Пространственно-временная развертка интерференционного поля в лазерных измерительных системах

УДК 620.179.118.681

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ РАЗВЕРТКА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ПОЛЯ В ЛАЗЕРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

П. Н. Цибизов

SPACE-TIME SCAN OF THE INTERFERENCE FIELD IN LASER MEASURING SYSTEMS

P. N. Tsibizov

Аннотация. Актуальность и цели. Проведение высокоточных измерений с дискретностью менее одного микрометра и расстояниями в несколько метров возможно только с использованием лазерных измерительных систем (ЛИС). Такие средства измерений необходимы, например, в точном приборо- и станкостроении как для проведения контрольно-измерительных операций, так и для использования в качестве датчиков обратной связи в системе управления технологического оборудования. В связи с этим разработка ЛИС, позволяющих осуществлять высокоточные измерения, является актуальной задачей современного приборостроения. С целью создания средств таких ЛИС рассматривается способ измерения фазового сдвига световых волн посредством циклического сканирования интерференционной полосы узкой дифракционной щелью. Материалы и методы. Реализация исследовательских задач по измерению фазового сдвига световых волн осуществлялась с использованием аку-стооптического лазерного интерферометра. Результаты. В процессе проведения исследований был изготовлен интерферометр со сканирующим блоком, осуществляющий пространственно-временную развертку интерференционного поля, что позволило упростить базовую схему измерительного устройства за счет отказа от акустооп-тического модулятора. Выводы. На основании результатов проведенных работ можно заключить, что разработанный способ измерения фазового сдвига световых волн посредством циклического сканирования интерференционной полосы узкой дифракционной щелью позволил создать лазерный интерференционный датчик с меньшими размерами по сравнению с аналогами, снизить его себестоимость за счет упрощения схемы измерения, а также повысить надежность работы измерительной системы в целом.

Ключевые слова: измерение, лазерный интерферометр, фазовый сдвиг, модуляция, дифракционная решетка, гетеродин, фотоэлектрический преобразователь.

Abstract. Background. Carrying out high-precision measurements in increments of less than one micrometer and a few meters away is only possible with the use of laser measuring systems (LMS). Such a measuring instrument is needed, for example, in the precise instrument and machine tool, both for control and measurement operations as well as for use as a feedback sensor in a control system of processing equipment. In this regard, the development of LMS that allow for high-precision measurement is an actual problem of modern instrumentation. In order to create such funds LMS, a method of measuring the phase shift of light waves by cyclic scanning fringe narrow slit diffraction. Materials and methods. The implementation of research tasks by measuring the phase shift of light was carried out using an acousto-optic laser interferometer. Results. In the process of research was made with a scanning interferometer unit performs space-time scan the interference field, which allows us to simplify the basic scheme of the measuring device by eliminating the acousto-optic modulator. Conclusions. Based on the results of this work we can con-

clude that developed a method for measuring the phase shift of light waves by cyclic scanning fringe narrow slit diffraction allowed to create a laser interference device with smaller dimensions compared to peers, to reduce its cost by simplifying the measurement circuit, as well as increase the reliability of the measurement system as a whole.

Key words: measuring, a laser interferometer, the phase shift, modulation, diffraction grating, a local oscillator, a photoelectric converter.

Ведущие мировые фирмы-производители ЛИС, такие как «API», «Reni-shaw», используют в своих измерительных системах принципы гетеродинной лазерной интерферометрии, основанные на применении двухчастотных или двухмодовых лазерных излучателей [1]. Для построения интерференционных схем на основе указанных типов лазеров требуется высокоточная и дорогостоящая поляризационная оптика. Структура оптической схемы таких ЛИС получается достаточно простой и надежной. Она представлена на рис. 1 в виде функциональной схемы преобразования световых волн v1 и v2 и формирования электрического измерительного сигнала f^.

Рис. 1. Функциональная схема оптического тракта гетеродинных ЛИС на основе двухчастотных или двухмодовых лазеров

Процесс преобразования основан на расщеплении разночастотных оптических компонент, имеющих разную плоскость поляризации интерферометром Майкельсона, на два луча - измерительный и опорный.

Измерительный световой луч, проходя по трассе измерения (отражение от контролируемого объекта), получает доплеровский сдвиг частоты ±уд, пропорциональный скорости перемещения этого объекта. На выходе из интерферометра измерительный луч пространственно совмещается с опорным и направляется на поляризационный компенсатор. При выравнивании плоскости поляризации этих лучей и их оптическом гетеродинировании на плоскости фотодетектирования выделяется сигнал разностных биений двух оптических компонент, преобразуемый интегрально-чувствительной поверхностью фотодетектора в электрический измерительный сигнал Фаза этого сигнала ф(0 относительно фазы опорного в силу соотношения [2]

Ч

ф(') = | #и С №

ч

определяет перемещение объекта Ьи:

Ьи = Ф Х/2,

где X - длина волны лазерного излучения (X = 0,63мкм).

В России был разработан и внедрен альтернативный вариант гетеродинной ЛИС [3]. Основной принцип преобразования измерительной информации не изменился, однако в этих системах было использовано новое техническое решение процесса гетеродинирования световых волн (рис. 2).

Vo

Рис. 2. Функциональная схема оптического тракта гетеродинных акустооптических ЛИС

Приборы этого типа использовали более простой одночастотный Не-№ лазер, а сдвиг частоты одного из оптических лучей интерференционной схемы осуществлялся при прохождении ее через акустическое поле, возбужденное в жидкой, оптически прозрачной среде. При соблюдении ряда условий в результате акустооптического взаимодействия возникает дифракция света без нарушения когерентности дифракционного спектра оптического поля в плоскости Фурье.

