RU2523780C1 - Opto-acoustic measurement of displacements - Google Patents
Opto-acoustic measurement of displacements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523780C1 RU2523780C1 RU2013104694/28A RU2013104694A RU2523780C1 RU 2523780 C1 RU2523780 C1 RU 2523780C1 RU 2013104694/28 A RU2013104694/28 A RU 2013104694/28A RU 2013104694 A RU2013104694 A RU 2013104694A RU 2523780 C1 RU2523780 C1 RU 2523780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- periodic structure
- measuring
- diffraction
- transparent medium
- light flux
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля точности перемещений объектов в направлении, ортогональном когерентному световому потоку, преимущественно в области машино- и станкостроения для контроля движений рабочих органов станков и измерительных приборов.The invention relates to measuring technique, namely to laser interferometry, and can be used to control the accuracy of the movement of objects in the direction orthogonal to the coherent light flux, mainly in the field of machine and machine tools for controlling the movements of the working bodies of machine tools and measuring instruments.
Помимо этого предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке и испытаниях приборов и устройств космических аппаратов (КА), например, при осуществлении юстировки оптических датчиков КА, высокоточного контроля геометрии панелей зеркал и складных лепестков раскрывающейся антенны и других сложнопрофильных элементов. При этом, для обеспечения наивысшей достоверности подобных измерений, приходится, как правило, использовать не менее трех альтернативных методов измерений.In addition, the present invention can be used in the development and testing of instruments and devices of spacecraft (SC), for example, when aligning optical sensors of the SC, high-precision control of the geometry of the mirror panels and folding lobes of the expanding antenna and other complex elements. Moreover, in order to ensure the highest reliability of such measurements, it is necessary, as a rule, to use at least three alternative measurement methods.
Известен метод оптического зондирования поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой, который может быть использован для контроля поперечных смещений объектов /1/. Метод, реализованный, например, на основе акустооптического (АО) измерителя координаты оптического пучка, заключается в использовании АО шкалы, выполненной на основе подложки с возбудителем ПАВ и опорной фазовой дифракционной решетки. Последняя установлена вблизи подложки на расстоянии , где λ - длина волны света, Λпав - длина ПАВ. Для возбуждения ПАВ подводится сигнал с несущей частотой fA, амплитудно-модулированный другим сигналом с частотой fм.The known method of optical sensing of surface acoustic waves (SAW) with a reference diffraction grating, which can be used to control the transverse displacements of objects / 1 /. A method implemented, for example, on the basis of an acousto-optical (AO) optical beam coordinate meter, consists of using an AO scale made on the basis of a substrate with a surfactant exciter and a reference phase diffraction grating. The latter is installed near the substrate at a distance where λ is the wavelength of light, Λ pav is the length of the surfactant. To excite the surfactant, a signal with a carrier frequency f A , amplitude-modulated by another signal with a frequency f m, is supplied.
Фаза сигнала Δφ изменяется при перемещении оптического пучка Δ1 относительно АО шкалы на величину Δφ-2πΔ1/Λм, где Δм - период огибающей модулированного сигнала на поверхности звукопровода, Δ1 - смещение пучка вдоль шкалы.The phase of the signal Δφ changes when the optical beam Δ1 is moved relative to the AO scale by Δφ-2πΔ1 / Λ m , where Δ m is the envelope period of the modulated signal on the surface of the sound duct, Δ1 is the beam offset along the scale.
В устройстве с АО шкалой с периодом 100 мкм разрешающая способность достигала 2÷5 мкм.In a device with an AO scale with a period of 100 μm, the resolution reached 2–5 μm.
Недостатками этого способа являются ограничения как разрешающей способности значением, значительно превышающим длину света λ, так и области использования из-за применения хрупкой высокочувствительной АО шкалы в качестве подвижного элемента устройства.The disadvantages of this method are the limitations of both the resolution and the value significantly exceeding the light length λ, and the field of use due to the use of the fragile highly sensitive AO scale as a movable element of the device.
Известен способ измерения пространственного перемещения объекта /2/, заключающийся в том, что формируют когерентное излучение, которое разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительные потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном их направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, по параметрам которых судят о смещении объекта.A known method of measuring the spatial displacement of an object / 2 /, which consists in the formation of coherent radiation, which is divided into measuring and reference flows, form a periodic structure in a transparent medium, moving in two mutually perpendicular planes, the reference and reflected from the object measuring radiation flux direct onto a transparent medium with a moving periodic structure at an angle chosen from the condition of multi-order diffraction from each of the flows, while the measuring radiation flux They are divided into three beams, oriented so that one of the beams forms equal angles with the other two in two mutually perpendicular planes, the magnitude of which is chosen from the condition of spatial matching of the diffraction orders of these beams on a periodic structure so that the algebraic frequency difference of the diffraction orders combined in one of the directions of movement of the periodic structure, proportional to the frequency of the periodic structure in this direction, the interfering orders are diffracted x emissions into electrical signals, the parameters of which judge the displacement of the object.
