RU2172470C1

RU2172470C1 - Method determining spatial parameters of boundary of object

Info

Publication number: RU2172470C1
Application number: RU2000103800A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Леун; В.Е. Загребельный; В.И. Телешевский; В.П. Серебряков; А.О. Жирков; А.В. Шулепов
Original assignee: Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: measurement technology, specifically, laser interferometric. SUBSTANCE: circuit forms multifrequency diffraction orders-first ( immobile ) and second ( mobile ) optical flows. Their spatial registration makes it possible to create controllable spatially-sensitive region of interference with which aid boundary of examined object leading to diffraction of these orders is scanned and studied. Digital code of present phase incursion is employed to pass judgment on spatial parameters of this boundary, parameters of motion/turn and/or deviation of its form from preset one included. EFFECT: enlarged measurement range. 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано при определении следующих пространственных параметров: направлений движения (поворота), значений смещений Δl (поворотов Δγ), линейной скорости Δl/Δt (угловой скорости Δγ/Δt) границ объектов, при определении отклонений форм границы объекта: отклонений от прямолинейности, отклонений отверстий от заданной формы (круглого, овального, квадратного сечения), размеров щелей, зазоров; при контроле за износом и направлением движения резцов на металлорежущих станках. The present invention relates to the field of measuring equipment, namely to laser interferometry, and can be used to determine the following spatial parameters: directions of movement (rotation), displacement values Δl (rotations Δγ), linear velocity Δl / Δt (angular velocity Δγ / Δt) boundaries of objects, when determining deviations of the shapes of the boundaries of the object: deviations from straightness, deviations of holes from a given shape (round, oval, square section), sizes of cracks, gaps; when monitoring the wear and direction of movement of cutters on metal cutting machines.

Известен бесконтактный способ определения положения кромки предмета /1/ (аналог), заключающийся в получении теневой проекции предмета на расположенном в плоскости изображения объектива сканирующем фотопреобразователе, например на приборе с зарядовой связью, преобразовании теневой проекции в видеоимпульс и определении измеряемого размера по положению фронта видеоимпульса, видеоимпульсы интегрируют, по крайней мере, в пределах его фронта, измеряют амплитуду видеоимпульса, определяют положение фронта относительно конца интервала по отношению величины полученного интеграла к амплитуде видеоимпульса, измеряемый размер определяют как сумму положения фронта относительно конца интервала и оставшейся части видеоимпульса. A non-contact method for determining the position of the edge of an object / 1 / (analog) is known, which consists in obtaining a shadow projection of the object on a scanning photoconverter located in the image plane of the lens, for example, on a charge-coupled device, converting the shadow projection into a video pulse and determining the measured size from the position of the front of the video pulse, video pulses integrate, at least within its front, measure the amplitude of the video pulse, determine the position of the front relative to the end of the interval from wearing the value of the obtained integral to the amplitude of the video pulse, the measured size is determined as the sum of the position of the front relative to the end of the interval and the remaining part of the video pulse.

Недостатком этого способа является ограничение быстродействия процесса измерения, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно объектива устройства. The disadvantage of this method is the limitation of the speed of the measurement process, associated with the need to move the controlled object relative to the lens of the device.

Известен способ определения границы объекта /2/ (аналог), 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).
Установлено /3/, что при дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающим в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, за счет частичного перекрытия дифракционных порядков E₊₁-E₀ и E_-1-E₀ образуются две пространственные области интерференции с периодом

где α- угол дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе. Любая из этих областей интерференции освещая через диафрагму фотоприемник приводит к формированию частотного электрического сигнала.A known method of determining the boundary of the object / 2 / (analog), 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, the parameters of which judge the position the boundaries of the object, the converging optical beam is subjected to acousto-optical modulation, a set of light waves of diffraction orders is obtained, the object is introduced into the interference region of the diffraction orders, located near their foci Flax plane to change the position of the boundary object Δl is judged by the change of the electric signal phase ΔΦ (Δl).
It was established / 3 / that upon diffraction of a light wave 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 regions are formed interference with period

where α is the angle of diffraction of the light wave in the acousto-optic modulator. Any of these interference areas illuminating the photodetector through the diaphragm leads to the formation of a frequency electrical signal.

Введение контролируемого объекта с функцией пропускания T=l(l-l₀), где l(l-l₀) - функция Хэвисайда, l₀ - координаты границы объекта, на величину Δl в любой из крайних дифракционных порядков (E₊₁ и E_-1) приводят к дифракции этого порядка на границе объекта, смещению интерференционной картины и дополнительному фазовому набегу ΔΦ(Δl) частотного электрического сигнала. Значение фазового набега ΔΦ(Δl) определяется следующим соотношением:

где

период пространственной интерференционной картины, формируемой в области интерференции, Δl- смещение границы объекта.The introduction of a controlled object with a transmission function T = l (ll ₀ ), where l (ll ₀ ) is the Heaviside function, l ₀ are the coordinates of the boundary of the object, the value Δl in any of the extreme diffraction orders (E ₊₁ and E _-1 ) lead to diffraction of this order at the boundary of the object, the displacement of the interference pattern, and an additional phase shift ΔΦ (Δl) of the frequency electric signal. The phase shift ΔΦ (Δl) is determined by the following relation:

Where

the period of the spatial interference pattern formed in the area of interference, Δl is the displacement of the boundary of the object.

