Лазерные измерительные системы с пространственно-временной разверткой интерференционного поля

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 531.715.1

С. В. Капезин, С. Н. Базыкин, Н. А. Базыкина, К. С. Самохина

ЛАЗЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ПОЛЯ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются лазерные информационно-измерительные системы с пространственно-временной разверткой интерференционного поля. Предметом исследования являются процессы преобразования интерференционной полосы на окне фотодиодной линейки в результате перемещения подвижного отражателя объекта. Целью работы является определение возможности измерения линейного перемещения объекта с помощью фазового сдвига световых волн пространственно-временной разверткой интерференционного поля.

Материалы и методы. Исследование процессов преобразования интерференционной полосы на окне фотодиодной линейки проведены методом гармонического анализа с помощью Фурье-преобразования.

Результаты. Рассмотрен механизм измерения линейных перемещений подвижного объекта с помощью лазерных гетеродинных интерферометров. Показано, что применение двухчастотных источников оптического излучения позволяет упростить оптическую схему измерения. Приведена схема лазерного гетеродинного интерференционного датчика линейных перемещений, использующая одночастотный источник оптического излучения.

Выводы. Проведение высокоточных измерений с дискретностью менее одного микрометра и расстояний в несколько метров возможно только с использованием лазерных измерительных систем. При этом построение оптических схем зависит от применяемого источника оптического излучения. В статье проведен анализ построения оптических схем интерферометров при использовании различных источников оптического излучения. Описан метод измерения фазового сдвига световых волн посредством циклического сканирования интерференционной полосы узкой дифракционной щелью.

Ключевые слова: лазерные измерительные системы, пространственновременная развертка, интерференционное поле, интерференционная полоса, фазовый сдвиг световых волн.

S. V. Kapezin, S. N. Bazykin, N. A. Bazykina, K. S. Samokhina

LAZER MEASURING SYSTEMS WITH SPACE-TIME SCAN OF INTERFERENCE FIELD

Abstract.

Background. The research object is lazer information-measuring systems with space-time scan of an interference field. The research subject is the processes of interference fringe conversion in a window of a linear photodiode array as a result of object’s mobile reflector shift. The aim of the work is to determine the possibility of object’s linear shift measurement using a phase shift of lightwaves by a space-time scan of an interference field.

Materials and methods. The research of interference fringe conversion in a window of a linear photodiode array was carried out through using a method of harmonic analysis with the help of Fourier transforms.

156

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Results. The authors considered a mechanism of mobile object’s linear shifts measuring using lazer heterodyneinterferometers. It is shown that application of two-frequency optical radiation sources allows to simplify an optical measuring scheme. The article describes a scheme of a lazer heterodyne interference sensor of linear shifts that uses a monofrequent source of optical radiation.

Conclusions. High-precision measurements with discreteness of less than one micrometer and distance of several meters is possible only if using lazer measuring systems. At the same time, building of optical schemes depends on the used source of optical radiation. The article describes the analysis of interferometers’ optical schemes formation using various sources of optical radiation. The study reveals a method of measuring a phase shift of lightwaves by means of cyclic scanning of an interference fringe by a narrow diffraction slit.

Key words: lazer measuring systems, time-space scan, interference field, interference fringe, phase shift of lightwaves.

Проведение высокоточных измерений с дискретностью менее одного микрометра и расстояний в несколько метров возможно только с использованием лазерных измерительных систем. 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 [1].

Ведущие мировые фирмы-производители лазерных измерительных систем, такие как Hewlett Packard и Metrilas, используют в своих измерительных системах принципы гетеродинной лазерной интерферометрии, основанные на применении двухчастотных или двухмодовых лазерных излучателей [2]. Для построения интерференционных схем на основе указанных типов лазеров требуется высокоточная и дорогостоящая поляризационная оптика. Структура оптической схемы таких лазерных измерительных систем получается достаточно простой и надежной, она представлена на рис. 1 в виде функциональной схемы преобразования световых волн Vi и v2 и формирования электрического измерительного сигнала /и.

Рис. 1. Функциональная схема оптического тракта гетеродинных лазерных измерительных систем 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. Измеритель-

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 157

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

ный световой луч, проходя по трассе измерения (отражение от контролируемого объекта), получает доплеровский сдвиг частоты ±v№ 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/и. Фаза этого сигнала ф относительно фазы опорного сигнала определяет перемещение объекта Ти

Т _ X

Lu ф 2 ,

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

При использовании одночастотных источников оптического излучения разработан и внедрен альтернативный вариант гетеродинной лазерной измерительной системы. Основной принцип преобразования измерительной информации не изменился, однако в этих системах было использовано новое техническое решение процесса гетеродинирования световых волн (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема оптического тракта гетеродинных акустооптических лазерных измерительных систем

Приборы этого типа использовали более простой, а следовательно, и более дешевый одночастотный лазер, а сдвиг частоты одного из оптических лучей интерференционной схемы осуществлялся при прохождении ее через акустическое поле, возбужденное в оптически прозрачной среде. При соблюдении ряда условий в результате акустооптического взаимодействия возникает дифракция света без нарушения когерентности дифракционного спектра оптического поля в плоскости Фурье [3]. 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 [4].