Недостатками указанного способа являются ограничения функциональных возможностей из-за неоднозначности измерений при определении положения луча; ограничение разрешающей способности в направлениях движения периодической структуры и ограничение диапазона измерений размерами фотоприемника, не превышающего ≈1-2 мм.The disadvantages of this method are the limitations of functionality due to the ambiguity of measurements when determining the position of the beam; restriction of resolution in the directions of movement of the periodic structure;
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения смещений объекта /3/, выбранный в качестве прототипа, при котором когерентное излучение разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительные потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в.электрические сигналы, каждую из составляющих периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью с временной задержкой, используя в качестве сигнала, управляющего формированием соответствующей составляющей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерительного потока излучения, а о смещении объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по пропорциональному изменению частоты электрического сигнала.Closest to the proposed invention is a method of measuring the displacements of an object / 3 /, selected as a prototype, in which coherent radiation is divided into measuring and reference flows, a periodic structure is formed in a transparent medium, moving in two mutually perpendicular planes, reference and reflected from the object measuring radiation fluxes are directed to a transparent medium with a moving periodic structure at an angle chosen from the condition of multi-order diffraction from each of the fluxes, while The measuring radiation flux is divided into three beams, oriented so that one of the beams forms equal angles with the other two in two mutually perpendicular planes, the value of which is chosen from the condition of spatial alignment of the diffraction orders of these beams on a periodic structure so that the algebraic difference in the frequencies of the diffraction orders , combined in one of the directions of the movement of the periodic structure, is proportional to the frequency of the periodic structure in this direction, the interfering orders of diffracted radiation c. electric signals, each of the components of a periodic structure moving in one of two mutually perpendicular planes, is covered by positive feedback with a time delay, using as an signal controlling the formation of the corresponding component of the periodic structure, an electric signal obtained as a result of conversion diffracted on this component of the periodic structure of the measuring radiation flux, and about the displacement of the object along the axis, s knitted with the direction of movement of the periodic structure, judged by the proportional change in the frequency of the electrical signal.
Данный способ повышает разрешающую способность в направлениях, поперечных (ортогональных) лазерному лучу до значений ≈Λузв/1214 /4/, что при использовании в качестве светозвукопровода на основе воды (при f≈8 МГц и Λузв≈200 мкм) составила значение 0,2 мкм. Как видно, этот способ не позволяет достичь разрешающей способности в направлениях, сонаправленных (коллинеарных) лазерному лучу до ≈Λ/1040≈0,6 нм /5/ из-за того, что отношение Λузв/λ может достигать значений ≈10-350.This method increases the resolving power in the directions transverse (orthogonal) to the laser beam to ≈Λ uz / 1214/4 /, which when using water-based light and sound pipe (at f≈8 MHz and Λ uz ≈200 μm) was 0 , 2 microns. As can be seen, this method does not allow to achieve a resolution in the directions co-directed (collinear) to the laser beam up to ≈Λ / 1040≈0.6 nm / 5 / due to the fact that the ratio Λ knots / λ can reach values ≈10-350 .
Также к недостаткам способа-прототипа следует отнести ограничения диапазона измерений размерами фотоприемника λ (≈1-2 мм) и функциональных возможностей из-за неоднозначности измерений при определении положения луча.Also, the disadvantages of the prototype method include the limitations of the measurement range with the dimensions of the photodetector λ (≈1-2 mm) and functionality due to the ambiguity of measurements when determining the position of the beam.
Технической задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение точности измерений перемещений объектов в направлении, ортогональном когерентному световому потоку, расширение функциональных возможностей и диапазона измерений, а также повышении разрешающей способности.The technical problem solved by the proposed method is to increase the accuracy of measuring the movement of objects in the direction orthogonal to the coherent light flux, expanding the functionality and range of measurements, as well as increasing the resolution.
Указанная задача обеспечивается тем, что в известном акустооптическом способе измерения смещений, при котором формируют когерентный световой поток и движущуюся периодическую структуру в прозрачной среде, расположенной в плоскости смещений, световой поток направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под заданным углом, выбираемым из условия дифракции, с помощью ненулевого дифракционного порядка, сформированного движущейся периодической структурой, создают измерительный поток, формируют опорный поток так, чтобы алгебраическая разность частот опорного и измерительного потоков, совмещенных в плоскости движения периодической структуры, была пропорциональна частоте периодической структуры, пространственно совмещают опорный и измерительный потоки, преобразуют интерферирующие потоки в электрический сигнал, а периодическую структуру охватывают обратной связью с временной задержкой, новым является то, что световой поток и движущуюся периодическую структуру в прозрачной среде формируют в синхронном импульсном режиме, изменяют параметры синхронизации импульсного режима за счет управления временной задержкой в обратной связи и компенсируют изменения фазы электрического сигнала, возникающие из-за смещений, а о смещении по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по изменению временной задержки.This task is ensured by the fact that in the known acousto-optical method of measuring displacements, in which a coherent light flux and a moving periodic structure are formed in a transparent medium located in the displacement plane, the light flux is directed to a transparent medium with a moving periodic structure at a given angle selected from the diffraction condition using a non-zero diffraction order formed by a moving periodic structure, create a measuring flow, form a reference flow so that if the algebraic difference in the frequencies of the reference and measuring flows combined in the plane of motion of the periodic structure is proportional to the frequency of the periodic structure, the reference and measuring flows are spatially combined, the interfering flows are converted into an electrical signal, and the periodic structure is covered by feedback with a time delay, the new one is that the light flux and the moving periodic structure in a transparent medium are formed in a synchronous pulse mode, the sync parameters are changed onizatsii pulse mode by controlling the time delay in the feedback and compensate the phase variation of the electric signal arising from displacement, and the displacement along the axis associated with the movement direction of the periodic structure, is judged by the change in time delay.
Сущность способа поясняется следующими чертежами.The essence of the method is illustrated by the following drawings.
