RU2157964C1

RU2157964C1 - Method for measuring three-dimensional position of object border

Info

Publication number: RU2157964C1
Application number: RU99116948A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Леун; В.Е. Загребельный; В.И. Телешевский; В.П. Серебряков; Н.Н. Абдикаримов
Original assignee: Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: instruments, laser interference measurements. SUBSTANCE: method may be used for fast contactless measurement of three-dimensional position of object edges, and detection of deviation of edge from rectilinear shape. Method involves double acoustic-optical modulation of light beam. Primary acoustic-optical modulation using traveling reference acoustic pulse provides possibility to generate three-dimensional interference patterns as measuring band, one of which illuminates border of monitored object. Secondary acoustic-optical modulation, which is produced by traveling scanning acoustic pulse, provides possibility of recording, scanning of light beam, which passes edge of monitored object. Produced electric signal corresponds to three- dimensional position of object border and provides possibility to measure local shift of object border within measuring band. EFFECT: increased range and increased speed of measurements. 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для бесконтактного быстродействующего определения пространственного положения кромки, границы объекта (детали), определения отклонения от прямолинейности этой кромки детали, например лезвий, кромок режущих инструментов, а также для определения пространственного распределения износа резцов на металлорежущих станках. The present invention relates to the field of measuring equipment, namely to laser interferometry, and can be used for non-contact fast determination of the spatial position of the edge, the boundary of the object (part), to determine the deviation from the straightness of this edge of the part, such as blades, edges of cutting tools, and also determining the spatial distribution of tool wear on metal cutting machines.

Известен способ распознавания положения края и профиля поверхности /1/(аналог). В этом изобретении система (С) для распознавания профиля волнистой поверхности (ВП) содержит щуп типа иглы фонографа для ощупывания ВП и регистрации ее резких изменений и датчик, взаимодействующий со щупом, и генерирующий сигнал, характеризирующий изменения конфигурации ВП. Щуп "подвешен" на опорном устройстве над ВП в состоянии контакта с ней. При этом собственная частота опорного устройства (2,5 Гц) позволяет изолировать щуп от действия низкочастотных (0,1-0,01 Гц) составляющих (волнистости) контура ВП, вследствие чего щуп реагирует только на высокочастотные составляющие этого контура, механически отфильтровывая низкочастотные. Сигнал с датчика подают на детектор, формирующий характеристики ВП в составе ее высокочастотных составляющих, обрабатывают в системе усреднения, сравнивают с эталонным уровнем для определения ориентации волокон материала, формирующего ВП. A known method for recognizing the position of the edge and surface profile / 1 / (analog). In this invention, the system (C) for recognizing the profile of a corrugated surface (VP) comprises a probe such as a phonograph needle for palpating the VP and recording its sharp changes, and a sensor interacting with the probe and generating a signal characterizing changes in the configuration of the VP. The probe is "suspended" on the support device above the VP in contact with it. In this case, the natural frequency of the reference device (2.5 Hz) makes it possible to isolate the probe from the action of low-frequency (0.1-0.01 Hz) components (waviness) of the VP circuit, as a result of which the probe responds only to the high-frequency components of this circuit, mechanically filtering the low-frequency ones. The signal from the sensor is fed to the detector, which forms the characteristics of the VP as part of its high-frequency components, is processed in an averaging system, compared with a reference level to determine the orientation of the fibers of the material forming the VP.

Основным недостатком данного способа является ограничение функциональных возможностей, связанное с необходимостью контактирования щупа с контролируемой деталью и соответственно низкой точностью и быстродействием измерения смещений границы, например для острых кромок лезвий, резцов и др. The main disadvantage of this method is the limitation of functionality associated with the need to contact the probe with a controlled part and, accordingly, low accuracy and speed of measurement of boundary displacements, for example, for sharp edges of blades, cutters, etc.

Известен интерференционный способ определения положения границы объекта /2/ (аналог), согласно которому сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу друг другу изображения границы объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал, после сканирования каждый пучок делят на два равных пучка с взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света. A known interference method for determining the position of the boundary of the object / 2 / (analog), according to which the object is scanned by a coherent monochromatic light beam, light beams are formed that form images of the object boundary moving towards each other, interference of these beams with a path difference equal to an odd number of half-waves of radiation used , and convert the resulting light flux into an electrical signal, after scanning, each beam is divided into two equal beams with their mutual displacement by elichinu not exceeding one fourth of their diameter, with the path difference equal to an odd number of half wavelengths of light used.