Предложенная схема вследствие нестабильности метрологических и эксплуатационных характеристик акустооптических модуляторов света не выдержала конкуренции с западными аналогами и в конечном итоге была принята более надежная, но более дорогостоящая схема на основе двухчастотных лазеров.

158

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

В то же время рассмотренная схема полностью не исчерпала все свои потенциальные возможности. Необходим более глубокий структурный анализ и синтез новых, более совершенных схем гетеродинных лазерных измерительных систем.

Анализируя последовательность преобразования информации в акустооптических лазерных измерительных системах, можно сделать следующий вывод. Если рассматривать акустическое поле как перемещающуюся с постоянной скоростью фазовую дифракционную решетку (теория Рамана - Ната), то оптическое гетеродинирование 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.

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. 3 представлена схема интерференционного датчика, в которой используется разработанный метод измерения фазового сдвига световых волн. Принцип работы оптической схемы датчика аналогичен работе гомодинных интерференционных схем на основе интерферометра Май-кельсона.

Рис. 3. Схема лазерного интерференционного датчика линейных перемещений

Лазерный луч от источника 1 через коллиматор 2 направляется на светоделительный кубик интерферометра 3, на котором он расщепляется на два световых пучка - опорный Еоп и измерительный Еи. Измерительный световой

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 159

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

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 световым пучком. Оптическая система 7 развертывает суммарный световой пучок в линию. В фокальной плоскости этой системы установлен фотоприемный блок, 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 / на выходе фотоприемного блока образуется периодический электрический измерительный сигнал /ы, фаза которого пропорциональна линейному перемещению L измерительного отражателя 4. Этот сигнал поступает на нормирующий усилитель 9 электронного блока и преобразуется в синусоидальный измерительный сигнал /2ж. На фазовом дискриминаторе 11 этот сигнал совместно с опорным сигналом /оп генератора 10 формирует парафазный выходной измерительный сигнал Nt в виде цифровых счетных импульсов.

Предложенный метод измерения фазового сдвига световых волн позволяет получать сигнал об измерении перемещения объекта с помощью информационно-измерительной системы на основе лазерного интерферометра без акустооптического преобразования. Данный метод измерения перемещения подвижного объекта с помощью лазерного интерферометра позволяет упростить оптическую схему измерения, так как в ней отсутствует акустооптический модулятор. Поэтому можно сказать, что повысилась надежность работы всей информационно-измерительной системы.

Список литературы

1. Капезин, С. В. Повышение точности лазерных интерференционных акустооптических измерительных систем методом автоматической компенсации : авто-реф. дис. ... к-та. техн. наук / Капезин С. В. - М., 1984. - 28 с.

2. Кащеев, Н. А. Формирование комплексного подхода к разработке прецизионных аналого-цифровых преобразователей для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники / Н. А. Кащеев, Ю. Л. Кузнецов, К. Ю. Писка-ев, Ю. А. Цуриков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 151-159.

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

4. Капезин, С. В. Интерферометр с увеличенным периодом однозначности / С. В. Капезин, С. Н. Базыкин, Н. А. Базыкина // Датчики и системы. - 2005. - № 8. -С. 15-16.

References

1. Kapezin S. V. Povyshenie tochnosti lazernykh inter/erentsionnykh akustoopticheskikh izmeriternykh sistem metodom avtomaticheskoy kompensatsii: avtoref. dis. k-ta. tekhn. nauk [Precision improvement of lazer interference acoustooptical measuring systems by the automatic compensation method: author’s abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of engineering sciences]. Moscow, 1984, 28 p.

160

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

2. Kashcheev N. A., Kuznetsov Yu. L., Piskaev K. Yu., Tsurikov Yu. A. Izvestiya vys-shikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2012, no. 1 (21), pp. 151-159.

3. Bazykin S. N. Informatsionno-izmeritel’nye sistemy na osnove interferometrov: monogr. [Information-measuring systems on the basis of interferometers: monograph]. Penza: Izd-vo PGU, 2014, 132 p.

4. Kapezin S. V., Bazykin S. N., Bazykina N. A. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2005, no. 8, pp. 15-16.

Капезин Сергей Викторович

кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: priborostroenie@bk.ru

Базыкин Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: cbazykin@yandex.ru

Базыкина Нелли Александровна

кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет

E-mail: cbazykin@yandex.ru

Самохина Кристина Сергеевна аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: gsm@pnzgu.ru

Kapezin Sergey Viktorovich

Candidate of engineering sciences, associate

professor, sub-department of instrument

engineering, Penza State University

Bazykin Sergey Nikolaevich

Candidate of engineering sciences, associate

professor, sub-department of instrument

engineering, Penza State University

Bazykina Nelli Aleksandrovna Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics,

Penza State University

Samokhina Kristina Sergeevna Postgraduate student, Penza State University

УДК 531.715.1 Капезин, С. В.

Лазерные измерительные системы с пространственно-временной разверткой интерференционного поля / С. В. Капезин, С. Н. Базыкин,

Н. А. Базыкина, К. С. Самохина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 156-161.

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 161