Фиг.1 - блок-схема устройства измерения смещений, реализующего предлагаемый способ;Figure 1 - block diagram of a device for measuring displacements that implements the proposed method;
Фиг.2 - схема взаимодействия света и ультразвука в АО ячейке;Figure 2 - scheme of the interaction of light and ultrasound in the AO cell;
Фиг.3 - временные диаграммы работы устройства измерения смещений.Figure 3 - timing diagrams of the device for measuring displacement.
Устройство измерения смещений для реализации заявленного способа (Фиг.1) может включать: импульсный лазер 1, коллиматор 2, триппель-призма 3, закрепленная на каретке 4, интерферометр Маха-Цендера 6, состоящий из светоделителей 7 и 12, оптической схемы 8, отражателя 9, АО ячейки 10, диафрагмы 13, фотоприемника 14, импульсный интерполятор 15, схема синхронизации 16, состоящая из генератора 17, делителей частоты 18 и 21, формирователей импульсов 22 и 24, фаэовращателя 19, линии задержки 20, электронного ключа 23.A displacement measuring device for implementing the claimed method (FIG. 1) may include: a
В момент светового импульса Тсв излучение импульсного лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на триппель-призму 3, которая закреплена на каретке 4, перемещающейся по контролируемой поверхности объекта 5. При перемещении каретки 4 вдоль оси Х триппель-призма 3 и отраженный от нее лазерный луч совершают вертикальные смещения вдоль оси Y Δ1у, соответствующие отклонениям формы объекта 5. Отраженное от триппель-призмы 3 излучение освещает интерферометр Маха-Цендера 6, в котором светоделителем 7 оно делится на два пучка. Первый пучок (луч, поток) формирует опорное плечо 1оп интерферометра, следуя по пути: светоделитель 7 → оптическая схема 8 → отражатель 9 → светоделитель 12 (пространственное совмещение с дифракционным порядком Е(+1)) → диафрагма 13 → фотоприемник 14.At the time of the light pulse T s, the radiation of the
Оптическая схема 8 представляет собой последовательное оптическое соединение коллиматора и фокусирующей линзы. Коллиматор уменьшает весь диапазон поперечных смещений луча в m раз
Второй оптический луч после светоделителя 7 освещает АО ячейку 10 под углом падения αп. В каждом цикле через АО ячейку 10 пробегает ультразвуковой импульс 11 (движущаяся периодическая структура в прозрачной среде), являющийся как-бы бегущим «окном дифракции» для входного излучения. Если в момент светового импульса Тсв положения луча, освещающего АО ячейку 10, и «окна дифракции» пространственно пересекутся, то небольшой, локальный участок пучка продифрагирует и сформирует два порядка дифракции: первый Е(+1) и нулевой Е(0). При этом нулевой порядок дифракции Е(0) не изменяет первоначального направления движения, а первый порядок дифракции Е(+1) отклоняется на угол дифракции а д и получает частотное приращение равное несущей частоте f1. Значения αп и αд зависят от параметров режима дифракции, выбранного в АО ячейке 10. При этом началом сформированного первого порядка дифракции Е(+1) является центр АО взаимодействия, в качестве которого можно принять середину бегущего ультразвукового импульса 11.The second optical beam after the beam splitter 7 illuminates the
Таким образом, при пространственном пересечении второго, оптического луча, образуемого после светоделителя 7, и «окна дифракции» излучение Е(+1) следует по следующему пути: «окно дифракции» АО ячейки → светоделитель 12 → диафрагма 13 фотоприемник 14. Весь путь излучения от светоделителя 7, через АО ячейку 10 и далее до фотоприемника 14 образует измерительное плечо 1изм интерферометра Маха-Цендера 6 (Фиг.2).Thus, with the spatial intersection of the second optical beam formed after the beam splitter 7 and the “diffraction window”, the E (+1) radiation follows the following path: the “diffraction window” of the AO cell → the beam splitter 12 → the diaphragm 13
В результате пространственного совмещения с малым углом γ и интерференции импульсных разночастотных оптических потоков опорного 1оп и измерительного 1изм плеч интерферометра Маха-Цендера 6 на выходе фотоприемника 14 формируется импульсный частотный измерительный сигнал Uфп(t)≅rect(t/Тсв)·sin(2πf1t+(φо), где Δφо=2π(1оп-1из)/λ, - начальная разность фаз в сбалансированном интерферометре Маха-Цендера при Δ1у=0. Далее сформированный сигнал Uфп(t) следует на первый вход импульсного интерполятора 15.As a result of spatial alignment with a small angle γ and interference of pulsed different-frequency optical flows of the
Формирование электрических сигналов в устройстве происходит следующим образом (Фиг.3). Генератор 17 формирует электрический сигнал U1(t)=U1msin2πf1t, поступающий на первый вход фазовращателя 19 и вход делителя частоты 18. Делители частоты 18 и 21 используются в устройстве для деления частоты входных сигналов на коэффициент деления n, который одинаков для обоих делителей, зависит от параметров устройства и для малых углов падения αп и дифракции αд может находиться в диапазоне [20; 40]. Делитель частоты 18 создает на своем выходе сигнал U2(t)=U2msin2πf2t, где f2=fi/n, поступающий на второй вход импульсного интерполятора 15 и вход формирователя импульсов 24. Последний создает на выходе сигнал в виде коротких электрических импульсов U8(t)=rect(t/TCB), приводящих к генерации импульсным лазером 1 импульсов света Тсв.The formation of electrical signals in the device is as follows (Figure 3). The generator 17 generates an electric signal U 1 (t) = U 1m sin2πf 1 t supplied to the first input of the
