Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Гришин Сергей Геннадьевич
ГЕТЕРОДИННАЯ ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С АНИЗОТРОПНЫМ АКУСТООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ СВЕТА
Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена на кафедре Измерительные информационные системы и технологии ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Телешевский Владимир Ильич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Киселев Михаил Иванович ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва доктор технических наук, профессор Мельников Владимир Павлович ФГБОУ ВПО МАИ (НИУ), г. Москва
Ведущая организация: ФГУП Всероссийский научно-исследовательный институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), г. Москва
Защита состоится л 12 декабря 2012 года в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д212.142.04 при ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН по адресу:
127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а, ауд. 0622.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ СТАНКИН.
Автореферат разослан л 08 ноября 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Иванов В.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современное развитие прецизионного машино- и приборостроения и других отраслей знаний невозможно без соответствующего развития метрологической базы, и, в большой степени, метрологического обеспечения линейных измерений.
Наиболее точными средствами для измерения линейных перемещений являются бесконтактные лазерные интерференционные измерительные системы (ЛИИС), построенные на принципах интерферометрии когерентного света.
Современные ЛИИС перемещений имеют дискретность измерения перемещения менее 1 нм, погрешность средства измерения в доли мкм/м и находят применение в качестве рабочих эталонов для калибровки, поверки и аттестации измерительных преобразователей перемещений и мер длины; для проверки точности позиционирования прецизионного станочного оборудования. В качестве рабочих средств измерений ЛИИС обеспечивают обратную связь по перемещению в системах позиционирования рабочих органов станков высших классов точности (В, А и С) и координатных средств измерений.
Наивысшей потенциальной точностью и помехоустойчивостью обладают ЛИИС со смещением спектра измерительного сигнала - гетеродинные измерительные системы. В ЛИИС данного типа используют методы оптического гетеродинирования, основанные на интерференции световых пучков различной оптической частоты и последующем фотоэлектрическом детектировании поля их интерференции. Этим гетеродинные ЛИИС отличаются от гомодинных, основанных на детектировании поля интерференции одночастотных световых пучков. Анализ показывает, что перспективным в гетеродинных ЛИИС является применение акустооптических устройств сдвига частоты света, которые позволяют работать на высокой несущей частоте в десятки МГц, обеспечивая максимальную скорость контролируемого объекта на уровне нескольких м/с.
В настоящее время в гетеродинных ЛИИС применяются изотропные акустооптические модуляторы (АОМ), расположенные на входе узла интерферометра (Zygo Corporation, США). Применение АОМ с изотропной дифракцией обусловлено используемой схемой преобразования оптической частоты. Для этой схемы специфичны большие акустические мощности, требуемые для возбуждения АОМ, что вынуждает применять для обеспечения точности измерений специальные охлаждающие системы, включая системы жидкостного охлаждения. Это обстоятельство затрудняет встраивание ЛИИС указанного типа в качестве измерительных преобразователей перемещений приборов и станков и ограничивает область их применения.
Исходя из перечисленного выше, актуальной является проблема разработки отечественной ЛИИС для линейных измерений, в которой были бы сняты ограничения, накладываемые на гетеродинные измерительные системы с изотропным акустооптическим преобразованием. Таким свойствам удовлетворяет разрабатываемая ЛИИС на основе анизотропного акустооптического преобразования на выходе интерферометра с высокой несущей частотой гетеродина и фазовым преобразованием измерительной информации без понижения частоты несущей.
Цель работы заключается в повышении точности, быстродействия и расширении функциональных возможностей гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для линейных измерений на принципах анизотропного акустооптического преобразования частоты света и фазового электронного преобразования измерительной информации.
Исходя из указанной цели, основные задачи исследования заключаются в следующем:
1. анализ принципов построения гетеродинных лазерных интерференционных измерительных систем для измерения и контроля линейных перемещений с субмикронной точностью и нанометрическим разрешением в широком диапазоне перемещений;
2. исследование и разработка поляризационного акустооптического преобразования частоты света на твердотельных анизотропных устройствах с избирательным фотоэлектрическим детектированием на высокой несущей частоте;
3. разработка структуры и архитектуры устройств фазового преобразования и обработки измерительной информации на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС);
4. разработка и создание экспериментальных образцов гетеродинных ЛИИС, функционирующих в различных диапазонах измерений (до 40 м) с разрешающей способностью менее 1 нм и расширенными функциональными возможностями, включая измерение отклонений от прямолинейности, параллельности, угловых измерений;
5. теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей разработанной ЛИИС.
