Акустооптический способ определения расстояния до объекта

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения расстояния до объекта оптическим методом. Цель изобретения - расширение диапазона этих расстояний за счет использования акустического преобразователя. Этот преобразователь управляется по контуру обратной связи сигналом, сформированным от частотного перескока при гетеродинном взаимодействии компонент монохроматического когерентного излучения, прошедшего через указанный преобразователь. Одним из компонентов отражается от объекта. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения линейных размеров.

Известен способ определения расстояния до объекта [1] на основе интерферометра с перестраиваемым источником оптического излучения, при перестройке которого формируется дискретный набор длин волн λ₁,λ₂....λ_n.

Цикл измерения для этого способа реализуется в два этапа: перестройка источника оптического излучения осуществляется таким образом, что производится перебор всех возможных дискретных значений λ₁∈ [λ₁; λ_n] и одновременно измеряются дробные части интерференционных порядков для каждой λ_i. На основе этого формируется система линейных уравнений, каждое из которых связывает искомое расстояние L_x с измеренной дробной частью порядка интерференции ϕ_i: , (1) где k_i= - значение величины, обратной длине волны; Θ_i - целое число порядков интерференции для λ_i ; ϕ_i - дробная часть порядка интерференции для λ_i .

Для системы уравнений (1) выполняются аналитические преобразования, приводящие к ее решению за счет введения величины, эквивалентной длине волны: λ_экв=1/ΣA_ik_i, (2) где A_i - коэффициент пропорциональности.

Известен интерференционный способ определения расстояния до объекта также с использованием перестраиваемого источника излучения [2]. Способ заключается в перестройке длины волны источника излучения от значения λ₁ до λ₂ и измерении фазового набега в измерительном оптическом канале. Расстояние при этом определяется по формуле: L_x= · λ₁·λ₂, (3) где Δλ=λ₂-λ₁ - диапазон перестройки длины волны.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интерференционный способ контроля геометрических параметров изделий [3], заключающийся в том, что с помощью интерференционной схемы, в измерительный канал которой включен волоконно-оптический преобразователь, формируется поле допуска L, определяющее положение и максимальное смещение поверхности контролируемого объекта.

Недостатком этого технического решения является ограничение области использования за счет контроля положения поверхности объекта (расстояния до объекта) только в малых диапазонах.

Целью изобретения является расширение области использования за счет также и определения расстояния до объекта в больших диапазонах.

Это достигается тем, что в предлагаемом акустооптическом способе определения расстояния до объекта, заключающемся в том, что акустооптическим преобразователем разлагают монохроматическое когерентное излучение на компоненты с различными частотами, один из них направляют на объект, принимают отраженное излучение и подвергают гетеродинному взаимодействию с другим компонентом, фиксируя частотный перескок при сдвиге фазы на 2π , при этом формируют сигнал, которым управляют акустооптическим преобразователем, на объект направляют компонент первого порядка, для указанного взаимодействия используют компонент нулевого порядка, фиксируют количество частотных перескоков, по которому судят о расстоянии до объекта.

На фиг.1 изображено интерференционное устройство для конкретной реализации данного способа; на фиг.2 - семейство функций преобразования для совместной схемы цепи акустооптоэлектронной положительной обратной связи (АПОС) и управляемой фазовой автоматической подстройки частоты (УФАПЧ) для различных значений K_α .

Устройство (фиг.1), реализующее способ,содержит следующие элементы: источник монохроматического излучения (лазер) 1, акустооптический модулятор 2, коллимирующую оптическую систему 3, элементы оптической схемы интерферометра 4, отражающую триппель-призму 5, контролируемый объект 6, фотоприемное устройство 7, фазовый детектор, усилитель 9, импульсный формирователь 10, счетчик импульсов 11, блок управления и вычислений 12, генератор 13, управляемый напряжением.

Способ осуществляют в работе следующим образом.

Излучение лазера 1 направляется на модулятор 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, прикрепленной к объекту 6, расстояние до которого определяется. Отраженное от триппель-призмы 5 излучение возвращается в интерференционную схему, с помощью элементов оптической схемы интерферометра 4 пространственно совмещается и интерферирует с нулевым порядком дифракции Е (0) на входе устройства 7.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе устройства 7 электрического измерительного сигнала, который поступает на измерительный вход детектора 8. Совместная электрическая схема детектора усилителя генератора 13 образуют схему УФАПЧ. Выходной частотный сигнал этой схемы поступает на кварцевый излучатель 2 и на опорный вход детектора 8.

