RU2020409C1 - Акустооптический способ определения расстояния до объекта - Google Patents
Акустооптический способ определения расстояния до объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2020409C1 RU2020409C1 SU4952452A RU2020409C1 RU 2020409 C1 RU2020409 C1 RU 2020409C1 SU 4952452 A SU4952452 A SU 4952452A RU 2020409 C1 RU2020409 C1 RU 2020409C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- distance
- acoustic
- circuit
- optical
- acousto
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения расстояния до объекта оптическим методом. Цель изобретения - расширение диапазона этих расстояний за счет использования акустического преобразователя. Этот преобразователь управляется по контуру обратной связи сигналом, сформированным от частотного перескока при гетеродинном взаимодействии компонент монохроматического когерентного излучения, прошедшего через указанный преобразователь. Одним из компонентов отражается от объекта. 2 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения линейных размеров.
Известен способ определения расстояния до объекта [1] на основе интерферометра с перестраиваемым источником оптического излучения, при перестройке которого формируется дискретный набор длин волн λ1,λ2....λn.
Цикл измерения для этого способа реализуется в два этапа:
перестройка источника оптического излучения осуществляется таким образом, что производится перебор всех возможных дискретных значений λ1∈ [λ1; λn] и одновременно измеряются дробные части интерференционных порядков для каждой λi. На основе этого формируется система линейных уравнений, каждое из которых связывает искомое расстояние Lx с измеренной дробной частью порядка интерференции φi:
, (1) где ki= - значение величины, обратной длине волны;
θi - целое число порядков интерференции для λi ;
φi - дробная часть порядка интерференции для λi .
перестройка источника оптического излучения осуществляется таким образом, что производится перебор всех возможных дискретных значений λ1∈ [λ1; λn] и одновременно измеряются дробные части интерференционных порядков для каждой λi. На основе этого формируется система линейных уравнений, каждое из которых связывает искомое расстояние Lx с измеренной дробной частью порядка интерференции φi:
, (1) где ki= - значение величины, обратной длине волны;
θi - целое число порядков интерференции для λi ;
φi - дробная часть порядка интерференции для λi .
Для системы уравнений (1) выполняются аналитические преобразования, приводящие к ее решению за счет введения величины, эквивалентной длине волны:
λэкв=1/ΣAiki, (2) где Ai - коэффициент пропорциональности.
λэкв=1/ΣAiki, (2) где Ai - коэффициент пропорциональности.
Известен интерференционный способ определения расстояния до объекта также с использованием перестраиваемого источника излучения [2]. Способ заключается в перестройке длины волны источника излучения от значения λ1 до λ2 и измерении фазового набега в измерительном оптическом канале. Расстояние при этом определяется по формуле:
Lx= · λ1·λ2, (3) где Δλ=λ2-λ1 - диапазон перестройки длины волны.
Lx= · λ1·λ2, (3) где Δλ=λ2-λ1 - диапазон перестройки длины волны.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий [3], заключающийся в том, что с помощью интерференционной схемы, в измерительный канал которой включен волоконно-оптический преобразователь, формируется поле допуска L, определяющее положение и максимальное смещение поверхности контролируемого объекта.
Недостатком этого технического решения является ограничение области использования за счет контроля положения поверхности объекта (расстояния до объекта) только в малых диапазонах.
Целью изобретения является расширение области использования за счет также и определения расстояния до объекта в больших диапазонах.
Это достигается тем, что в предлагаемом акустооптическом способе определения расстояния до объекта, заключающемся в том, что акустооптическим преобразователем разлагают монохроматическое когерентное излучение на компоненты с различными частотами, один из них направляют на объект, принимают отраженное излучение и подвергают гетеродинному взаимодействию с другим компонентом, фиксируя частотный перескок при сдвиге фазы на 2π , при этом формируют сигнал, которым управляют акустооптическим преобразователем, на объект направляют компонент первого порядка, для указанного взаимодействия используют компонент нулевого порядка, фиксируют количество частотных перескоков, по которому судят о расстоянии до объекта.
На фиг.1 изображено интерференционное устройство для конкретной реализации данного способа; на фиг.2 - семейство функций преобразования для совместной схемы цепи акустооптоэлектронной положительной обратной связи (АПОС) и управляемой фазовой автоматической подстройки частоты (УФАПЧ) для различных значений Kα .