Методологической базой исследований послужили работы Ю. В.
Коломийцова, В. И. Телешевского в области интерференционных измерений; работы В. И. Балакшия, Л. Н. Магдича, В. И. Телешевского в области исследования акустооптических устройств; работы Г. С. Горелика, В. В. Протопопова, Н. Д.
Устинова в области оптического гетеродинирования; работы F. Demarest (США), P.
Groot (США), G. E. Sommargren (США) в области гетеродинной интерферометрии;
работы M. Chapman (Великобритания), W. Lee (Великобритания), G. Jger (Германия) по гомодинной интерферометрии; работы R. J. Hocken (США), В. И. Телешевского в области объемной точности станочного оборудования; работы М. К. Чмыха, Е. Д.
Колтика в области фазометрии.
Методы исследования. В работе использовались методы теории гауссовых пучков, Фурье-оптики, интерференционной и поляризационной оптики, когерентной фотоники, статистической радиофизики, теории погрешностей. Расчет и моделирование параметров и погрешностей ЛИИС выполнялись в среде MATLAB.
Разработка накапливающих фазометров в ПЛИС выполнялась на языке VHDL.
Разработка программного обеспечения выполнялась на языке C++.
Научная новизна работы заключается:
1. в архитектуре измерительной системы с преобразованием частоты света одного из интерферирующих пучков посредством анизотропного акустооптического модулятора, установленного на выходе интерференционной схемы;
2. в способе поляризационного совмещения разночастотных оптических когерентных пучков, заключающемся в первоначальном пространственном разнесении световых пучков на поляризационном элементе на угол, равный углу между порядками дифракции света различных номеров на ультразвуковой волне, и в последующей интерференции на выходе анизотропного акустооптического преобразователя частоты света;
3. в методе измерения набега разности фаз между измерительным и опорным электрическими сигналами на основе формирования временнй нониусной шкалы посредством квантующего сигнала, полученного умножением частоты опорного сигнала на дробное число;
4. в установлении зависимости поляризационной составляющей погрешности измерения перемещения от оптической разности хода между интерферирующими пучками для различных расположений акустооптического преобразователя частоты света в интерференционной схеме.
Практическая значимость работы заключается:
1. в разработке оптической схемы ЛИИС с поляризационным преобразованием излучения и расположением анизотропного акустооптического модулятора на выходе интерферометра;
2. в разработке алгоритмов цифровой обработки измерительной информации, содержащейся в разности фаз между двумя интерферирующими световыми волнами; в разработке накапливающих фазометров на ПЛИС;
3. в разработке электронных схем преобразования измерительных сигналов высокой несущей частоты: генерации, фотоэлектрического детектирования, фильтрации, усиления, аналого-цифрового преобразования;
4. в разработке программного обеспечения для сбора, отображения, обработки измерительной информации о линейном перемещении объекта;
5. в метрологическом исследовании, обеспечивающем оценку потенциальной точности разработанной ЛИИС в зависимости от влияния шумовых факторов на этапах генерации и преобразования сигналов измерительной информации;
6. в создании действующих экспериментальных образцов ЛИИС гетеродинного типа на основе преобразователей перемещение - фаза с разрешением 0,6 нм на несущей частоте 40 МГц.
Реализация работы. Материалы исследований и результаты диссертации использовались при выполнении работ, в которых соискатель был ведущим исполнителем:
1. гранта Минобразования А03-3.20-102 Лазерные акустооптические интерференционные системы для линейно-угловых измерений в прецизионных и нанометрических технологиях, 2003г. - 2004 г.;
2. НИОКР Минобрнауки Разработка универсальных лазерных интерференционных измерительно-вычислительных систем для повышения точности измерительного и обрабатывающего оборудования в авиационно-космических технологиях, 2004г. - 2005 г.;
3. государственного контракта с Минпромторгом РФ шифр ОПК-8-0Разработка технологий производства импортозамещающих лазерных интерференционных измерительных устройств как базовой системы для контроля точности в составе прецизионных станков, координатно-измерительных машин и измерительных приборов, 2007г. - 2009 г.