При достижении разности фаз между частотными сигналами после генератора 13 и фотоприемного устройства 7 значения 2π на выходе детектора 8 формируется перескок напряжения, который поступает на вход усилителя 9 и импульсного формирователя 10. При поступлении перескока напряжения на вход блока 10 на выходе его формируется импульс малой длительности, который далее поступает на счетчик импульсов 11. Последний производит счет всех приходящих импульсов, а информацию об их суммарном количестве выдает на вход блока 12, который формирует цикл измерения расстояния, состоящего из двух действий, осуществляемых одновременно: изменяется коэффициент усиления усилителя 9; на вход блока 12 поступает информация о количестве импульсов, число которых пропорционально фазовому набегу в измерительном оптическом канале.

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: Δf= K_п˙Δϕ, (4) где К_п - коэффициент пропорциональности. При отсутствии внешней управляющей схемы для АПОС Кп в уравнении (4) соответствует собственному коэффициенту пропорциональности К_п', который определяется только внутренними параметрами АОМ: K_п= K = , (5) где V_зв - скорость распространения звуковой волны в воде, L_АОМ - расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем.

Линейный участок определяется смещением объекта на величину пространственного периода, который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2π . При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство АПОС, заключающееся в резком, почти мгновенном скачкообразном изменении частоты сигнала (частотный перескок) к своему первоначальному значению, при котором фазовый сдвиг был равен 0. Событие, означающее, что частотный перескок произошел, несет информацию о том, что значение фазового набега в оптическом канале составило 2π. Осуществляя подсчет количества частотных перескоков (для данного устройства - перескоков напряжения или соответствующих импульсов) можно судить о суммарном фазовом набеге согласно формуле:
Δϕ= 2π N, (6) где N - число частотных перескоков (число импульсов на выходе счетчика импульсов 11).

Исследования показывают, что введение внешней управляющей схемы, в виде схемы УФАПЧ, изменяют свойства АПОС таким образом, что К_п в уравнении (4) становится равным К_п^" - общему коэффициенту преобразования схемы УФАПЧ. Эта функциональная зависимость принимает следующий вид:
К_п = К_п^" = К_дет ˙К_ус ˙К_гун, (7) где К_дет - коэффициент преобразования фазового детектора;
К_ус - коэффициент усиления усилителя;
К_гун - коэффициент преобразования генератора.

Для такого схемного решения величина пространственного периода с учетом двойного хода луча соответствует выражению:
L_пр= · · λ. (8) При подстановке выражения (5) в выражение (8) последнее приобретает следующий вид:
L_пр= · · λ = K_α·λ, (9) 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.2.

Теоретически, значение пространственного периода может находиться в любом соотношении со значением длины волны используемого источника излучения и это обстоятельство аналогично использованию источника излучения с эквивалентной длиной волны:
λ^l=K_α˙λ. (10)
Физический смысл этого процесса заключается в изменении текущего значения фазы оптического излучения с длиной волны λ под значение фазы эквивалентной длины волны λ', за счет взаимодействия световых и ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе, характер которого определяется параметрами внешней управляющей схемы УФАПЧ.

Возможность изменения модуляционного коэффициента за счет изменения коэффициентов передачи звеньев схемы УФАПЧ позволяет производить соответствующую перестройку эквивалентной длины волны:
Δλ^l=ΔK_α˙λ (11)
С помощью получаемых уравнений (10) и (11) выразим величины λ₁^l,λ₂^l и Δλ^l:
λ₁^l=K_α1˙λ, (12)
λ₂^l=K_α2˙λ, (13)
Δλ^l=λ₂^l-λ₁^l=(K_α2-K_α1)˙λ. (14)
Пусть в процессе измерения изменение модуляционного коэффициента будет кратной величиной:
К_α2= β˙К_α1. (15) Подставляя выражения (12)-(15), а также (6) в уравнение (3) получается формула, определяющая длину измерительного канала L_x в интерференционной схеме (фиг.1):
L_x= · · λ·N. (16)
Исходя из того, что расстояние до контролируемого объекта определяется в зависимости от выбранной системы координат технологического модуля (станок, координатно-измерительная машина, робот), то выражение (16) необходимо преобразовать к следующему виду:
L= · · λ·N ± A , (17) где A - начальное смещение, определяемое положением точки отсчета выбранной системы координат.

Полученное выражение является окончательным и показывает возможность определения расстояния до объекта путем модуляции параметров измерительной схемы без перестройки длины волны источника излучения.

Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что акустооптическим преобразователем разлагают монохроматическое когерентное излучение на компоненты с различными частотами, один из них направляют на объект, принимают отраженное излучение и подвергают гетеродинному взаимодействию с другим компонентом, фиксируя частотный перескок при сдвиге фазы 2π, при этом формируют сигнал, которым управляют акустооптическим преобразователем, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых расстояний, на объект направляют компонент первого порядка, для указанного взаимодействия используют компонент нулевого порядка, фиксируют количество частотных перескоков, по которому судят о расстоянии до объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2