Интерференционный способ измерения фазового сдвига световых волн

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения перемещений объектов с высокой точностью и регулируемым порогом чувствительности в метрологии, приборостроении и точном машиностроении. Цель изобретения - повышение быстродействия за счет увеличения скорости обработки измерительной информации и расширение функциональных возможностей лазерных гетеродинных методов измерения перемещений. Способ заключается в том, что излучение лазера 1, направленное на акустооптический модулятор 2 (АОМ), делится на опорный и измерительный потоки с различными оптическими частотами. Измерительный поток направляется в измерительный канал интерферометра 4. Отраженное излучение пространственно совмещается с излучением опорного потока и направляется на фотоприемное устройство 6 (ФПУ), выходной сигнал с которого направляется на вход измерительной схемы, а затем - на АОМ 2. Изменение знака коэффициента преобразования измерительной схемы на противоположный при экстремальных значениях фазового сдвига световых волн позволяет исключить дискретные, ограниченные по времени частотные процессы в АОМ 2 - частотные перескоки, вместо них формировать информационные логические импульсы малой длительности. Изменение же абсолютного значения коэффициента преобразования измерительной схемы позволяет формировать пространственный период между импульсами необходимого значения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов с высокой точностью и регулируемым порогом чувствительности.

Известны способы измерения фазового сдвига световых волн, на основе которых созданы лазерные интерферометры, позволяющие измерять перемещения объектов в больших диапазонах с высокой разрешающей способностью.

Недостатками известных технических решений являются малые функциональные возможности из-за невозможности плавной регулировки чувствительности и отсутствия оптоэлектронного умножения измеренного фазового сдвига на значение длины волны оптического излучения λ , вследствие этого в известных решениях операция умножения выполняется в блоке вторичной обработки информации.

Известен способ измерения фазового сдвига световых волн, заключающийся в управлении частотой возбуждения излучателя акустооптического модулятора (АОМ) посредством организации акустооптоэлектронной положительной обратной связи (АПОС), осуществляемый путем передачи сигнала с выхода фотопреобразователя, полученного при фотосмешении двух разночастотных оптических компонент, на возбуждение излучателя.

Исследования показывают, что способ можно использовать для измерения фазового сдвига световых волн в больших диапазонах на основе использования нелинейных процессов в цепи АПОС - частотных перескоков - резких скачкообразных изменений частоты сигнала. Для такого технического решения порог чувствительности определяется значением пространственного периода между частотными перескоками, которое определяется в соответствии с выражением: L_пр=n , (1) где n - количество двойных ходов оптического луча в схеме интерферометра; λ - длина волны оптического излучения.

К недостаткам следует отнести ограничение скорости обработки измерительной информации, обусловленное использованием дискретных, ограниченных по времени нелинейных процессов частотных перескоков в цепи АПОС, а также отсутствием возможности плавной регулировки порога чувствительности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения фазового сдвига световых волн (прототип), который заключается в том, что в цепи АПОС используют устройство, которое обеспечивает формирование пространственного периода между частотными перескоками с требуемым значением. При этом об изменении фазового сдвига измерительной световой волны судят по количеству частотных перескоков в цепи АПОС.

Недостатками такого технического решения являются ограничение скорости обработки измерительной информации из-за использования дискретных, ограниченных по времени нелинейных процессов частотных перескоков в цепи АПОС, а также малые функциональные возможности из-за cложности плавной регулировки порога чувствительности.

Цель изобретения - повышение скорости обработки измерительной информации и расширение функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в предлагаемом интерференционном способе измерения фазового сдвига световых волн, заключающемся в том, что монохроматическое когерентное излучение направляют на движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру, созданную излучателем в среде распространения световых волн так, что излучение разделяется на опорный и измерительный потоки с различными оптическими частотами; измерительный поток направляют в измерительный канал интерферометра; отраженное излучение пространственно совмещают с излучением опорного потока, посредством фотоэлектрического преобразования поля интерференции выделяют выходной электрический сигнал, поступающий в измерительную схему. По выходному электрическому сигналу определяют фазовый сдвиг световых волн; при экстремальных значениях фазового сдвига световых волн изменяют знак коэффициента преобразования измерительной схемы на противоположный; формируют информационные логические импульсы, соответствующие моменту изменения знака. Электрический сигнал после измерительной схемы направляют на изменение периода движущейся с постоянной скоростью структуры, об изменении фазового сдвига световых волн судят по числу информационных логических импульсов. Изменяют абсолютное значение коэффициента преобразования измерительной схемы таким образом, чтобы сформировать пространственный период необходимого значения.