При этом спектр акустического поля переносится в высшие порядки дифракции с амплитудным распределением, описываемым цилиндрическими функциями Бесселя второго рода. Для получения измерительного электрического сигнала на несущей частоте гетеродина, кратной частоте возбуждения акустического поля, на плоскости фотодетектирования пространственно совмещаются дифракционные порядки разных номеров опорного и измерительного световых пучков.

Предложенная схема вследствие нестабильности метрологических и эксплуатационных характеристик акустооптических модуляторов света не выдержала конкуренции с западными аналогами. В конечном итоге была принята более надежная, но более дорогостоящая схема на основе двухча-стотных лазеров [1]. Были попытки создания твердотельных акустооптиче-ских модуляторов и модуляторов на поверхностных акустических волнах, однако более жесткие условия акустооптического взаимодействия, требуемые для приемлемой работы этих устройств, значительно ухудшали метрологические характеристики ЛИС.

В то же время рассмотренная схема полностью не исчерпала все свои потенциальные возможности, тем более в настоящее время, когда появились полупроводниковые квантовые генераторы, имеющие приемлемые метрологические характеристики оптического излучения. Необходим более глубокий структурный анализ и синтез новых, более совершенных схем гетеродинных ЛИС.

Анализируя последовательность преобразования информации в акустооптических ЛИС, можно сделать следующий вывод. Если рассматривать акустическое поле как перемещающуюся с постоянной скоростью фазовую ди-

фракционную решетку (теория Рамана-Ната), то оптическое гетеродиниро-вание различных дифракционных порядков двух световых волн в плоскости Фурье равносильно выполнению операции свертки импульсной функции пропускания дифракционной решетки с функцией фазового состояния интерференционного оптического поля на его ограниченной апертуре в плоскости акустооптического взаимодействия.

Практическим выводом из этого утверждения может служить способ измерения фазового сдвига световых волн посредством циклического сканирования интерференционной полосы достаточной ширины узкой дифракционной щелью, осуществляющей ее пространственно-временную развертку (ПВР). Функциональная схема оптического тракта этой ЛИС изображена на рис. 3.

%

1>Ш

т Уо А V V,) -» А

-¥ / N

±VД

/г

д

/о II Уг

Рис. 3. Функциональная схема оптического тракта гетеродинной ЛИС с ПВР

При фотодетектировании светового пучка за щелью электрический измерительный сигнал на несущей, равной частоте циклического сдвига щели, будет содержать в своем спектре информацию о фазовом состоянии интерференционного поля.

На рис. 4 представлена схема интерференционного датчика, в которой используется разработанный способ измерения фазового сдвига световых волн. Принцип работы оптической схемы датчика аналогичен работе гомо-динных интерференционных схем на основе интерферометра Майкельсона.

Рис. 4. Схема лазерного интерференционного датчика линейных перемещений с ПВР

Лазерный луч от источника 1 через коллиматор 2 направляется на све-тоделительный кубик интерферометра 3, на котором он расщепляется на два световых пучка - опорный Еоп и измерительный Еи. Измерительный световой пучок, проходя по трассе измерения и отразившись от триппель-призмы 4, получает доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный скорости перемещения объекта. Опорный световой пучок, отразившись от неподвижного отражателя 5, проходит систему оптических клиньев 6 и пространственно совмещается на светоделительной грани кубика 3 с измерительным.

Оптическая система 7 развертывает суммарный световой пучок в линию. В фокальной плоскости этой системы установлен фотоприемный блок 8, представляющий собой фотодиодную линейку с циклическим доступом к ячейкам. При юстировке интерферометра оптические клинья 6 изменяют направление опорного пучка таким образом, чтобы на приемном окне фотодиодной линейки формировалась одна интерференционная полоса.

При циклическом сканировании этой полосы, представляющей собой функцию распределения интенсивности суммарного оптического поля вдоль линии фотодетектирования, сигналом f на выходе фотоприемного блока образуется периодический электрический измерительный сигнал f1H, фаза которого пропорциональна линейному перемещению L измерительного отражателя 4.

Этот сигнал поступает на нормирующий усилитель 9 электронного блока и преобразуется в синусоидальный измерительный сигнал _/2и. На фазовом дискриминаторе 10 этот сигнал совместно с опорным /ои генератора 11 формирует парафазный выходной измерительный сигнал Nt в виде цифровых счетных импульсов ТТЛ-логики.

Таким образом, использование предложенной схемы за счет отказа от акустооптического модулятора позволяет уменьшить размеры и себестоимость интерференционного датчика, а также повысить надежность работы измерительной системы в целом.

Список литературы

1. Machine calibration and optimization. - URL: http://www.renishaw.com/en/ machine-calibration-and-optimization--6330 (дата обращения: 10.09.2015).

2. Порфирьев, Л. В. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах / Л. В. Порфирьев. - СПб. : Лань, 2013. - 400 с.

3. Базыкин, С. Н. Информационно-измерительные системы на основе интерферометров : моногр. / С. Н. Базыкин. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. - 132 с.

Цибизов Павел Николаевич

кандидат технических наук, доцент, руководитель группы научно-образовательной деятельности, ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» E-mail: paul-startatom@yandex.ru

Tsibizov Pavel Nikolaevich candidate of technical sciences, associate professor,

head of research and education activities, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex "Start" named after M. V. Protsenko

УДК 620.179.118.681 Цибизов, П. Н.

Пространственно-временная развертка интерференционного поля в лазерных измерительных системах / П. Н. Цибизов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 3 (15). - С. 174-179.