电陶瓷的高精度和好的频率响应。但是压电陶瓷本身的磁滞现象和伸缩的非线性会影响到仪器的分辨率和灵敏度，而且受显微镜结构的限制，这种方法无法安装大量程的计量装置。

为克服这些缺陷，作者实验室研制的垂直扫描白光干涉三维形貌测量仪将采用改变被测表面位置来驱动干涉条纹的设计方案，而本文介绍的计量型微位移精密工作台是实现扫描白光干涉法的关键部件之一。它利用压电陶瓷产生微位移，同时采用衍射光栅干涉系统作为位置反馈元件对工作台的位移量进行实时检测，因此可以实现驱动的闭环控制，使得微位移的精度大为提高。

二、系统的原理和结构

系统的原理结构如图1所示。工作台的驱动由粗、细两级定位组成，工作台的粗级定位是通过步进电机和丝杠驱动一斜面导轨副沿直线导轨方向运动来完成的。精密工作台由安置在斜面导轨副之上的通过线切割方法在一块钢板上切割而成，采用上下对称的叠层铰支结构的微定位板构成，精密工作台由压电陶瓷驱动，计算机通过D/A转换启动高压驱动器，并根据压电陶瓷伸展量与加载高压近似成线性的关系以及工作台距目标位置的差值调整D/A转换量驱动压电陶瓷精密定位，铰支结构的对称性保证了工作台在压电陶瓷微位移器的推动下能产生方向性良好的直线位移，降低了偏摆误差。工作台移动的距离由衍射光栅干涉系统进行计量，其输出信号反馈回计算机并与目标量进行比较以便检测步进电机和压电陶瓷位移驱动的精确度。工作台的最大扫描范围为6mm，垂直分辨率为1nm。

三、工作台衍射光栅干涉计量系统基本光路及测量原理

衍射光栅干涉测量系统的光学原理如图2所示，激光器发出的光入射到反射光栅，经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点，经过二次衍射后，(+1，+1)级和(-1，-1)级两束衍射光将在垂直于x轴放置的光电探测器上形成干涉条纹（莫尔条纹）。当图中反射光栅沿z轴方向上下运动时，将引起干涉条纹的相移，如果将光栅固定在工作台上，通过探测条纹的变化即可反映出工作台的位移。当光栅移动时，干涉条纹将发生相移。由基本的干涉理论，可推导出下面的公式

                　(1)

式中，l—入射光的波长；d—为光栅常数；s—为光栅的位移；e—为入射轴线与(+1，+1)级或(-1，-1)级衍射光之间的夹角。

上式表明当光栅静止时，在光电探测器处形成有明暗相间的干涉条纹，当光栅移动了一个光栅节距时，干涉条纹相位变化8p，即四个条纹常数，在此基础上，如果光电探测器采用四象限光电阵列，并把光电阵列面置于适当的位置，使光电阵列各相邻两个象限之间接收到的信号相位差为 ，则可以得到四个相差 的光强信号，通过对此4个信号的差分、辨向、计数与细分处理，就可以得到条纹的整体相位变化情况。本系统采用的光栅，其光栅常数为1/1200mm，其4倍频脉冲分辨率r计算如下^[2]：

mm≈50nm              （2）

结合实际信号的有效性，进一步通过A/D转换并用软件对正弦信号在1/4周期内进行50细分，即可以使工作台分辨率提高到1nm左右。

本系统选取DA650-1-5型半导体激光器，波长为650nm，功率为1mW，无需配备稳频装置。　　

四、系统控制与信号处理电路

系统总体控制框图如图3示，计算机通过接口电路与工作台控制电路板通讯，完成读取衍射光栅干涉位移传感器的计数值，启动和读取A/D转换值，通过I/O和D/A给电机驱动器发驱动信号，通过D/A控制高压电源驱动器的输出等功能。

1、干涉条纹的细分电路原理

工作台采用可编程逻辑器件GAL16V8和单片机AT89C2051完成辨向和四细分计数，同时未经整形的两路正，余弦信号经A/D采样芯片AD674采集、转换后送入计算机以获得干涉条纹的瞬时相位，实现四分之一周期内的精确细分。

（1）四细分辨向电路的设计

四象限PIN光电二极管的4路输出信号处理电路如图4所示，作为光电转换元件将干涉条纹的变化转换为电信号的变化，四个输出信号的相位依次相差90°，将一、三路信号和二、四路信号分别相减，经过前置放大电路，在运放输出端可得到理论相差为90°的两路正交信号。这两路信号U_sin和U_cos整形为方波信号后送入GAL16V8进行四倍频细分和辨向处理^[3]，然后送到AT89C2051单片机实现干涉条纹的计数，GAL16V8输出的P＋和P－信号分别代表工作台正反两个方向上位移所对应的莫尔条纹变换次数，将它们送到单片机的定时/计数端口T0和T1进行计数即可 。

（2）四分之一周期内的细分

 用GAL和单片机只实现了对信号的四细分，四细分后的分辨率为50nm，未达到工作台垂直分辨率1nm的要求，因此还必须对干涉条纹进一步细分。如图3所示，对U_sin和U_cos信号采用12位A/D芯片AD574转换，并由计算机读出采样值，就可以通过软件计算出干涉条纹信号的瞬时相位角 ， 由于A/D转换芯片是12位的，理论上可以对一个条纹周期内的信号进了2¹²的细分，即理论分辨率可达 nm，在本系统中实际采用50细分即可达到要求。

2、压电陶瓷驱动原理

本系统采用WTDS0810025型电致伸缩陶瓷微位移器，在无负载作用下，电压从0变化到200V，位移增加20um。对于压电陶瓷的驱动我们采用计算机通过译码电路向16位D/A转换芯片AD669写入适当的数字量，AD669输出的模拟电压量用于控制高压驱动电源的电压输出，从而驱动压电陶瓷产生位移。驱动电源采用直流放大式高压驱动电源^[6]。原理图如图5所示，该电路可由计算机进行控制，输出纹波也非常小。用万用表交流毫伏档检测稳定后的高压输出，显示其交流成分小于1mV。对于16位D/A芯片，在20mm范围内，压电陶瓷微位移的理论分辨率为0.6nm。通过性能测试试验我们得到该压电陶瓷的微位移与加载电压有较大的迟滞误差，所以，在系统中我们采用闭环控制以提高定位准确度。

五、工作台的定位控制流程

定位控制系统总的操作由计算机完成，首先设定目标位移量以及允许的误差值，计算机通过I/O接口控制压电陶瓷的运动，同时衍射光栅干涉系统对精密工作台的位置进行实时检测，并将检测到的实际位移信号反馈到计算机中与目标位移量进行比较，其差值作为新的控制量进一步驱动压电陶瓷进行移动定位，直到达到所要求的定位精度为止。

六、结束语

本文介绍了一种以衍射光栅为测量系统的微位移工作台，工作台的定位精度可控制在1nm,采用了闭环控制系统，不考虑其他偶然因素的影响，只要提高衍射光栅的分辨率，就可以进一步提高工作台的定位精度。 

参考文献：

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[3] 　许慧斌.张小波.宾洪赞. 基于PC总线的位置测量与电机控制卡[J]. 电子与自动化，1999，3:14~17
[4] 　刘乐善. 微型计算机接口技术及应用[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2000
[5] 　金文. 高性能单片机AT89C1051/AT89C2051的原理及应用[J]. 国外电子元器件，1997，9:27~30
[6] 　冯晓光, 赵万生, 栗岩等. 压电陶瓷微位移器驱动电源及减小其波纹的方法[J]. 压电与声光, 1997, 19(1): 35～38