Результаты диссертации внедрены в Государственном инжиниринговом центре МГТУ СТАНКИН и используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 200100 Приборостроение, 221700 Стандартизация и метрология.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы обсуждались и докладывались:
1. на международной научно-технической интернет-конференции Нанотехнология - технология XXI века, г. Москва, 2004 г.;
2. на V международном конгрессе Конструкторско-технологическая информатика-2005, ГОУ ВПО МГТУ СТАНКИН, г. Москва, 2005 г.;
3. на конференции Лазеры, измерения, информацияЦ2007, г. С.-Петербург, 2007 г.;
По теме исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и трех приложений. Общий объем работы 200 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ построения серийных гомодинных и гетеродинных лазерных интерференционных систем для измерения линейных перемещений с субмикронной точностью и нанометрическим разрешением.
Классические гомодинные системы имеют простую конструкцию узла излучателя, но требуют применения в узле детектирования громоздких четырех идентичных каналов оптоэлектронного преобразования измерительной информации для определения направления движения подвижного отражателя и снижения влияния на результат измерения изменения уровня измерительного сигнала, обусловленного колебаниями мощности лазера и дифракционной расходимостью измерительного пучка.
К недостаткам компактной растровой схемы узла детектирования гомодинной ЛИИС компании Renishaw (Великобритания) можно отнести необходимость применения растрового матричного фотоприемника, разработанного по индивидуальному заказу, и чувствительность системы к угловым рассогласованиям между опорным и измерительным пучками. Однако простота доставки одночастотного лазерного излучения с помощью оптического волокна к узлу интерферометра и возможность интеграции узла интерферометра и узла детектирования делают оправданным применение данного типа ЛИИС в качестве рабочего средства измерений в составе координатных средств измерений и технологического оборудования.
Преимущество гетеродинных ЛИИС, имеющих бльшую потенциальную точность по сравнению с гомодинными ЛИИС, заключается в малой чувствительности к дрейфу уровня измерительного сигнала и низкочастотным шумам фотоприемника, простой конструкции узла детектирования, содержащего один или два фотоприемника. При этом в гетеродинных ЛИИС используется фазовое преобразование измерительной информации после фотодетектирования с помощью накапливающего фазометра. Однако наличие частотного преобразования на входе узла интерферометра не позволяет применять оптическое волокно для доставки двухчастотного излучения к узлу интерферометра, что ограничивает область применения гетеродинных ЛИИС в основном рабочими эталонами в составе метрологических комплексов.
Серийные ЛИИС гетеродинного типа с частотным преобразованием на основе акустооптических модуляторов с частотами возбуждения на уровне десятков МГц допускают бльшие скорости перемещения подвижного отражателя по сравнению с другими типами гетеродинных ЛИИС (например, ЛИИС с частотным преобразованием на основе эффекта Зеемана). Это позволяет повысить скорость и точность измерений. Однако высокие мощности возбуждения изотропных акустооптических модуляторов, которые используются в серийных изделиях, приводят к необходимости применения систем охлаждения для достижения заданных метрологических характеристик. При интеграции системы преобразования частоты в узел излучателя иногда требуется применение водяного охлаждения. Таким образом, при высочайших метрологических характеристиках применение ЛИИС гетеродинного типа на основе АОМ ограничено стационарными конфигурациями.
На основе вышеизложенного принято разрабатываемую ЛИИС строить по гетеродинному принципу, но с расположением АОМ на выходе узла интерферометра.
Преимущества указанного построения ЛИИС раскрываются во второй главе при подробном рассмотрении структуры ЛИИС.
При разработке экспериментальных образцов ЛИИС цифровую фазовую обработку целесообразно производить на многократно программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Анализ методов цифровой фазометрии, на которых базируется накапливающий фазометр гетеродинной ЛИИС, показал, что наиболее подходящим с точки зрения реализации в ПЛИС (с учетом ограниченного набора примитивов и макросов, составляющих технологический базис ПЛИС) является метод дискретного счета с оптимальным дробным отношением частот квантования и опорного сигнала.
Во второй главе проводится теоретический анализ разрабатываемой ЛИИС гетеродинного типа, структурная схема которой (см. рисунок 1) состоит из четырех узлов: узла излучателя (Л), узла интерферометра (И), узла детектирования (Д) и узла обработки (О). Принципиальной особенностью разрабатываемой ЛИИС является размещение преобразователя оптической частоты в узле детектирования после прохождения опорным и измерительным пучками узла интерферометра.