На второй вход фазовращателя 19 от импульсного интерполятора 15 подается код Nдр, управляющий фазовым сдвигом (временной задержкой) сигнала U1(t). Этот блок позволяет осуществлять плавное дробное изменение фазового сдвига (φдр)в пределах от 0 до 2 л - (φдр=Nдр·δφ), где δφ - минимальная дискрета фазового сдвига. Выходной сигнал фазовращателя 19 U3(t)=U3msin(2πf1t+(φдр) поступает на первый вход электронного коммутатора 23 и на вход линии задержки 20.At the second input of the
Линия задержки 20 представляет собой цепочку последовательно включенных элементов задержки, коммутируемых цифровым кодом Nц, приходящим от импульсного интерполятора 15. При этом минимальная дискрета задержки равна длительности периода частоты f1-Tmin=1/f1, а полное время задержки - Tmax=Nц·Tmin=Nц/f1. Соответственно, вводимый задержкой фазовый сдвиг пропорционален целым периодам 2π-Δφц=2πNu. Последовательное включение фазовращателя 19 и линии задержки 20 позволяет изменять в широких пределах общий суммарный фазовый сдвиг (временную задержку) сигнала U4(t)=U4msin(2πf1t+ΔΨ), где ΔΨ=Δφц+Δφдр=2πNu+Nдр·δφ=Nвыхδφ, где Nu и Nдр - цифровые коды составляющие код Nвых.The delay line 20 is a chain of delay elements connected in series, switched by a digital code N c coming from the pulse interpolator 15. The minimum delay discrete is equal to the duration of the frequency period f1-T min = 1 / f 1 , and the total delay time is T max = N c · T min = N c / f1. Accordingly, the phase shift introduced by the delay is proportional to whole periods 2π-Δφ c = 2πN u . The sequential inclusion of the
Сигнал U4(t) приводит к созданию на выходе делителя частоты 21 импульсного сигнала U5(t), с частотой f2=f1/n, где n - коэффициент деления. Затем импульсный сигнал U5 (t) проходит через формирователь импульсов 21 и преобразуется в сигнал U6(t), состоящий из электрических импульсов. Этот сигнал следует на второй вход электронного коммутатора 23, в результате чего на его выходе формируется сигнал U7(t)≅rect(t/Тузв)(sin(2πf1t+ΔΨ) в виде электрических импульсов Тузв, заполненных короткими импульсами несущей частоты f1. Импульсы Тузв, поступая на АО ячейку 10, возбуждают в ней соответствующие бегущие ультразвуковые импульсы (движущиеся периодические структуры) 11, синхронизированные со световыми импульсами Тсв. В описании принимается, что в процессе измерений несущая частота неизменна ft=const, а длительности световых и ультразвуковых импульсов находятся в соотношении: Тузв≈4Тсв.The signal U 4 (t) leads to the creation at the output of the frequency divider 21 of the pulse signal U 5 (t), with a frequency f 2 = f 1 / n, where n is the division coefficient. Then the pulse signal U 5 (t) passes through the pulse shaper 21 and is converted into a signal U 6 (t), consisting of electrical pulses. This signal goes to the second input of the electronic switch 23, as a result of which the signal U 7 (t) ≅rect (t / Т Uz ) (sin (2πf 1 t + ΔΨ) in the form of electric pulses T Uz filled with short pulses is formed at its output carrier frequency f 1. Pulses T Uzn , arriving at the
В результате пространственного совмещения и интерференции импульсных разночастотных оптических потоков, как описано ранее, на выходе фотоприемника 14 формируется импульсный сигнал Uфп(t), который является измерительным сигналом и, как сигнал обратной связи для всей схемы, следует на первый вход импульсного интерполятора 15. На второй вход последнего приходит импульсный сигнал U1(t) от генератора 17, который является опорным, а сигнал U2(t), поступающий на его третий вход, является стробирующим сигналом «запуска измерений».As a result of spatial alignment and interference of pulsed optical frequencies of different frequencies, as described earlier, the output of the
По приходу стробирующего импульса U2(t) импульсный интерполятор 15 начинает преобразование разности фаз между сигналами Uфп(t) и U1(t) в цифровой код Nвых, старшие разряды которого являются кодом Nц, а младшие - Nдр. Цифровой код Nвых является выходным и одновременно используется в качестве сигналов обратной связи Nu и Nдр. В зависимости от значений двух кодовых компонент Nц и Nдр в фазовращателе 19 и линии задержки 20 вводятся пропорциональные временные задержки (фазовые сдвиги), которые, изменяя в совокупности суммарный фазовый сдвиг ΔΨ, смещают «окно дифракции» и компенсируют фазовый сдвиг разбаланса интерферометра, возникающий из-за поперечных смещений луча Δ1у.Upon the arrival of the gate pulse U 2 (t), the pulse interpolator 15 starts converting the phase difference between the signals U fn (t) and U 1 (t) into a digital code N o , the highest bits of which are the code N c , and the lower ones - N etc. The digital code N o is output and is simultaneously used as feedback signals N u and N etc. Depending on the values of the two code components N c and N dr in the
Описание работы устройства составлено с учетом использования режима дифракции Брэгга. Однако допустимо использовать дифкрацию света и в режиме Рамана-Ната. Так же принимается, что при малой длительности световых импульсов Тсв смещения бегущего ультразвукового импульса 11 минимальны и не приводят к значительному «размазыванию», расширению первого порядка дифракции Е(+1).A description of the operation of the device is made taking into account the use of the Bragg diffraction mode. However, it is permissible to use light diffraction in the Raman-Nat mode. It is also assumed that, with a short duration of light pulses T sv, the displacements of the traveling ultrasonic pulse 11 are minimal and do not lead to significant “smearing”, expansion of the first diffraction order E (+1).
