基于LabVIEW的圆偏振光干涉纳米位移测量系统_王涵.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 009基于 LabVIEW 的圆偏振光干涉纳米位移测量系统王涵，郭旖，田欣野，邱学军，沈健(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)摘要:为了在微电子技术和超精密加工技术等高新技术中实现纳米位移实时监测，设计了圆偏振光干涉纳米位移测量系统。首先简述了圆偏振光干涉原理和实验系统组成，搭建了圆偏振光干涉的实验光路和硬件探测系统;其次构建了LabVIEW 控制的纳米测量软件系统，包括连续数据采集、基于最小二乘法的误差修正和改进正切查表算法的解调细分与位移辨向;最终实现了 LabVIEW 控制干涉信号的实时采集、误差修正、细分解调、方向辨识为一体的实时位移测量系统。实验获得了误差修正后的校正圆曲线及解调细分后含方向的位移变化量。该工作将单频激光干涉技术与圆偏振光干涉技术相结合，解决了常见的双频激光干涉测量结构复杂且成本较高以及单频激光干涉测量无法辨向的问题。关键词:纳米位移测量;圆偏振干涉;误差修正;数据细分中图分类号:O 436 1文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0039 06收稿日期:2022-01-07基金项目:教育部产学合作协同育人项目(202002068008);国家级一流 本 科 课 程(YLKCG19006);中 南 民 族 大 学 校 级 教 改 项 目(JGZX202010);中南民族大学实验室研究项目(SYYJ2022001)作者简介:王涵(1997 )，女，内蒙古呼和浩特人，硕士生，主要研究方向为光学精密测量。E-mail:katewh3355163 com通信作者:邱学军(1985 )，男，湖北武汉人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为光学精密测量。Tel:18672323467;E-mail:xjqiu mail scuec edu cnNanometer Displacement Measuring System Based onCircular Polarization Light Interference of LabVIEWWANG Han，GUO Yi，TIAN Xinye，QIU Xuejun，SHEN Jian(College of Electronics and Information，South-Central Minzu University，Wuhan 430074，China)Abstract:In order to realize the continuously monitoring of nano-displacement in high-tech such as microelectronictechnology and ultra-precision machining technology，a nano-displacement measurement system based on circularpolarization light interference is designed Firstly，the principle of circular polarization interference and the compositionof experimental setup are briefly described，and the experimental optical path and hardware detection system of circularpolarization interference are builtSecondly，a LabVIEW-controlled nanometer measurement software system isconstructed，including continuous data acquisition，error correction based on the least squares method and demodulationsubdivision and direction identification on account of improved subdivision algorithm of tangent function Finally，thereal-time displacement measurement system is realized，integrating the real-time LabVIEW-controlled interference signalacquisition，error correction，and subdivision demodulation and direction identification The experimental results showthat the calibration curve after error correction and the displacement variation with direction after data demodulation andsubdivision can be obtainedThis work combines single-frequency laser interferometry with circular polarizationinterferometry，which solves problems of complicated structure and high cost of dual-frequency laser interferometry andinability to distinguish the direction of single-frequency laser interferometryKey words:nano-displacement measurement;circular polarization interference;error correction;data subdivision第 41 卷0引言随着我国制造业的逐渐升级转型，精密工程技术对制造业的支撑作用也越发重要1。