Недостатком этою способа является ограничение точности измерений из-за реализации гомодинной интерференционной схемы, в которой погрешность определяется наличием различных внешних засветок, изменений чувствительности фотоприемника и низкой помехоустойчивости. Кроме этого, в этом техническом решении также ограничено быстродействие процесса, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно объектива устройства. The disadvantage of this method is the limitation of measurement accuracy due to the implementation of a homodyne interference circuit, in which the error is determined by the presence of various external illumination, changes in the sensitivity of the photodetector and low noise immunity. In addition, this technical solution also limits the speed of the process associated with the need to move the controlled object relative to the lens of the device.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения границы объекта /3/ (прототип), который заключается в том, что формируют световой луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению распространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференции дифракционных порядков, расположенную вблизи их фокальной плоскости, об изменении положения границы объекта Δl судят по изменению фазы электрического сигнала Δφ(Δl).
Теоретически получено и экспериментально подтверждено /4-6/, что при дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающем в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, за счет частичного перекрытия дифракционных порядков E(+1)-E(0) и E(-1)-E(0) образуются две пространственные интерференционные картины (области интерференции) с периодом Λ = λ/sinα, где α - угол дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе. Эта интерференционная картина, освещая через диафрагму фотоприемник, приводит к формированию частотного электрического сигнала.The closest in technical essence to the proposed is a method for determining the boundary of the object / 3 / (prototype), which consists in the fact that they form a light beam, the object is introduced into the light beam perpendicular to the direction of beam propagation, the light flux passing past the edge of the object into an electrical signal is converted whose parameters are used to judge the position of the object’s boundary, a converging optical beam is subjected to acousto-optic modulation, a set of light waves of diffraction orders is obtained, the object is introduced into the inter ence diffraction orders located near their focal plane to change the position of the boundary object Δl is judged by the change of the electric signal phase Δφ (Δl).
It was theoretically obtained and experimentally confirmed / 4-6 / that during light wave diffraction in an acousto-optical modulator operating in the Raman-Nath diffraction mode with a small phase modulation amplitude, due to the partial overlap of the diffraction orders E (+1) -E (0) and E (-1) -E (0), two spatial interference patterns (interference regions) are formed with a period Λ = λ / sinα, where α is the diffraction angle of the light wave in the acousto-optic modulator. This interference pattern, illuminating the photodetector through the diaphragm, leads to the formation of a frequency electrical signal.

Введение контролируемого объекта на величину Δl с функцией пропускания Т=1(l-l₀), где - 1(l-l₀) - функция Хэвисайда, l₀ - координаты границы объекта, в любой из крайних дифракционных порядков (E(+1), E(-1)) и дифракция этого порядка на границе объекта приводят к смещению интерференционной картины и дополнительному фазовому набегу Δφ(Δl) частотного электрического сигнала.The introduction of a controlled object by Δl with a transmission function T = 1 (ll ₀ ), where - 1 (ll ₀ ) is the Heaviside function, l ₀ are the coordinates of the boundary of the object, in any of the extreme diffraction orders (E (+1), E ( -1)) and diffraction of this order at the boundary of the object lead to a shift in the interference pattern and an additional phase shift Δφ (Δl) of the frequency electric signal.

Таким образом, сформированная пространственная интерференционная картина по сути является пространственно- чувствительной областью (чувствительной к пространственному смещению Δl границы объекта). Thus, the formed spatial interference pattern is essentially a spatially sensitive region (sensitive to the spatial displacement Δl of the object boundary).