Значение коэффициентов деления n делителей частоты 18 и 21, находящееся в диапазоне от 20 до 40, выбрано из расчета малых углов падения αп и дифракции αд. Однако, в зависимости от различных параметров устройства, в первую очередь от используемой АО ячейки 10, значение n может отличаться от выбранных ранее.The value of the division coefficients n of the frequency dividers 18 and 21, which is in the range from 20 to 40, is selected from the calculation of small angles of incidence α p and diffraction α d . However, depending on various parameters of the device, primarily from the
На Фиг.1 и Фиг.2 изображены схемы интерферометра Маха-Цендера 6, в которых поток опорного плеча 1оп, формируемый светоделителем 7, пространственно совмещается и интерферирует с первым порядком дифракции Е(+1). Несмотря на это, в предлагаемом способе возможно использование в качестве опорного потока нулевого пучка дифракции Е(0).Figure 1 and Figure 2 shows the scheme of the Mach-Zehnder interferometer 6, in which the flow of the supporting
В заявленном способе используется режим синхронизации освещения (импульсами света Тсв) и возбуждения (импульсами ультразвука Тузв) АО ячейки. За счет стробоскопического эффекта для каждого импульса света смещения ультразвукового импульса минимальны, поэтому принимается, что в каждом цикле освещения формируется неподвижное «окно дифракции» с собственной небольшой локальной областью и центром АО взаимодействия (фиг.2). Поперечные смещения луча Δ1у относительно «окна дифракции» приводят к смещению центра АО взаимодействия и, в итоге, к сонаправленным (коллинеарным) смещениям оптического потока Δ1" и Δ1' в измерительном плече интерферометра. Появившийся сигнал разбаланса в виде дополнительного фазового сдвига световых волн Δφсв преобразуется в компенсирующее фазовое рассогласование режима синхронизации, смещающее «окно дифракции», чтобы уравновесить изменения Δφсв (т.е. реализуется измерительный метод уравновешивания):In the claimed method, the synchronization mode of lighting (light pulses T sv ) and excitation (ultrasound pulses T sv ) AO cells is used. Due to the stroboscopic effect for each light pulse, the displacements of the ultrasonic pulse are minimal, therefore it is assumed that in each illumination cycle a fixed "diffraction window" is formed with its own small local area and the center of AO interaction (figure 2). Transverse beam displacements Δ1 near the “diffraction window” lead to a shift in the center of AO interaction and, as a result, to co-directional (collinear) displacements of the optical flux Δ1 "and Δ1 'in the measuring arm of the interferometer. The unbalance signal appears as an additional phase shift of light waves Δφ sv is converted into a compensating phase mismatch of the synchronization mode, which shifts the “diffraction window” in order to balance the changes in Δφ sv (that is, a measuring balancing method is implemented):
Δφсв=ΔΨ. Communication Δφ = ΔΨ.
Выражение для φсв ((св записывается в виде:The expression for φ sv ((sv is written in the form:
, ,
где и - фазовые сдвиги, возникающие от изменения оптических путей Δ1" и Δ1', соответственно, Δ1' - изменения оптического пути до центра АО взаимодействия (от светоделителя 7 до бегущего ультразвукового импульса 11), Δ1" - изменения оптического пути после центра АО взаимодействия (от бегущего ультразвукового импульса 11 до светоделителя 12).Where and - phase shifts arising from changes in the optical paths Δ1 "and Δ1 ', respectively, Δ1' - changes in the optical path to the center of AO interaction (from the beam splitter 7 to the traveling ultrasonic pulse 11), Δ1" - changes in the optical path after the center of AO interaction (from traveling ultrasonic pulse 11 to the beam splitter 12).
Исходя из приведенных формул и с учетом оптической схемы (Фиг.2), получаем:Based on the above formulas and taking into account the optical scheme (Figure 2), we obtain:
Nвых=ΔΨ/δφ=2π(Δ1" и Δ1')/λ·δφ=2π(Δ1у[sec(αп+αд)-ctg(αп+αд]/λ·δφ,N O = ΔΨ / δ φ = 2π ( Δ1 " and Δ1 ') / λ · δ φ = 2π (Δ1 y [sec (α n + α d) -ctg (α n + α d] / λ · δ φ,
где αп+αд - углы падения и дифракции в АО ячейке, соответственно, δφ - минимальная дискрета компенсирующего фазового рассогласования ΔΨ.where α p + α d are the angles of incidence and diffraction in the AO cell, respectively, δ φ is the minimum discrete of the compensating phase mismatch ΔΨ.
Как видно из данной формулы, полученная зависимость реализует «абсолютный отсчет» для поперечных смещений луча Δу, а полный диапазон фазового рассогласования ΔΨ и кода Nвых соответствуют смещениям луча в пределах диапазона ΔLу. Этим расширяются функциональные возможности.As seen from this formula, the obtained dependence implements "the absolute encoder" for transverse displacements Δ y ray and the full range of phase mismatch ΔΨ N and O correspond to code offsets within the beam range at ΔL. This extends the functionality.
