基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法

摘要

一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，属于分析及测量控制技术领域，由激光光源、光测弹性装置、线阵CCD探测装置组成。本发明设计的一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的系统，利用偏振成像结合光弹法研究蓝宝石衬底中的应力分布和特定晶面上的残余应力，并采用偏振差分算法和FPGA对蓝宝石内应力的分布做到等精度测量和计算，利用前沿的分析及测量控制技术设计，解决了传统测量方法和现在存在的光学测量方法中的技术缺陷问题，为蓝宝石衬底加工工艺优化提供指导。

主权项

一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法，包括激光光源、光测弹性装置、线阵CCD探测装置，其特征在于：所述的激光光源具有高亮度，高强度，高单色性和高相干性特性，激光器的波长选择1064nm；所述的光测弹性装置由起偏镜P、检查镜A和光弹性调制器PEM组成，起偏镜P的主轴方向与水平方向成45°，把来自光源的光变为偏振光，检查镜A用来检验光波通过的情况；当两偏振片镜轴互相垂直放置，为正交平面偏振布置时，形成暗场；当两偏振镜轴为平行平面偏振布置时，则呈亮场；两偏振镜有同步回转机构，能使其偏振周同步旋转；光弹性调制器PEM，使通过的光信号中平行于PEM主轴方向的分量增加一个周期变化的相位；所述的线阵CCD探测装置由线阵CCD探测器、FPGA模块、ADC、晶振、系统时钟、USB接口芯片、JTAG口、PROM和计算机PC组成，ADC将CCD探测器探测到的模拟信号转换为12位数字信号输入到FPGA模块；经过FPGA处理过的信号通过转移部分再反馈到CCD探测器显示出图像；USB接口芯片一端与FPGA模块相互连接作用，另一端连接到PC上；PC输出的信号输出到JTAG口，再生成相应的程序代码经PROM输入到FPGA模块；晶振为FPGA模块提供系统主时钟；锁相放大器提取CCD探测器测量到的光信号被PEM调制的成份，被提取的信号通过单片机8051软核等精度测量，再次输出给CCD探测器，同时信号输入到PC，最后根据算法分析信号；所述的一种基于FPGA和偏振差分算法测量蓝宝石内应力分布的方法，具有一种结合硬件装置优化系统的算法，所述的信号算法分析：$\frac{{({\sigma }_x+{\sigma }_y)}^2{E}^2}{4}[1+2\mathrm{Re}\left(\frac{\Delta \sigma }{\sigma }\right)J_2\left(\phi \right)cos\left(2\omega t\right)+2\mathrm{Im}\left(\frac{\Delta \sigma }{\sigma }\right)J_1\left(\phi \right)\sin \left(\omega t\right)......]...\left(1\right)$其中，J_n(Φ)是n阶贝塞尔函数，Φ是PEM对相位调制的振幅，E为光波经过起偏器后的电矢量大小，Re表示取的实数部分，Im表示取的虚数部分，ω代表角速度，t表示时间，σ_x，σ_y分别为x，y方向上的应力，(1)式忽略了高次项，保留了一倍频和二倍频成分，两者都可以通过锁相放大器同时测出来，知道了Φ值后，就可以同时得到的实部和虚部；而v为探测器的灵敏度，t_x，t_y分别为x，y方向蓝宝石的透射系数；近似的，t_x＝|t_x|e^tα，t_y＝|t_y|e^iβ，t_x，t_y分别表示|t_x|，|t_y|的模，α，β分别表示x，y方向的透射光与入射光之间的相位差；故分母有理化后得到：$\frac{\Delta \sigma }{\sigma }=2\frac{|t_x{|}^2-|t_y{|}^2+2i\left|t_x\right|\left|t_y\right|sin(\alpha -\beta )}{|t_x{|}^2+|t_y{|}^2+2\left|t_x\right|\left|t_y\right|cos(\alpha -\beta )}...\left(2\right)$通过上面公式可以看出，蓝宝石的内应力分布可以由透射系数和x，y方向的透射光与入射光之间的相位差测得；的虚部反应的是x，y方向的相位差，而的实部主要x，y方向的透射光强度差，当α与β相差较小时，当两个方向光透射强度相同时，|t_x|²‑|t_y|²＝0，即二倍频为0，对于本方法，和的测量精度可以精确到10^‑5。