На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации данного способа на лазерного акустооптического интерферометра; на фиг.2 - структурная схема фазового детектора экстремальных значений (ФДЭЗ); на фиг.3 - графики, поясняющие алгоритм работы устройства ФДЭЗ; на фиг.4 - графики, иллюстрирующие процесс формирования функций преобразования измерительной схемы на основе схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и цепи АПОС для различных значений K_α .

Устройство (фиг.1), реализующее способ, содержит источник монохроматического излучения (лазер) 1, акустооптический модулятор (АОМ) 2, коллимирующую оптическую систему 3, элементы оптической схемы инерферометра 4, отражающую триппель-призму 5, фотоприемное устройство (ФПУ) 6, фазовый детектор экстремальных значений (ФДЭЗ) 7, счетчик импульсов (СИ) 8, генератор 9, управляемый кодом (ГУК).

Способ осуществляют в работе следующим образом.

Излучение лазера 1 направляется на АОМ 2, после которого оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. Коллимирующей оптической системой 3 выходящие порядки направляются в схему в виде параллельных лучей. Первый порядок модуляции Е(+1) распространяется до триппель-призмы 5, возвращается в интерференционную схему с помощью элементов оптической схемы интерферометра 4, пространственно совмещается и интерферирует с нулевым порядком дифракции Е(0) на входе ФПУ 6.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе ФПУ 6 электрического измерительного сигнала, который в виде квадратурных (ортогонально-сдвинутых по фазе: U₁ = U_o sin ω t, U₂ = U_osin( ω t + 90^o), U₃ = U_osin ( ω t+ +180^o) сигналов поступает на вход ФДЭЗ 7. Совместная электрическая схема ФДЭЗ 7 и ГУК 9 образуют схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Выходной частотный сигнал этой схемы подается на кварцевый излучатель АОМ 2 и на опорный вход ФДЭЗ 7.

При перемещении триппель-призмы 5 на выходе ФДЭЗ 7 формируется последовательность информационных логических импульсов, которая поступает на вход СИ 8. На выходе СИ 8 образуется цифровой код, соответствующий суммарному фазовому сдвигу.

Сущность способа заключается в следующем.

Известно, что в функции преобразования цепи АПОС имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига входного оптического потока и изменением выходной частоты определяется в соответствии с выражением: Δ f = K_п ˙ Δ ϕ , (2) где K_п - коэффициент пропорциональности.

Для этой схемы K_п cоответствует собственному коэффициенту пропорциональности К^I_п, который определяется только внутренними параметрами АОМ: K_п = K = , (3) где V_зв - скорость распространения звуковой волны в воде, L_AOМ - расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем.

Линейный участок функции преобразования определяется смещением объекта на величину пространственного периода (I), который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2π . При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство АПОС - частотный перескок, который заключается в резком, скачкообразном изменении частоты сигнала (фиг.3) и происходит в течение промежутка времени, равного t = В системах ФАПЧ применяются фазовые детекторы, которые имеют пилообразную функцию преобразования с отрицательной крутизной [5,6]. Для таких фазовых детекторов коэффициент преобразования можно описать следующим выражением: K = (4) где К_дет - абсолютное значение коэффициента преобразования фазового детектора.

n - положительное число.

Выражение (4) правомерно переписать к новому виду [8]: K= K_дет·R1; , (5) где R_ad(1; R1; - первая функция Радемахера для аргумента .

Использование фазового детектора, коэффициент преобразования которого может изменять свой знак аналогично, подобно уравнению (5) позволяет исключить нелинейные участки функции преобразования цепи АПОС, связанные с частотными перескоками. Реализация схемы фазового детектора экстремальных значений (ФДЭЗ) на современной электронной базе позволит формировать информационные логические импульсы (в качестве эквивалентов частотных перескоков), длительность которых намного меньше, чем длительность частотных перескоков. Это позволит повысить скорость подсчета импульсов, что приведет к повышению общей скорости обработки измерительной информации.