При использовании АО ячейки с αп+αд=45° формула преобразуется к виду: Nвых=2πΔ1у/λ·δφ, из которой для одного кванта (Nвых=1), равного δφ=1°, разрешающая способность составляет ~1,7 нм. Как видно, по разрешающей способности предлагаемый способ более чем 100 раз превышает прототип. Дальнейшее уменьшение суммы αп+αд содержит резерв повышения разрешающей способности.When using JSC cells with α n + α d = 45 ° formula is converted to the form: N O = 2πΔ1 y / λ · δ φ, from which a single photon (N out = 1) equal to δ φ = 1 °, resolution is ~ 1.7 nm. As you can see, the resolution of the proposed method is more than 100 times the prototype. A further decrease in the sum of α p + α d contains a reserve for increasing the resolution.
Как следует из алгоритма предлагаемого способа первый порядок дифракции Е(+1), формируемый в АО ячейке, пространственно стабилизирован при любом положении освещающего пучка. Следовательно, весь диапазон поперечных смещений луча Δ1у возрастает от размеров фотоприемника 1-2 мм (как в прототипе) до размеров, определяемых выражением (Фиг.2):As follows from the algorithm of the proposed method, the first diffraction order E (+1) formed in the AO cell is spatially stabilized at any position of the illuminating beam. Therefore, the entire range of transverse displacements of the beam Δ1 y increases from the size of the photodetector 1-2 mm (as in the prototype) to the sizes determined by the expression (Figure 2):
ΔLу=hаом-dп-lаомtgαп,ΔL y = h aom -d p -l aom tgα p ,
где hаом и lаом - высота и ширина АО ячейки, соответственно, dn - диаметр оптического пучка.where h aom and l aom are the height and width of the AO cell, respectively, d n is the diameter of the optical beam.
Исходя из приведенных уравнений для увеличения диапазона измерений ΔLу и повышения разрешающей способности необходимо подбирать такой режим дифракции в АО ячейке, чтобы уменьшать αп+αд. Как следует из /7/, наилучшими для этих требований подходят АО ячейки на основе одно- и двуосных кристаллов, работающих в режиме анизотропной дифракции. Для для таких АО ячеек /8/ при малых углах αп и αд диапазон измерений ΔLу может достичь 10÷30 мм, что в 5-15 раз больше, чем у прототипа.Based on the above equations, in order to increase the measurement range ΔL y and increase the resolution, it is necessary to select such a diffraction mode in the AO cell in order to reduce α p + α d . As follows from / 7 /, AO cells based on uniaxial and biaxial crystals operating in the anisotropic diffraction mode are best suited for these requirements. For for such AO cells / 8 / at small angles α p and α d, the measurement range ΔL y can reach 10 ÷ 30 mm, which is 5-15 times more than that of the prototype.
Согласно алгоритму работы устройства значение Тсв не должно быть больше 1-2 тактов несущей частоты f1-Тсв<(1-2)/f1. При использовании АО ячейки на основе кристалла парателлурита (Те02), как в /8/, с f1=25 МГц, vузв≈600 м/с и lаом (1 см) временные параметры измерений будут следующими:According to the algorithm of the device, the value of T St should not be more than 1-2 cycles of the carrier frequency f 1 -T St <(1-2) / f 1 . When using AO cells based on a paratellurite crystal (Te0 2 ), as in / 8 /, with f 1 = 25 MHz, v knot ≈600 m / s and l aom (1 cm), the temporal measurement parameters will be as follows:
Тсв<40÷80 нс, цикл измерения (для малых углов αп, αд (п, (д) Тц>lаомtg·αп/vузв≈1,5·10-6 с. Полученные значения приемлемы при использовании наиболее распространенных импульсных лазеров, например, как в /9/.T b <40 ÷ 80 ns, measurement cycle (for small angles α p , α d (p, (d) T c > l aom tg · α p / v uz ≈1.5 · 10 -6 s. The obtained values are acceptable when using the most common pulsed lasers, for example, as in / 9 /.
Максимальная «поперечная» скорость vy max при условии двух измерений за период (длину волны К) по критерию Найквиста, с учетом ранее определенных параметров, равна vy max=λ/2Тц≈0,2 м/с. Как видно, полученное значение соразмерно максимальным «продольным» скоростям vx max=0,2-0,3 м/с, например, как у интерферометров НР-5525А (5526А) или ИПЛ-30 (30К1, 30К2) /6/.The maximum "transverse" speed v y max under the condition of two measurements per period (wavelength K) according to the Nyquist criterion, taking into account the previously defined parameters, is equal to v y max = λ / 2Т ц ≈0.2 m / s. As you can see, the obtained value is proportional to the maximum "longitudinal" velocities v x max = 0.2-0.3 m / s, for example, as for the NR-5525A (5526A) or IPL-30 (30K1, 30K2) / 6 / interferometers.
Как следует из алгоритма работы устройства время измерений импульсного интерполятора не должно превышать длительность светового импульса - Тсв<40÷80 нс. Практическая реализация такого импульсного интерполятора возможна при введении режима синхронизации, стробирования в конструкциях интерполяторов, широко используемых в интерферометрах с фазовым выходом, например, как в /10/.As follows from the algorithm of the device, the measurement time of the pulse interpolator should not exceed the duration of the light pulse - T St <40 ÷ 80 ns. The practical implementation of such a pulsed interpolator is possible with the introduction of the synchronization mode, gating in the designs of interpolators widely used in interferometers with a phase output, for example, as in / 10 /.