Данный способ позволяет повысить точность измерений за счет использования процесса дифракции света на границе объекта и соответственно преобразования смещения границы объекта Δl′ в изменение фазы электрического сигнала Δφ(Δl).
Основным недостатком данного способа является малые размеры пространственно-чувствительных областей, что приводит к ограничению диапазона измерений. Поэтому в процессе измерений необходимо перемещать контролируемый объект относительно пространственно - чувствительной области, что ограничивает скорость измерений.This method allows to increase the accuracy of measurements by using the process of light diffraction at the boundary of the object and, accordingly, converting the displacement of the boundary of the object Δl ′ into a phase change of the electric signal Δφ (Δl).
The main disadvantage of this method is the small size of spatially sensitive areas, which leads to a limitation of the measurement range. Therefore, during the measurement process, it is necessary to move the controlled object relative to the spatially sensitive region, which limits the measurement speed.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона и скорости измерений. The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in expanding the range and speed of measurements.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения пространственного положения границы объекта, заключающемся в том, что формируют световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят перпендикулярно направлению распространения светового потока в область интерференции дифракционных порядков, преобразуют световой поток, прошедший мимо границы объекта в электрический сигнал, об изменении контролируемого параметра границы объекта судят по изменению фазы электрического сигнала, дважды осуществляют как акустооптическую модуляцию в импульсном режиме, так и пространственную фильтрацию светового потока, импульсный режим акустооптической модуляции формируют при помощи периодической последовательности, состоящей из опорного и сканирующего бегущих акустических импульсов, набор световых волн дифракционных порядков, полученный при первой акустооптической модуляции, поворачивают вокруг своей оси и относительно своего первоначального направления распространения, при первой фильтрации светового потока выделяют часть области интерференции дифракционных порядков, прошедшей мимо границы объекта, и образуют из нее измерительную полосу, при второй фильтрации светового потока выделяют ненулевой дифракционный порядок из набора световых волн дифракционных порядков, полученных при второй акустооптической модуляции, о пространственном положении границы объекта в пределах измерительной полосы судят при одновременном осуществлении как первой акустооптической модуляции на опорном бегущем акустическом импульсе, так и второй акустооптической модуляции на сканирующем бегущем акустическом импульсе. According to the invention, this result is achieved by the fact that in the proposed method for determining the spatial position of the boundary of the object, which consists in forming a light stream, which is subjected to acousto-optic modulation, a set of light waves of diffraction orders is obtained, the object is introduced perpendicular to the direction of propagation of the light stream into the interference region of diffraction orders , convert the luminous flux passing past the boundary of the object into an electrical signal about a change in the controlled pairs The object’s boundary is judged by the change in the phase of the electric signal, both acousto-optic modulation in pulsed mode and spatial filtering of the light flux are performed twice, pulsed acousto-optic modulation is formed using a periodic sequence consisting of reference and scanning traveling acoustic pulses, a set of light waves of diffraction orders obtained at the first acousto-optical modulation, rotate around its axis and relative to its original direction propagation, during the first filtration of the light flux, a part of the interference region of diffraction orders that passed the object’s boundary is extracted and a measuring strip is formed from it, during the second filtration of the light flux, a nonzero diffraction order is extracted from the set of light waves of diffraction orders obtained with the second acousto-optical modulation, the spatial position of the boundary of the object within the measuring strip is judged while simultaneously performing as the first acousto-optic modulation on the reference eguschem acoustic pulse and the second acousto-optical modulation scanning traveling acoustic pulse.

Полученные новые свойства от данной совокупности признаков ранее не были известны и достигается только в данном способе. The obtained new properties from this set of features were not previously known and is achieved only in this method.

Работа способа поясняется графическим материалом. The operation of the method is illustrated in graphic material.

На фиг. 1 представлена схема устройства, поясняющая реализацию способа определения пространственного положения границы объекта. In FIG. 1 is a diagram of a device explaining the implementation of the method for determining the spatial position of the boundary of an object.

Фиг. 2 поясняет образование пространственных интерференционных картин в плоскости координат XOZ. FIG. 2 illustrates the formation of spatial interference patterns in the XOZ coordinate plane.

Фиг.3 приведена проекция схемы устройства в системе координат XOY. Figure 3 shows a projection of the device diagram in the XOY coordinate system.

На фиг. 4. изображена временная диаграмма электрического сигнала, поступающего на электрический вход акустооптического модулятора. In FIG. 4. The time diagram of the electric signal supplied to the electrical input of the acousto-optical modulator is shown.

Устройство для определения пространственного положения границы объекта (фиг.1), реализующее заявляемый способ, состоит из следующих элементов: источник монохроматического излучения (лазер) 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор импульсов 4, призма 5, оптическая система 6, щелевидная диафрагма 7, фокусирующая линза 8, измерительная схема 9, состоящая из диафрагмы 10 и фотоприемника 11. A device for determining the spatial position of the boundary of an object (Fig. 1), which implements the inventive method, consists of the following elements: a monochromatic radiation source (laser) 1, a collimator 2, an acousto-optical modulator (AOM) 3, a pulse generator 4, a prism 5, an optical system 6 , a slit-like aperture 7, a focusing lens 8, a measuring circuit 9, consisting of a diaphragm 10 and a photodetector 11.

