Интерференционное устройство для измерения фазового сдвига световых волн

 

Использование: в области измерительной техники, а именно в лазерной интерферометрии для измерения линейных перемещений различных объектов с высокой точностью. Сущность изобретения: устройство представляет собой акустооптический интерферометр с электронной измерительной схемой, реализованной на базе системы фазовой автоподстройки частоты, которая имеет измерительный и опорный входные тракты, в каждом из которых используется линия задержки. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерений линейных перемещений различных объектов (элементов станков, координатных измерительных машин, измерительных роботов и др.) с высокой точностью.

К настоящему времени для измерения линейных перемещений уже разработано достаточно большое количество конструкций лазерных акустооптических интерферометров. В частности, известно устройство для измерения фазовых сдвигов световых волн - лазерный акустооптический интерферометр (аналог) [1]. Это устройство состоит из оптически связанных лазера, многоапертурного акустооптического модулятора, элементов интерферометра измерительного канала : полупрозрачного кубика, двух триппель-призм, отклоняющего клина, аналогичных элементов интерферометра базового канала, поворотной призмы, бипризмы, афокальных оптических фокусирующих систем измерительного, опорного и базового каналов, отражающих зеркал, трех оптических диафрагм, трех фокусирующих линз, трех фотоприемников и электронной измерительной системы, Для конструкций лазерных интерферометров существует понятие пространственного периода l_пп, под которым понимается перемещение объекта, приводящее к изменению фазового сдвига 2π . В приведенной выше конструкции лазерного интерферометра значение пространственного периода не регулируется и является кратным I_пп=n·λ/2, где λ - длина волны лазерного излучения, n - число двойных ходов луча в оптической схеме интерферометра.

Существенным достоинством описанного выше устройства является автоматическая компенсация погрешностей, вносимых акустооптическим модулятором и изменениями показателя преломления воздуха, за счет создания дополнительного опорного канала.

Однако, у этого устройства существует два основных недостатка. Первый заключается в ограничении точности измерений, характерной для фазовых методов измерения фазового сдвига. Ко второму недостатку следует отнести ограничение функциональных возможностей, определяемое невозможностью регулирования пространственного периода l_пп и, как следствие, необходимость дополнительного пересчета значения фазового сдвига в метрическую систему при определении действительного перемещения объекта.

Необходимость повышения точности измерений приводит к тому, что от фазового способа измерения перехода к частотной индикации фазового сдвига. Известна конструкция лазерного интерферометра с частотной индикацией фазового сдвига [2] (аналог), реализующая способ измерения фазового сдвига световых волн, которая содержит оптически связанные лазер, интерферометр Майкельсона, включающий светоделитель, измерительный и опорной уголковые отражатели, двойной оптический клапан, расположенный в опорном канале интерферометра, модулятор (например, акустооптическую ячейку), щелевую диаграмму и фотопреобразователь, излучатель ультразвуковой волны, последовательно соединенные резонансный усилитель и коммутатор, генератор гармонических колебаний.

К недостаткам этого устройства следует отнести ограничение функциональных возможностей, связанное с невозможностью плавного регулирования пространственного периода l_пп, формируемого интерферометром, а также недостаточную точность измерений, ограниченную погрешностями, вносимыми акустооптическим модулятором.

Наиболее близким по количеству общих признаков является устройство для реализации способа измерения фазового сдвига световых волн [3] (прототип), которое содержит оптически соединенные источник монохроматического излучения, акустооптический модулятор (АОМ) с одним электрическим входом и пространственно разнесенными разночастотными выходными оптическими потоками, коллиматор, элементы оптической схемы интерферометра, отражающую триппель-призму, фотодетектор, электрически соединенный с первым входом фазового детектора экстремальных значений (ФДЭЗ), первый выход которого соединен с входом счетчика импульсов, причем выход последнего является выходом всего устройства, а второй выход электрически связан с входом генератора, управляемого кодом, причем его выход соединен как с вторым входом ФДЭЗ, так и с электрическим входом АОМ.

Такое техническое решение позволяет создать лазерные измерительные системы с треугольной функцией измерительного преобразования и управляемым пространственным периодом.