计量与测试技术对各个领域诸如半导体制造、超精密光学加工2 的测量精度产生深远影响3-4。其中，激光干涉仪被广泛应用于精密测量与超精密测量领域，例如微振动测量5、干涉声光成像6、X 射线干涉测量7、微位移测量8 等，诸多领域对激光干涉仪的测长精度要求已达到纳米甚至皮米量级。常用的光学测长干涉仪主要有迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪等，大多数为非接触测量，具有较高的测量灵敏度和精度;较晚出现的如外差干涉仪、光纤干涉仪、法布里-珀罗(F-P)干涉仪等具有良好的抗环境干扰的能力与更优异的稳定性9-10。不同种类的干涉仪于测量范围、测量速度、分辨力和测量精度等不同方面各具优势。激光干涉仪可分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪两类。双频激光干涉仪利用两束频率相差不大的激光干涉产生拍频信号进行测量，同时可根据多普勒效应判断运动方向，具有抗干扰能力强、测量稳定性好、精度高、可辨向等优势;单频激光干涉仪利用光程差变化得到位移变化量，虽然精度较之双频激光干涉仪有些许不足，但因其固有优点如光路简单、低成本、非线性误差小等依旧具有竞争优势11。除此之外，两束同频的圆偏振光也会发生干涉，通过特定的测量方法对其偏振态进行检测即可得到相应的相位关系及被测物的移动方向。使用单频激光即可获得圆偏振干涉所需的同频光，在高精度测量系统中可以得到不输于双频测量的精度且成本较低，具有研究及实用价值。本文将单频激光干涉技术与圆偏振干涉测量技术12-13 相结合，同时将激光干涉测量技术与虚拟仪器技术、信号处理技术融为一体，构建了基于 LabVIEW的圆偏振干涉纳米位移测量系统。它以个人计算机为硬件平台，以图形化软件 LabVIEW 为软件基础，通过硅光电池对光信号的捕获与光电转换、信号采集卡进行数据采集来获得实时测量数据。获得的数据依托LabVIEW 平台 G 语言编程进行误差修正以及信号解调细分以获得高精度的位移信息，具有实验光路简单、成本低、测量精度高、运动方向可辨别且可以进行实时测量显示等优点。1圆偏振光干涉原理设 E1、E2分别为左、右旋圆偏振光，用琼斯矩阵表示为E1=121 iexp i1，E2=121 iexp i2(1)式中，1、2分别为对应 E1、E2的初相位。将两束圆偏振光叠加后的琼斯矩阵为E=2exp i1 22cos1 22 sin1 22(2)归一化后E=cos1 22 sin1 22=cos sin(3)由此可见，叠加后的琼斯矩阵表示一线偏振光，其中 =(1 2)/2 为线偏振光的方位角，如图1 所示。其偏振方向与两束圆偏振光的初始相位有关，为两圆偏振光初始相位差的角平分线。图 1圆偏振光干涉原理实际应用中，将一束圆偏振光作为参考光束，认为其相位恒定不变，另一束作为测量光束，其相位随着被测物的位移变化而改变。当测量光相位变化 2，即光程变化一个波长，则干涉得到的线偏振光偏振方向旋转 180，其旋转方向与光程的变化趋势有关。2实验装置与系统组成图 2 为实验搭建的圆偏振干涉测量的光路示意图。实验测量中，激光光束由能量 2 mW，波长 650 nm的半导体激光器产生，经过起偏器 P1与偏振分光棱镜PBS1分为两束能量相等的线偏振光 P 光和 S 光，其中透射光 P 光经过1/4 波片 Q2变为右旋圆偏振光，经过固定镜，变为左旋圆偏振光，再次经过 1/4 波片 Q2变为 S 光返回 PBS1;S 光经过1/4 波片 Q1变为左旋圆偏振光，而后经过固定在压电陶瓷上的可移动镜变为右旋圆偏振光，再次经过 1/4 波片 Q1变为 P 光，在PBS1 与透射方向的 S 光合束，产生的 P 光和 S 光经过1/4 波片 Q3后再次产生右旋和左旋圆偏振光并发生干涉。干涉产生的线偏振光由消偏振分光棱镜 NPBS将其分为两束，一束经过与偏振方向成 45夹角的偏04第 12 期王涵，等:基于 LabVIEW 的圆偏振光干涉纳米位移测量系统振片 P2进入到光电检测器 PD2;另一束进入偏振分光棱镜 PBS2分为两束偏振方向垂直的光束分别进入光电检测器 PD1、PD3，经由光电检测器将信号输入数据采集卡及上位机进行数据处理与运算。图 2圆偏振干涉光路示意假设经过 Q3后形成的线偏振光的方位角为，则数据采集卡采集到的 3 路信号 ID1、ID2、ID3分别为:ID1=E2cos2(4)ID2=E2(0 5 sin cos)(5)ID3=E2sin2(6)将 3 路信号两两做差分运算得到两路正交信号:ID1D2=(2E2/2)sin(7)ID2D3=(2E2/2)cos(8)式中，=2+45，其频率大小取决于线偏振光偏振方向的变化快慢，即被测物移动的快慢;相位的变化与激光波长相对应，即相位变化一个周期，位移变化一个波长 的量，因此测量镜的位移可由下式得到:x=(/)(9)式中，为激光的波长。3LabVIEW 控制的软件测量系统3 1干涉信号的采集实验获得的 3 路信号通过光电探测器经数据采集卡传输到计算机，其中光电探测器采用 THOLABS 公司的 DET36A2，数据采集卡采用恒凯电子的 USB 数据采集卡 V1 2。利用 LabVIEW 提供的调用库函数节点对数据采集卡的*dll 文件进行读取，实现与数据采集卡之间的通信，使用 MADContinuV12 函数设定采样频率、采样个数、起始与结束采样序列号等参数进行多通道连续数据采集。将 3 路信号两两相减得到两路正交