И Д x +f д О +f 0 R N 15 +f -f д 0 x 22 f f 0 0 Рисунок 1 - Структурная схема разрабатываемой ЛИИС Монохроматическое излучение 2 одночастотного лазера 1 с линейной поляризацией под углом 45 и частотой поступает на поляризационный светоделитель 3, осуществляющий разделение лазерного луча на опорный 4 и измерительный 5. После разделения опорный луч с вертикальной поляризацией направляется на неподвижный отражатель 6, а измерительный луч с горизонтальной поляризацией направляется на подвижный отражатель 7, который жестко связан с объектом, относительное перемещение которого требуется определить.
После объединения лучи направляются на узел детектирования, распространяются коллинеарно, но обладают ортогональными направлениями поляризации. Опорный луч 4 имеет частоту , измерительный луч после отражения от подвижного отражателя приобретает частоту ( + fД), где fД - частота Доплера, зависящая от скорости v подвижного отражателя: fД = 2v/.
Для преобразования частоты оптического излучения в узле детектирования расположена пара оптических элементов призма Волластона 8 - акустооптический модулятор 9 (ПВ - АОМ). Призма Волластона разделяет опорный 4 и измерительный 5 лучи различных поляризаций и направляет их на анизотропный модулятор под углами, соответствующими углам дифракции Брэгга для данного модулятора и частоты f0 акустической волны. Модулятор возбуждается радиочастотным генератором 15 (драйвером АОМ), формирующим гармонический сигнал с опорной частотой f0, амплитуда которого выбирается из условия равенства интенсивностей пучков нулевого и первого (или нулевого и минус первого) порядков дифракции на модуляторе.
Модулятор пропускает нулевые порядки опорного 10 и измерительного пучков без изменения направления распространения, состояния поляризации и оптической частоты и формирует первый порядок дифракции опорного пучка 12 с измененным состоянием поляризации и частотой ( + f0) таким образом, что на выходе модулятора оказываются совмещенными и интерферируют нулевой измерительный порядок 13 с частотой ( + fД) и первый опорный порядок 12 с частотой ( + f0) с равными состояниями поляризации (в данном случае с горизонтальной поляризацией). Направления поляризаций всех лучей условно показаны на рисунке 1 стрелками. Пара пучков 12 и 13 попадает на фотоприемник 14, являющийся квадратичным детектором поля. Сигнал uгт на выходе фотоприемника пропорционален интенсивности поля Iгт падающего света с напряженностью Eгт = (E1 + E2), где E1 и E2 - напряженности поля первого порядка дифракции опорного пучка и поля измерительного пучка соответственно:
uгт ~ Iгт = EгтEгт* = Eоп2 + Eизм2 + 2EопEизмcos(2f0t + 2fДt), (1) где Eоп и Eизм - комплексные амплитуды полей E1 и E2.
Полосовой усилитель, настроенный на центральную частоту f, пропускает на выход только переменную (uгт)~ составляющую сигнала uгт, выражаемую третьим слагаемым в правой части равенства (1).
Узел обработки реализует накапливающий фазометр. Измерительный сигнал поступает на элемент контроля уровня R сигнала 17, блокирующем прохождение сигнала при превышении или недостаточном его уровне. Далее измерительный и опорный сигналы поступают на компараторы 18 и 19 и попадают на фазометр 20, определяющий текущее значение разности фаз и схему подсчета скачков фазы 21, фиксирующую количество N перескоков фазы на 2 с учетом знака. Интегратор определяет набег фазы Ф сигнала (uгт)~ за заданный интервал времени t от начального момента tн до конечного момента tк перемещения подвижного отражателя, т.е. интегрирует частоту Доплера fД за время t = tк - tн:
tк Ф = fД (t)dt = 2N + к - н.
tн Масштабный преобразователь 23 выполняет операцию представления измерительной информации о перемещении подвижного отражателя непосредственно в единицах длины волны света в вакууме 0:
x = [0/(4n)]Ф, где n - показатель преломления среды распространения измерительного луча.
Элементы 20 - 22 реализованы в ПЛИС. Особенностью узла обработки является определение текущей разности фаз без понижения несущей частоты f0, значение которой составляет 40 МГц.
Предложенная схема построения гетеродинной ЛИИС перемещений обладает следующими преимуществами по сравнению с существующими:
1. Применение акустооптического модулятора позволяет использовать высокие частоты модуляции оптического излучения (f0 = 40 МГц), что обеспечивает полноценную дифракцию Брэгга (отсутствуют потери мощности на паразитные дифракционные порядки) с большим значением угла разведения лучей (удобство и малые габариты оптической схемы); ослабляет требования к добротности полоснопропускающих фильтров.
