ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01B9/02 G01B11/02 

Изобретения относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для высокоточного контроля перемещений, отклонений положения или формы объектов при расширенном диапазоне однозначности результатов измерений.

Известен интерференционный способ измерения геометрических характеристик объекта (Goldberg J. L. , Brocman F.U. Jnterferomеtry longht measurement. Electronic technology, 1962, 4, p.140-144), согласно которому в качестве одного из зеркал интерферометра служит поверхность объекта, отражающая зеркально, зеркально-диффузно либо диффузно, интерферометр освещают излучением монохроматического источника, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости интерференционной картины в электрический сигнал, регистрируют изменения электрического сигнала (его амплитуды), но которым судят о геометрических характеристиках объекта.

Недостатками известного способа являются малый диапазон однозначности измерений, определяемый значением половины длины волны, и низкая помехозащищенность по отношению к изменениям мощности монохроматического источника излучения и коэффициента отражения контролируемых поверхностей, поскольку флуктуации яркости интерференционной картины могут ложно восприниматься как влияние изменений геометрических характеристик объекта.

Диапазон однозначности измерений можно расширить при использовании известного способа измерения дробных частей порядков интерференции (Борн М., Вольф. А. Основы оптики, М., Наука, 1973, с.271), согласно которому освещают интерферометр, в качестве одного из зеркал которого служит поверхность контролируемого объекта, излучением на последовательно переключаемых нескольких длинах волн монохроматического источника, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости каждой отдельной интерференционной картины в электрические сигналы, по значениям электрических сигналов (их амплитуд) определяют дробные части порядков интерференции последовательно на переключаемых длинах волн и по совокупности значений дробных частей порядков интерференции судят о геометрических характеристиках объекта.

Недостатками данного способа являются низкое быстродействие, поскольку измерения ведут последовательно на нескольких длинах волн, и низкая помехоустойчивость, обусловленная большой длительностью процесса измерений, в течение которого возможны изменения внешних условий и характеристик объекта в результате влияния градиентов температуры, микровибраций и т.д.

Указанные недостатки частично устранены в известном интерференционном способе контроля геометрических характеристик объекта (Polhemus C. Two-ware lоnght interferometry. Applied Optics, 1973, v.12, 9, p.2071-2074), который по совокупности существенных признаков наиболее близок к предлагаемому и принят в качестве прототипа. Согласно известному способу, интерферометр, в качестве одного из зеркал которого служит поверхность контролируемого объекта, отражающая зеркально или зеркально-диффузно, освещают излучением одновременно на двух длинах волн монохроматического источника, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, регистрируют сигнал биений, соответствующий полосам муара, по которому судят о геометрических характеристиках объекта.

Известный способ обеспечивает расширенный диапазон однозначности контроля геометрических характеристик объекта, соответствующий шагу полос муара, и помехоустойчивость, поскольку используется излучение одновременно на двух длинах волн.

Недостатком известного способа является недостаточная точность контроля геометрических характеристик объекта, обусловленная невозможностью точного определения малых долей периода муара.

Известно интерференционное устройство измерения геометрических характеристик объекта (Шестопалов Ю.Н., Дранкин М.Я. Фотоэлектрические интерферометры для научных исследований, М., ЦНИИТЭИприборостроения, 1978 г., с. 49), содержащее источник монохроматического излучения, интерферометр, фотоэлектрический преобразователь, установленный на выходе интерферометра, и интерполятор синус-косинусного сигнала, подключенный к выходу фотоэлектрического преобразователя.

Недостатком известного устройства является малый диапазон однозначности измерений, определяемый диапазоном однозначности показаний интерполятора синус-косинусного сигнала, который соответствует половине длины волны излучения.

Известно интерференционное устройство измерения геометрических характеристик объекта (Polhemus C. Two-ware lоnght interferometry. Applied Optics, 1973, v.12, 9, р.2071-2074), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято в качестве прототипа. Устройство содержит источник монохроматического излучения, излучающий одновременно на двух длинах волн, интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, фотоэлектрический преобразователь яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал и блок регистрации полос муара.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность контроля геометрических характеристик объекта, обусловленная сложностью точного определения малых долей периода сигнала муара.

