RU2188389C2 - Method for checking of optical interaction with object and device for its realization - Google Patents
Method for checking of optical interaction with object and device for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2188389C2 RU2188389C2 RU2000127388/28A RU2000127388A RU2188389C2 RU 2188389 C2 RU2188389 C2 RU 2188389C2 RU 2000127388/28 A RU2000127388/28 A RU 2000127388/28A RU 2000127388 A RU2000127388 A RU 2000127388A RU 2188389 C2 RU2188389 C2 RU 2188389C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- output
- radiation
- measuring
- input
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной, волоконной интерферометрии, и может быть использовано для контроля геометрических параметров сложнопрофильных, корпусных объектов (изделий, деталей) на координатно-измерительных машинах (КИМ) в станко-, приборо- и машиностроении. The invention relates to measuring equipment, namely to laser, fiber interferometry, and can be used to control the geometric parameters of complex, case objects (products, parts) on coordinate measuring machines (CMM) in machine tool, instrument and machine building.
В настоящее время для координатных измерений изделий на КИМ наибольшее распространение получили контактные методы (аналоги) с использованием контактных измерительных головок /1, 2/. Суть контактного метода заключается в том, что при соприкосновении круглого наконечника измерительной головки с поверхностью детали у первой изменяется параметр измерительной цепи. В момент фиксации такого изменения контролируемого параметра происходит определение, считывание трех координат X, Y, Z фиксируемой точки. Currently, for coordinate measurements of products at the CMM, contact methods (analogues) using contact measuring heads / 1, 2 / are most widely used. The essence of the contact method is that when the round tip of the measuring head touches the surface of the part, the first parameter of the measuring circuit changes. At the moment of fixing such a change in the controlled parameter, the three coordinates X, Y, Z of the fixed point are determined, read out.
В качестве контролируемого параметра могут выступать частота микроколебаний наконечника, его смещения /3/, изгиб, индуктивность и сопротивление электрической цепи. Последний параметр из-за простоты используется чаще всего, при этом касание с деталью приводит к разрыву электрической цепи. The frequency of microoscillations of the tip, its displacement / 3 /, bending, inductance, and resistance of the electric circuit can act as a controlled parameter. Due to its simplicity, the latter parameter is most often used, while touching the part leads to an open circuit.
Известна головка /2/ (устройство-аналог) состоит из корпуса, в основании которого через 120o установлены три пары шариков, фланца, к которому прикреплен измерительный наконечник, состоящий из стержня и контактного элемента. Базирование фланца в корпусе осуществляется посредством трех роликов, прикрепленных на торце фланца также через 120o и сопряженных с тремя призмами, образованными из шариков. Ролики и шарики одновременно являются электроконтактами, соединенными в последовательную цепь. Фланец прижат пружиной. Разъем и гайка предназначены для соответственно электрического и механического подсоединения к КИМ.The known head / 2 / (analog device) consists of a housing, at the base of which, after 120 o , three pairs of balls are installed, a flange to which a measuring tip, consisting of a rod and a contact element, is attached. The base of the flange in the housing is carried out by means of three rollers attached to the end of the flange also through 120 o and interfaced with three prisms formed of balls. The rollers and balls are simultaneously electrical contacts connected in a series circuit. The flange is pressed by a spring. The connector and nut are designed for electrical and mechanical connection to CMM, respectively.
При соприкосновении наконечника с деталью фланец поворачивается относительно оси, перпендикулярной оси головки, или перемещается вдоль оси. Вследствии этого размыкается по крайней мере один электроконтакт, что используется для образования управляющего сигнала. Головки чувствительны в различных направлениях в полупространстве ±Х±Y +Z (180 телесных градусов). Измерительный наконечник не может смещаться и головка не чувствительна в направлении -Z. When the tip touches the part, the flange rotates about an axis perpendicular to the axis of the head, or moves along the axis. As a result, at least one electrical contact opens, which is used to form a control signal. The heads are sensitive in different directions in half-space ± X ± Y + Z (180 degrees solid). The measuring tip cannot move and the head is not sensitive in the -Z direction.
К основным недостаткам контактного способа и устройства следует отнести низкую скорость измерений и различную чувствительность в разных направлениях (анизотропия чувствительности). The main disadvantages of the contact method and device include a low measurement rate and different sensitivity in different directions (sensitivity anisotropy).
Известен способ контроля оптического взаимодействия с объектом /4/ (способ-аналог), заключающийся в том, что используют интерферометр Майкельсона с оптическим измерительным каналом, задают оптические параметры этого интерферометра, формируют в нем опорный и измерительный оптические потоки, между которыми задают разность хода, освещают объект и принимают отраженный от объекта оптический поток в виде светового луча оптическим измерительным каналом и создают одномерную диаграмму направленности, задают разность хода для опорного и отраженного от объекта оптических потоков, пространственно совмещают опорный и отраженный от объекта оптические потоки и добиваются их интерференции, осуществляют фотоэлектрическое преобразование интерферирующих оптических потоков в выходной электрический сигнал, измеряя его значение, контролируют значение оптического взаимодействия с объектом. A known method of controlling optical interaction with an object / 4 / (analogue method), which consists in the use of a Michelson interferometer with an optical measuring channel, setting the optical parameters of this interferometer, forming the reference and measuring optical flows in it, between which the path difference is set, illuminate the object and receive the optical flux reflected from the object in the form of a light beam by the optical measuring channel and create a one-dimensional radiation pattern, set the path difference for the reference and reflection of optical fluxes from the object, spatially combine the reference and reflected from the object optical fluxes and achieve their interference, carry out photoelectric conversion of the interfering optical fluxes into the output electric signal, measuring its value, control the value of the optical interaction with the object.
