采用视频图像的激光干涉测长技术

　　0 引言

　　激光干涉测量技术以其高精度、非接触等优点在精密测长领域得到了广泛的应用。单频激光干涉测长仪的基本原理是在迈克尔逊干涉仪的基础上，通过条纹计数来测量动镜移动的距离。为了使干涉仪有良好的抗干扰性能，避免因振动带来的误计数，一般采用移相技术获得两路相位差为90 °的信号，通过对两路信号的对比，实现可逆计数及电子细分，测量精度仅为λ /8 或λ /16 [1-2]。常见的移相技术有机械移相法、翼形板移相法、金属膜移相法、偏振移相法等[2-4]。其中，机械移相法要求干涉条纹方向和间隔保持稳定，每次使用时必须进行严格的调整，金属膜移相法、偏振移相法要有专门的移相光学器件，系统光路比较复杂，给干涉测长仪的使用带来很多困难。随着数字图像采集及处理技术的发展， 其在激光干涉检测技术中的应用也越来越多， 如高精度动态实时干涉检测技术[5]、条纹跟踪技术[6]、条纹自动识别技术[7]等，但这些技术都不适合大位移、强干扰情况下的测量。

　　希尔伯特变换以其适合于大范围的测量、计算时间短、分辨率高、算法简单等特点在时域信号移相、相位提取等方面得到了广泛的应用[8-10]。文中利用希尔伯特变换对视频图像中的第一帧干涉条纹图进行移相，确定信号读取位置，从摄像机记录的动态条纹信号中提取出两路相位差为90 °的信号， 实现了长度精确测量。

　　1 激光干涉测长原理

　　激光干涉测长系统如图1 所示， 由激光器发出的激光束经激光扩束镜BE 扩散成平行光，以45 °角照射到分束镜P 上并分成两束。其中，光束1 照射到移动工作平台上的逆向反射镜M1上， 经反射后光束原路返回， 再透过分束镜P 到达CCD 摄像机上;光束2 照射到干涉仪的固定反射镜M2上，反射后再经分束镜P 到达CCD 摄像机。让M2法线与入射光束成一微小夹角，即其关于P 的虚像M2′与M1形成一微小夹角θ ，因为采用的是平行光源，此时形成的条纹为直线状等厚干涉条纹， 且干涉条纹的间隔只与θ 有关，不会随着动镜的移动而变化，如图2 所示。

　　利用CCD 数码摄像机记录干涉条纹的动态变化，当动镜M1远离M2′时，干涉条纹向下移动，定义为正向运动， 当动镜M1靠近M2′时， 干涉条纹向上移动， 定义为反向运动， 假设光束1 和2 的光强相等，相位差为δ (t)，则图2 中a 所对应的直线上各点的光强呈余弦规律变化：

　　由公式(3)得到变化范围在-π/2 到π/2 的周期性实时相位差值。当动镜正向运动时，相位跳变是从 π/2 到-π/2，如图3(a)所示。当动镜反向运动时，相位跳变是从-π/2 到π/2，如图3(b)所示。利用这一特性在软件中可方便地确定动镜的运动方向并实现可逆计数。相位每从π/2 到-π/2 跳变一次，计数n 加1，相位每从-π/2 到π/2 跳变一次，计数n 减1，则相位差总变化为：△δ=nπ+[δ (0)-δ (t)] (4)