Устройство (фиг.1), реализующее способ,содержит следующие элементы: источник монохроматического излучения (лазер) 1, акустооптический модулятор 2, коллимирующую оптическую систему 3, элементы оптической схемы интерферометра 4, отражающую триппель-призму 5, контролируемый объект 6, фотоприемное устройство 7, фазовый детектор, усилитель 9, импульсный формирователь 10, счетчик импульсов 11, блок управления и вычислений 12, генератор 13, управляемый напряжением.
Способ осуществляют в работе следующим образом.
Излучение лазера 1 направляется на модулятор 2, после которого оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. Коллимирующей оптической системой 3 выходящие порядки направляются в схему в виде параллельных лучей. Первый порядок модуляции Е (+ 1) распространяется до триппель-призмы 5, прикрепленной к объекту 6, расстояние до которого определяется. Отраженное от триппель-призмы 5 излучение возвращается в интерференционную схему, с помощью элементов оптической схемы интерферометра 4 пространственно совмещается и интерферирует с нулевым порядком дифракции Е (0) на входе устройства 7.
Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе устройства 7 электрического измерительного сигнала, который поступает на измерительный вход детектора 8. Совместная электрическая схема детектора усилителя генератора 13 образуют схему УФАПЧ. Выходной частотный сигнал этой схемы поступает на кварцевый излучатель 2 и на опорный вход детектора 8.
При достижении разности фаз между частотными сигналами после генератора 13 и фотоприемного устройства 7 значения 2π на выходе детектора 8 формируется перескок напряжения, который поступает на вход усилителя 9 и импульсного формирователя 10. При поступлении перескока напряжения на вход блока 10 на выходе его формируется импульс малой длительности, который далее поступает на счетчик импульсов 11. Последний производит счет всех приходящих импульсов, а информацию об их суммарном количестве выдает на вход блока 12, который формирует цикл измерения расстояния, состоящего из двух действий, осуществляемых одновременно: изменяется коэффициент усиления усилителя 9; на вход блока 12 поступает информация о количестве импульсов, число которых пропорционально фазовому набегу в измерительном оптическом канале.
Сущность способа заключается в следующем.
Известно, что в функции преобразования цепи АПОС имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига входного оптического потока и изменением выходной частоты определяется в соответствии с выражением:
Δf= Kп˙Δφ, (4) где Кп - коэффициент пропорциональности. При отсутствии внешней управляющей схемы для АПОС Кп в уравнении (4) соответствует собственному коэффициенту пропорциональности Кп', который определяется только внутренними параметрами АОМ:
Kп= K = , (5) где Vзв - скорость распространения звуковой волны в воде,
LАОМ - расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем.
Δf= Kп˙Δφ, (4) где Кп - коэффициент пропорциональности. При отсутствии внешней управляющей схемы для АПОС Кп в уравнении (4) соответствует собственному коэффициенту пропорциональности Кп', который определяется только внутренними параметрами АОМ:
Kп= K = , (5) где Vзв - скорость распространения звуковой волны в воде,
LАОМ - расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем.
Линейный участок определяется смещением объекта на величину пространственного периода, который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2π . При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство АПОС, заключающееся в резком, почти мгновенном скачкообразном изменении частоты сигнала (частотный перескок) к своему первоначальному значению, при котором фазовый сдвиг был равен 0. Событие, означающее, что частотный перескок произошел, несет информацию о том, что значение фазового набега в оптическом канале составило 2π. Осуществляя подсчет количества частотных перескоков (для данного устройства - перескоков напряжения или соответствующих импульсов) можно судить о суммарном фазовом набеге согласно формуле:
Δφ= 2π N, (6) где N - число частотных перескоков (число импульсов на выходе счетчика импульсов 11).
Δφ= 2π N, (6) где N - число частотных перескоков (число импульсов на выходе счетчика импульсов 11).
Исследования показывают, что введение внешней управляющей схемы, в виде схемы УФАПЧ, изменяют свойства АПОС таким образом, что Кп в уравнении (4) становится равным Кп " - общему коэффициенту преобразования схемы УФАПЧ. Эта функциональная зависимость принимает следующий вид:
Кп = Кп " = Кдет ˙Кус ˙Кгун, (7) где Кдет - коэффициент преобразования фазового детектора;
Кус - коэффициент усиления усилителя;
Кгун - коэффициент преобразования генератора.