Данный способ позволяет повысить точность измерений за счет использования процесса дифракции света на границе объекта и, соответственно, преобразовании смещения границы объекта Δl в изменение фазы электрического сигнала ΔΦ(Δl),. 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 change in the phase of the electric signal ΔΦ (Δl) ,.

Однако его точность измерений и функциональные возможности ограничены из-за пространственной селективной чувствительности и необходимости подстраивать направление перемещения объекта под направление максимальной чувствительности. Кроме того, недостатком является ограничение быстродействия процесса измерения, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно устройства. However, its measurement accuracy and functionality are limited due to spatial selective sensitivity and the need to adjust the direction of movement of the object to the direction of maximum sensitivity. In addition, the disadvantage is the limitation of the speed of the measurement process associated with the need to move the controlled object relative to the device.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения пространственных параметров границы объекта /4/ (прототип), который заключается в том, что формируют световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают измерительный поток в виде набора разночастотных дифракционных порядков, формируют измерительный канал, в котором создают область интерференции, объект вводят перпендикулярно направлению распространения измерительного потока и освещают областью интерференции границу объекта, часть которой направляют на фотоприемник, с помощью которого формируют электрический сигнал, об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы этого сигнала, пространственно выводят из измерительного потока разночастотные дифракционные порядки, за исключением одного, представляющего собой неподвижный оптический поток, а с помощью одного из выведенных разночастотных дифракционных порядков формируют подвижный оптический поток, при этом область интерференции создают пространственно совмещая подвижный и неподвижный оптические потоки, изменяют пространственное положение подвижного оптического потока, перемещают область интерференции вдоль границы объекта, а о пространственных параметрах границы объекта судят как по изменению фазы, так и по параметрам пространственного положения подвижного оптического потока. The closest in technical essence to the proposed is a method for determining the spatial parameters of the boundary of the object / 4 / (prototype), which consists in the fact that they form a luminous flux, which is subjected to acousto-optic modulation, receive a measuring flux in the form of a set of different frequency diffraction orders, form a measuring channel, in which an interference region is created, the object is introduced perpendicular to the direction of propagation of the measuring stream and the object boundary is illuminated with the interference region, h the direction of which is directed to a photodetector with which an electrical signal is generated, the change in the position of the object’s boundary is judged by the phase change of this signal, spatially derived from the measuring stream are different-frequency diffraction orders, with the exception of one, which is a stationary optical stream, and using one of the output different-frequency diffraction orders form a mobile optical flow, while the interference region is created by spatially combining the mobile and stationary optical skie flows, change the spatial position of the movable optical flow, the interference region is moved along the object boundaries, and spatial parameters of the object boundary is judged as the change of phase, and the parameters of the spatial position of the movable optical flow.

Достоинствами способа-прототипа являются расширение функциональных возможностей, повышение точности и скорости измерений. The advantages of the prototype method are the expansion of functionality, increasing the accuracy and speed of measurements.

Однако его существенным недостатком является ограничение диапазона измерений, определяемое диаметром фотоприемника, который для высокочастотных фотоприемников обычно не превышает 1,5-3 мм. However, its significant drawback is the limitation of the measurement range, determined by the diameter of the photodetector, which for high-frequency photodetectors usually does not exceed 1.5-3 mm.

