俞明輝，韓 森

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

光學(xué)產(chǎn)業(yè)和精密儀器制造業(yè)對相關(guān)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(yàn)。激光干涉儀作為現(xiàn)代精密檢測儀器的代表，在精密制造、計(jì)量等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國外激光干涉儀發(fā)展較早，技術(shù)優(yōu)于國內(nèi)，雙方在原理研究方面基本同步，差距主要體現(xiàn)在儀器的光機(jī)電一體化技術(shù)和軟件處理技術(shù)上［1］。

傳統(tǒng)激光干涉儀光學(xué)調(diào)整單元控制基本是人工手動(dòng)方式，通常情況下手動(dòng)調(diào)節(jié)能夠滿足對精度要求較低的檢測。但是在高精度檢測時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的控制精度往往無法在短時(shí)間內(nèi)使測量環(huán)境調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，而且易因人為因素使計(jì)算機(jī)采集到的干涉條紋圖產(chǎn)生不規(guī)則抖動(dòng)，相對延長了檢測時(shí)間，對檢測精度也有一定影響［2］。

為實(shí)現(xiàn)對激光干涉儀光學(xué)調(diào)整單元的計(jì)算機(jī)控制，本文提出一套可視化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。硬件以CC2530 單片機(jī)和STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心，并用C 語言分別編寫控制執(zhí)行程序和位置數(shù)據(jù)采集程序，PL2303HXD 模塊用于進(jìn)行串口通信的電平轉(zhuǎn)換。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)用C#語言編寫Windows 窗體應(yīng)用，用于控制命令的發(fā)送和位置數(shù)據(jù)的接收與同步顯示。

激光干涉儀是一種高精密的光學(xué)檢測儀器，高精度、高靈敏度特性使其在光學(xué)、精密機(jī)械和材料等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［3］。隨著應(yīng)用的深入，干涉儀的控制方式、檢測精度以及人機(jī)效率等有了更高要求，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了研究并取得相應(yīng)成果。盧慶杰等［4］采用光電轉(zhuǎn)換、PID算法控制的方法，提出一套光強(qiáng)實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)和同步校準(zhǔn)方案，能夠?qū)⒐鈴?qiáng)穩(wěn)定在任一設(shè)定值之間，提高了面形精度的測量指標(biāo)，但是忽略了激光器在穩(wěn)定狀態(tài)下的功率波動(dòng)會(huì)不斷減小，因此該系統(tǒng)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(xué)部件進(jìn)行非接觸調(diào)節(jié)，解決了激光干涉儀接觸調(diào)節(jié)對儀器造成較大抖動(dòng)且無法定量微調(diào)的問題，具有普遍適用性，但在控制距離和環(huán)境干擾等方面存在不足；石明吉等［6］以STC89C52 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一套邁克爾遜干涉條紋測控裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)干涉條紋中心亮度檢測；文獻(xiàn)［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(tǒng)。

然而，以上方法在激光干涉儀光機(jī)電一體化技術(shù)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(jìn)行光學(xué)調(diào)節(jié)，綜合研究機(jī)械精準(zhǔn)限位及計(jì)算機(jī)電控等技術(shù)，改進(jìn)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(jié)合，提高了人機(jī)效率。

1 激光干涉儀工作原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光干涉儀是一種利用光學(xué)干涉計(jì)量原理進(jìn)行測量的儀器，依據(jù)兩路光經(jīng)參考面與被測樣品后存在一定的光程差產(chǎn)生干涉條紋現(xiàn)象，通過CCD 相機(jī)對產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行采集和分析，達(dá)到對待測樣品表面形貌等信息進(jìn)行準(zhǔn)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(diǎn)［8］?？梢暬刂葡到y(tǒng)由上位機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和下位機(jī)3 部分組成。上位機(jī)可視化控制界面由串口號選擇、速度檔選擇、連續(xù)與微調(diào)控制模式選擇和控制按鈕4 部分組成。