Измерения производят в импульсном режиме и осуществляют следующим образом. Measurements are performed in a pulsed mode and are carried out as follows.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный световой поток, проходит через АОМ 3, следует на призму 5, в которой происходит поворот входного оптического потока приблизительно на 90^o вокруг оси Y и приблизительно на 180^o вокруг оси Z. Оптический поток на выходе призмы 5 проходит через оптическую систему 6 и щелевидную диафрагму 7, которые формирует световой поток в виде линии, параллельной оси Х (расширяет световой поток вдоль оси X), вторично следующий через АОМ 3.The laser radiation 1 is converted by the collimator 2 into a collimated light flux, passes through AOM 3, and then goes to prism 5, in which the input optical flux rotates approximately 90 ^o around the Y axis and about 180 ^o around the Z axis. Optical flux at the output of prism 5 passes through the optical system 6 and the slit-like diaphragm 7, which forms the luminous flux in the form of a line parallel to the X axis (expands the luminous flux along the X axis), secondarily following through the AOM 3.

Генератор импульсов 4 формирует периодическую импульсную последовательность с общим периодом Т_ц, состоящую из двух импульсов (фиг.4):опорного с длительностью Т_оп и сканирующего с длительностью Т_ск. Каждый из этих импульсов заполнен импульсами высокой частоты. Очередность следования импульсов на процесс измерения не влияет, в описании изобретения опорный будет первым, а сканирующий - вторым.The pulse generator 4 generates a periodic pulse sequence with a total period of T _c , consisting of two pulses (figure 4): a reference with a duration of T _op and scanning with a duration of T _c . Each of these pulses is filled with high frequency pulses. The sequence of the pulses does not affect the measurement process; in the description of the invention, the reference will be the first and the scanning second.

В общем случае частоты модуляции опорного и сканирующего импульсов могут быть различными f_м1 ≠ f_м2, тогда углы дифракции тоже будут разными α₁≠ α₂ Однако для упрощения условий функционирования предлагаемого способа и его описания принимаем f_м = f_м1 = f_м2 и соответственно α = α₁= α₂.In the general case, the modulation frequencies of the reference and scanning pulses can be different f _m1 ≠ f _m2 , then the diffraction angles will also be different α ₁ ≠ α ₂ However, to simplify the operating conditions of the proposed method and its description, we take f _m = f _m1 = f _m2 and, accordingly, α = α ₁ = α ₂ .

Поступая на электрический вход АОМ 3, эти импульсы формируют на нем бегущие акустические импульсы. Пространственная ширина опорного импульса L_оп определяется как
L_оп= T_опV_ак, (1)
где T_оп - длительность опорного импульса, V_ак - скорость распространения акустических волн в акустооптическом модуляторе,
а сканирующего импульса - L_ск= T_скV_ак, (2)
где T_ск - длительность сканирующего импульса.Entering the electric input of AOM 3, these pulses form traveling acoustic pulses on it. The spatial width of the reference pulse L _op is defined as
L _op = T _op V _ak , (1)
where T _op - the duration of the reference pulse, V _ak - the propagation velocity of acoustic waves in an acousto-optical modulator,
and the scanning pulse - L _SC = T _SC V _AK , (2)
where T _ck is the duration of the scanning pulse.

Измерительным является промежуток времени, когда световой поток, следующий от коллиматора 2 через АОМ 3, дифрагирует на опорном акустическом импульсе, а световой поток после щелевидной диафрагмы 7 вторично проходит через АОМ 3 и дифрагирует на сканирующем акустическом импульсе. The time span is measured when the luminous flux following from the collimator 2 through AOM 3 is diffracted by a reference acoustic pulse, and the luminous flux after a slit-like diaphragm 7 passes through AOM 3 a second time and diffracted by a scanning acoustic pulse.