Предлагаемое изобретения направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона измерений. The present invention aims to achieve a technical result, which consists in expanding the measurement range.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения пространственных параметров границы объекта, заключающийся в том, что формируют световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают измерительный поток в виде набора разночастотных дифракционных порядков, формируют измерительный канал, в котором создают область интерференции, объект вводят перпендикулярно направлению распространения измерительного потока и освещают областью интерференции границу объекта, часть которой направляют на фотоприемник, с помощью которого формируют электрический сигнал, об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы этого сигнала, пространственно выводят из измерительного потока разночастотные дифракционные порядки, за исключением одного, представляющего собой первый оптический поток, а с помощью одного из выведенных разночастотных дифракционных порядков формируют второй оптический поток, при этом область интерференции создают пространственно совмещая первый и второй оптические потоки, изменяют пространственное положение второго оптического потока, перемещают область интерференции вдоль границы объекта, а о пространственных параметрах границы объекта судят как по изменению фазы, так и по параметрам пространственного положения второго оптического потока, световой поток и его акустооптическая модуляция формируются в синхронных импульсных режимах, причем импульсный режим последней состоит из набора тактов, с линейно изменяющимися значениями фазы акустической волны, а в качестве фотоприемника используют матрицу фотоэлементов. According to the invention, this result is achieved by the fact that in the proposed method for determining the spatial parameters of the boundary of the object, which consists in the fact that they form a light stream, which is subjected to acousto-optic modulation, receive a measurement stream in the form of a set of different-frequency diffraction orders, form a measurement channel in which an interference region is created , the object is introduced perpendicular to the direction of propagation of the measuring stream and illuminated by the interference region the boundary of the object, part of they are directed to a photodetector, with the help of which an electric signal is generated, the change in the position of the boundary of the object is judged by the phase change of this signal, spatially derived from the measuring stream of different frequency diffraction orders, with the exception of one, which is the first optical stream, and using one of the derived different frequency diffraction orders form the second optical stream, while the interference region is created by spatially combining the first and second optical flows, change the spatial position of the second optical flux, the interference region is moved along the object boundary, and the spatial parameters of the object boundary are judged both by the phase change and by the spatial position parameters of the second optical flux, the light flux and its acousto-optical modulation are formed in synchronous pulsed modes, and the pulsed mode the latter consists of a set of clock cycles with linearly varying values of the phase of the acoustic wave, and a photocell array is used as a photodetector.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном способе. The resulting new quality from this set of features was not previously known and is achieved only in this method.

Работа способа поясняется рисунками. The operation of the method is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ, при определении пространственного положения границы объекта, а на фиг. 2 - измерительный канал устройства при контроле формы отверстия. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the inventive method, when determining the spatial position of the boundary of the object, and in FIG. 2 - measuring channel of the device when controlling the shape of the hole.

Фиг. 3 иллюстрирует временные диаграммы работы устройства. FIG. 3 illustrates the timing diagrams of the operation of the device.

На фиг. 4 изображена пространственная диаграмма, поясняющая работу устройства при определении пространственного положения границы объекта. In FIG. 4 is a spatial diagram explaining the operation of the device in determining the spatial position of the boundary of an object.

Фиг. 5 демонстрирует пространственную диаграмму, поясняющую работу устройства при контроле формы отверстия. FIG. 5 shows a spatial diagram explaining the operation of the device in controlling the shape of the hole.

Устройство для определения смещений границы объекта (фиг. 1), реализующее заявляемый способ, состоит из следующих элементов: импульсный лазер 1, объектив 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, объективы 4 и 5, устройство управления (УУ) 6, состоящее из генератора 7, расщепителя фазы 8, переключателя фазы 9, делителя частоты 10, формирователя импульсов 11; измерительный канал 12, состоящий из светоделителя 13, матрицы фотоэлементов (ПЗС-матрицы) 14, блока управления ПЗС-матрицой 15; пространственный модулятор света 16, состоящий из зеркала 17 и пьезоэлемента 18 и объектива 19. A device for determining the displacement of the boundary of the object (Fig. 1), which implements the inventive method, consists of the following elements: a pulsed laser 1, a lens 2, an acousto-optic modulator (AOM) 3, lenses 4 and 5, a control device (UU) 6, consisting of a generator 7, a phase splitter 8, a phase switch 9, a frequency divider 10, a pulse shaper 11; a measuring channel 12, consisting of a beam splitter 13, a matrix of photocells (CCD matrix) 14, a control unit for the CCD matrix 15; spatial light modulator 16, consisting of a mirror 17 and a piezoelectric element 18 and a lens 19.

Измерения осуществляют следующим образом. The measurements are as follows.

Излучение импульсного лазера 1 с помощью объектива 2 формируется в виде перетяжки в зоне акустооптического взаимодействия АОМ 3 и дифрагирует в режиме Брэгга на два дифракционных порядка E₊₁ и E₀. Первый дифракционный порядок E₊₁ отклоняется от прямолинейного направления на угол дифракции α, проходит через объектив 4 и коллимированным пучком следует на пространственный модулятор света 16.The radiation of a pulsed laser 1 using a lens 2 is formed in the form of a waist in the zone of acousto-optic interaction AOM 3 and diffracts in the Bragg mode into two diffraction orders E ₊₁ and E ₀ . The first diffraction order E ₊₁ deviates from the straight direction by the diffraction angle α, passes through the lens 4, and follows the collimated beam onto the spatial light modulator 16.