Недостатком этого технического решения является ограничение точности измерений, обусловленное погрешностями, вносимыми акустооптическим модулятором и нестабильностью оси диаграммы направленности источника излучения.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности измерений при расширении функциональных возможностей.

Изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности измерения при расширении функциональных возможностей.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом интерференционном устройстве для измерения фазового сдвига световых волн, содержащем оптически соединенные источник монохроматического излучения, акустооптический модулятор с одним электрическим входом и тремя пространственно разнесенными разночастотными оптическими потоками, коллиматор, измерительный тракт, состоящий из последовательно соединенных оптического и электрических каналов, причем оптический канал реализован с перемещающейся триппель-призмой по схеме Маха-Цендера при использовании первого и одной части второго разночастотных оптических потока, а электрический канал состоит из генератора, управляемого кодом, счетчика импульсов, фотодетектора, фазового детектора, первый выход которого соединен с входом импульсов, при этом выход последнего является выходом устройства, а второй выход фазового детектора соединен с входом генератора, управляемого кодом, причем его выход соединен с электрическим входом акустооптического модулятора, в устройство дополнительно введен опорный тракт, состоящий из последовательно соединенных оптического и электрического каналов, причем оптический канал реализован по схеме Маха-Цендера, в котором пространственно совмещены третий и другая часть второго из разночастотных оптических потоков, при этом электрический канал состоит из последовательно соединенных фотодетектора и первой линии задержки, выход которой соединен со вторым входом фазового детектора, а в измерительный тракт введена вторая линия задержки между выходом фотодетектора и первым входом фазового детектора.

Предлагаемая совокупность признаков не была известна ранее и указанный результат достигается только в данном устройстве.

Конструкция и функционирование устройства появляется графическим материалом.

На фиг. 1 представлена структурная схема интерференционного устройства для измерения фазового сдвига световых волн; на фиг. 2 - графики, поясняющие процесс формирования функций измерительного преобразования для различных значений пространственного периода l_пп.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из следующих элементов: источник монохроматического излучения (лазер) 1, акустооптический модулятор (АОМ) 2, коллиматор 3, отражающая триппель-призма 4, измерительный тракт, состоящий из оптического 5 и электрического 6 каналов, опорный тракт, состоящий из оптического 7 и электрического 8 каналов.

Оптический канал 5 измерительного тракта включает в себя зеркала 9, 11 и светоделительный кубик 10.

Электрический канал 6 измерительного тракта включает в себя фотодетектор 12, линию задержки 13, фазовый детектор 14, счетчик импульсов 15, генератор, управляемый кодом (ГУК) 16.

Оптический канал 7 опорного тракта включает в себя светоделительные кубики 17, 18 и зеркала 19, 20.

Электрический канал 8 опорного тракта включает в себя фотодетектор 21, линию задержки 22.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 направляется на АОМ 2, после которого оно распределяется на первый E (+1), нулевой E (0) и минус первый E (-1) дифракционные порядки выходного спектра. Коллиматором 3 выходящего порядка направляются в измерительную схему в виде параллельных лучей.

Первый порядок модуляции E (+1) распространяется до триппель-призмы 4, возвращается в оптический канал 4, светоделительным кубиком 10 пространственно совмещается и интерферирует с нулевым порядком дифракции E (0) на выходе фотодетектора 12.

Оптический канал 7 опорного тракта собран по схеме интерферометра Маха-Цендера на основе двух светоделительных кубиков 17, 18 и двух зеркал 19, 20. В этой схеме минус первый порядок дифракции E (-1) и нулевой E (0) пространственно совмещаются и интерферируют на входе фотодетектора 21.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходах фотодетекторов 12 и 21 измерительного и опорного частотных сигналов. Эти сигналы проходят через линии задержки 13 и 22, получают временные задержки Δt₁, Δt₂ и поступают соответственно на первый (измерительный) и на второй (опорный) входы фазового детектора 14.

При перемещении триппель-призмы 4 на первом входе фазового детектора 14 формируется последовательность информационных логических импульсов, которая поступает на вход счетчика импульсов 15. На выходе счетчика импульсов 15 образуется цифровой код, соответствующий суммарному фазовому сигналу.