2. Применение схем получения и обработки фазового сдвига без понижения частоты несущей позволяет проводить измерения на высоких скоростях движения рабочего органа станка, что повышает быстродействие и точность выполнения измерительных процедур.
3. Размещение модулятора оптического излучения после узла интерферометра позволяет проводить преобразование гомодинных систем в гетеродинные; обеспечивает возможность подведения оптического излучения к интерферометру с помощью оптического волокна.
4. Применение анизотропного акустооптического модулятора обеспечивает минимизацию уровня электрической мощности возбуждения и нормализацию температурного режима модулятора, а следовательно, допускает возможность конструктивного размещения модулятора вместе с интерферометром при сохранении высоких метрологических характеристик.
Рассматриваемая в диссертации математическая модель оптоэлектронных преобразований позволяет оценить влияние различных факторов (см. рисунок 2) на погрешность измерения перемещения.
Рисунок 2 - Влияющие факторы для ЛИИС Зависимость набега фазы Ф(t) между измерительным и опорным электрическими сигналами на входе фазометра от перемещения x(t) объекта и регулярных составляющих влияющих факторов можно представить в следующем виде:
Ф = 4nx`/0 + 4(nЦnн)xн + пол[(xн+x`)n], (2) где n и nн - текущий и начальный показатели преломления среды распространения измерительного пучка; xн - начальное перемещение объекта относительно точки равных оптических путей, введенное для учета смещения начальной точки от температуры - погрешности мертвого хода; x` - линейная функция относительно измеряемого текущего перемещения x, определяемая геометрическими погрешностями юстировки (косинусной и Аббе); пол - функция, определяющая поляризационную погрешность измерения ЛИИС, обусловленную отклонением направлений поляризации излучения от идеальных. В диссертации выведены аналитические зависимости для составляющих поляризационной погрешности на основе применения матриц Джонса. Показано, что при определенных допущениях разрабатываемая гетеродинная ЛИИС (как и гомодинные ЛИИС) нечувствительна к постоянному значению эллиптичности лазерного излучения (эллиптичность вносит лишь постоянную фазовую добавку), которая приводит к периодической относительно оптической разности хода sопт погрешности s в серийных гетеродинных ЛИИС с расположением АОМ на входе интерферометра (см. рисунок 3).
s, нм 0.0.0.0.0.-0.-0.-0.-0.-0.0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10s, нм опт Рисунок 3 - Поляризационная погрешность s при эллиптичности в 0,01 рад.
Средний квадрат фазового шума вх на входе фазометра после оптоэлектронного преобразования можно оценить, используя выражение:
2f qI0 (оп изм ) 2SPNEP 2 вх = + (2f0)2 Jфпч, 2 SI0 свопизм где f - полоса пропускания аналогового фильтра; q - заряд электрона; I0 - интенсивность излучения лазера; S - чувствительность фотодетектора; PNEP - эквивалентная оптическая мощность шумов усилителя; Jфпч - средний квадрат джиттера подсистемы ФАПЧ для формирования сигнала квантования фазометра; оп и изм - коэффициенты потерь оптической мощности, учитывающие несогласованность размера чувствительной площадки фотодетектора и диаметра пучка, виньетирование, дифракционную расходимость опорного и измерительного пучков; св - коэффициент связи, учитывающий неполное согласование волновых фронтов и степень перекрытия оптических пучков. В диссертации приводятся парциальные зависимости коэффициентов оп, изм, св от вышеперечисленных факторов.
Аддитивные шумовые компоненты набега фазы л и д, обусловленные шириной спектральной линии лазера и драйвера АОМ, как показано в диссертации, вносят незначительный вклад в погрешность перемещения ЛИИС.
Метод дискретного счета с оптимальным дробным отношением N/K (N, K - целые) частот квантования fкв и опорного сигнала f0, предназначенный для реализации в накапливающем фазометре, основан на формировании смещаемой в каждом периоде опорного сигнала (с периодом T0 = 1/f0) последовательности импульсов квантования на величину T0/N, составляющую 1/K долю периода сигнала квантования и определяющую разрешающую способность метода, и последующем усреднении K значений фазы. Усреднение выполняется после учета скачков фазы.