Бесконтактная измерительная головка, реализующая этот способ (устройство-аналог), состоит линзы, измерительной схемы и интерферометра Майкельсона с электрическими входом, выходом и оптическим измерительным каналом. К электрическому выходу интерферометра Майкельсона подключена измерительная схема, выход которой является электрическим выходом бесконтактной измерительной головки, электрическим входом которой является электрический вход интерферометра Майкельсона. Линза связана с оптическим измерительным каналом интерферометра Майкельсона. A non-contact measuring head that implements this method (an analog device) consists of a lens, a measuring circuit, and a Michelson interferometer with electrical input, output, and optical measuring channel. A measuring circuit is connected to the electrical output of the Michelson interferometer, the output of which is the electrical output of a non-contact measuring head, the electrical input of which is the electrical input of a Michelson interferometer. The lens is connected to the optical measuring channel of a Michelson interferometer.
Это устройство предназначено для измерения перемещений в малом диапазоне и представляет собой конструкцию широко известного волоконного интерферометра белого света, контраст (видность) выходного оптического сигнала которого максимален при равенстве длин опорного и измерительного каналов /5/. This device is designed to measure displacements in a small range and is a design of the well-known white light fiber interferometer, the contrast (visibility) of the output optical signal is maximum when the lengths of the reference and measuring channels are equal / 5 /.
Такого типа интерферометры могут работать с зеркальными и с диффузными поверхностями /6/, на основе слабокогерентных источников света и многомодовой элементной базе /7, 8/. Interferometers of this type can work with mirror and diffuse surfaces / 6 /, based on weakly coherent light sources and a multimode element base / 7, 8 /.
Достоинствами данных способа- и устройства-прототипа являются более высокая скорость измерений и расширение фунциональных возможностей за счет работы с более шероховатыми объектами. The advantages of this method and prototype device are a higher measurement speed and the expansion of functional capabilities due to the work with more rough objects.
Однако основным недостатком этих способа и устройства является ограничение функциональных возможностей, определяемое одномерной диаграммой направленности, не позволяющее достичь размерности при координатных измерениях выше, чем 1-D ("ощупывание" детали только в направлении оси устройства). However, the main drawback of these method and device is the limitation of functionality defined by a one-dimensional radiation pattern, which does not allow achieving dimensionality in coordinate measurements higher than 1-D ("feeling" the details only in the direction of the device axis).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля оптического взаимодействия с объектом /9/ (способ-прототип), заключающийся в том, что направляют на объект когерентное излучение, после взаимодействия с объектом регистрируют это излучение интерференционным индикатором с акустооптическим преобразователем, выделяют компоненты выходного сигнала этого преобразователя с различными частотами, подают их на фотодиодный смеситель, по выходному сигналу которого определяют результаты взаимодействия с объектом, направляют и принимают указанное излучение посредством световодного преобразователя, между торцом которого и объектом создают зазор, значение которого включает пространственный интервал, соответствующий частотному перескоку выходного сигнала фотодиодного смесителя, который по цепи обратной связи подают на акустооптический модулятор. The closest in technical essence to the present invention is a method for controlling optical interaction with an object / 9 / (prototype method), which consists in directing coherent radiation to an object, after interacting with an object, this radiation is recorded by an interference indicator with an acousto-optic transducer, and components are isolated the output signal of this converter with different frequencies, they are fed to a photodiode mixer, the output signal of which determines the results of the interaction I with the object, direct and receive the specified radiation through the light guide, between the end of which and the object a gap is created, the value of which includes the spatial interval corresponding to the frequency jump of the output signal of the photodiode mixer, which is fed to the acousto-optic modulator through the feedback circuit.
Устройство, реализующее этот способ контроля (устройство-прототип), состоит из лазера, коллиматора, акустооптического модулятора, схемы ввода-вывода излучения для оптических световодов, световодного преобразователя, элементов оптической схемы интерферометра, фотоприемника и измерительной схемы. A device that implements this control method (prototype device) consists of a laser, a collimator, an acousto-optical modulator, a radiation input-output circuit for optical fibers, a light guide, optical elements of the interferometer, a photodetector, and a measuring circuit.
Особенность данного способа контроля заключается в возможности создания виртуальной пространственно-чувствительной координаты и формирования импульсного электрического сигнала, который несет в себе информацию о пересечении поверхности объекта этой координаты - виртуальное "касание" измерительной головки и детали. A feature of this control method is the possibility of creating a virtual spatially sensitive coordinate and generating a pulsed electrical signal that carries information about the intersection of the object surface of this coordinate — a virtual “touch” of the measuring head and the part.
Эти способ и устройство обладают высоким быстродействием ≈1-5 мкс и точностью ≈0,1-0,5 мкм при формировании импульсного сигнала /4/. This method and device have a high speed ≈1-5 μs and an accuracy of ≈0.1-0.5 μm in the formation of a pulse signal / 4 /.