На втором выходе фазового детектора 14 формируется цифровой код, поступающий на вход блок ГУК 16. Выходной частотный сигнал последнего поступает на электрический вход АОМ 2.

В данном устройстве функция измерительного преобразования фазового детектора является пилообразной с отрицательной крутизной (симметричная треугольная функция). Такой вид функции измерительного преобразования является достаточно распространенным, позволяя исключить из процесса преобразования нежелательные фазовые и частотные нелинейные перескоки и, тем самым, повысить быстродействие измерительного устройства.

В качестве одного из вариантов алгоритмов работы фазового детектора может быть следующий. Разность фаз между входными частотными сигналами преобразуется в цифровой код N. Если выходная цифровая комбинация N соответствует двум экстремальным значениям (N= 0 при Δϕ=0 или N=N_max при Δϕ=2π ), то на первом его выходе формируется информационный логический импульс.

Сущность работы устройства заключается в следующем.

1. Исследования показывают, что значение пространственного периода l_пп для измерительной схемы баз опорного канала определяется формулой: I_пп=(1+2πΔτk_Σ)·λ, (1) , где K_Σ - общий коэффициент контура регулирования измерительной схемы; Δτ - время задержки распространения ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе; λ - длина волны источника излучения.

Введение опорного канала приводит к тому, что величина Δτ в формуле (1) определяется разностью задержек в измерительном и опорном каналах Δτ=Δt=Δt₂-Δt₁. . Регулируя значение Δt за счет изменения Δt₁ и/или Δt₂ , можно, в конечном итоге, управлять пространственным периодом.

Используя современную электронную базу можно изменять Δt с малой дискретностью (порядка единиц наносекунд) и в большом диапазоне (до сотен микросекунд).

Устройства задержки сигнала могут быть различными, на основе ультразвуковых, электромагнитных линий задержки, на основе RC-элементов, на базе электронных устройств (таймеров).

2. К погрешностям, свойственным лазерным акустооптическим измерительным системам, можно отнести следующие: погрешность, вызванная наличием отраженных акустических волн в модуляторе и медленными флуктуациями скорости распространения акустических волн в АОМ из-за изменения температуры светозвукопровода; погрешность из-за нестабильности оси диаграммы направленности источника излучения.

Использование схемы с двумя трактами интеферометра (измерительный и опорный) позволяет паразитным фазовым набегам, возникающим в обоих каналах, компенсировать друг друга. В результате этого, перечисленные погрешности полностью исключаются из процесса преобразования измерительной информации, что повышает точность измерения.

Схематически, генератор, управляемый кодом, может строиться на базе хорошо исследованных схем синтезаторов частоты или по двухступенчатой схеме: цифроаналоговой преобразователь + генератор, управляемый напряжением, = генератор, управляемый кодом.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений за счет компенсации погрешности, вносимой акустооптическим модулятором. Использование линий задержки в измерительной схеме дает дополнительную возможность управлять пространственным периодом.

Формула изобретения

Интерференционное устройство для измерения фазового сдвига световых волн, содержащее оптически соединенные источник монохроматического излучения, акустооптический модулятор с одним электрическим входом и тремя пространственно разнесенными разночастотными оптическими потоками, коллиматор, измерительный тракт, состоящий из последовательно соединенных оптического и электрических каналов, причем оптический канал реализован с перемещающейся триппель-призмой по схеме Маха-Цендера при использовании первого и одной части второго разночастотных оптических потоков, а электрический канал состоит из генератора, управляемого кодом, счетчика импульсов, фотодетектора, фазового детектора, первый выход которого соединен с входом счетчика импульсов, при этом выход последнего является выходом устройства, а второй выход фазового детектора соединен с входом генератора, управляемого кодом, причем его выход соединен с электрическим входом акустооптического модулятора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен опорный тракт, состоящий из последовательно соединенных оптического и электрического каналов, причем оптический канал реализован по схеме Маха-Цендера, в котором пространственно совмещены третий и другая часть второго из разночастотных оптических потоков, при этом электрический канал состоит из последовательно соединенных фотодетектора и первой линии задержки, выход которой соединен с вторым входом фазового детектора, а в измерительный тракт введена вторая линия задержки между выходом фотодетектора и первым входом фазового детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2