Кп = Кп " = Кдет ˙Кус ˙Кгун, (7) где Кдет - коэффициент преобразования фазового детектора;
Кус - коэффициент усиления усилителя;
Кгун - коэффициент преобразования генератора.
Для такого схемного решения величина пространственного периода с учетом двойного хода луча соответствует выражению:
Lпр= · · λ. (8) При подстановке выражения (5) в выражение (8) последнее приобретает следующий вид:
Lпр= · · λ = Kα·λ, (9) где Kα - модуляционный коэффициент.
Lпр= · · λ. (8) При подстановке выражения (5) в выражение (8) последнее приобретает следующий вид:
Lпр= · · λ = Kα·λ, (9) где Kα - модуляционный коэффициент.
Анализ полученного выражения показывает, что для различных значений Kα можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом, как показано на фиг.2.
Теоретически, значение пространственного периода может находиться в любом соотношении со значением длины волны используемого источника излучения и это обстоятельство аналогично использованию источника излучения с эквивалентной длиной волны:
λl=Kα˙λ. (10)
Физический смысл этого процесса заключается в изменении текущего значения фазы оптического излучения с длиной волны λ под значение фазы эквивалентной длины волны λ', за счет взаимодействия световых и ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе, характер которого определяется параметрами внешней управляющей схемы УФАПЧ.
λl=Kα˙λ. (10)
Физический смысл этого процесса заключается в изменении текущего значения фазы оптического излучения с длиной волны λ под значение фазы эквивалентной длины волны λ', за счет взаимодействия световых и ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе, характер которого определяется параметрами внешней управляющей схемы УФАПЧ.
Возможность изменения модуляционного коэффициента за счет изменения коэффициентов передачи звеньев схемы УФАПЧ позволяет производить соответствующую перестройку эквивалентной длины волны:
Δλl=ΔKα˙λ (11)
С помощью получаемых уравнений (10) и (11) выразим величины λ1 l,λ2 l и Δλl:
λ1 l=Kα1˙λ, (12)
λ2 l=Kα2˙λ, (13)
Δλl=λ2 l-λ1 l=(Kα2-Kα1)˙λ. (14)
Пусть в процессе измерения изменение модуляционного коэффициента будет кратной величиной:
Кα2= β˙Кα1. (15) Подставляя выражения (12)-(15), а также (6) в уравнение (3) получается формула, определяющая длину измерительного канала Lx в интерференционной схеме (фиг.1):
Lx= · · λ·N. (16)
Исходя из того, что расстояние до контролируемого объекта определяется в зависимости от выбранной системы координат технологического модуля (станок, координатно-измерительная машина, робот), то выражение (16) необходимо преобразовать к следующему виду:
L= · · λ·N ± A , (17) где A - начальное смещение, определяемое положением точки отсчета выбранной системы координат.
Δλl=ΔKα˙λ (11)
С помощью получаемых уравнений (10) и (11) выразим величины λ1 l,λ2 l и Δλl:
λ1 l=Kα1˙λ, (12)
λ2 l=Kα2˙λ, (13)
Δλl=λ2 l-λ1 l=(Kα2-Kα1)˙λ. (14)
Пусть в процессе измерения изменение модуляционного коэффициента будет кратной величиной:
Кα2= β˙Кα1. (15) Подставляя выражения (12)-(15), а также (6) в уравнение (3) получается формула, определяющая длину измерительного канала Lx в интерференционной схеме (фиг.1):
Lx= · · λ·N. (16)
Исходя из того, что расстояние до контролируемого объекта определяется в зависимости от выбранной системы координат технологического модуля (станок, координатно-измерительная машина, робот), то выражение (16) необходимо преобразовать к следующему виду:
L= · · λ·N ± A , (17) где A - начальное смещение, определяемое положением точки отсчета выбранной системы координат.
Полученное выражение является окончательным и показывает возможность определения расстояния до объекта путем модуляции параметров измерительной схемы без перестройки длины волны источника излучения.