Генератор 7 формирует электрический сигнал U₁ = U_1msin2πft (фиг. 3а), который поступает на входы расщепителя фазы 8, делителя частоты 10, блока управления ПЗС-матрицой 15 и на первый выход устройства. На выходе расщепителя фазы 8 создается набор сигналов (фиг. 3 б,в,г,д) со сдвигом фазы ΔΦ на 90^o:
U₂ = U_2msin2πf_мt, (2)
U₃ = U_3msin(2πf_мt+90^°); (3)
U₄ = U_4msin(2πf_мt+180^°), (4)
U₅ = U_5msin(2πf_мt+270^°), (5)
где U_2m=U_3m=U_4m=U_5m - амплитуда сигналов; f_м - частота модуляции АОМ.The generator 7 generates an electric signal U ₁ = U _1m sin2πft (Fig. 3a), which is fed to the inputs of a phase splitter 8, a frequency divider 10, a control unit for the CCD matrix 15, and to the first output of the device. At the output of the splitter phase 8 creates a set of signals (Fig. 3 b, c, d, e) with a phase shift ΔΦ of 90 ^o :
U ₂ = U _2m sin2πf _m t, (2)
U ₃ = U _3m sin (2πf _m t + 90 ^° ); (3)
U ₄ = U _4m sin (2πf _m t + 180 ^° ), (4)
U ₅ = U _5m sin (2πf _m t + 270 ^° ), (5)
where U _2m = U _3m = U _4m = U _5m is the amplitude of the signals; f _m - frequency modulation AOM.

Делитель частоты 10 на своем выходе генерирует сигнал U₆, управляющий работой переключателя фазы 9 и формирователя импульсов 11, причем последний формирует сигнал U₇ с частотой f_к, обеспечивающий синхронный запуск импульсного лазера 1. Коэффициент деления формирователя импульсов 11 определяется необходимой частотой следования импульсов света импульсного лазера 1. Переключатель фазы 9 осуществляют последовательную циклическую коммутацию сигналов в следующем порядке: U₅--->U₄---> U₃--->U₂--->U₅--->...и формирует сигнал U₈. Фаза ΔΦ сигнала U₈ синхронно относительно сигнала U₁ дискретно уменьшается (фиг. 3ж). Такой режим работы блока УУ 6, как показано ниже, позволяет уменьшить частоту первой гармоники информационного сигнала.The frequency divider 10 at its output generates a signal U ₆ , which controls the operation of the phase switch 9 and pulse shaper 11, the latter generating a signal U ₇ with a frequency f _k , which enables the synchronous start of the pulsed laser 1. The division coefficient of the pulse shaper 11 is determined by the necessary pulse repetition rate pulse laser 1. The phase 9 switch performs sequential cyclic switching of the signals in the following order: U ₅ ---> U ₄ ---> U ₃ ---> U ₂ ---> U ₅ ---> ... and generates a signal U ₈ . The phase ΔΦ of the signal U ₈ synchronously relative to the signal U _{1 is} discretely reduced (Fig. 3g). This mode of operation of the unit UU 6, as shown below, allows to reduce the frequency of the first harmonic of the information signal.

В результате электрический сигнал U₁, поступая на вход блока управления ПЗС-матрицы 15, синхронизирует процессы фотопреобразования и передачи сигнала с выхода ПЗС-матрицы 14 на второй выход устройства.As a result, the electric signal U ₁ , arriving at the input of the control unit of the CCD matrix 15, synchronizes the processes of photoconversion and signal transmission from the output of the CCD matrix 14 to the second output of the device.

Нулевой дифракционный порядок E₀ (первый оптический поток) после АОМ 3 проходит через объектив 4 и коллимированным пучком следует на первый оптический вход измерительного канала 5, проходит сквозь светоделитель 6 и освещает (на фиг. 4а - границу объекта при его повороте, а на фиг. 4б - границу объекта при его смещении, фиг. 5 - отверстие) объекта 20.Zero-diffraction order E ₀ (first optical flux) after AOM 3 passes through lens 4 and collimated by a beam to the first optical input of measuring channel 5, passes through a beam splitter 6 and illuminates (in Fig. 4a - the boundary of the object when it is rotated, and in FIG. 4b - the boundary of the object at its displacement, Fig. 5 - hole) of the object 20.

В процессе измерения первый дифракционный порядок Е₊₁ (второй оптический поток) открывается от прямолинейного направления на угол дифракции α и следует на оптический вход пространственного модулятора света 16. Отразившись от зеркала 17 этот оптический поток проходит через объектив 19 и направляется на второй оптический вход измерительного канала 12. Там он попадает на светоделитель 13, после которого часть его следует вместе с первым оптическим потоком в направлении объекта 20.During the measurement, the first diffraction order E ₊₁ (second optical stream) opens from the straight direction to the diffraction angle α and follows the optical input of the spatial light modulator 16. Reflected from the mirror 17, this optical stream passes through the lens 19 and is directed to the second optical input of the measurement channel 12. There he falls on a beam splitter 13, after which part of it follows along with the first optical stream in the direction of the object 20.