Временные соотношения в периодической импульсной последовательности (длительности опорного Т_оп и сканирующего импульсов Т_ск, интервал между импульсами, длительность цикла Т_ц) и пространственные параметры оптической схемы (расстояние между световыми потоками, ширина светового потока на выходе щелевидной диафрагмы 7) подобраны так (фиг.4), чтобы дифракция на сканирующем импульсе осуществлялась во время, пока происходит дифракция на опорном акустическом импульсе.The time relationships in the periodic pulse sequence (the duration of the reference T _op and the scanning pulses T _ck , the interval between pulses, the cycle duration T _c ) and the spatial parameters of the optical scheme (the distance between the light fluxes, the width of the light flux at the output of the slit-like diaphragm 7) are chosen as follows (Fig. .4) so that the diffraction by the scanning pulse occurs while the diffraction by the reference acoustic pulse occurs.

Таким образом, в измерительный промежуток времени световой поток после коллиматора 2 проходит через АОМ 3 и дифрагирует на опорном акустическом импульсе вдоль оси X (для упрощения примем, что дифракция осуществляется только на первые порядки E₁(+1), E₁(0) и E₁(-1)) (фиг.2,а).Thus, in the measuring time interval, the light flux after the collimator 2 passes through AOM 3 and diffracts on the acoustic reference pulse along the X axis (to simplify, we assume that diffraction is carried out only by the first orders of magnitude E ₁ (+1), E ₁ (0) and E ₁ (-1)) (figure 2, a).

Пространственный поворот светового потока после первой дифракции (дифракционные порядки E₁(-1), E₁(0) и E₁(+1) (фиг.2а)) и их пространственная развертка оптической схемой 6 вдоль оси X приводит к формированию вытянутых интерференционных картин (фиг.2,б). Оптический поток, соответствующий областям перекрытия (областям интерференции) дифракционных порядков E₁(+1) - E₁(0), освещает границу объекта 12. Часть этого потока проходит далее через щелевидную диафрагму 7 и вторично через АОМ 3. В нем эта часть интерференционной картины дифрагирует на сканирующем акустическом импульсе Т_ск. Первые дифракционные порядки этой картины E₂(+1), E₂(-1) отклоняются на угол дифракции α в разные стороны относительно оси -Y. Минус первый E₂(-1) следует через фокусирующую линзу 8, через диафрагму 10 на оптический вход фотоприемника 11 измерительной схемы 9.The spatial rotation of the luminous flux after the first diffraction (diffraction orders E ₁ (-1), E ₁ (0) and E ₁ (+1) (Fig. 2a)) and their spatial scan by the optical circuit 6 along the X axis leads to the formation of elongated interference paintings (figure 2, b). The optical flow corresponding to the overlapping regions (interference regions) of the diffraction orders E ₁ (+1) - E ₁ (0) illuminates the boundary of the object 12. A part of this stream passes further through the slit-like diaphragm 7 and again through the AOM 3. In it, this part of the interference diffracts on a scanning acoustic pulse T _ck . The first diffraction orders of this picture, E ₂ (+1), E ₂ (-1), are deflected by the diffraction angle α in different directions relative to the -Y axis. Minus the first E ₂ (-1) follows through the focusing lens 8, through the diaphragm 10 to the optical input of the photodetector 11 of the measuring circuit 9.

Фотоприемник 11 измерительной схемы 9 преобразует разночастотный оптический сигнал в электрический сигнал U_msin[2πf_м+Δφ(Δl)] текущее значение набега фазы Δφ(Δl) которого соответствует текущему, локальному положению границы объекта 12. Определяя отклонения значений набега фазы Δφ_i(Δl) относительно исходно заданного, можно определить непрямолинейность границы объекта 12 - локальные смещения Δl_i относительно базовой линии (оси X).The photodetector 11 of the measuring circuit 9 converts the multi-frequency optical signal into an electric signal U _m sin [2πf _m + Δφ (Δl)] whose current phase shift Δφ (Δl) corresponds to the current local position of the boundary of the object 12. Determining the deviations of the phase shift Δφ _i ( Δl) relative to the initially specified, it is possible to determine the non-linearity of the boundary of the object 12 - local displacements Δl _i relative to the baseline (X axis).