Claims (1)
- АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что акустооптическим преобразователем разлагают монохроматическое когерентное излучение на компоненты с различными частотами, один из них направляют на объект, принимают отраженное излучение и подвергают гетеродинному взаимодействию с другим компонентом, фиксируя частотный перескок при сдвиге фазы 2π, при этом формируют сигнал, которым управляют акустооптическим преобразователем, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых расстояний, на объект направляют компонент первого порядка, для указанного взаимодействия используют компонент нулевого порядка, фиксируют количество частотных перескоков, по которому судят о расстоянии до объекта.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4952452 RU2020409C1 (ru) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Акустооптический способ определения расстояния до объекта |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4952452 RU2020409C1 (ru) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Акустооптический способ определения расстояния до объекта |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020409C1 true RU2020409C1 (ru) | 1994-09-30 |
Family
ID=21582964
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4952452 RU2020409C1 (ru) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Акустооптический способ определения расстояния до объекта |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2020409C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6934035B2 (en) | 2001-12-18 | 2005-08-23 | Massachusetts Institute Of Technology | System and method for measuring optical distance |
US7365858B2 (en) | 2001-12-18 | 2008-04-29 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for phase measurements |
US7557929B2 (en) | 2001-12-18 | 2009-07-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for phase measurements |
-
1991
- 1991-06-28 RU SU4952452 patent/RU2020409C1/ru active
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
1. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л.: Машиностроение, 1976. * |
2. Патент США N 3970389, 356/106, 1976. * |
3. Авторское свидетельство СССР N 1803734, кл. G 01B 21/00, 1990. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6934035B2 (en) | 2001-12-18 | 2005-08-23 | Massachusetts Institute Of Technology | System and method for measuring optical distance |
US7365858B2 (en) | 2001-12-18 | 2008-04-29 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for phase measurements |
US7557929B2 (en) | 2001-12-18 | 2009-07-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for phase measurements |
US9528817B2 (en) | 2001-12-18 | 2016-12-27 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for phase measurements |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2006217996B2 (en) | Phase noise compensation for interferometric absolute distance measuring | |
US8363226B2 (en) | Optical interference measuring apparatus | |
DE19601875C2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-Radar | |
US4005936A (en) | Interferometric methods and apparatus for measuring distance to a surface | |
US5521704A (en) | Apparatus and method for measuring absolute measurements having two measuring interferometers and a tunable laser | |
US5459571A (en) | Multiple control frequency phase modulator in phase modulated interferometer precision distance measuring system | |
JPH06229922A (ja) | 高精度空気屈折率計 | |
JP6628030B2 (ja) | 距離測定装置及びその方法 | |
RU2020409C1 (ru) | Акустооптический способ определения расстояния до объекта | |
US7420689B2 (en) | Method for determining the refractive index during interferometric length measurement and interferometric arrangement therefor | |
JPH01205486A (ja) | 半導体レ−ザの波長安定化装置 | |
DE4035373C2 (de) | Faseroptischer Druck- oder Verschiebungsfühler | |
US4052129A (en) | Method of and apparatus for measuring the wavelength of a source of radiant energy | |
Lawall | Interferometry for accurate displacement metrology | |
KR100468155B1 (ko) | 이종모드 헬륨-네온 레이저와 슈퍼 헤테로다인위상측정법을 이용한 헤테로다인 레이저 간섭계 | |
US9857160B1 (en) | Multi-mode frequency sweeping interferometer and method of using same | |
US5450195A (en) | Phase-modulated interferometer for evaluating phase displacement resulting from charges in path length | |
JP2568561B2 (ja) | 光干渉計 | |
SU1762117A1 (ru) | Способ контрол оптического взаимодействи с объектом | |
RU1803734C (ru) | Интерференционный способ контрол геометрических параметров изделий | |
JP2655647B2 (ja) | 光集積回路型干渉計 | |
RU1810865C (ru) | Способ определени времени распространени электромагнитных колебаний оптического диапазона | |
Cavedo et al. | Highly-Linearized Heterodyne Self-Mixing Vibrometer | |
Shinoda et al. | Real-time Calculation of Distance and Displacement by FTT Signal Analysis with Optical Frequency Sweeping | |
RU2175753C1 (ru) | Способ определения отклонений от прямолинейности |