Пространственный модулятор света 16 представляет собой зеркальный пьезокерамический дефлектор, состоящий из пьезоэлемента 18 и зеркала 17, закрепленного на нем. При подаче напряжений ΔU_x(t) и ΔU_y(t) пьезоэлемент 18 изгибается по соответствующей координате и отклоняет зеркало 17 /5/, которое, в свою очередь, отклоняет дифракционный порядок E₊₁. Отклонение зеркала 17 приводит к угловому отклонению Δβ дифракционного порядка E₊₁, который проходя через объектив 19 линейно смещается. Формируя электрические сигналы ΔU_x(t) и ΔU_y(t) нужной амплитуды и в нужной временной последовательности задают соответствующую пространственную развертку дифракционного порядка E₊₁.The spatial light modulator 16 is a mirror piezoelectric ceramic deflector, consisting of a piezoelectric element 18 and a mirror 17 mounted on it. When applying the voltages ΔU _x (t) and ΔU _y (t), the piezoelectric element 18 bends in the corresponding coordinate and deflects the mirror 17/5 /, which, in turn, rejects the diffraction order E ₊₁ . The deviation of the mirror 17 leads to an angular deviation Δβ of the diffraction order E ₊₁ , which passes linearly through the lens 19. Forming electrical signals ΔU _x (t) and ΔU _y (t) of the desired amplitude and in the desired time sequence specify the corresponding spatial scan of the diffraction order E ₊₁ .

Положение пространственного модулятора света 16 и угол отражения света в нем подобраны такими, чтобы дифракционные порядки E₊₁ и E₀ в светоделителе 13 пространственно совмещаются под постоянным и малым углом γ ≪ α. Наличие/отсутствие и пространственное положение объектива (фокуса объектива) 19 определяется типом, размерами (внутренние/внешние) детали и принципиально не влияет на алгоритм функционирования предлагаемого способа.The position of the spatial light modulator 16 and the angle of light reflection in it are selected so that the diffraction orders E ₊₁ and E ₀ in the beam splitter 13 are spatially aligned at a constant and small angle γ ≪ α. The presence / absence and spatial position of the lens (lens focus) 19 is determined by the type, size (internal / external) of the part and does not fundamentally affect the functioning algorithm of the proposed method.

Пространственное совмещение первого оптического потока (дифракционного порядка E₀) и второго оптического потока (дифракционного порядка E₊₁) приводит к образованию подвижной области интерференции, которая используется в качестве пространственно чувствительной области (фиг. 4, 5). Образовавшаяся область интерференции освещает границу объекта 20, на которой происходит дифракция интерферирующих оптических порядков. В результате этого пространственная интерференционная картина следует ПЗС-матрицу 14.The spatial combination of the first optical flux (diffraction order E ₀ ) and the second optical flux (diffraction order E ₊₁ ) leads to the formation of a moving interference region, which is used as a spatially sensitive region (Fig. 4, 5). The resulting interference region illuminates the boundary of the object 20, on which diffraction of interfering optical orders occurs. As a result of this, the spatial interference pattern follows the CCD matrix 14.

Процесс преобразования входного изображения заключается в последовательном преобразовании сигналов фотоэлементов всей матрицы и переносе сформированного заряда. The process of converting the input image consists in sequentially converting the signals of the photocells of the entire matrix and transferring the generated charge.

Оптическое гетеродинирование разночастотных потоков на входе каждого фотоэлемента приводит к появлению электрического заряда O_ij, где i, j-номера строк и столбцов фотоэлементов ПЗС-матрицы 14. Покадровый опрос и перенос всех зарядов на выход ПЗС-матрицы 14 формирует дискретный по времени электрический сигнал U₉ (фиг. 3и). Этот сигнал представляет собой временную развертку двумерной интерференционной картины, соответствующей текущему положению границы объекта, и передается на второй выход устройства. В зависимости от типа используемой ПЗС-матрицы 14 выходная шина может состоять как из одного, так и нескольких сигнальных выходов /6-8/.Optical heterodyning of different-frequency flows at the input of each photocell leads to the appearance of an electric charge O _ij , where i, j are the rows and columns of the photocells of the CCD matrix 14. Single-frame interrogation and transfer of all charges to the output of the CCD matrix 14 forms a time-discrete electrical signal U ₉ (Fig. 3i). This signal is a temporary scan of a two-dimensional interference pattern corresponding to the current position of the boundary of the object, and is transmitted to the second output of the device. Depending on the type of CCD-matrix used 14, the output bus may consist of one or several signal outputs / 6-8 /.

Входное изображение на входе ПЗС-матрицы 14 представляет собой пространственную интерференционную картину, причем в ее каждой локальной точке создается сложный дискретный спектр периодического сигнала C(k2πf₀), где k= 0, ±1, ±2, ... Наилучшие условия для выделения информационной составляющей путем частотной фильтрации имеются у первой гармоники C(2πf₀), которая определяется как f₀ = f_к/N, где f_к - частота коммутации фазы, N - число тактов изменений фазы сигнала /9/.The input image at the input of the CCD matrix 14 is a spatial interference picture, and at each local point it creates a complex discrete spectrum of the periodic signal C (k2πf ₀ ), where k = 0, ± 1, ± 2, ... The best conditions for extraction the first component of the information by frequency filtering is C (2πf ₀ ), which is defined as f ₀ = f _k / N, where f _k is the switching frequency of the phase, N is the number of clock cycles of the phase of the signal / 9 /.