連續(xù)模式：選擇速度檔位后鼠標(biāo)按下不同的控制按鈕，會(huì)有相應(yīng)的控制命令通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連續(xù)發(fā)送至CC2530單片機(jī)。CCC2530 接收到控制命令后，根據(jù)命令產(chǎn)生PWM波給對應(yīng)的L298N 驅(qū)動(dòng)模塊，L298N 根據(jù)PWM 波的占空比進(jìn)行調(diào)壓，以此達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［9］；微調(diào)模式：單擊控制按鈕后，發(fā)送單個(gè)控制命令給CC2530 單片機(jī)，CC2530 根據(jù)命令輸出一段PWM 波給對應(yīng)的L298N，該段PWM 波的時(shí)長與占空比按照各個(gè)測量單元的微調(diào)需求進(jìn)行定制。傳輸網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)USB 口、CC2530 單片機(jī)的RXD、STM32F103C8T6 單 片機(jī)的串口TXD 和PL2303HXD電平轉(zhuǎn)換模塊4 部分組成。

2 激光干涉儀調(diào)節(jié)功能需求分析

2.1 光強(qiáng)調(diào)節(jié)

光強(qiáng)調(diào)節(jié)在激光干涉儀檢測中主要用于調(diào)節(jié)干涉條紋圖的光照度，使CCD 相機(jī)能夠正常工作于線性響應(yīng)區(qū)，過高或過低的光強(qiáng)都會(huì)影響檢測結(jié)果［10］。調(diào)節(jié)光強(qiáng)時(shí)通過觀察干涉條紋圖，可以看到視場明顯的亮暗變化，當(dāng)調(diào)節(jié)到視場內(nèi)的紅色亮紋剛好消失時(shí)即達(dá)到最佳的光照度。圖1 為光強(qiáng)過強(qiáng)時(shí)調(diào)節(jié)前后對比情況。

Fig.1 Comparison before and after light intensity adjustment圖1 光強(qiáng)調(diào)節(jié)前后對比

2.2 干涉條紋對比度調(diào)節(jié)

干涉條紋對比度調(diào)節(jié)用于改善經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號參數(shù)，主要是信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、對比度以及幅度。只有調(diào)節(jié)到條紋對比度最佳時(shí)才能使光電測量器有更好的響應(yīng)，便于后續(xù)圖像采集及數(shù)據(jù)處理。

激光器發(fā)出的光束具有一定的偏振，當(dāng)光束穿過偏振棱鏡時(shí)，通過改變偏振方向使其與光束的偏振方向一致，此時(shí)亮條紋光強(qiáng)最強(qiáng)，暗條紋光強(qiáng)最弱，干涉條紋的對比度最佳［11］。圖2 是條紋對比度較差時(shí)調(diào)節(jié)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(qiáng)略微過強(qiáng)，需要再次微調(diào)光強(qiáng)。由此可以看出，光學(xué)測量參數(shù)調(diào)整后需要多次微調(diào)才能使測量環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)。

Fig.2 Comparison of fringe contrast before and after adjustment圖2 條紋對比度調(diào)節(jié)前后對比

2.3 變倍及補(bǔ)償調(diào)節(jié)

激光干涉儀在對不同口徑樣品進(jìn)行檢測時(shí)，CCD 相機(jī)所能采集到的干涉條紋圖大小會(huì)有所不同，這對檢測精度有一定影響。通常采用移動(dòng)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(dòng)支架方式會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，此時(shí)需要等待條紋圖平穩(wěn)后才能繼續(xù)檢測，這相對增加了檢測時(shí)間，影響檢測效率。圖3 為變倍調(diào)節(jié)前后對比情況。

由于變倍后圖像清晰度會(huì)有損失，因此通過補(bǔ)償功能來彌補(bǔ)損失，補(bǔ)償調(diào)節(jié)前后對比如圖4 所示。

Fig.3 Comparison before and after zoom adjustment圖3 變倍調(diào)節(jié)前后對比

Fig.4 Comparison before and after compensation adjustment圖4 補(bǔ)償調(diào)節(jié)前后對比