Введение фазового сдвига может быть осуществлено, например, за счет использования цифрового формирователя фазового сдвига с положительным или с отрицательным знаком, в ручном или автоматическом режимах. Для текущего уровня развития схемотехники фазометрии возможно для 8-ми управляющих двоичных разрядов достичь минимального дискретного значения δφ≈1,41°. Для сдвига фазы сигнала в предлагаемом устройстве также допустимо совместное использование цифроаналогового преобразователя с управляемым напряжением фазовращателями, например, Merrimac модели PSFM-4-30 с точностью 1°÷5° /11/ или применение систем фазовой автоподстройки частоты.The introduction of the phase shift can be carried out, for example, by using a digital phase shift driver with a positive or negative sign, in manual or automatic modes. For the current level of development of phasemetry circuitry, it is possible for 8 control binary bits to achieve the minimum discrete value δ φ ≈1.41 °. For phase shift of the signal in the proposed device, it is also possible to use a digital-to-analog converter with voltage-controlled phase shifters, for example, Merrimac model PSFM-4-30 with an accuracy of 1 ° ÷ 5 ° / 11 / or the use of phase-locked loop systems.
Предлагаемый акустооптический способ измерения смещений позволяет повысить точность измерений перемещений объектов в направлении, ортогональном когерентному световому потоку (лазерному лучу), и довести разрешающую способность до величины ~1-5 нм, а также расширить диапазон измеряемых поперечных смещений до ~10-30 мм, что позволяет обойтись без применения альтернативных методов измерений для повышения достоверности измерений. При этом реализацию предлагаемого способа можно осуществить на базе устройств, известных из уровня техники.The proposed acousto-optical method for measuring displacements allows to increase the accuracy of measuring the displacements of objects in the direction orthogonal to the coherent light flux (laser beam), and to bring the resolution to ~ 1-5 nm, as well as expand the range of measured transverse displacements to ~ 10-30 mm, which allows you to do without the use of alternative measurement methods to increase the reliability of measurements. Moreover, the implementation of the proposed method can be carried out on the basis of devices known from the prior art.
Источники информацииInformation sources
1. Комоцкий В.А., Котюков М.В. Акустооптический измеритель координаты оптического пучка. // Автометрия. - 1991, - №5. - с.110-113 (аналог).1. Komotsky V.A., Kotyukov M.V. Acousto-optic optical beam coordinate meter. // Autometry. - 1991, - No. 5. - p. 110-113 (analogue).
2. А. с. №1610252 МПК G01B 11/00. Способ измерения пространственных перемещений объекта // Телешевский В.И., Яковлев Н А., Игнатов С.А. Опубл. в БИ №44, 1990 (аналог).2. A. p. No. 1610252 IPC G01B 11/00. A method of measuring the spatial displacements of an object // Teleshevsky V.I., Yakovlev N. A., Ignatov S.A. Publ. in BI No. 44, 1990 (analogue).
3. А.с. №1765691 МПК G01B 21/00. Способ измерения смещений объекта. Телешевский В.И., Яковлев Н.А. // Опубл. в БИ 1992, №36 (прототип).3. A.S. No. 1765691 IPC G01B 21/00. A method of measuring the displacements of an object. Teleshevsky V.I., Yakovlev N.A. // Publ. in BI 1992, No. 36 (prototype).
4. Яковлев Н.А. Построение лазерных систем для измерения перемещения по трем координатам на основе акустооптического преобразования измерительной информации. Автореф. дисс. на соиск. уч.степ, к.т.н. 05.11.16. М., 1991.4. Yakovlev N.A. Construction of laser systems for measuring displacement along three coordinates based on the acousto-optic transformation of measurement information. Abstract. diss. for a job. academic degree, Ph.D. 11/05/16. M., 1991.
5. Игнатов С.А. Повышение разрешающей способности лазерных измерительных систем для контроля оборудования ГПС методом акустооптоэлектронной обработки информации. Автореф. дисс. на соиск. уч.степ, к.т.н. 05.11.16. М., 1987.5. Ignatov S.A. Increasing the resolution of laser measuring systems for monitoring GPS equipment by acousto-optoelectronic information processing. Abstract. diss. for a job. academic degree, Ph.D. 11/05/16. M., 1987.
6. Иванов В.А. Привалов В.Е. Использование лазеров в приборах точной механики. СПб, Политехника, 1993.6. Ivanov V.A. Privalov V.E. The use of lasers in precision mechanics. St. Petersburg, Polytechnic, 1993.
7. Балакший В.И., Мартынова М.В., Румянцев А.А. Дифракция света на акустическом импульсе. / Юптика и спектроскопия, 1998, т.84, №5, с.860-866.7. Balakshiy V.I., Martynova M.V., Rumyantsev A.A. Diffraction of light by an acoustic pulse. / Yuptika and spectroscopy, 1998, vol. 84, No. 5, pp. 860-866.
8. Балакший В.И., Казарьян А.В. Акустооптическая стабилизация направления лазерного пучка. // Квантовая электроника, 1998, т.25, №11, с.988-992.8. Balakshiy V.I., Ghazaryan A.V. Acousto-optic stabilization of the laser beam direction. // Quantum Electronics, 1998, v.25, No. 11, p. 988-992.