Изобретения решают задачу повышения точности измерения геометрических характеристик контролируемого объекта, помехоустойчивости, быстродействия при сохранении расширенного диапазона однозначности измерений.

Указанная задача в заявляемом интерференционном способе измерения геометрических характеристик объекта решается следующим образом.

Интерферометр, в качестве одного из зеркал которого служит поверхность контролируемого объекта, освещают пучком монохроматического излучения на двух длинах волн, осуществляет фотоэлектрическое преобразование яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, из полученного сигнала выделяют сигнал несущей частоты и сигнал огибающей и измеряют амплитуды этих сигналов, по которым судят об искомой величине.

Освещая интерферометр согласно предлагаемому способу, одновременно на двух длинах волн монохроматического источника, обеспечивают высокую помехозащищенность и быстродействие процесса контроля геометрических характеристик объекта. Выделяя электрический сигнал несущей частоты и сигнал огибающей, согласно предлагаемому способу, повышают точность измерения геометрических характеристик объекта и дополнительно повышают помехозащищенность при расширенном диапазоне однозначности результатов измерений.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Значения амплитуды сигнала, пропорциональные значениям яркости интерференционной картины, можно представить в форме
S(Δ) = S₀+S_mcos(2πΔ/λ),
где S₀ - значение фоновой составляющей,
S_m - амплитуда переменной составляющей,
Δ - оптическая разность хода,
λ - длина волны излучения.

Значение сигнала на выходе устройства, реализующего предлагаемый способ, при освещении интерферометра на двух длинах волн λ₁ и λ₂ определяется выражением

где S₁₀ и S₂₀ - значения фоновых составляющих;
S_1m и S_2m - амплитуды информационных составляющих;
S₀ - значение суммарной фоновой составляющей;
S'_m - амплитуда информационного сигнала;
- синтезированная длина волны;
- среднее значение длины волны.

Таким образом, S(Δ) представляет собой периодический сигнал с периодом W, огибающая которого имеет период Λ>>W. Поэтому значения S(Δ) несут информацию подобно двум отсчетным шкалам: "грубой" с шагом Λ и "тонкой" с шагом W. Первая шкала задает пределы диапазона однозначности измерений, а вторая определяет достигаемую точность контроля.

Сущность изобретений поясняется фиг.1, где представлена схема заявляемого устройства, фиг.2, на которой представлен вид формируемого сигнала, и фиг. 3, где представлено соотношение фаз ϕ мультипликативных компонентов суммарного сигнала.

Устройство содержит источник монохроматического излучения 1, излучающий одновременно на двух длинах волн, интерферометр 2, выполненный по схеме Майкельсона, фотоэлектрический преобразователь 3 яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, блок вычитания 4 постоянной составляющей сигнала, подключенный к выходу фотоэлектрического преобразователя 3, амплитудный детектор 5, компаратор 6, входы которых соединены с выходом блока вычитания 4 постоянной составляющей сигнала, полосовой фильтр 7, вход которого подключен к выходу компаратора 6, и два блока фазовой автоподстройки 8, 9, входы которых соединены соответственно с выходом амплитудного детектора 5 и полосового фильтра 7.

Предлагаемый способ реализуется с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

Освещают при помощи источника 1 интерферометр 2 одновременно на двух длинах волн монохроматического излучения, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости суммы двух интерференционных картин с использованием фотоэлектрического преобразователя 3 в электрический сигнал, выделяют электрический сигнал несущей частоты при помощи блока вычитания 4 постоянной составляющей сигнала, компаратора 6 и полосового фильтра 7, выделяют сигнал огибающей при помощи блока вычитания 4 постоянной составляющей сигнала и амплитудного детектора 5, по совокупности значений электрических сигналов несущей и огибающей с помощью блоков автоподстройки 8, 9 судят о геометрических характеристиках объекта. Сигнал на выходе блока автоподстройки 8 определяет расширенный диапазон однозначности результатов измерений, сигнал на выходе блока автоподстройки 9 определяет точность контроля геометрических характеристик объекта.