2.4 CCD 切換

CCD 切換又稱成像和監(jiān)控?cái)z像頭切換。監(jiān)控?cái)z像頭是用于輔助光路對準(zhǔn)，將測試光束和參考光束調(diào)至重合，使之能夠產(chǎn)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(jīng)光電轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號然后傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過相移算法［12］（Phase Shifting Algorithm，PSA）和數(shù)據(jù)處理等得出被測樣品表面形貌參數(shù)。傳統(tǒng)激光干涉儀CCD 切換通過拉桿裝置的前后移動(dòng)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由主控板和電機(jī)限位電路構(gòu)成，主控板主要用于控制命令的接收與執(zhí)行、位置數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送以及電機(jī)限位電路供電。當(dāng)測量單元調(diào)節(jié)到限位位置時(shí)，電機(jī)限位電路可以精準(zhǔn)地?cái)嚅_直流電機(jī)當(dāng)前供電電路，并且反向電路仍能供電。

3.1 串口通信技術(shù)載入

串口通信參數(shù)主要有波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶檢驗(yàn)位，實(shí)際工作時(shí)根據(jù)需求統(tǒng)一匹配這些參數(shù)。波特率是衡量通信速率的參數(shù)，表示每秒傳輸?shù)奈坏膫€(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)位是通信中實(shí)際數(shù)據(jù)的位數(shù)。停止位用于表示單個(gè)數(shù)據(jù)包或者一幀的最后一位。奇偶校驗(yàn)位是串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式［13］。

本設(shè)計(jì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)包含8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)起始位和1 個(gè)停止位?？刂泼蠲繋? 個(gè)字節(jié)，其中2 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和1 個(gè)校驗(yàn)字節(jié)；采集數(shù)據(jù)每幀有22 個(gè)字節(jié)，其中20個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)、2 個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。

3.2 主控板硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控板是控制系統(tǒng)核心，主要用于實(shí)現(xiàn)控制命令接收與執(zhí)行和位置數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，主控板硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

Fig.6 Hardware structure of main control board圖6 主控板硬件結(jié)構(gòu)

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路用于以PWM 波形式實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流［14］。

（2）復(fù)位電路。用于上電復(fù)位和必要時(shí)手動(dòng)復(fù)位，確保電路能夠穩(wěn)定運(yùn)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(jī)供電。

3.3 電機(jī)限位電路設(shè)計(jì)

電機(jī)限位電路是激光干涉儀計(jì)算機(jī)控制中必不可少的部分，本設(shè)計(jì)的限位電路采用開關(guān)、繼電器和二極管相結(jié)合的方式，如圖7 所示。

Fig.7 Motor limit circuit圖7 電機(jī)限位電路

當(dāng)調(diào)整單元處于非限位位置時(shí)，電機(jī)的正反驅(qū)動(dòng)電路均能供電。當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)到限位位置時(shí)，接近開關(guān)1 檢測到物體，輸出信號控制繼電器吸合，斷開當(dāng)前供電電路［15］。此時(shí)只有反向電流能通過電路，以此達(dá)到限位目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件在VisualStudio 2017 開發(fā)環(huán)境下采用C#語言編寫Windows 窗體應(yīng)用［16］。上位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖8所示。

Fig.8 Data sending and receiving process of upper computer圖8 上位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)流程

打開串口，軟件會(huì)自動(dòng)接收來自串口的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)完整性和幀頭幀尾是否為指定字符后，將數(shù)據(jù)中的有效字符經(jīng)過處理后通過trackBar 控件顯示［17］。

控制功能在連續(xù)模式下選擇控制速度后按下控制按鈕，軟件會(huì)按照一定的速率通過串口持續(xù)發(fā)送相應(yīng)的控制命令給CC2530 單片機(jī)，松開按鈕后軟件停止命令發(fā)送。在微調(diào)模式下單擊控制按鈕，軟件發(fā)送單個(gè)控制命令給CC2530 單片機(jī)。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件在IAR Embedded Workbench 和Keil uVision5 開發(fā)環(huán)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(jī)程序控制流程

CC2530 單片機(jī)接收到控制命令后校驗(yàn)命令，命令確認(rèn)后進(jìn)入控制子程序，在子程序中完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。

將電位器安裝于直流電機(jī)軸上，電機(jī)與電位器調(diào)節(jié)旋鈕同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在電位器兩端分別接地和3.3V 電壓，通過采集可調(diào)端電壓即可間接實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)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(tǒng)調(diào)試