9. Акустооптический сканер на основе бегущей акустической ЛЧМ-линзы // Вовк Ю.М., Затолокин В Н., Рудаков И.Б. и др. Автометрия, №1, с.54-62.9. Acousto-optical scanner based on a running acoustic LFM lens // Vovk Yu.M., Zatolokin V N., Rudakov IB and other Autometry, No. 1, p. 54-62.
10. Патент РФ №2016381 МПК G01B 21/00. Способ автоматической интерполяции порядка интерференции и устройство для его осуществления // Михальченко Е.П., Рюмин А.В., Яковлев Н.А. Опубл. в БИ №13, 1994.10. RF patent No. 2016381 IPC G01B 21/00. A method for automatic interpolation of the interference order and a device for its implementation // Mikhalchenko EP, Ryumin AV, Yakovlev N.A. Publ. in BI No. 13, 1994.
11. Эрлих М., Филипс Л., Вагнер Дж. Управляемый напряжением акустооптический фазовращатель / Приборы для научных исследований. Русский перевод "Review Scientific Instrument" 1988, №11, с.57-59.11. Erlich M., Philips L., Wagner J. Voltage-controlled acousto-optic phase shifter / Instruments for scientific research. Russian translation of "Review Scientific Instrument" 1988, No. 11, pp. 57-59.
Ehrlich M.J., Philips L.C., Wagner J.W. Voltage-controlled acousto-optic shifter / 7 Review Scientific Instrument 59, 1988, No.11, pp.2390-2392.Ehrlich M.J., Philips L.C., Wagner J.W. Voltage-controlled acousto-optic shifter / 7 Review Scientific Instrument 59, 1988, No.11, pp.2390-2392.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013104694/28A RU2523780C1 (en) | 2013-02-06 | 2013-02-06 | Opto-acoustic measurement of displacements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013104694/28A RU2523780C1 (en) | 2013-02-06 | 2013-02-06 | Opto-acoustic measurement of displacements |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2523780C1 true RU2523780C1 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=51217839
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013104694/28A RU2523780C1 (en) | 2013-02-06 | 2013-02-06 | Opto-acoustic measurement of displacements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2523780C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1499122A2 (en) * | 1987-09-03 | 1989-08-07 | Научно-исследовательский институт прикладной геодезии | Arrangement for checking linear displacements |
SU1580166A1 (en) * | 1988-08-30 | 1990-07-23 | Научно-исследовательский институт прикладной геодезии | Apparatus for measuring shifts |
SU1765691A1 (en) * | 1990-04-19 | 1992-09-30 | Московский станкоинструментальный институт | Method of measuring object displacement 9237, ,1167 vehicle heel pickup |
US20040207849A1 (en) * | 2000-08-14 | 2004-10-21 | Kla-Tencor Corporation | Metrology system using optical phase |
-
2013
- 2013-02-06 RU RU2013104694/28A patent/RU2523780C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1499122A2 (en) * | 1987-09-03 | 1989-08-07 | Научно-исследовательский институт прикладной геодезии | Arrangement for checking linear displacements |
SU1580166A1 (en) * | 1988-08-30 | 1990-07-23 | Научно-исследовательский институт прикладной геодезии | Apparatus for measuring shifts |
SU1765691A1 (en) * | 1990-04-19 | 1992-09-30 | Московский станкоинструментальный институт | Method of measuring object displacement 9237, ,1167 vehicle heel pickup |
US20040207849A1 (en) * | 2000-08-14 | 2004-10-21 | Kla-Tencor Corporation | Metrology system using optical phase |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9952154B2 (en) | Separated parallel beam generation for atom interferometry | |
CN102564317B (en) | High-accuracy remote absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
CN102183234B (en) | Method and device for measuring frequency scanning absolute distance based on femtosecond optical frequency comb | |
JPH0419512B2 (en) | ||
KR20030051613A (en) | Frequency transform phase shifting interferometry | |
JP2011027649A (en) | Positioning device and positioning method | |
RU2523780C1 (en) | Opto-acoustic measurement of displacements | |
JP2023036027A (en) | Heterodyne light source for use in metrology system | |
JP2022129385A (en) | Device for interferometric interval measurement | |
Dobosz | Application of a focused laser beam in a grating interferometer for high-resolution displacement measurements | |
WO2004003526A1 (en) | Heterodyne laser interferometer using heterogeneous mode helium-neon laser and super heterodyne phase measuring method | |
RU2175753C1 (en) | Method of determination of deviation from linearity | |
JPS63128211A (en) | Spacing measuring method | |
US20040150833A1 (en) | Interferometric plural-dimensional displacement measuring system | |
US20230069087A1 (en) | Digital holography metrology system | |
Bazykin et al. | Laser technology in high-tech instrumentation | |
Leun | Acousto-optical method for measuring the displacements of a laser beam in two directions orthogonal to its axis | |
JPH08304027A (en) | Method and apparatus for measurement of very small displacement amount | |
Donchenko et al. | Analysis of Methods for Estimation of Signal Delay for Optical Precision Measurements | |
SU408145A1 (en) | DESCRIPTION OF THE INVENTION | |
JP2003227704A (en) | Method and device for measuring multiwavelength optical heterodyne interference | |
SU1714360A1 (en) | Displacement transducer | |
JPH0719842A (en) | Optical measuring apparatus for shape of surface | |
JPS6225232A (en) | Method and instrument for measuring wavelength dispersion of optical fiber | |
JPH07229713A (en) | Displacement measuring method and its device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20171110 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |