Способ определения коротких дистанций до диффузно- отражающих объектов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и предназначено для определения коротких дистанций до объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ определения коротких дистанций до диффузно отражающих объектов осуществляют путем интерферометрического сравнения отраженных от объекта и от дифракционного отражательного элемента пучков света, изменения оптического пути начального значения до момента появления интерференционной картины с максимальным контрастом, а предварительно осуществляют фокусировку источника излучения в плоскость отражательного элемента. Реализуется способ с помощью устройства, содержащего источник когерентного излучения, на оптической оси которого последовательно расположены двухлучевой интерферометр, включающий светоделитель, модулятор оптического пути, на мембране которого установлен с возможностью колебательного перемещения опорный отражатель, выполненный в виде дифракционного элемента, модулятор соединен с блоками измерения его положения в пространстве, фотоприемник, расположенный на выходе интерферометра, блок определения контраста интерференционных полос, вход которого подключен к выходу фотоприемника, блок фиксации положения модулятора оптического пути, соединенный с блоком измерения положения в пространстве модулятора и с выходом блока определения контраста интерференционных полос, между интерферометром и источником когерентного излучения установлен объектив. Кроме того в устройстве симметрично основному фотоприемнику относительно светоделителя установлен дополнительный фотоприемник. 2 с.и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к контрольной измерительной технике и может быть использовано для определения коротких дистанций до объектов, при использовании его в конструкции оптической головки сканирующей измерительной машины.

Известен способ определения коротких дистанций до диффузно отражающих объектов путем разделения излучения когерентного источника света на два пучка, один из которых направляют на опорное зеркало, образуя опорный пучок, а другой на объект, образуя объектный пучок света, совмещения и интерферометрического сравнения отраженных от объектов и опорного зеркала пучков света, изменения оптического пути опорного пучка света, измерения изменения оптического пути опорного пучка света от начального значения до момента появления максимального контраста интерференционной картины, по которому и судят о дистанции до объекта.

Известно устройство для реализации указанного способа, содержащее последовательно установленные источник когерентного излучения интерферометр Майкельсона, включающий светоделитель, опорное зеркало, обращенное к одной из сторон поверхности светоделителя и расположенное перпендикулярно по ходу луча на модуляторе оптического пути. Модулятор оптического пути установлен с возможностью колебательного перемещения по ходу луча в заданном диапазоне и снабжен блоком измерения его положения в пространстве. Диапазон перемещений модулятора оптического пути выбирается из условия соответствия его положений и области возможных положений поверхности объекта. В то же время изменение оптического пути модулятором должно быть больше двух длин когерентности источника излучения. Это условие вытекает из требования анализа функции контраста полос, изменяющейся на этом промежутке разности оптических путей интерферирующих пучков света. Кроме того, устройство содержит фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, блок определения контракта интерференционных полос, вход которого подключен к выходу фотоприемника, блок фиксации положения модулятора оптического пути, соединенный с блоком измерения перемещения модулятора и с выходом блока определения контраста интерференционных полос.

Модулятор оптического пути представляет собой мембрану, снабженную электромагнитным двигателем в виде катушки, соединенной с источником пилообразного тока. На мембране закреплено опорное зеркало. Блок измерения положения в пространстве модулятора представляет собой измеритель подаваемого на катушку пилообразного тока и градуировочную таблицу соответствия подаваемого на катушку тока и положения опорного зеркала. Начальным положением модулятора является положение мембраны с закрепленным на ней опорным зеркалом при нулевом токе.

В известном решении такая важная характеристика сигнала, как отношение сигнал/шум, определяющая точность измерения и быстродействие, не может достигать максимального значения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения коротких дистанций до диффузно отражающих объектов путем разделения излучения когерентного источника света на два пучка, один из которых направляют на опорный отражатель, образуя опорный пучок, а другой на исследуемый объект, образуя объектный пучок, фокусировки опорного пучка в плоскость дифракционного опорного отражателя, совмещения и интерферометрического сравнения отраженных опорного и объектного пучков света, изменения оптического пути одного из пучков, измерения указанного изменения оптического пути пучка света от начального значения до момента появления максимального контраста интерференционной картины, по которому судят об искомом параметре, перед совмещением и регистрацией картины интерференционного поля осуществляют фокусировку опорного пучка в плоскость опорного отражателя, в качестве которого используют дифракционный элемент.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для определения коротких дистанций до диффузно отражающих объектов, содержащем источник когерентного излучения, на оптической оси которого последовательно установлен двухлучевой интерферометр, включающий светоделитель, модулятор оптического пути, на мембране которого установлен с возможностью колебательного перемещения опорный отражатель, модулятор соединен с блоком измерения его положения в пространстве, фотоприемник расположенный на выходе интерферометра, блок определения контраста интерференционных полос, вход которого подключен к выходу фотоприемника, блок фиксации положения модулятора оптического пути, соединенный с блоком измерения положения в пространстве модулятора и с выходом блока определения контраста интерференционных полос, согласно предполагаемому изобретению опорный отражатель выполнен в виде дифракционного элемента, а между интерферометром и источником когерентного излучения установлен объектив.

Кроме того поставленная задача решается также установкой в устройстве симметрично основному фотоприемнику относительно светоделителя дополнительного фотоприемника, в качестве которых могут использоваться матрицы, при этом разнополярные выходы симметрично расположенных фотодиодов, используемых в качестве фотоприемников, соединены, и тем, что в качестве дифракционного элемента использована либо одномерная/двумерная дифракционная решетка, либо диффузно-отражающая поверхность.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 схема устройства снабженного дополнительным фотоприемником, а также с системой измерения положения модулятора в пространстве, состоящей из двух подсистем, одна из которых измеряет относительное перемещение модулятора, а вторая определяет начальную точку, от которой ведется отсчет.

Способ реализуется при работе устройства, которое содержит источник когерентного излучения, например лазер, и последовательно расположенные объектив 2, двухлучевой интерферометр 3, выполненный, например, по схеме Майкельсона, состоящий из светоделителя 4, опорного отражателя 5, выполненного в виде дифракционной решетки, обращенной к одной из сторон светоделителя, модулятора 6 оптического пути с блоком 7 измерения его положения в пространстве, причем отражатель 5 закреплен на модуляторе 6. Модулятор 6 установлен с возможностью колебательного перемещения по ходу луча в диапазоне, соответствующем изменению оптического пути, большем двух длин когерентности источника излучения 1. Отражатель 6, закреплен на мембране (не показано), снабженной электромагнитным приводом (не показано) в виде катушки, соединенной с источником (не показано) пилообразного тока.

Диапазон перемещения модулятора 6 выбирается из условия соответствия его положений поверхности объекта 8. В то же время изменение оптического пути модулятора не может быть меньше двух длин когерентности источника излучения. Это условие вытекает из требования анализа функции контраста полос при изменяющейся на этом промежутке разности оптического пути интерферирующих пучков света.

Объектив 2 выполнен с возможностью оптического сопряжения источника излучения 1 и отражателя 5.

На выходе интерферометра установлен фотоприемник 9. Как уже отмечалось, входная апертура его должна быть равна среднему размеру пятнистой структуры света. В случае расширенной апертуры опорного пучка, фотоприемник 9 должен представлять собой матрицу фотоприемников, и число их равное количеству дифракционных порядков решетки.

Выходы матрицы фотоприемников 9 соединены с входом блока 10 определения контраста интерференционных полос. Выход последнего соединен с блоком 11 фиксации положения модулятора 6 оптического пути, который соединен с выходом блока 7 измерения положения в пространстве модулятора. Блок 10 определения контраста интерференционных полос может быть выполнен по известной схеме, например, несколько детекторов, каждый из которых соединен со своим фотоприемником, сумматор сигналов с выходов детектора, дифференциатор, и копаратор напряжения. Блок фиксации положения модулятора 11 выполнен по известной схеме и содержит два триггера, выходы триггеров подключены ко входам ячейки "исключающее или", выход который соединен с одним из входов ячейки совпадения, далее выход ячейки подключен к счетчику.

Система 12 измерения начального положения модулятора оптического пути (фиг. 2) и система 13 измерения относительного его перемещения. Оптическая часть системы 12 измерения начального положения модулятора 6 состоит из зеркал 14 и 15, а электронная часть, содержит фотоприемник 16 и блок 17 определения контраста интерференционных полос, который может быть выполнен по той же схеме, что и блок 10 определения контраста интерференционных полос. Система 13 измерения относительного перемещения модулятора 6 выполнена по известной схеме и содержит светодиод 18 и фотодиод 19, между которыми установлены два параллельных плоских растра 20, один из которых закреплен на модуляторе 6. Растры 20 ориентированы плоскостями параллельно, а штрихами перпендикулярно к нормали отражателя 5. Установочные входы указанного блока 11 соединены с выходами блоков 10 и 17 определения контраста интерференционных полос.

На фиг. 2 изображено выполнение устройства согласно которому, симметрично относительно светоделителя 4, вне апертуры осветительной системы установлен дополнительный фотоприемник 21, который также может представлять из себя матрицу, фотоприемников: причем, в качестве выходов у фотодиодов из которых состоят фотоприемники 9 и 21, используются разнополярные выводы, и эти выводы у симметрично расположенных фотодиодов соединены.

Устройство работает следующим образом.

Пучок света, излучаемый источником 1 когерентного излучения (фиг. 1) делится на два пучка, один из которых направляется на опорный отражатель 5, а другой на исследуемый объект, объектив 2 фокусирует опорный пучок в плоскость дифракционного отражателя 5. В качестве отражателя 5 может быть использован дифракционный элемент любого типа. Например, двумерная или одномерная решетка и даже диффузно отражающая поверхность. Оптимальное значение углового расстояния между порядками дифракции равна угловой апертуре зондирующего луча. Суммарная апертура отраженного от дифракционного отражателя 5 света будет определяться количеством дифракционных порядков и может больше исходной в 10 раз. Во столько же раз будет больше интерференционное поле, образованное на выходе интерферометра в результате совмещения светоделителем 4 отраженных от объекта и отражателя 5 световых полей. Таким образом, использование матричного фотоприемника 9, количество фотодиодов в котором равно числу дифракционных порядков, например, шесть, плюс один в нулевом порядке позволяют понизить вероятность малого сигнала в 1,5 раза и тем самым увеличить точность и уменьшить время измерения.

Пучки, отраженные от объекта 8 и дифракционного отражателя 5 совмещаются светоделителем 4 и интерферрометрически сравниваются.

О дистанции до объекта судят по расстоянию от светоделителя 4 до дифракционного отражателя 5 в момент появления контрастной интерференционной картины (в этот момент времени они равны) при изменении оптического пути опорного пучка, путем перемещения отражателя 5. Это перемещение осуществляется с помощью модулятора 6, который представляет собой мембрану, движимую электромагнитным приводом (не показаны). Перемещение отражателя 5 происходит обязательно по меньшей мере до спада контраста интерференционной картины. В момент появления интерференционной картины с максимальным контрастом, блок 10 определения контраста интерференционных полос выдает импульс на один из входов блока 11 фиксации положения модулятора 6 оптического пути. Кроме того в процессе работы устройства на другие входы блока 11 непрерывно поступает информация об относительном положении модулятора 6 в системе 13 измерения его относительного отражателя 5, при котором пути от светоделителя 4 до него и до зеркала 15 равны. При перемещении модулятора 6 оптического пути одновременно с ним происходит перемещение одного из растров 20, расположенного на указанном модуляторе, в направлении, параллельном нормали к отражателю 5. При этом на выходе фотодиода 19 будут появляться импульсы, временной интервал между которыми соответствует перемещению растра 20 на расстояние, равное его периоду.

Блок 11 фиксации положения модулятора 6 функционирует следующим образом. На установочные входы триггеров блока 11 поступают импульсы с выходов блоков определения контраста интерференционных полос 10 и 17. Таким образом, на выходе ячейки "исключающее или", подключенной к выходам триггеров присутствует импульс, длительность которого соответствует временному интервалу между моментами появления импульсов с блоков 10 и 17. Очевидно, этот временной интервал пропорционален разнице расстояний от светодителя до зеркала 15 и объекта, а очередность прихода этих импульсов определяет знак этой разницы. При помощи ячейки "и" блока 11 этот временной интервал заполняется импульсами, соответствующими перемещению растра 20 на один период, а затем это количество импульсов подсчитывается в счетчике. Таким образом, измерив расстояние от светоделителя 4 до зеркала 15, и учтя количество импульсов в счетчике блока 11 можно определить дистанцию светоделителя до объекта.

Устройство, включающее дополнительный фотоприемник 21, в основном, работает также, как и выше описанное. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода блока 10 удваивается. Это достигается тем, что во-первых фазы интерференционных полос в плоскостях расположения фотоприемников 10 и 21 противоположны, а во-вторых, выходные выводы симметрично расположенных относительно светоделителя 4 фотодиодов соединены и имеют противоположную полярность. Таким образом фототок на входе блока 10 удваивается. Это позволяет повысить отношение сигнал/шум в 2 раза и тем самым увеличить точность измерения и быстродействие.

Уменьшить шум на выходе блока 10 в несколько раз можно, если порог детектирования детекторов блока 10 сделать равным амплитуде шума, тогда при этом условии канал, в котором отсутствует сигнал не вносит вклад в общую мощность шума на выходе сумматора.

Наиболее успешно заявляемый способ и устройство для определения коротких дистанций до диффузно отражающих объектов могут быть использованы в машиностроении, для быстрого и прецизионного бесконтактного измерения геометрии деталей.

Формула изобретения

1. Способ определения коротких дистанций до диффузно-отражающих объектов, заключающийся в том, что разделяют излучение когерентного источника света на два пучка опорный и объектный, направляют опорный пучок на опорный отражатель, а объектный пучок направляют на исследуемый объект, отраженные от опорного отражателя и исследуемого объекта пучки совмещают и регистрируют картину интерференционного поля, изменяют оптический путь одного из пучков в диапазоне, большем двух длин когерентности источника света и измеряют изменение оптического пути этого пучка света от начального значения до момента появления максимального контраста интерференционной картины, по которому судят о дистанции до объекта, отличающийся тем, что используют в качестве опорного отражателя дифракционный элемент и перед совмещением и регистрацией картины интерференционного поля осуществляют фокусировку опорного пучка в плоскость дифракционного элемента.

2. Устройство для определения коротких дистанций до диффузно-отражающих объектов, содержащее источник когерентного излучения, на оптической оси которого последовательно расположены двухлучевой интерферометр, включающий светоделитель, модулятор оптического пути, на мембране которого установлен с возможностью колебательного перемещения опорный отражатель, причем модулятор оптического пути связан с блоком измерения его положения в пространстве, выход которого подключен к входу блока фиксации положения модулятора оптического пути, к второму входу которого подключен блок определения контраста интерференционных полос, при этом имеется фотоприемник, расположенный на выходе интерферометра на оптической оси источника когерентного излучения, к выходу которого подключен вход блока определения контраста интерференционных полос, отличающееся тем, что опорный отражатель выполнен в виде дифракционного элемента, а между интерферометром и источником когерентного излучения установлен объектив.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве дифракционного элемента использована одно- двумерная дифракционная решетка.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве дифракционного элемента использована диффузно-отражающая поверхность.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит дополнительный фотоприемник, установленный симметрично основному фотоприемнику относительно светоделителя.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве основного и дополнительного фотоприемников использована матрица фотодиодов, при этом разнополярные выходы симметрично расположенных фотодиодов соединены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2