本文通過一塊轉(zhuǎn)動(dòng)的線性漸變?yōu)V光片［19］調(diào)節(jié)光強(qiáng)，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(jì)測得光學(xué)系統(tǒng)使用的氦氖激光器光功率為3.92mW。在相同條件下光強(qiáng)與光功率呈正比。

根據(jù)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(guān)系式為：

又因?yàn)榫€性漸變?yōu)V光片的覆蓋變化范圍與光密度呈線性關(guān)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(guān)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?yōu)V光片與直流電機(jī)之間的齒輪比為1∶1，所需的力矩較小。圖12 為直流電機(jī)各檔位轉(zhuǎn)速擬合曲線。

Fig.12 Fitting curve of speed of each gear of DC motor圖12 直流電機(jī)各檔位轉(zhuǎn)速擬合曲線

通過可視化控制軟件的微調(diào)功能，控制CC2530 單片機(jī)輸出70ms 的全占空比PWM 波，使電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)約5°，使用光功率計(jì)測量每次轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)際變化曲線。

由于受測試環(huán)境影響，測得的光功率實(shí)際值會(huì)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(tǒng)基本滿足對光強(qiáng)的調(diào)節(jié)要求。光強(qiáng)主要工作于曲線的前5%～50%，因此設(shè)定微調(diào)模式輸出20ms、70%占空比的PWM 波，控制電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)約1°，通過連續(xù)與微調(diào)的結(jié)合使光強(qiáng)調(diào)節(jié)到最佳位置。

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

系統(tǒng)通過偏振棱鏡［21］實(shí)現(xiàn)對條紋對比度的調(diào)節(jié)，其有效垂直旋轉(zhuǎn)角度為180°，需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與光強(qiáng)調(diào)節(jié)單元一樣較小，經(jīng)過測試，直流電機(jī)各檔位轉(zhuǎn)速與光強(qiáng)一致。條紋對比度通常需要反復(fù)微調(diào)才能達(dá)到最佳狀態(tài)，因此需要更高的調(diào)節(jié)精度。由于過低的驅(qū)動(dòng)時(shí)間和占空比無法驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行，所以采用與電機(jī)2∶1 的齒輪比以提高控制精度。微調(diào)模式同樣設(shè)定輸出20ms、70%占空比的PWM 波，控制偏振棱鏡每次轉(zhuǎn)動(dòng)約0.5°。

本設(shè)計(jì)采用的變焦鏡頭焦距為5～50mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為100°，干涉條紋圖高度只需調(diào)節(jié)至視場高度的90%左右，因此對調(diào)節(jié)精度要求相對較低，相應(yīng)的控制參數(shù)與光強(qiáng)一致即可。

補(bǔ)償調(diào)節(jié)旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為80°，且補(bǔ)償調(diào)節(jié)的要求較高，因此與直流電機(jī)的齒輪比為4∶1，各檔位旋鈕的轉(zhuǎn)速相應(yīng)為光強(qiáng)的1/4，相應(yīng)微調(diào)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為0.25°。

CCD 切換的拉桿移動(dòng)距離為8cm，過快的切換速度有較大的慣性，會(huì)對裝置造成損壞，過低的切換速度會(huì)影響人機(jī)效率。經(jīng)過測試，3s 切換時(shí)間最為合適。通過單擊可視化控制軟件的CCD 切換按鈕發(fā)出切換命令，CC2530 單片機(jī)輸出3.5s 的全占空比PWM 波。CCD 切換到達(dá)限位位置時(shí)，電機(jī)限位電路會(huì)即時(shí)斷開，因此冗余的驅(qū)動(dòng)不會(huì)對裝置造成損壞。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過可視化控制系統(tǒng)的連續(xù)控制模式，將各光學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)到合適位置，再通過微調(diào)模式，將光學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(xué)表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)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(tǒng)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(tǒng)的透鏡表面測量情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在激光干涉儀中加入計(jì)算機(jī)可視化控制系統(tǒng)，PV 值減少了19.394nm，RMS 值減少了1.187nm，系統(tǒng)提高了激光干涉儀的測量精度。

7 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)致的儀器不規(guī)則抖動(dòng)，提高檢測效率。通過對干涉儀控制系統(tǒng)研究，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制（如光強(qiáng)、對比度自動(dòng)調(diào)節(jié)）及相關(guān)控制系統(tǒng)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。