Способ измерения абсолютного расстояния

Изобретение может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро- и наноэлектронике. Заявленный способ измерения абсолютного расстояния включает направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, преобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал, регистрацию автодинного сигнала, разложение автодинного сигнала в Фурье-спектр. При этом в Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды. Расчет расстояния проводят с использованием соотношения

,

где ν_n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды, ν - частота модуляции тока питания лазерного диода, λ - длина волны лазера, Δλ - девиация длины волны лазера, π - число Пи. Технический результат - возможность проводить измерения абсолютного расстояния бесконтактно с микронной точностью. 5 ил.

 

Изобретение может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике. Повышенная точность измерения, в частности, позволит контролировать процесс разработки прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро - и наноэлектронике.

Известен способ измерения расстояний, в котором облучение отражателя происходит зондирующим импульсом от лазерного излучателя. На выходе передающей оптической системы формируется расходящийся пучок излучения, образующий поле передающего канала. Отраженное излучение попадает в поле приемного канала и с помощью приемного объектива фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства. Дальность до отражателя определяют по известной зависимости R = ct/2, где с - скорость света, t - время между моментом излучения зондирующего импульса и моментом срабатывания фотоприемного устройства от излучения (см. патент РФ на изобретение №2471203, МПК G01C3/08).

Однако в измерительной системе имеются определенные ограничения на диапазон измеряемых расстояний. Например, предлагаемый способ не позволяет проводить измерения расстояний менее 0,05 м.

Известен способ, в котором для измерения расстояния используется частотно-модулированный полупроводниковый лазер. Ток полупроводникового лазера изменяется модулятором по линейному закону. Модулированный пучок через коллиматор направляют на исследуемый объект, а отраженный пучок регистрируется встроенным в лазер фотодиодом, где усиливается и интерферирует с исходным излучением с некоторой задержкой. Вследствие этой задержки частота этого излучения не совпадает с частотой, генерируемой полупроводниковым лазером в данный момент. В результате на выходе встроенного фотодиода возникает электрический сигнал, параметры которого несут информацию об отражающей поверхности объекта, его удаленности. В результате анализа сигнала определяют расстояние до объекта (см. патент РФ на изобретение №2393427, МПК G01S17/02, G01C3/08).

Недостатком известного способа является то, что в подобной системе регистрации и обработки сигнала погрешность измерения расстояний может достигать 1,5 мм от измеряемой величины.

Известен способ для измерения расстояния, в котором в качестве измерителя используется частотно-модулированный полупроводниковый лазер. Поверхность отражателя освещают лазерным излучением, а отраженное - регистрируют встроенным фотодетектором. В результате периодической частотной модуляции на фотодетекторе фактически регистрируют интерференционный сигнал. Фурье-спектр интерференционного сигнала позволяет определить частоту, которая пропорциональна расстоянию от лазера до отражающей поверхности. Используя значение коэффициентов пропорциональности, определяют искомое расстояние (B.C. Соболев, Г.А. Кащеева. Интерферометрия с оптической обратной связью и частотной модуляцией // Автометрия, 2008, №6, с. 49-65).

Недостатком известного способа является то, что погрешность измерения расстояний может достигать 0,2 мм от измеряемой величины на расстоянии до 15 см.

Наиболее близким является способ определения расстояния до объекта, заключающийся в том, что объект освещают лазерным излучением, отраженное от объекта излучение, интерферирующее в лазере, преобразуют в электрический автодинный сигнал, осуществляют разложение автодинного сигнала в ряд Фурье. Лазерное излучение частотой ω модулируют по гармоническому закону с частотой ν посредством модуляции тока питания лазера. Длину волны излучения λ изменяют на величину Δλ, фильтруют амплитудную составляющую автодинного сигнала на частоте ν. Сигнал раскладывают в спектральный ряд, измеряют амплитуду 2n-й и 2n+2-й гармоник спектра или 2n+1-й и 2n+3-й гармоник спектра автодинного сигнала. Расстояние до объекта L находят из отношения амплитуд этих гармоник (см. патент РФ на изобретение №2629651, МПК G01S17/08).

Недостатком способа является низкая защищенность от шума измерительной системы и неопределенность в определении расстояния при использовании области неоднозначности функций Бесселя.

Техническая проблема заключается в разработке способа, обеспечивающего возможность проводить измерения абсолютного расстояния бесконтактно с микронной точностью.

Технический результат заключается в повышении точности измерения в пределах, которые удовлетворяют современным прецизионным устройствам.

Техническая проблема решается тем, что в способе измерения абсолютного расстояния, включающем направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, пеобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал регистрацию автодинного сигнала, разложении автодинного сигнала в Фурье-спектр, согласно решению, Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды, расчет расстояния проводят с использованием соотношения

где ν_n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды, ν - частота модуляции тока питания лазерного диода, λ - длина волны лазера, Δλ - девиация длины волны лазера, π - число Пи.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена форма автодинного сигнала при частоте девиации Δλ=0.01 нм и расстоянии до отражателя L = 55,15 мм; на фиг. 2 представлен Фурье-спектр автодинного сигнала, представленного на фиг.1; на фиг. 3 представлена экспериментальная установка для регистрации и анализа автодинного сигнала; на фиг. 4 частотномодулированный автодинный сигнал, полученный на экспериментальной установке при девиации частоты излучения лазерного диода Δλ=0.012 нм; на фиг. 5 - спектр автодинного сигнала, полученный на экспериментальной установке при девиации частоты излучения лазерного диода Δλ=0.012 нм.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - полупроводниковый лазерный автодин;

2 - блок управления током питания;

3 - генератор сигналов;

4 - объект для отражения излучения;

5 - микромеханическая подача;

6 - фотоприемник;

6 - фильтр переменного сигнала;

7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8 - компьютер.

Для измерения абсолютных расстояний по спектру частотномодулированного автодинного сигнала используют следующие теоретические предпосылки.

При модуляции длины волны лазерного излучения мощность полупроводникового лазера P может быть записана в виде амплитудной и фазовой составляющей, зависящих от плотности тока накачки j(t) [Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Добдин С.Ю., Астахов Е.И., Костюченко И.Ю., Джафаров А.В. Методы автодинной интерферометрии расстояния при токовой частотной модуляции полупроводникового лазера // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18. вып. 3. С.189-201]:

где P1 - постоянная составляющая мощности, P2 - амплитудная составляющая мощности, зависящая от фазового набега волны в системе с внешним отражателем, τ - время обхода лазерным излучением расстояния до внешнего отражателя, - частота излучения полупроводникового лазера, зависящая от плотности тока накачки j(t) и уровня обратной связи.

На параметры автодинного сигнала влияет уровень внешней оптической обратной связи. Как показано ранее [Giuliani G., Norgia M., Donati S. and Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing application // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4. P. S283-S294], можно выбрать уровень обратной связи, при котором частота излучения полупроводникового лазера не будет изменяться значительно и тем самым вносить искажения в форму интерференционного сигнала.

В этом случае при гармонической модуляции плотности тока накачки j(t) частота излучения полупроводникового лазера приобретает вид:

где ω₀ - собственная частота излучения полупроводникового лазерного диода; ω_A - девиация частоты излучения полупроводникового лазерного диода; ν₁ - частота модуляции тока питания лазерного диода. Выражение для мощности излучения частотномодулированного полупроводникового лазера (3) запишется в виде:

где стационарная фаза автодинного сигнала , амплитуда фазы токовой модуляции , круговая частота модуляции тока питания лазерного диода .

Поскольку для определения расстояния используется только фазовая составляющая многочастотного автодинного сигнала, то выражение (4) можно записать в виде:

где λ - длина волны лазерного излучения, Δλ - девиация длины волны. Для анализа спектра автодинного сигнала используем связь частоты спектральной гармоники с мгновенной скоростью движения отражателя (5):

То есть, мгновенную скорость движения внешнего отражателя можно получить, определив частоту переменной нормированной составляющей спектра автодинного сигнала с использованием выражения (5).

Приравнивая мгновенную скорость (5), полученную из спектра автодинного сигнала, производной от амплитуды девиации частоты излучения полупроводникового лазерного диода,

можно получить соотношение, связывающее расстояние L до отражателя с частотой спектральной гармоники ν_n:

.

где - номер гармоники, соответствующий расстоянию до отражателя. При разложении автодинного сигнала в ряд Фурье спектр будет представлять собой свертку спектра автодинного сигнала с Фурье-образом прямоугольного окна. В этом случае за значение частот высокочастотной составляющей ν_n следует принимать частоты, соответствующие середине спада огибающей спектра:

где ν_n - частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды.

Моделирование автодинного сигнала проводилось при следующих параметрах: λ=650 нм, девиация длины волны излучения полупроводникового лазерного диода Δλ=0.01 нм, расстояние до объекта L = 55,15 мм, частота модуляции тока лазерного излучения ν₁=100 Гц, θ = π/4. На фиг. 1 и 2 приведены модель интерференционного сигнала и его Фурье-спектр.

Девиацию выбирают максимально возможной для данного типа атодина, чтобы повысить точность.

Спектр интерференционного сигнала (фиг. 2) содержит гармонику с максимальной амплитудой равную n=14. Аппроксимация спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, и измерения частоты, соответствующей половинному значению от максимальной амплитуды, дают значение ν_n=1,65 кГц.

Используя выражение (7), получаем, что L = 55,1 мм. Таким образом, с погрешностью в 50 мкм определено абсолютное расстояние при компьютерном моделировании.

Способ реализуется с помощью устройства (фиг. 3) следующим образом. Освещают объект (отражающую пластину) 4, закрепленную на микромеханической подаче 5, излучением от частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина 1 на лазерном диоде RLD-650. Изменение тока питания лазерного диода осуществлялось путем изменения напряжения питания, подаваемого на полупроводниковую структуру от блока управления током питания 2. Модуляцию длины волны излучения проводят на частоте 100 Гц посредством модуляции тока питания лазера с помощью встроенного в лабораторную станцию виртуальных приборов NI ELVIS генератора сигналов 3. Было экспериментально установлено, что эффективная модуляция тока питания лазерного диода наблюдалась при амплитуде модулирующего сигнала от 20 мВ до 500 мВ, что обеспечивало наличие в спектре автодинного сигнала спектральных составляющих высших порядков. Отраженное излучение направляют в резонатор лазера, изменение мощности которого фиксируют фотоприемником 6. Продетектированный и усиленный сигнал с фотоприемника проходит через фильтр переменного сигнала 7 и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8, встроенного в модуль NI DAQmx (с частотой дискретизации 1.25 MГц), соединенного с компьютером 8. Параметр девиации частоты излучения лазерного диода ω_A измеряют с помощью спектрометра высокого разрешения SHR (Solar Laser Systems).

На фиг.4 приведен вид автодинного сигнала и его спектр, полученный при величине девиации частоты излучения Δλ = 0.012 нм.

Спектр интерференционного сигнала (фиг. 5) содержит гармонику с максимальной амплитудой равную n=11. Аппроксимация спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, и измерения частоты, соответствующей половинному значению от максимальной амплитуды, дают значение ν_n=1,2 кГц (при ν=100 Гц). Используя выражение, (7) получаем, что L = 33,6 мм. Таким образом, бесконтактно определено абсолютное расстояние при модуляции длины волны лазерного автодина.

Способ измерения абсолютного расстояния, включающий направление излучения лазерного диода на измеряемый объект, модулирование тока питания лазера частотой ν, преобразование отраженного от объекта излучения в автодинный сигнал, регистрацию автодинного сигнала, разложение автодинного сигнала в Фурье-спектр, отличающийся тем, что в Фурье-спектре автодинного сигнала измеряют частоту гармоники с максимальной амплитудой, выполняют аппроксимацию спадающей функцией амплитуд спектральных составляющих, больших максимальной, измеряют частоту, соответствующую половинному значению от максимальной амплитуды, расчет расстояния проводят с использованием соотношения

,

где – частота, соответствующая половинному значению от максимальной амплитуды, – частота модуляции тока питания лазерного диода, – длина волны лазера, – девиация длины волны лазера, π – число Пи.