Частотная характеристика, определяемая естественной инерционностью фотоэлементов ПЗС-матрицы 14 соответствует фильтру низких частот. Следовательно, наилучшим, с точки зрения частотных требований, предъявляемых к ПЗС-матрице, является выполнение условия, когда f₁<f_фнч<f₂, где f₁ = f₀ и f₂ = 2f₀ - частоты первой и второй гармоник дискретного спектра периодического сигнала, f_фнч - частота среза фильтра низких частот, определяемая естественной инерционностью фотоэлементов ПЗС-матрицы 14. Выполнение этого условия позволяет осуществить естественную фильтрацию первой гармоники информационного сигнала на стадии фотоэлектрического преобразования.The frequency response determined by the natural inertia of the photocells of the CCD matrix 14 corresponds to a low-pass filter. Therefore, the best, from the point of view of frequency requirements for the CCD matrix, is the fulfillment of the condition when f ₁ <f _fnch <f ₂ , where f ₁ = f ₀ and f ₂ = 2f ₀ are the frequencies of the first and second harmonics of the discrete spectrum periodic signal, f _LPF - cutoff frequency of the low pass filter defined by the natural inertia CCD photocells 14. this condition allows the natural filtering the first harmonic of the information signal on a photoelectric conversion step.

Таким образом, искомый фазовый набег ΔΦ(Δl) определяется при использовании современных компьютерных методов обработки сигналов по следующему алгоритму:
Во-первых, на основе полученного сигнала U₉ восстанавливается в цифровом виде интерференционная картина.Thus, the desired phase shift ΔΦ (Δl) is determined using modern computer-based signal processing methods according to the following algorithm:
Firstly, based on the received signal U ₉ , the interference pattern is restored digitally.

Во-вторых, методами цифровой фильтрации выделяется первая гармоника оптического сигнала, которая определяется частотными параметрами измерительной схемы. Secondly, the first harmonic of the optical signal is determined by digital filtering methods, which is determined by the frequency parameters of the measuring circuit.

В третьих, осуществляется определение фазового набега ΔΦ(Δl), характеризующего текущее пространственное положение (смещение, поворот и т.д.) границы объекта, по которому в зависимости значений от управляющих сигналов ΔU_x(t) и ΔU_y(t) определяется отклонение положения границы объекта от заданного.Thirdly, the phase shift ΔΦ (Δl) characterizing the current spatial position (displacement, rotation, etc.) of the object boundary is determined, according to which, depending on the values of the control signals ΔU _x (t) and ΔU _y (t), the deviation is determined the position of the boundary of the object from the given.

Представленное описание работы устройства составлено для дифракции света в режиме Брэгга, однако осуществление способа не изменится и при использовании режима дифракции Рамана-Ната. The presented description of the operation of the device is made for light diffraction in the Bragg mode, however, the implementation of the method will not change when using the Raman-Nath diffraction mode.

Сущность способа заключается в следующем. The essence of the method is as follows.

1. Для увеличения диапазона измерений предлагается фотоприемник заменить на ПЗС-матрицу. При этом в связи с тем, что процесс считывания неподвижной области интерференции, формируемой на входе ПЗС-матрицы, является дискретным, покадровым, то для исключения потери информации частота опроса каждого фоточувствительного элемента f_пзс должна удовлетворять неравенству Котельникова f_пзс≥2f_мод, f_мод - частота акустооптической (АО) модуляции. Если область интерференции на входе ПЗС-матрицы - подвижная, то значение f_пзс будет определяться скоростью перемещений области интерференции и превышение f_пзс над f_мод значительно возрастает. Так как частота АО-модуляции для твердотельных модуляторов (например типа МЛ-201) составляет 20-80 МГц, то, соответственно, для подвижной области интерференции на входе ПЗС-матрицы к значению частоты опроса f_пзс предъявляются практически невыполнимые на сегодняшний день требования /6-8/.1. To increase the measurement range, it is proposed to replace the photodetector with a CCD matrix. Moreover, due to the fact that the process of reading out the fixed region of interference generated at the input of the CCD matrix is discrete, frame-by-frame, in order to avoid information loss, the polling frequency of each photosensitive element f _CCD must satisfy Kotelnikov's inequality f _CCD ≥2f _modes , f _modes - frequency of acousto-optical (AO) modulation. If the interference region at the input of the CCD is mobile, then the value of f _CCD will be determined by the speed of movement of the interference region and the excess of f _CCD over f _{modes will} increase significantly. Since the frequency of AO-modulation for solid-state modulators (for example, ML-201 type) is 20-80 MHz, _therefore , for the moving area of interference at the input of the CCD matrix, the _{currently unfulfilled} requirements are imposed on the polling frequency f _CCD / 6 -8/.

Для устранения указанного противоречивого условия предлагается использовать режим гетеродинирования с импульсным освещением и синхронным ступенчатым изменением фазы напряжения, управляющего работой АОМ /9/. При таком режиме происходит подавление несущей частоты (балансная модуляция) и перенос спектра сигнала в область низких частот, что позволяет считывать амплитуду и фазу высокочастотных световых полей фотоприемником с относительно невысоким быстродействием. Далее обработкой полученного электрического сигнала U₉ путем разложения в ряд Фурье выбранная спектральная компонента легко выделяется известными методами цифровой фильтрации /10/.To eliminate this contradictory condition, it is proposed to use the heterodyning mode with pulsed lighting and a synchronous stepwise change in the voltage phase, which controls the operation of AOM / 9 /. In this mode, the carrier frequency is suppressed (balanced modulation) and the signal spectrum is transferred to the low frequency region, which makes it possible to read the amplitude and phase of high-frequency light fields with a relatively low speed photodetector. Further, by processing the obtained electric signal U ₉ by expanding it in a Fourier series, the selected spectral component is easily distinguished by known methods of digital filtering / 10 /.

Так при экспериментах с использованием импульсного полупроводникового лазера ИЛПИ-2-7К-А (λ = 0,67 мкм, f_к≈565 кГц), АОМ типа МЛ-201 с частотой модуляции 75 МГц и частотой коммутации фазы 18,3 кГц первая гармоника оптического сигнала составляла всего ≈4,6 кГц /9/.Thus, in experiments using a pulsed semiconductor laser ILPI-2-7K-A (λ = 0.67 μm, f _k ≈565 kHz), an ML-201 type AOM with a modulation frequency of 75 MHz and a phase switching frequency of 18.3 kHz, the first harmonic optical signal was only ≈4.6 kHz / 9 /.

2. При пространственном совмещении первого и второго оптических потоков под углом γ формируется область интерференции с шагом

Структура ПЗС-матрицы с размерами фотоэлементов a≈b похожа на сеточный растр (раст с квадратными прозрачными элементами) /11/, поэтому для помехоустойчивого преобразования интерференционного сигнала нужно обеспечить условие:

Тогда при использовании источника света с λ ≈ 0,6 мкм и ПЗС-матрицы типа ТН7896М (a≈b≈20 мкм) /6/ получается, что γ≅0,01 рад.
Для управления отклонением второго оптического потока могут использоваться не только пьезодефлектор, но и двумерный акустооптический дефлектор, модулятор, построенные на других принципах действия /13-15/.2. With the spatial combination of the first and second optical flows at an angle γ, an interference region is formed with a step

The structure of the CCD matrix with the sizes of the photocells a≈b is similar to a grid raster (raster with square transparent elements) / 11 /, therefore, for noise-immune conversion of the interference signal, it is necessary to provide the condition:

Then, when using a light source with λ ≈ 0.6 μm and a CCD matrix of the TN7896M type (a≈b≈20 μm) / 6 /, it turns out that γ ≅ 0.01 rad.
To control the deviation of the second optical stream, not only a piezoelectric deflector, but also a two-dimensional acousto-optic deflector, modulator based on other principles of action / 13-15 / can be used.

Методика определения отклонения от круглости отверстия предлагаемым способом заключается в том, что деталь с отверстием устанавливают в подготовленную оснастку так, что отверстие было полностью освещено первым оптическим потоком. Затем, осуществляя круговое вращение с помощью пространственного модулятора второго оптического потока, осуществляют сканирование границы этой детали и, соответственно, преобразование оптического сигнала в цифровой код N(Δl). В дальнейшем после его обработки преобразованием Фурье и методами цифровой фильтрации определяют текущее отклонение положения границы детали от заданной траектории. The methodology for determining the deviation from the roundness of the hole of the proposed method is that the part with the hole is installed in the prepared snap-in so that the hole was completely illuminated by the first optical stream. Then, performing a circular rotation using the spatial modulator of the second optical stream, they scan the boundaries of this part and, accordingly, convert the optical signal into a digital code N (Δl). Subsequently, after its processing by the Fourier transform and digital filtering methods, the current deviation of the position of the part boundary from the given trajectory is determined.

Источники информации, используемые при составлении описания
1. А.с. N 1068702 (СССР), МКИ G 01 B 11/24. Бесконтактный способ определения положения кромки предмета. И.А.Аронов, Э.Ш.Зельман //Опубл. в Б.И. - 1984, N 3 (аналог).Sources of information used in the preparation of the description
1. A.S. N 1068702 (USSR), MKI G 01 B 11/24. Non-contact method for determining the position of the edge of the subject. I.A. Aronov, E.Sh. Zelman // Publ. in B.I. - 1984, N 3 (analogue).

2 А.с. N 1714359 (СССР), МКИ G 01 B 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.И.Телешевский, Н.Н.Абдикаримов //Опубл. в Б.И. - 1992, N 7 (аналог). 2 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, N 7 (analogue).