Блок вычитания фоновой составляющей 4 позволяет выделить переменную составляющую сигнала. Амплитудный детектор 5 предназначен для выделения сигнала огибающей. Компаратор 6 осуществляет преобразование несущей в прямоугольные колебания, не зависящие от амплитуды сигнала (огибающей). Фильтр 7, настроенный на частоту несущей, позволяет выделить первую гармонику прямоугольных колебаний, соответствующую несущей с постоянной амплитудой. Блоки фазовой автоподстройки 8 и 9 обеспечивают преобразование напряжение - фаза с формированием одновременно двух монотонно изменяющихся сигналов (фиг.3), по которым судят о геометрических характеристиках объекта. Диапазон однозначности измерений равен Λ, а точность измерений определяется коэффициентом дробления малых периодов W.

В качестве конкретного примера выполнения устройства, реализующего способ, предлагается устройство, содержащее источник монохроматического излучения на двух длинах волн (И.Г. Иванов и др. Ионные лазеры на порах металлов. М. , Энергоатомиздат, 1990, с.109), интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, в качестве одного из зеркал которого служит поверхность объекта, отражающая зеркально, зеркально-диффузно, фотоэлектрический преобразователь яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, выполненный в виде ПЗС матрицы (Г.Г. Ишанин и др. Источники и приемники излучения, СПб, Политехника, 1991, с.189), блок вычитания постоянной составляющей, выполненный в виде конденсатора, амплитудный детектор (Справочник радиолюбителя-конструктора. М., Радио и связь, 1983, с.52), компаратор (Г.Г. Грязин. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л. , Машиностроение, 1998, с.112), полосовой фильтр (Справочник радиолюбителя-конструктора, М., Радио и связь, 1983, с.17), блоки фазовой автоподстройки (Справочник радиолюбителя-конструктора, М., Радио и связь, 1983, с.84).

Способ измерения геометрических характеристик объекта заключается в том, что интерферометр, в качестве одного из зеркал которого используется поверхность контролируемого объекта, освещают пучком монохроматических излучений на двух длинах волн, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал. Из полученного сигнала выделяют сигнал несущей частоты и сигнал огибающей и измеряют амплитуды этих сигналов, по которым судят об измеряемой величине. Интерференционное устройство для измерения геометрических характеристик объекта содержит источник монохроматического излучения, излучающий одновременно на двух длинах волн, интерферометр, фотоэлектрический преобразователь яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал. Устройство снабжено блоком вычитания постоянной составляющей сигнала, амплитудным детектором, компаратором, полосовым фильтром и двумя блоками фазовой автоподстройки. Технический результат - повышение точности измерения, помехоустойчивости, быстродействия при сохранении расширенного диапазона однозначности измерений. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Интерференционный способ измерения геометрических характеристик объекта, заключающийся в том, что интерферометр, в качестве одного из зеркал которого служит поверхность контролируемого объекта, освещают пучком монохроматических излучений на двух длинах волн, осуществляют фотоэлектрическое преобразование яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, отличающийся тем, что из полученного сигнала выделяют сигнал несущей частоты и сигнал огибающей и измеряют амплитуды этих сигналов, по которым судят об измеряемой величине. 2. Интерференционное устройство для измерения геометрических характеристик объекта, содержащее источник монохроматического излучения, излучающий одновременно на двух длинах волн, интерферометр, фотоэлектрический преобразователь яркости суммы двух интерференционных картин в электрический сигнал, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком вычитания постоянной составляющей сигнала, амплитудным детектором, компаратором, полосовым фильтром и двумя блоками фазовой автоподстройки, причем вход блока вычитания постоянной составляющей сигнала подключен к выходу фотоэлектрического преобразователя, входы амплитудного детектора и компаратора соединены с выходом блока вычитания постоянной составляющей сигнала, вход полосового фильтра подключен к выходу компаратора, а входы блоков фазовой автоподстройки соединены соответственно с выходом амплитудного детектора и полосового фильтра.