Способ контроля оптического взаимодействия с объектом

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля геометрических параметров изделий в метрологии, приборостроении и точном машиностроении. Цель изобретения - повышение точности, надежности и быстродействия за счет исключения механического контакта щупа с поверхностью контролируемой детали. Предлагаемый способ заключается в том, что с помощью измерительной схемы на основе акустооптоэлектронной положительной обратно связи (ПОС) в волоконнооптическом преобразователе формируется пространственно-чувствительная точка, выполняющая функцию индикатора контакта. При пересечении поверхностью контролируемой детали этой точки в измерительной схеме происходит скачкообразное изменение частоты, формирующее импульс электрического сигнала, который несет информацию о касании преобразователя и детали.3 ил. С т

СОКЭЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 9/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4864009/28 (22) 03.09.90 (46) 15.09,92. Бюл. М 34 (71) Московский станкоинструментальный институт (72) В.И.Телешевский и Е,В.Леун (56) Авторское свидетельство СССР

М 1467396, кл. G 01 В 21/00, 1988, Авторское свидетельство СССР

М 1383089, кл. G 01 В 9/02, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N 506755, кл. G 01 В 9/02, 1974. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОБЪЕКТОМ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля геометрических параметров изделий в метрологии, прибоИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля геометрических параметров изделий.

Известен оптико-электронный способ контроля оптического взаимодействия с объектом на основе обьектива, матричного фотоприемника и блока вычислений, Этот способ заклк>чается в том, что положение головки, в котором наблюдается максимальный размер пятен спекл-структуры рассеянного поверхностью излучения соответствует расположению контролируемой поверхности объекта в заданной фокальной плоскости объектива.

Известно устройство, реализованное на основе способа измерения фазовых сдвигов, вносимых оптическими объектами на Ж,, 1762117 А1 ростроении и точном машиностроении.

Цель изобретения — повышение точности, надежности и быстродействия за счет исключения механического контакта щупа с поверхностью контролируемой детали.

Предлагаемый способ заключается в.том, что с помощью измерительной схемы на основе акустооптоэлектронной поло>кительной обратно связи (ПОС) в волоконнооптическом преобразователе формируется п растра нственно-чувствительная точка, выполняющая функцию индикатора контакта.

При пересечении поверхностью контролируемой детали этой точки в измерительной схеме происходит скачкообразное изменение частоты. формирующее импульс электрического сигнала, который несет информацию о "касании" преобразователя у и детали. 3 ил. с частоте лазерного излучения в импульсном режиме, которое состоит из оптической и электронной частей. Оптическая часть представляет собой двухлучевой интерферометр, а электронная содержит блоки, управляющие работой двух акустооптических модуляторов, оптического затвора, а также блоки для измерения фазового сдвига оптического излучения. Принцип действия заключается в измерении фазового сдвига, создаваемого объектом, при импульсной модуляции оптического излучения, Наиболее близким по сущности являетcs техническое решение, где исследуемый прозрачный или полупрозрачный объект включается в измерительный канал интерферометра, выполненного на основе источника оптического излучения ИК-диапазона.

Информация об измеряемых фазовых сдви1762117

15

25

55 гах излучения ИК-диапазона переносится нэ сигнал промежуточной частоты f посредством двух акустооптических модуляторов, расстроенных по частоте друг относительно друга на это значение.

Недостатком этого технического решения является ограничение по точности измерения, вызванное неоднозначностью фиксации экстремальных значений измеряемых фазовых сдвигов оптического излучения.

Целью изобретения является повышение точности фиксации экстремальных значений оптического взаимодействия с объектом за счет расширения функциональных возможностей устройств, работающих на данном принципе преобразования информации.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе контроля оптического взаимодействия с объектом, заключающемся 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 волоконно-оптического 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 экустооптический модулятор.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг,2— семейство функций преобразования измерительной схемы для различных значений

° К, фиг.3 поясняет процесс формирования пространственной координаты 4.

Устройство содержит источник монохроматического излучения 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор 3, схему ввода-вывода излучения оптического волокна

4, волоконно-оптический преобразователь (ВОП) 5, контролируемый объект 6, элементы оптической схемы интерферометра 7, фотоприемное устройство (e ПУ) 8,з управляемый фазовый детектор (УФД) 9, усилитель (У) 10, генератор управляемый напряжением (ГУН)

11, импульсный формирователь (ИФ) l2, устройство управления (УУ) 13.

Способ осуществляют следующим образом, Излучение лазера 1 направляется коллиматором 2 на акустооптический модулятор 3. где оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. После модулятора 3 нулевой порядок дифракции Е(0) оптической схемой 4 вводится в излучательное волокно ВОП 5 и направляется на контролируемый объект 6, Между ВОП 5 и контролируемой деталью 6 имеется воздушный зазор (свободное пространство), являющийся составной частью световодной структуры. Отраженное излучение попадает в приемное волокно ВОП 5, коллимируется схемой вывода 4 и направляется в оптическую схему интерферометра 7.

Первый порядок дифракции Е(+1), проходя через оптическую схему интерферометра 7. пространственно совмещается и интерферирует с измерительным оптическим потоком Е(О) на входе ФПУ 8.

Оптическое гетеродинирование нэ плоскости фотоприемэ раэночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе ФПУ 8 электрического измерительного сигнала, который поступает на измерительный вход УФД 9. Совместная электрическая схема УФД 9, У 10, ГУН 11 образуют схему управляемой фазовой автоматической подстройки частоты (УФАПЧ).

Выходной частотный сигнал этой схемы поступает на кварцевый излучатель акустооптического модулятора 3 и на опорный вход

УФД 9.

С помощью УУ 13 можно осуществлять перестройку УФД 9 путем введения дополнительного фазового рассогласования между измерительным и опорным частотными сигналами для введения необходимой коррекции при изменении условий окружающей среды.

Данная измерительная схема использует эффект частотного перескока и, при достижении фазового значения 2 л на выходе

УФД 9 формируется перескок напряжения, который поступает на вход ИФ 12, Блок ИФ

12 генерирует импульс малой длительности, который поступает на УУ 13 и фактически является информационным сигналом, индицирующим образование "контакта" между датчиком и деталью.

Сущность способа заключается в сочетании трех физических эффектов, реализованных в данной измерительной схеме.

1, Известно, что в функции преобразования цепи акустооптоэлектронной положительной обратной связи (ПОС) имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига входного оптического потока и изменением выходной

1762 117

10

20

25 (2) Кп = Кдет Kyc Кгун частоты определяется в соответствии со следующим выражением:

b, f-к. hp, (1) где K„— коэффициент пропорциональности, МГц/рад.

Наличие линейного участка определяется смещением oNекга нэ величину пространственного периода. который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2 л. При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство акустооптоэлектронной ПОС, заключающееся в резком, почти мгновенном скачкообразном изменении частоты сигнала (частотный перескок, частотный срыв) к своему первоначальному значению, при котором фазовый сдвиг был равен О, Событие, означающее, что частотный перескок произошел, несет информацию об определенном значении фазового сдвига входного оптического потока и используется в данной схеме для фиксирования момента "касания". "контакта" между датчиком и деталью.

II. Исследования акустооптоэлектронной ПОС показывают, что коэффициент пропорциональности Кгт в уравнении (1) зависит только от внутренних параметров акустооптического модулятора. Введение же в цепь экустооптоэлектронной ПОС схемы УФАПЧ позволяет у равлять параметром Кп через коэффициенты передачи звеньев: УФД, У, ГУН в соответствии с выражением; где Кд,т — коэффициент преобразования

УФД, В/рад.

Kyc — коэффициент усиления У, Кгун — коэффициент преобразования

ГУН, МГц/В.

При изменении Ка возникает возможность управления величиной пространственного периода согласно формуле:

L " А, (3)

4тг Läîì Кдет Kyc Кгун где va — скорость распространения звуковой волны в воде, м/с, 1дол1 — РаССтОЯНИЕ МЕЖДУ ЛаЗЕРНЫМ ЛУчом и кварцевым излучателем, м.

Анализ данного функционального выражения показывает, что для различных значений Кгт можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом. Это дает возможность на основе лазерного интерферометра синтезировать функцию преобразования с про30

55 странственным периодом значительно превышающим длину волны источника излучения Х, как показано нэ фиг.2, IIl. Установлено, что для ВОП, состоящего из излучательного и приемного световодов, существует зона чувствительности— диапазон максимальной передачи оптической мощности, которая превь1шает порог чувствительности ФПУ, При работе в данной измерительной схеме оптический поток распространяется по пути: излучательное волокно — поверхность детали — приемное волокно. Зона чувствительности ВОП ограничивает рабочий диапазон лазерного интерферометра и формирует рабочий диапазон преобразователя, Способ реализуют в работе следующим образом. Коэффициенты передачи звеньев в схеме УФАПЧ выбираются таким образом, чтобы пространственный период по ширине превышал зону чувствительности ВОП. При этом с помощью регулирования схемы

УФАПЧ, в частности, введением дополнительного фазового рассогласования в УФД добиваются того, что пространственная координата la, соответствующая частотному перескоку находилась в зоне чувствительности ВОП. При прохождении поверхности детали через всю зону на координате 4 в измерительной схеме произойдет частотный перескок, Рисунок (фиг,3) поясняет этот процесс.

Так как ширина пространственного периода должна быть больше. чем зона чувствительности ВОП. то в последней существует одна единственная координата, на которой происходит частотный перескок. Это означает, что при определенном выборе коэффициентов передачи звеньев в схеме УФАПЧ, для ВОП будет сформирована единственная пространственная координата. которая будет "чувствительна" к

"контакту" и при его образовании приведет к формированию информационного сигнала. Такое схемотехническое решение аналогично конструкции измерительной головки электромехани еского типа, при этом пространственная координата. сформированная акустооптоэлектронн ым методом выполняет роль измерительного наконечника.

Таким образом, на основе предлагаемого способа можно проводить бесконтактное

"ощупывание" исследуемых поверхностей с целью определения их микрорельефа.

Анализ точностных параметрон и функциональных возможностей покэз1- ваа1 возможность создания адаптивной изм рительной головки в разрешающей способностью порядка 0,01 — 0,1 мкм при времени формирования сигнала "контакта" порядка 1 мкс, это позволит значительно повысить точность и ускорить измерительные операции, проводимые на координатно-измерительных машинах {КИМ).

Формула изобретения

Способ контроля оптического взаимодействия с объектом. заключающийся в том, что направляют на обьект когерентное излучение, после взаимодействия с обьектом 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 обьектом, о тл и ч а ю щи и с я

5 тем, что. с целью повышения точности фиксации экстремальных значений оптического взаимодействия, направляют и принимают указанное излучение посредством волоконно-оптического преобразователя, между

10 торцом которого и объектом создают зазор, значение которого включает пространственный интервал. соответствующий частотному перескоку выходного сигнала фотодиодного смесителя, который по цепи

15 обратной связи подают на акустооптический модулятор.

1762117 3 ю

ЬОФ&юР ЛюсюражрюЯ уд рд ррах,рЯ

ФЬГ Z ,&/77ы4 РСгЮ/Р

78W0h

P/770ßÜ лреоброзодотеля

Составитель Е. Леун

Техред М,Моргентал

КорректорН. Слободяник

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3251 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5