3. Телешевский В. И., Абдикаримов Н.Н. Гетеродинный лазерный акустооптоэлектронный сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов. //Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 8 Всесоюзный научно-технической конференции. Москва, ноябрь 1990 г. - М., 1990. - с. 242. 3. Teleshevsky V.I., Abdikarimov N.N. A heterodyne laser acousto-optoelectronic sensor for non-contact detection of the position of the boundaries of objects. // Photometry and its metrological support: Abstracts. doc. 8th All-Union Scientific and Technical Conference. Moscow, November 1990 - M., 1990. - p. 242.

4. Леун Е.В. Перестраиваемые акустооптические датчики для измерения параметров вибрации. Омский научный вестник, Омск, март 1999, выпуск 6, с. 42-44 (прототип). 4. Leun E.V. Tunable acousto-optic sensors for measuring vibration parameters. Omsk Scientific Herald, Omsk, March 1999, Issue 6, p. 42-44 (prototype).

5. Якушкин С. В., Суханов И.И., Троицкий Ю.В. Измерение и стабилизация направления оси лазерного пучка. Приборы и техника эксперимента, 1987, N 4, с. 181-183. 5. Yakushkin S. V., Sukhanov I.I., Troitsky Yu.V. Measurement and stabilization of the direction of the axis of the laser beam. Instruments and experimental technique, 1987, N 4, p. 181-183.

6. Каталог оптоэлектронных комплектующих ф. Thomson-CSF, Yolland, 1994-1995. 6. Catalog of optoelectronic components f. Thomson-CSF, Yolland, 1994-1995.

7. Jmage sensing and solid camera Products 1994/1995. EG & G Optoelectronics Reticon, California. 7. Jmage sensing and solid camera Products 1994/1995. EG & G Optoelectronics Reticon, California.

8. Аварзад О. Видеопреобразователь на основе фотоприемной матрицы с зарядовой связью типа К1200ЦМ7. Дубна, ОИЯИ, 1994. 8. Avarzad O. A video converter based on a photodetector array with charge coupling, type K1200TSM7. Dubna, JINR, 1994.

9. Твердохлеб П.Е., Штейнберг И.Ш., Шепеткин Ю.А. Способ гетеродинного детектирования импульсных световых сигналов. Автометрия, 1999, N 5, с. 41-51. 9. Tverdokhleb P.E., Shteinberg I.Sh., Shepetkin Yu.A. Method for heterodyne detection of pulsed light signals. Autometry, 1999, N 5, p. 41-51.

10 Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В. 2 т.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982, - Т. 1,2. 10 Pratt W. Digital image processing: V. 2 t.: Per. from English - M.: Mir, 1982, - T. 1.2.

11. Преснухин Л.Н., Майоров С.А., Меськин И.В. Фотоэлектрические преобразователи. /Под ред. Л.Н. Преснухина. М., 1974, 376 с. 11. Presnukhin L.N., Mayorov S.A., Meskin I.V. Photoelectric converters. / Ed. L.N. Presnukhina. M., 1974, 376 p.

12. Иванов В. А. , Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. - СПб.: Политехника, 1993. - 216 с. 12. Ivanov V.A., Privalov V.E. The use of lasers in precision mechanics devices. - St. Petersburg: Polytechnic, 1993. - 216 p.

13. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с. 13. Balakshiy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Physical foundations of acoustooptics. - M .: Radio and communications, 1985 .-- 280 p.

14. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М. : Наука, 1970. 295 с. 14. Mustel E.R., Parygin V.N. Methods of modulation and scanning of light. M.: Science, 1970.295 s.

15. Мазуров М.Е., Обухов В.И. Оптические модуляторы и устройства отклонений луча. М.: 1970, 140 с. 15. Mazurov M.E., Obukhov V.I. Optical modulators and beam deflection devices. M .: 1970, 140 p.

Claims

A method for determining the spatial parameters of an object’s boundary, which consists in generating a luminous flux which is subjected to acousto-optic modulation, obtaining a measuring flux in the form of a set of different-frequency diffraction orders, forming a measuring channel in which an interference region is created, the object is introduced perpendicular to the propagation direction of the measuring flux, and illuminated by the interference region, the boundary of the object, part of which is directed to the photodetector, with the help of which an electric system is formed drove, the change in the position of the boundary of the object is judged by a change in the phase of this signal, spatially remove from the measuring stream different frequency diffraction orders, with the exception of one, which is the first optical stream, and using one of the extracted different frequency diffraction orders form the second optical stream, while Interferences create spatially combining the first and second optical streams, change the spatial position of the second optical stream, move the inter Here, along the object boundary, and the spatial parameters of the object boundary are judged both by the phase change and by the spatial position parameters of the second optical stream, characterized in that the light stream and its acousto-optic modulation are formed in synchronous pulsed modes, and the pulsed acousto-optic modulation consists of a set of clock cycles, with linearly varying phase values of the acoustic wave, and a photocell array is used as a photodetector.