В связи с тем, что акустооптическая (АО) дифракция в предлагаемом способе осуществляется в импульсном режиме, то необходимо выполнение следующих условий:
1) для исключения нежелательной АО-дифракции на импульсах от смежных циклов нужно обеспечить следующее условие:
Т_ц=Т_инт1+Т_имп=Т_инт1+Т_оп+ Т_опт2+T_ск ≥ L_аом/V_ак, (3)
где L_аом - длина АОМ 3, Т_инт1 - длительность интервала между импульсными последовательностями разных циклов, Т_имп - длительность импульсной последовательности (Т_оп+Т_ипт2+Т_ск), Т_инт2 - длительность интервала между опорным и сканирующим импульсами;
2) первая и вторая АО-дифракции должны быть синхронизированы - моменты начала и конца первой и второй АО-дифракций должны совпадать, а их продолжительность должны быть равны
t_диф1 = t_диф2 (4)
Так как продолжительность первой АО-дифракции t_диф1 равна продолжительности опорного импульса Т_оп - выражение (1), a t_диф2 определяется (приближенно) временем пробегания сканирующего импульса через область интерференции - L_ои/V_ак (при условии, что Т_оп>>Т_ск), то имеем
L_оп/V_ак=Т_оп≈L_ои/V_ак. (5)
В связи с тем, что в момент начала первой и второй АО- дифракций пространственная ширина опорного импульса L_оп равна расстоянию между областью интерференции и оптическим лучом, проходящим АОМ 3 при первой АО-дифракции - L_p (фиг. 3,4), и с учетом выражения (5) в окончательном виде получаем соотношения для пространственных параметров:
L_оп = L_p ≈ L_ои, (6)
и для временных параметров схемы
Т_инт2≈Т_оп (7)
Сущность способа заключается в следующем.Due to the fact that the acousto-optical (AO) diffraction in the proposed method is carried out in a pulsed mode, the following conditions must be met:
1) to eliminate unwanted AO diffraction by pulses from adjacent cycles, the following condition must be provided:
T _c = T _int1 + T _imp = T _int1 + T _op + T _opt2 + T _ck ≥ L _aom / V _ak , (3)
where L _aom is the length of AOM 3, T _int1 is the duration of the interval between pulse sequences of different cycles, T _imp is the duration of the pulse sequence (T _op + T _ipt2 + T _ck ), T _int2 is the duration of the interval between the reference and scanning pulses;
2) the first and second AO diffraction should be synchronized - the moments of the beginning and end of the first and second AO diffraction should coincide, and their duration should be equal
t _{differential1} = t _{differential2} (4)
Since the duration of the first AO diffraction t _diff1 is equal to the duration of the reference pulse T _op - expression (1), at _diff2 is determined (approximately) by the time the scanning pulse travels through the interference region - L _oi / V _ak (provided that T _op >> T _ck ), then we have
L _op / V _ak = T _op ≈L _oi / V _ak . (5)
Due to the fact that at the time of the beginning of the first and second AO diffraction, the spatial width of the reference pulse L _op is equal to the distance between the interference region and the optical beam passing through AOM 3 during the first AO diffraction — L _p (Fig. 3.4), and taking into account expression (5) in the final form, we obtain the relations for spatial parameters:
L _op = L _p ≈ L _oi , (6)
and for time parameters of the circuit
T _int2 ≈T _op (7)
The essence of the method is as follows.

1. Первая акустооптическая модуляция на опорном акустическом импульсе приводит к АО-дифракции светового потока и формированию набора пространственно разнесенных на угол дифракции α разночастотных дифракционных порядков (круглой формы), например (для первых дифракционных порядков): E₁(+1), E₁(0) и E₁(-1) (фиг. 2,а). Оптическая система разворачивает световой поток, состоящий из этих дифракционных порядков, пространственно разворачивает и преобразует его в световую линию, измерительную полосу. Частичное перекрытие дифракционных порядков формирует две линейно вытянутые области перекрытия, пространственно- чувствительные области (области интерференции) - E₁(+1)-E₁(0) и E₁(0)-E₁(-1)(фиг.2,б).1. The first acousto-optical modulation on a reference acoustic pulse leads to AO diffraction of the light flux and the formation of a set of spatially spaced diffraction orders of different frequencies (circular in shape) α, for example (for the first diffraction orders): E ₁ (+1), E ₁ (0) and E ₁ (-1) (Fig. 2, a). The optical system unfolds the luminous flux, consisting of these diffraction orders, spatially unfolds and converts it into a light line, a measuring strip. Partial overlap of diffraction orders forms two linearly elongated overlap regions, spatially sensitive regions (interference regions) - E ₁ (+1) -E ₁ (0) and E ₁ (0) -E ₁ (-1) (figure 2, b)

Введение границы объекта в одну из областей перекрытия, например E₁(+1)-E₁(0), приводит к дифракции обоих дифракционных порядков светового потока E₁(+1) и E₁(0) на границе объекта и к соответствующему смещению интерференционной картины.The introduction of the object’s boundary into one of the overlapping regions, for example, E ₁ (+1) -E ₁ (0), leads to diffraction of both diffraction orders of the light flux E ₁ (+1) and E ₁ (0) at the object’s boundary and to the corresponding displacement interference pattern.