Недостатками этих способа и устройства являются ограничение функциональных возможностей, определяемой как одномерной диаграммой направленности (вдоль оси световодного преобразователя), ограничивающей размерность головки до 1-D ("ощупывание" детали только в направлении оси световодного преобразователя), так и классом шероховатости поверхности контролируемых деталей Ra≤0, 4λ, где λ - длина волны света.The disadvantages of this method and device are the limitation of functionality, defined as a one-dimensional radiation pattern (along the axis of the fiber guide), limiting the dimension of the head to 1-D ("feeling" the part only in the direction of the axis of the fiber guide), and the surface roughness class of the tested parts R a ≤0, 4λ, where λ is the wavelength of light.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается
- в повышении точности координатных измерений за счет определения пространственных координат точки "виртуального касания" с объектом,
- повышении скорости координатных измерений за счет управления режимом ощупывания,
- в расширении функциональных возможностей за счет расширения диаграммы направленности и, соответственно, увеличения размерности до трехмерной (3D).The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists
- to improve the accuracy of coordinate measurements by determining the spatial coordinates of the point of "virtual touch" with the object,
- increasing the speed of coordinate measurements by controlling the feeling mode,
- in the expansion of functionality by expanding the radiation pattern and, accordingly, increasing the dimension to three-dimensional (3D).
Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что формируют оптическое излучение с заданными параметрами, модулируют излучение в выбранной плоскости, из модулированного излучения формируют опорный и измерительный потоки, последним с помощью световодного преобразователя освещают объект, принимают отраженную от объекта часть измерительного потока и создают одномерную диаграмму направленности, пространственно совмещают отраженный измерительный и опорный потоки, добиваются их интерференции, осуществляют фотоэлектрическое преобразование интерферирующих потоков в выходной электрический сигнал, по которому определяют результаты взаимодействия с объектом, дополнительно модулируют излучение в плоскости, перпендикулярной первой, расширяют диаграмму направленности за счет дополнительного излучения и приема измерительного потока в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно оси световодного преобразователя, создают трехмерную диаграмму направленности, по максимальному значению выходного электрического сигнала судят об экстремальном значении оптического взаимодействия с объектом. According to the invention, the indicated result is achieved in that optical radiation is formed with predetermined parameters, the radiation is modulated in a selected plane, the reference and measuring flows are formed from the modulated radiation, the object is illuminated with the help of a light guide, the part of the measuring stream reflected from the object is received and a one-dimensional radiation pattern is created spatially combine the reflected measuring and reference flows, achieve their interference, carry out the photoelectric The conversion of interfering fluxes to an output electrical signal, which determines the results of interaction with the object, additionally modulates the radiation in a plane perpendicular to the first, extends the radiation pattern due to additional radiation and receiving the measuring flux in two mutually perpendicular directions relative to the axis of the fiber guide, create a three-dimensional diagram directivity, by the maximum value of the output electric signal, an extreme value of chenii optical interaction with the object.
Способ отличается также тем, что излучение модулируют за счет акустооптического преобразования в Брэгговском режиме. The method also differs in that the radiation is modulated by acousto-optic conversion in the Bragg mode.
Другое отличие способа состоит в том, что излучение модулируют зеркальным дефлектором. Another difference of the method is that the radiation is modulated by a mirror deflector.
Способ отличается также тем, что изменяют разность хода между опорным и измерительным потоками. The method also differs in that the difference in stroke between the reference and measuring flows is changed.
Соответственно устройство, осуществляющее предлагаемый способ, состоит из излучателя и последовательно установленных по ходу излучения коллиматора, модулятора с одними оптическим, электрическим входами и оптическим выходом, оптического приемного канала с двумя входами и одним выходом, световодного преобразователя со входом и выходом, фотоприемника, измерительной схемы, при этом выход оптического приемного канала связан со входом фотоприемника, электрический выход которого подключен ко входу измерительной схемы, оптический выход модулятора света связан со входом световодного преобразователя, выход которого связан со входом оптического приемного канала, в модуляторе света введен второй электрический вход, а в торце световодного преобразователя объединены его вход и выход, при этом между этим торцом и оптическим выходом модулятора света введен светоделитель, связывающий оптический выход модулятора света с другим входом оптического приемного канала, при этом на другом торце световодного преобразователя, направленного на объект, закреплена линза, причем в измерительной схеме сформирован электрический выход, который является электрическим выходом устройства. Accordingly, the device that implements the proposed method consists of a radiator and a collimator sequentially installed along the radiation, a modulator with one optical, electrical inputs and an optical output, an optical receiving channel with two inputs and one output, a light guide with an input and output, a photodetector, a measuring circuit while the output of the optical receiving channel is connected to the input of the photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the measuring circuit, the optical output can the light emitter is connected to the input of the light guide, the output of which is connected to the input of the optical receiving channel, a second electrical input is introduced in the light modulator, and its input and output are combined at the end of the light guide, and a beam splitter is connected between this end and the optical output of the light modulator the optical output of the light modulator with another input of the optical receiving channel, while a lens is attached to the other end of the light guide to the object, and measure noy circuit formed electrical output which is an electrical output of the apparatus.
Еще одним отличием устройства является то, что оптический приемный канал включает Y-образный световодный соединитель с опорным, измерительным и общим плечами, перед входами первых двух введено по линзе, которые являются входами оптического приемного канала, при этом в одно из этих двух плечей введен второй модулятор света с оптическими входом, выходом и электрическим входом, а выходом оптического приемного канала является общее плечо Y-образного световодного соединителя. Another feature of the device is that the optical receiving channel includes a Y-shaped light guide connector with a reference, measuring and common arms, before the inputs of the first two are introduced through the lens, which are inputs of the optical receiving channel, while the second is inserted into one of these two arms a light modulator with optical input, output and electrical input, and the output of the optical receiving channel is the common arm of the Y-shaped light guide connector.
Другим отличием устройства является то, что линза световодного преобразователя выполнена в виде шарообразного диффузора. Another difference of the device is that the lens of the light guide is made in the form of a spherical diffuser.
Полученные новые свойства от данной совокупности признаков ранее не были известны и достигаются только в данном изобретении. The obtained new properties from this set of features were not previously known and are achieved only in this invention.
Описание изобретения поясняется чертежами. Description of the invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ. In FIG. 1 presents an optical diagram of a device that implements the proposed method.
Фиг. 2, а и б, иллюстрирует сигналы на выходах фотоприемника U1(r) и измерительной схемы Uвых(r) вблизи нулевой разности хода измерительного и опорного потоков и поясняет образование "зонда когерентности".FIG. 2, a and b, illustrates the signals at the outputs of the photodetector U 1 (r) and the measuring circuit U o (r) near the zero path difference of the measuring and reference flows and explains the formation of a “coherence probe”.
Фиг. 3 и 4 демонстрируют режимы ощупывания объекта при проведении координатных измерений. FIG. 3 and 4 show the modes of feeling the object when conducting coordinate measurements.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит следующие элементы (фиг.1): излучатель 1, состоящий из генератора 2 и источника света 3, коллиматор 4, модулятор света (МС) 5, оптический приемный канал 6, светоделитель 7, световодный преобразователь 8, линза 9, фотоприемник 10, измерительная схема 11. A device that implements the proposed method contains the following elements (Fig. 1):
Оптический приемный канал 6 состоит из линз 6.1 и 6.4, Y-образного световодного соединителя 6.2, включающий опорное 6.3, измерительное 6.5 и общее 6.7 плечи. В измерительное плечо 6.5 оптического приемного канала 6 введен модулятор света (МС) 6.6. The optical receiving
Устройство (фиг. 1), реализующее предлагаемый способ контроля, работает следующим образом. The device (Fig. 1) that implements the proposed method of control, works as follows.
В излучателе 1 с помощью генератора 2 возбуждается источник света 3, формирующий оптический поток с длиной когерентности lког, который коллиматором 4 преобразуется в коллимированный пучок и направляется на оптический вход МС 5. На два электрических входа МС 5 подаются электрические сигналы Ux(t) и Uy(t), с помощью которых световой пучок на оптическом выходе МС 5 вращается вокруг осей OY и ОХ на соответствующий угол α (проекции этого угла αx и αy) тел. рад.In the
Изменения этих сигналов ΔUx(t) и ΔUy(t) приводят к угловым поворотам (его составляющие Δαx и Δαy) вокруг осей OY и ОХ
Δαx(t) = kxΔUx(t), (1)
Δαy(t) = kyΔUy(t), (2)
где kx и ky - коэффициенты пропорциональности.Changes in these signals ΔU x (t) and ΔU y (t) lead to angular rotations (its components Δα x and Δα y ) around the OY and OX axes
Δα x (t) = k x ΔU x (t), (1)
Δα y (t) = k y ΔU y (t), (2)
where k x and k y are the proportionality coefficients.
Этот отклонившийся световой пучок проходит сквозь светоделитель 7, одна часть после которого следует по пути: светоделитель 7 --> линза 6.1 --> опорное плечо 6.3 --> общее плечо 6.7 --> фотоприемник 10. Этот пучок является оптическим опорным потоком. This deviated light beam passes through the beam splitter 7, one part after which follows the path: beam splitter 7 -> lens 6.1 -> support arm 6.3 -> common arm 6.7 -> photodetector 10. This beam is an optical reference beam.
Другая часть светового луча после светоделителя 7 освещает торец световодного преобразователя 8, проходит по нему, затем через линзу 9 следует на поверхность контролируемой детали. Часть отраженного от нее излучения проходит в линзу 9 и далее возвращается по пути: световодный преобразователь 8 --> светоделитель 7 --> линза 6.4 --> измерительное плечо 6.5 --> блок МС 6.6 --> общее плечо 6.7 --> фотоприемник 10. Этот пучок является оптическим измерительным потоком. Another part of the light beam after the beam splitter 7 illuminates the end face of the
Таким образом, в общем плече 6.7 оптического приемного канала 6 опорный и измерительный оптические потоки пространственно совмещаются и интерферируют на входе фотоприемника 10. Интерференция этих потоков приводит к формированию на выходе фотоприемника 10 электрического сигнала U1(r) (фиг.2а), поступающий на вход измерительной схемы 11. Она выделяет максимальное значение U1(ra) и преобразовывает в логический перепад "1"-->"0" (или "0"-->"1") функции Uвых(r) (фиг.2б):
Uвых(r)~1(r-rа), (3)
где 1(r-rа) - функция логических выходных сигналов, аналогичная функции Хэвисайда, ra - координата, определяющая положение максимума функции U1(r) - положение "зонда когерентности".Thus, in the common arm 6.7 of the optical receiving
U o (r) ~ 1 (rr a ), (3)
where 1 (rr a ) is the function of the logical output signals, similar to the Heaviside function, r a is the coordinate that determines the position of the maximum of the function U 1 (r) is the position of the "coherence probe".
Изменением разности хода (фазы) между опорным и измерительным оптическими потоками, вносимой блоком МС 6.6, осуществляется управляемое смещение "зонда когерентности". Такой режим ускоряет координатные измерения на КИМ изделий со сложными криволинейными поверхности. На фиг.3 представлен режим ощупывания такого объекта для различных значений Uупр(t): Uупр(t0)-->ra(t0), Uупр(t1)-->ra(t1)........ Uупр(t8)-->ra(t8).By changing the difference in stroke (phase) between the reference and measuring optical fluxes introduced by the MS 6.6 block, a controlled displacement of the "coherence probe" is carried out. This mode accelerates the coordinate measurements on the CMM of products with complex curved surfaces. Figure 3 shows the mode of feeling such an object for different values of U CPR (t): U CPR (t 0 ) -> r a (t 0 ), U CPR (t 1 ) -> r a (t 1 ). ....... U control (t 8 ) -> r a (t 8 ).
Фиг.4 поясняет два режима контроля: непрерывный и импульсный. Непрерывное сканирование обеспечивается при линейном сканировании оптическим пучком модулятором 5. В зависимости от алгоритма ощупывания линия контроля - траектория, соединяющая ближайшие точки "виртуального касания" с поверхностью (от t0 до tn), похожа на криволинейную спираль.Figure 4 explains two control modes: continuous and pulse. Continuous scanning is ensured by linear scanning with an optical beam by modulator 5. Depending on the palpation algorithm, the control line — the path connecting the nearest points of “virtual touch” to the surface (from t 0 to t n ), looks like a curved spiral.
При импульсном сканировании светом, в зависимости от алгоритма и заданной точности измерений, окружающее пространство осматривается пошагово при изменении пространственного угла на дискретный угловой квант δα. В этом случае, линия контроля состоит из последовательности точек (от t0 до tn) "виртуального касания" и имеет вид сложной ломаной линии.During pulsed scanning with light, depending on the algorithm and a given measurement accuracy, the surrounding space is inspected step by step when the spatial angle is changed to a discrete angular quantum δα. In this case, the control line consists of a sequence of points (from t 0 to t n ) of the “virtual touch” and has the form of a complex broken line.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. The essence of the proposed method is as follows.
1. Для интерферометров на основе слабокогерентного излучателя со спектром излучения [λ1; λ2] длина когерентности lког определяется /4, 5/:
lког = (λo)2/(λ2-λ1), (4)
где λo, λ1, λ2, - значения средней, нижней и верхней длин волн спектра излучения. Для удобства измерений lког выбирается из условия lког≈(3-5)λo.
Режим работы таких интерферметров /4-8, 11, 12/ основан на некогерентном сложении оптических потоков: измерительного и опорного. При этом контраст (видность) интерференционного сигнала U1(r) (фиг.2а) достигает максимума при нулевой разности хода между этими потоками - на координате ra.1. For interferometers based on a weakly coherent radiator with a radiation spectrum [λ 1 ; λ 2 ] the coherence length l coh is determined by / 4, 5 /:
l coh = (λ o ) 2 / (λ 2 -λ 1 ), (4)
where λ o , λ 1 , λ 2 , are the mean, lower and upper wavelengths of the radiation spectrum. For convenience of measurements, l coh is selected from the condition l coh ≈ (3-5) λ o .
The operation mode of such interferometers / 4-8, 11, 12 / is based on incoherent addition of optical flows: measuring and reference. In this case, the contrast (visibility) of the interference signal U 1 (r) (Fig. 2a) reaches a maximum at a zero path difference between these flows - at the coordinate r a .
Это максимальное значение сигнала эквивалентно созданию на этой координате ra пространственно-чувствительного аналога бесконтактного "измерительного наконечника" - "зонда когерентности" /12/, а фиксация этого значения соответствует его "виртуальному касанию" с поверхностью объекта.This maximum signal value is equivalent to creating a spatially sensitive analogue of a non-contact “measuring tip” - a “coherence probe” / 12 / at this coordinate r a , and fixing this value corresponds to its “virtual touch” with the surface of the object.
Режим некогерентного сложения оптических потоков позволяет устойчиво контролировать объекты не только с зеркальной (Ra≤λo/5), но и с шероховатой (Ra≥λo/5) поверхностями (где Ra - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности) и использовать не только зеркальную, но и диффузную составляющие отраженного оптического потока /6/. Это позволяет снизить требования к перпендикулярности отражающей поверхности контролируемого объекта при измерениях.The mode of incoherent addition of optical flows allows you to stably control objects not only with a mirror (R a ≤λ o / 5), but also with rough (R a ≥λ o / 5) surfaces (where R a is the arithmetic mean deviation of the surface profile) and use not only the mirror, but also the diffuse components of the reflected optical flux / 6 /. This allows you to reduce the requirements to the perpendicularity of the reflecting surface of the controlled object during measurements.
2. Использованием световодного преобразователя с линзой на торце, направленном на объект, предлагается осуществить доставку излучения до контролируемой области детали и довести угол сканирования пространства в этой области до 2π тел. рад. Такая конструкция световодного преобразователя расширяет диаграмму направленности за счет дополнительного излучения и приема измерительного оптического потока в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно оси световодного преобразователя и создает трехмерную (3D) диаграмму направленности. 2. Using a light guide transducer with a lens at the end face directed at the object, it is proposed to deliver radiation to a controlled region of the part and bring the scanning angle of space in this region to 2π bodies. glad. This design of the fiber guide expands the radiation pattern due to the additional radiation and reception of the measuring optical flux in two mutually perpendicular directions relative to the axis of the fiber guide and creates a three-dimensional (3D) radiation pattern.
Сканирование с помощью модулятора света световым лучом приводит к эквивалентному сканированию "зондом когерентности" всего окружающего пространства вокруг линзы. Scanning using a light modulator with a light beam results in an equivalent scanning by the "coherence probe" of the entire surrounding space around the lens.
3. Введением разности хода (фазы) между опорным и измерительным оптическими потоками (в оптическом приемном канале) осуществляется управляемое смещение "зонда когерентности" rа(t). Также можно вводить коррекцию результатов измерений при изменениях оптических параметров устройства от воздействия внешних условий (температуры, влажности, давления). Синхронные движения "зонда когерентности" и луча света схожи с ощупыванием, определением положения поверхности.3. By introducing the path (phase) difference between the reference and measuring optical flows (in the optical receiving channel), a controlled displacement of the “coherence probe” r a (t) is carried out. You can also enter the correction of the measurement results when changing the optical parameters of the device from the influence of external conditions (temperature, humidity, pressure). The synchronous movements of the "coherence probe" and the light ray are similar to feeling, determining the position of the surface.
При использовании в качестве модуляторов акустооптических дефлекторов могут быть получены следующие технические характеристики /13, 14/. Так в двумерном дефлекторе на основе РbМоO4 в диапазоне частот 100-175 МГц с временем переключения 1 мкс количество разрешимых состояний составило 32•32. Дефлектор типа ПД190 (СССР) для света с λ = 0,63 мкм обеспечивал пространственное разрешение 400•400 дискретных точек с центральной частотой f0=70 МГц, диапазоном изменения частоты Δf = 40 МГц и временем переключения от точки к точке ~12,5 мкс.When using acousto-optical deflectors as modulators, the following technical characteristics / 13, 14 / can be obtained. So in a two-dimensional deflector based on PbMoO 4 in the frequency range 100-175 MHz with a switching time of 1 μs, the number of resolvable states was 32 • 32. A PD190 type deflector (USSR) for light with λ = 0.63 μm provided a spatial resolution of 400 • 400 discrete points with a central frequency f 0 = 70 MHz, a frequency range of Δf = 40 MHz and a switching time from point to point ~ 12.5 μs.
Одна из возможных конструкций модулятора на основе зеркального дефлектора /15/ представляет собой зеркало, закрепленное на пьезодефлекторе. Последний является дисковым биморфным пьезоэлементом, при этом проводящие обкладки элемента разделены на 4 одинаковых электрически изолированных сектора. При подаче напряжений разной полярности на противоположные секторы пьезоэлемент изгибается по соответствующей координате и наклоняет закрепленное на нем зеркало. Для этого модулятора угловая чувствительность достигла 1,5•10-6 рад/В.One of the possible modulator designs based on the mirror deflector / 15 / is a mirror mounted on a piezoelectric deflector. The latter is a disk bimorph piezoelectric element, while the conductive plates of the element are divided into 4 identical electrically isolated sectors. When voltages of different polarity are applied to opposite sectors, the piezoelectric element bends in the corresponding coordinate and tilts the mirror mounted on it. For this modulator, the angular sensitivity reached 1.5 • 10 -6 rad / V.
Угловой поворот светового пучка с высокой разрешающей способностью и введение разности хода (фазы) использованием быстродействующих модуляторов позволяет реализовать алгоритмы поиска и контроля пространственного положения поверхности с сокращенным объемом перемещений механических инерционных частей КИМ. Это приводит к повышению как точности, так и скорости контроля. The angular rotation of the light beam with high resolution and the introduction of the path (phase) difference using high-speed modulators allows implementing algorithms for searching and monitoring the spatial position of the surface with a reduced volume of displacement of the mechanical inertial parts of the CMM. This leads to an increase in both accuracy and control speed.
К настоящему времени в области оптических модуляторов фазы имеется значительное число конструкций, годных для использования в предлагаемом способе /16, 17/. To date, in the field of optical phase modulators, there is a significant number of designs suitable for use in the proposed method / 16, 17 /.
Практическое изготовление световодного преобразователя с линзой может быть осуществлено разными путями. Первый вариант заключается в совместном использовании световодного преобразователя, выполненного например с использованием отдельных микролинз и цельной шарообразной линзы. При этом подбирают оптические параметры (спектральный диапазон [λ1; λ2], размеры микролинз и шарообразной линзы, их показатели преломления и т.д.), чтобы сформировать трехмерную диаграмму направленности.The practical manufacture of a light guide transducer with a lens can be carried out in different ways. The first option consists in the joint use of a fiber guide, made for example using separate microlenses and a single spherical lens. In this case, optical parameters are selected (spectral range [λ 1 ; λ 2 ], sizes of microlenses and spherical lenses, their refractive indices, etc.) in order to form a three-dimensional radiation pattern.
Другой путь практического изготовления световодного преобразователя с линзой заключается в использовании волоконно- или интегрально-оптических средств для образования множества световодных каналов, похожей на "глаз". Подобные конструкции разрабатываются в качестве органов технического зрения в робототехнике /16/. Another way of practical manufacturing a light guide optical converter with a lens is to use fiber or integrated optical means to form a plurality of optical channels similar to the “eye”. Similar designs are developed as organs of technical vision in robotics / 16 /.
Практическое создание и использование шарообразных линз и диффузоров диаметром от 0,8 до 3 мм, обеспечивающих трехмерную диаграмму направленности, широко используется в медицине. В частности, широко применяются волоконно-оптические катетеры с шаровидными диффузорами для проведения эндоскопических и лапароскопических операций в урологии и гинекологии /18/. The practical creation and use of spherical lenses and diffusers with a diameter of 0.8 to 3 mm, providing a three-dimensional radiation pattern, is widely used in medicine. In particular, fiber-optic catheters with spherical diffusers are widely used for endoscopic and laparoscopic operations in urology and gynecology / 18 /.
Для предлагаемого способа и устройства ожидаемая точность контроля достигает значений 0,01-0,1 мкм, что превышает точность используемых контактных измерительных головок. For the proposed method and device, the expected control accuracy reaches values of 0.01-0.1 μm, which exceeds the accuracy of the used contact measuring heads.
Источники информации
1. UK Patent 2049198, МПК G 01 В 7/03 Probe for use in measuring apparatus. Renishaw Electrical Limited (аналог).Sources of information
1. UK Patent 2049198, IPC G 01 B 7/03 Probe for use in measuring apparatus. Renishaw Electrical Limited (equivalent).
2. Координатные измерительные машины и их применение /В.-А.А.Гапшис, А. Ю. Каспарайтис, М. Б. Модестов и др. - М. : Машиностроение, 1988, с. 80 (аналог). 2. Coordinate measuring machines and their application / V.-A.A. Gapshis, A. Yu. Kasparaitis, MB B. Modestov et al. - M.: Mechanical Engineering, 1988, p. 80 (analog).
3. R.C.Spooncer, C.Butler, B.E.Jones Optical fiber displacement sensors for process and manufacturing applications. Optical engineering, v.31, 8, pp. 1632-1637 (аналог). 3. R. C. Spooncer, C. Butler, B. E. Jones Optical fiber displacement sensors for process and manufacturing applications. Optical engineering, v.31, 8, pp. 1632-1637 (analog).
4. Yuan L. White-light interferometric fiber-optic strain sensor from threepeak-wavelength broadband LED sourse. Applied Optics, 1997, v.36, 25, pp. 6246-6250 (аналог). 4. Yuan L. White-light interferometric fiber-optic strain sensor from threepeak-wavelength broadband LED sourse. Applied Optics, 1997, v. 36, 25, pp. 6246-6250 (analog).
5. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб.пособие для вузов. /Под ред. Н.И.Калитеевского. - М.: Высш.шк., 1986 г. 5. Butikov E.I. Optics: Textbook for universities. / Ed. N.I. Kaliteevsky. - M .: Higher school, 1986
6. А.с. 1758421, МКИ G 01 В 11/24. Способ определения профиля поверхности диффузно отражающих объектов и устройство для его осуществления. Хопов В. В. Опубл. в Б.И. 32, 1992. 6. A.S. 1758421, MKI G 01 B 11/24. A method for determining the surface profile of diffusely reflecting objects and a device for its implementation. Hopov V.V. Publ. in B.I. 32, 1992.
7. Галкин С.Л., Игнатьев А.В., Бабаджан А.И. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений. Приборы и системы управления. 1992, 2, с.24. 7. Galkin S.L., Ignatiev A.V., Babadjan A.I. Fiber optic linear displacement sensor. Devices and control systems. 1992, 2, p. 24.
8. Gerges A. S., Newson T.P., Jackson D.A. Coherence tuned fiber optic sensing system, with self-initialization, based on a multimode laser diode. Applied Optics, 1990, v.29, 30, pp. 4473-4479. 8. Gerges A. S., Newson T.P., Jackson D.A. Coherence tuned fiber optic sensing system, with self-initialization, based on a multimode laser diode. Applied Optics, 1990, v.29, 30, pp. 4473-4479.
9. А.с. 1762117, МПК G 01 В 9/02. Способ контроля оптического взаимодействия с объектом. Телешевский В. И. , Леун Е.В. Опубл. в Б.И. 34, 1992 (прототип). 9. A.S. 1762117, IPC G 01
10. Леун Е.В. Исследование адаптивной волоконной измерительной головки для бесконтактного измерения отклонений размеров деталей на основе управляемой акустооптоэлектронной обратной связи.: Автореф.дис.канд.техн.наук: 05.11.16. - М.: Мосстанкин, 1994. 10. Leun E.V. The study of an adaptive fiber measuring head for non-contact measurement of deviations in the dimensions of parts based on controlled acousto-optoelectronic feedback .: Abstract of thesis. Candidate of technical science: 05.11.16. - M.: Mosstankin, 1994.
11. Т Li, A.Wang, К. Murphy, R.Claus White-light scanning fiber Michelson interferometer for absolute position-distance measurement. Optics Letters, 1995, v.20, 7, pp. 785-787. 11. T Li, A. Wang, K. Murphy, R. Claus White-light scanning fiber Michelson interferometer for absolute position-distance measurement. Optics Letters, 1995, v. 20, 7, pp. 785-787.
12. Ларионов Ю.В., Раков А.В. Оптические методы контроля линейных размеров малых топологических элементов интегральных микросхем. Труды ИОФ РАН, т.49, 1995, с.130-162. 12. Larionov Yu.V., Rakov A.V. Optical methods for controlling the linear dimensions of small topological elements of integrated circuits. Proceedings of the IOF RAS, vol. 49, 1995, p.130-162.
13. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. 13. Balakshiy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Physical foundations of acoustooptics. M .: Radio and communication, 1985.
14. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов.радио, 1978. 14. Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acousto-optical devices and their application. - M .: Sov.radio, 1978.
15. Якушкин С.В., Суханов И.И., Троицкий Ю.В. Измерение и стабилизация направления оси лазерного пучка. Приборы и техника эксперимента, 4, 1987, с. 181-183. 15. 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, 4, 1987, p. 181-183.
16. Световодные датчики /Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г. и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256с. 16. Light guide sensors / Krasyuk B.A., Semenov O.G., Sheremetyev A.G. and others. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 256p.
17. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. Гуляев Ю.В. Меш М.Я., Проклов В.В. - М.: Радио и связь, 1991, 152с. 17. Modulation effects in optical fibers and their application. Gulyaev Yu.V. Mesh M.Ya., Proklov V.V. - M .: Radio and communications, 1991, 152s.
18. Каталог многоразовых световодных инструментов для терапии. Институт прикладных проблем волоконной оптики при ИОФ РАН. 1999. 18. A catalog of reusable light guide instruments for therapy. Institute of Applied Problems of Fiber Optics at the IOF RAS. 1999.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000127388/28A RU2188389C2 (en) | 2000-11-01 | 2000-11-01 | Method for checking of optical interaction with object and device for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000127388/28A RU2188389C2 (en) | 2000-11-01 | 2000-11-01 | Method for checking of optical interaction with object and device for its realization |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2188389C2 true RU2188389C2 (en) | 2002-08-27 |
Family
ID=20241657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000127388/28A RU2188389C2 (en) | 2000-11-01 | 2000-11-01 | Method for checking of optical interaction with object and device for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2188389C2 (en) |
-
2000
- 2000-11-01 RU RU2000127388/28A patent/RU2188389C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9127929B2 (en) | Method and measuring device for gauging surfaces | |
| US9581437B2 (en) | Interferometric non-contact optical probe and measurement | |
| US3768910A (en) | Detecting the position of a surface by focus modulating the illuminating beam | |
| US4969736A (en) | Integrated fiber optic coupled proximity sensor for robotic end effectors and tools | |
| WO2003106921A1 (en) | Interferometric optical system and methods providing simultaneously scanned optical path length and focus | |
| JP2002156206A (en) | Interferometer system, interference measuring method, object provision method and object manufacturing method | |
| JPS5866006A (en) | Contour measuring device to which excessive measuring point is arranged | |
| Williams et al. | Optical ranging by wavelength multiplexed interferometry | |
| US11073370B2 (en) | OCT measurement device with back-reflection | |
| US10473451B2 (en) | Measuring the position of objects in space | |
| JP6331587B2 (en) | Three-dimensional coordinate measuring apparatus and method, and calibration apparatus | |
| US7130058B2 (en) | System and method for determining coordinates on three-dimensional space using beam phase interference | |
| US20150077759A1 (en) | Compact, Slope Sensitive Optical Probe | |
| US9841273B2 (en) | Optical measuring probe and method for optically measuring inner diameters | |
| RU2188389C2 (en) | Method for checking of optical interaction with object and device for its realization | |
| EP3227633B1 (en) | Interferometric non-contact optical probe and measuring method | |
| JP5704150B2 (en) | White interference device and position and displacement measuring method of white interference device | |
| US20210278533A1 (en) | Optical device for determining a distance of a measurement object | |
| RU2235972C2 (en) | Method for optical control of geometry parameters of articles | |
| WO2016084195A1 (en) | White light interference device and method of detecting position and displacement by means of white light interference device | |
| RU157867U1 (en) | NON-CONTACT OPTICAL HEAD FOR CONTROL OF GEOMETRIC PRODUCT PARAMETERS | |
| KR100908638B1 (en) | 3D coordinate measuring device and method | |
| JPS6029684Y2 (en) | Optical minute displacement measuring device | |
| JP2023182157A (en) | Shape measuring device and shape measurement method | |
| JP2947894B2 (en) | Polar coordinate type non-contact distance measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031102 |