Исследования показывают, что введение внешней управляющей схемы в виде ФАПЧ изменяет свойства АПОС таким образом, что К_п в уравнении (2) становится равным К_п'' - общему коэффициенту преобразования схемы ФАПЧ: К_п = K' = K_дет ^.К_гук, (6) где К_дет - абсолютное значение коэффициента преобразования ФДЭЗ;
K_гук - коэффициент преобразования ГУК.

Для такого схемного решения величина пространственного периода, с учетом двойного хода луча, соответствует выражению:
L_пр = . (7)
При подстановке выражения (3) в выражение (7) последнее приобретает следующий вид L_пр = =K_α·λ, (8) где K_α - модуляционный коэффициент.

Анализ полученного выражения показывает, что для различных значений K_α можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом, как показано на фиг.4,а. Теоретически значение пространственного периода может находиться в любом соотношении со значением длины волны используемого источника излучения, что расширяет функциональные возможности лазерных гетеродинных методов измерения перемещений.

Устройство ФДЭЗ (фиг. 2) включает фазовый интерполятор 10, схему 12 сравнения кодов и логическую схему 15.

Фазовый интерполятор 1 состоит из резистивной цепочки 16 и набора компараторов 17.

Логическая схема 15 включает счетный Т-триггер 18, два двоичных шифратора 19 и 20, коммутатор 21, выполненный на базе набора логических элементов.

Алгоритм работы ФДЭЗ реализован следующим образом. На измерительный вход фазового интерполятора 1 поступают ортогонально-сдвинутые по фазе сигналы:
(9)
В качестве опорного сигнала используется частотный сигнал после ГУК. Разность фаз между измерительным и опорным сигналом преобразуется в цифровой код. Цифровой код с прямых выходов компараторов 17 поступает на вход схемы 12 сравнения кодов. Схема сравнения кодов формирует информационный логический импульс на выходе, если входная цифровая комбинация соответствует двум экстремальным значениям (N = 0 или N = N_maх), что соответствует фазовым сдвигам Δ ϕ= 0 и Δ ϕ = 2 π .

Информационный логический импульс поступает на вход счетчика импульсов (СИ) и на вход счетного Т-триггера 18 логической схемы. Счетный Т-триггер формирует на прямом выходе поочередно логическое состояние ("0", "1"), в зависимости от которого (см. таблицу) на выход логической схемы (и соответственно на вход ГУК), с помощью шифраторов 19 и 20 и коммутатора 21 поступает поочередно прямой или инверсный цифровой код фазового интерполятора. В результате этого цифровой код поочередно возрастает и уменьшается. Соответствие между фазовым сдвигом на входе и выходным цифровым кодом отображено в таблице.

Схема генератора управляемого кодом (ГУК) может строиться на базе хорошо исследованных схем синтезаторов частоты или по двухступенчатой структуре: цифроаналоговый преобразователь + генератор управляемый напряжением = ГУК.

Приведенный алгоритм работы ФДЭЗ, ГУК показывает реальную возможность создания интерферометров на основе предложенного способа. В качестве элементной базы могут использоваться широкоприменяемые цифровые микросхемы серий 155, 531, 555 и серии аналоговых микросхем 174, 118, 572 и др.

Формула изобретения

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА СВЕТОВЫХ ВОЛН, заключающийся в том, что создают излучателем в среде распространения световых волн периодическую структуру, монохроматическое когерентное излучение направляют на движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру так, что излучение разделяется на опорный и измерительный потоки с различными оптическими частотами, измерительный поток направляют в измерительный канал интерферометра, отраженное излучение пространственно совмещают с излучением опорного потока, преобразуют оптический сигнал от поля интерференции в электрический сигнал в измерительной схеме, по выходному сигналу которой определяют фазовый сдвиг световых волн, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия за счет увеличения скорости обработки измерительной информации при экстремальных значениях фазового сдвига световых волн, изменяют знак коэффициента преобразования измерительной схемы на противоположный, формируют информационные логические импульсы, соответствующие моменту изменения знака, с помощью выходного сигнала измерительной схемы изменяют период движущейся с постоянной скоростью периодической структуры, а об изменении фазового сдвига световых волн судят по числу информационных логических импульсов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют абсолютное значение коэффициента преобразования измерительной схемы так, чтобы сформировать пространственный период заданной величины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5