2. Для регистрации образуемой интерференционной картины (области интерференции) в данном способе предлагается использовать импульсную акустооптическую пространственно-временную развертку, которая апробирована и исследована в /7,8/. 2. To register the resulting interference pattern (interference region) in this method, it is proposed to use a pulsed acousto-optical spatio-temporal scan, which was tested and studied in / 7.8 /.

При пробегании сканирующего акустического импульса по АОМ в каждый момент дифрагируют лучи лишь того участка интерференционной картины, мимо которого он пробегает. When a scanning acoustic pulse travels through the AOM, at each moment the rays only diffract from that portion of the interference pattern, past which it travels.

В результате АО-дифракции светового потока интерференционной картины на сканирующем акустическом импульсе формируется набор пространственно разнесенных на угол дифракции разночастотных дифракционных порядков, например E₂(+1), E₂(0) и E₂(-1). Далее, проходя через фокусирующую линзу, каждый из порядков пространственно селектируется и собирается в определенной точке пространства. Диафрагма и фотоприемник измерительного канала могут устанавливаться в фокусе любого ненулевого (например, E₂(-1)) и позволяют сформировать импульсный электрический сигнал, фаза которого в пределах импульса пропорциональна текущему, локальному отклонению траектории границы объекта от прямой линии (оси движения сканирующего акустического импульса) или пространственному положению границы объекта.As a result of AO diffraction of the light flux of the interference pattern on a scanning acoustic pulse, a set of spatially spaced different-frequency diffraction orders spaced apart by the diffraction angle, for example, E ₂ (+1), E ₂ (0) and E ₂ (-1). Further, passing through the focusing lens, each of the orders is spatially selected and assembled at a certain point in space. The aperture and photodetector of the measuring channel can be installed in the focus of any nonzero (for example, E ₂ (-1)) and allow you to generate a pulsed electrical signal whose phase within the pulse is proportional to the current, local deviation of the trajectory of the object’s boundary from a straight line (axis of movement of the scanning acoustic pulse ) or the spatial position of the boundary of the object.

За счет того, что скорость акустических волн в АОМ может достигать значений (в зависимости от типа светозвукопровода) от 600 до 3600 м/с, то время измерений не превосходит долей микросекунд, таким образом, существенно повышается скорость измерений. Кроме этого, расширение геометрических размеров пространственно-чувствительной области (области интерференции) от точечной (≈1-2 мм) до линейной, ограниченной только размерами АОМ, расширяет диапазон измерений. Due to the fact that the speed of acoustic waves in the AOM can reach values (depending on the type of light and sound pipe) from 600 to 3600 m / s, the measurement time does not exceed fractions of microseconds, thus, the measurement speed significantly increases. In addition, the expansion of the geometrical dimensions of the spatially sensitive region (interference region) from the point (≈1-2 mm) to linear, limited only by the size of the AOM, extends the measurement range.

Источники информации
1. Патент США N 5193384, МКИ G 01 B 5/28, НКИ 73/105. Edge detecting system and method. Guggenberger Kurt E. 3аявл.26.09.90; Опубл. 16.03.93. (аналог).Sources of information
1. US patent N 5193384, MKI G 01 B 5/28, NCI 73/105. Edge detecting system and method. Guggenberger Kurt E. 3Apr. 26.09.90; Publ. 03/16/93. (analogue).

2. А. с. N 1089404 (СССР), МКИ G 01 B 9/02, 11/02. Интерференционный способ определения положения границы объекта. Е.К. Чехович, Ю.Г. Буров// Опубл. в Б.И. -1984, N16. (аналог). 2. A. p. N 1089404 (USSR), MKI G 01 B 9/02, 11/02. An interference method for determining the position of the boundary of an object. E.K. Chekhovich, Yu.G. Burov // Publ. in B.I. -1984, N16. (analogue).

3. А.с.N 1714359 (СССР), МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.И.Телешевский, Н.Н.Абдикаримов // Опубл. в Б.И.-1992, N7. (прототип). 3. A.S.N 1714359 (USSR), MKI G 01 B 21/00. A method for determining the position of the boundary of an object. V.I. Teleshevsky, N.N. Abdikarimov // Publ. in B.I.-1992, N7. (prototype).

4. Телешевский В. И., Абдикаримов Н.Н. Гетеродинный лазерный акустооптоэлектронный сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов //Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 8 Всесоюзной научно-технической конференции. Москва, ноябрь 1990 г.-М., 1990.-с.242. 4. Teleshevsky V.I., Abdikarimov N.N. A heterodyne laser acousto-optoelectronic sensor for non-contact determination of the position of the boundaries of objects // Photometry and its metrological support: Proc. doc. 8th All-Union Scientific and Technical Conference. Moscow, November 1990 - M., 1990.-p.242.

5. Телешевский В.И., Леун E.B., Абдикаримов Н.Н. Лазерный интерферометр для определения положения границы объектов. //Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез-докл. 12 Всесоюзной научно-технической конференции. Москва, февраль 1999 г.-M. 1999.-c.78. 5. Teleshevsky V.I., Leun E.B., Abdikarimov N.N. Laser interferometer for determining the position of the boundary of objects. // Photometry and its metrological support: Abstracts. 12th All-Union Scientific and Technical Conference. Moscow, February 1999 - M. 1999.-p. 78.

6. Леун E.B., Абдикаримов H.Н., Загребельный В.Е. Метод определения формы границы объекта от зaдaннoй //Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез.докл. 12 Всесоюзной научно- технической конференция. Москва, февраль 1999 г.-М.,1999.-с.77. 6. Leun E.B., Abdikarimov H.N., Zagrebelny V.E. A method for determining the shape of the boundary of an object from a given // Photometry and its metrological support: Abstracts. 12th All-Union Scientific and Technical Conference. Moscow, February 1999 - M., 1999.- p.77.

7. А.с.N 1458703 (СССР), МКИ G 01 В 11/30. Способ контроля шероховатости поверхности изделия. Загребельный B.E., Телешевский В.И.// Опубл. в Б.И. -1986, N6. 7. A.S.N 1458703 (USSR), MKI G 01 B 11/30. The method of controlling the surface roughness of the product. Zagrebelny B.E., Teleshevsky V.I. // Publ. in B.I. -1986, N6.

8. Асташенков А.И., Лысенко B.Г., Прилепко М.Ю. Контроль топографии поверхности когерентным оптическим процессором. //11 НТК "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". Тезисы докладов. М.: ВНИИОФИ, 1996, с. 1996, с. 62. 8. Astashenkov A.I., Lysenko B.G., Prilepko M.Yu. Surface topography control by a coherent optical processor. // 11 NTK "Photometry and its metrological support". Abstracts of reports. M .: VNIIOFI, 1996, p. 1996, p. 62.

Claims

A method for determining the spatial position of an object’s boundary, which consists in forming a luminous flux, which is subjected to acousto-optic modulation, obtaining a set of light waves of diffraction orders, introducing the object perpendicular to the direction of propagation of the light flux into the interference region of diffraction orders, and converting the light flux past the boundary of the object into an electric signal, a change in the controlled parameter of the boundary of the object is judged by a change in the phase of the electric signal, distinguishing In that acousto-optic modulation is carried out twice, using the pulsed acousto-optic modulation mode, which is formed using a periodic sequence consisting of reference and scanning acoustic pulses, the set of light waves of diffraction orders obtained during the first acousto-optic modulation is rotated around its axis and relatively their initial direction of propagation, they perform spatial filtering of the light flux twice, moreover, at the first filtration and the luminous flux isolate a part of the interference region of diffraction orders that passed by the object’s boundary and form a measuring strip from it, during the second filtration of the light flux, a nonzero diffraction order is extracted from the set of light waves of diffraction orders obtained with the second acousto-optic modulation about the spatial position of the object’s boundary in within the measuring strip is judged while simultaneously implementing both the first acousto-optic modulation on the acousto-optic reference pulse and the second acousto-optical modulation on a scanning acoustic pulse.