Среднеквадратическое значение погрешности квантования 2 = 2/(N 12 ) кв позволяет обеспечить нанометрическое разрешение при использовании ПЛИС путем соответствующего выбора параметра N. Погрешность фазометра (ск) = определялась методом статистического моделирования для заданной спектральной плотности мощности Sвх(f) входного шума вх (см. рисунок 4).
1.(ск)N/(2) 0.0.0.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 вх(ск)N/(2) Рисунок 4 - Погрешность фазометра при наличии шума наблюдения Акустооптическое преобразование исследовалось для геометрии неколлинеарных широкоапертурных фильтров, обладающих малой чувствительностью к угловому рассогласованию пучков относительно АОМ.
На основе оценок составляющих погрешности измерения перемещения ЛИИС был составлен оценочный бюджет неопределенностей и получено значение стандартной неопределенности измерения uB ЛИИС, оцениваемой по типу В, при типичных значениях воздействующих факторов:
uB = [(7 нм)2 + (1,5L10-7)2]1/2, где L - значение измеряемого перемещения.
В третьей главе приводятся сведения о разработке экспериментальных образцов ЛИИС и результаты метрологического анализа разработанной ЛИИС гетеродинного типа А2 (см. рисунок 5).
Рисунок 5 - Фотография гетеродинной ЛИИС АРезультаты исследования акустооптического преобразования на пяти образцах модуляторов из парателлурита (разработка д.т.н., проф. Л. Н. Магдича, ОАО НИИ Полюс им. М. Ф. Стельмаха) подтвердили перспективность использования анизотропных АОМ, электрическая мощность возбуждения которых для рабочей точки дифракции, при которой половина выходной оптической мощности перекачивалась в первый дифракционный порядок, не превышала 100 мВт. Угол разведения порядков дифракции составлял 2,2 градуса; эффективность дифракции была не менее 85%.
На первом этапе метрологического анализа определялись характеристики фазоизмерительного канала, на втором - ЛИИС в целом.
Накапливающий фазометр фазоизмерительного канала реализован на ПЛИС семейств Spartan-3, 3AN (Xilinx) с частотой квантования fкв = (513/128)40 МГц = = 160,3124 МГц. Метод обеспечивает временне разрешение на уровне кв = Tоп/513 = 49 пс, где Tоп - период опорного сигнала (Tоп = 25 нс), что соответствует разрешению по перемещению xр = 0,6 нм.
Характеристика преобразования фазоизмерительного канала, содержащего разработанный накапливающий фазометр на ПЛИС, на интервале однозначности генератора-калибратора представлена на рисунке 6.
211--1-1-2-150 -100 -50 0 50 100 1заданное значение разности фаз между каналами 2 и 1, град.
Рисунок 6 - Характеристика преобразования фазоизмерительного канала С учетом полученных данных для фазоизмерительного канала заявлены следующие метрологические характеристики:
1. предел допускаемого значения систематической составляющей основной погрешности: 3 (2,6 нм);
2. предел допускаемого значения среднеквадратического отклонения (СКО) случайной составляющей основной погрешности: 1 (0,9 нм).
Накапливающий фазометр сохранял работоспособность в диапазоне частот измерительного сигнала fизм = (4017) МГц. Приведенные данные свидетельствуют о возможности встраивания фазоизмерительного канала в ЛИИС допустимой скоростью контролируемых перемещений до 5,3 м/с.
Для проверки метрологических характеристик системы в целом было предложено и проведено коллинеарное сличение показаний разработанной гетеродинной ЛИИС А2 и гомодинной ЛИИС XL-80, Renishaw (см. рисунок 7), основанное на применении одного лазера и одного набора оптических элементов интерферометра.
В схеме коллинеарного сличения колебания температуры и неточность задания перемещения задатчиком одинаковым образом отражается на показаниях ЛИИС.
Коллинеарное сличение возможно только для гетеродинных систем с расположением измеренное значение разности фаз, град.
частотного преобразования на выходе узла интерферометра, в частности, для разработанной ЛИИС А2 (см. рисунок 7).
3 Рисунок 7 - Коллинеарное сличение ЛИИС А2 и XL-80 (Renishaw) Цифрами на рисунке 7 отмечены следующие позиции:
1 - лазерный блок гомодинной ЛИИС XL-80 (Renishaw);
2 - лазерный блок разработанной гетеродинной ЛИИС А2;
3 - разработанный для проведения сличений задатчик перемещения с диапазоном Lmax(з) = 5 мм;
4 - неполяризационный светоделитель для размножения коллинеарных опорного и измерительного пучков различных поляризаций.
иниями со стрелками на рисунке 7 отмечен ход опорного и измерительного пучков. Сличение проводилось на интервале L = 200 мм путем перемещения задатчика вдоль направляющей в последовательный ряд позиций с шагом 40 мм (без прерывания процесса измерений), изменения в каждой позиции положения подвижного отражателя, размещенного на задатчике, в диапазоне Lmax(з) = 5 мм с шагом 0,5 мм и сравнения показаний ЛИИС. Результаты сличения в одной из позиций задатчика на границе интервала L = 200 мм представлены на рисунке 8.
По оси x графика отложено относительное перемещение x подвижного отражателя. По оси y - разность ( x x ) выборочных средних показаний гомодинной 2 ( x ) и гетеродинной ( x ) ЛИИС. По результатам измерений можно сделать вывод, что 2 на интервале L = 200 мм не наблюдается прогрессивных отклонений, линейно зависящих от x, а значения отклонений сравнимы по величине с неопределенностью единичных измерений гомодинной и гетеродинной ЛИИС, обусловленных, главным образом, нестабильностью самого задатчика перемещений.
x x 2 нм стандартная неопределенность единичного измерения u гомодинной ЛИИС x1 2 3 4 5 x, мм -стандартная неопределенность единичного -измерения u гетеродинной ЛИИС xРисунок 8 - Результаты сличения ЛИИС Проведенные исследования функционирования ЛИИС на больших базах (Lmax = 10 м) и при высоких скоростях перемещения отражателя (vmax = 1,5 м) по критериям отсутствия ложных скачков фазы и пропадания измерительного сигнала показали положительные результаты.
По техническому заданию автора компанией Наноспектрум инструментс (Россия) была разработана подсистема компенсации влияния параметров окружающей среды на результат измерения перемещений, обеспечивающая расширенную неопределенность измерения показателя преломления un 210-7 (k = 2).
С учетом относительной неопределенности длины волны лазера (не более 10-7 в течение года), возможностей контроля условий окружающей среды, проведенных сличений для разработанной ЛИИС заявляются следующие характеристики:
расширенная неопределенность измерения перемещений u = 0,5 мкм/м (коэффициент охвата k = 2) при температуре T = 20 2C; максимальная скорость перемещения объекта vmax = 1,5 м/с (при расширении полосы пропускания аналоговых фильтров фазоизмерительного тракта может быть увеличена до 5,3 м/с); диапазон измерения перемещения Lmax = 10 м (работоспособность в диапазоне контролируемых перемещений Lmax = 40 м с использованием дополнительного коллиматора показана теоретически).
В четвертой главе рассмотрены перспективные направления развития разработанной ЛИИС перемещений гетеродинного типа.
Одним из направлений развития ЛИИС является расширение функциональных возможностей. Поскольку функциональность ЛИИС определяется узлом интерферометра, не затрагивая остальные аппаратные узлы, разработанную систему можно адаптировать для измерения различных геометрических величин: угловых перемещений, отклонений от плоскостности, параллельности, перпендикулярности.
Другое направление развития связано с конструктивными улучшениями узлов ЛИИС с целью повышения метрологических характеристик, уменьшения габаритов и потребляемой мощности:
1. Замена газового лазера на полупроводниковый. Одним из перспективных, но еще не нашедших применения в серийных ЛИИС, методов стабилизации частоты полупроводниковых лазеров, сочетающим высокую относительную стабильность длины волны на уровне 10-7 с компактностью лазера, является метод стабилизации с использованием микросферических резонаторов.
2. Применение оптических волокон. Разработанная ЛИИС предоставляет возможность применения оптического волокна как для доставки лазерного излучения в интерферометр (что затруднено для серийных гетеродинных систем), так и для вывода поля интерференции из узла интерференции в узел детектирования (в отличие от гомодинных систем требуется только одно волокно).
3. Применение зеркал в узле интерферометра. Оптическая схема ЛИИС с использованием компактного интерферометра с отражательными зеркалами вместо призм, известная из гомодинной интерферометрии (SIOS Metechnik GmbH, Германия), упрощается при адаптации ее для разработанной ЛИИС гетеродинного типа из-за уменьшения количества фотоприемников до одного. На рисунке 9 показан фрагмент структуры разработанной ЛИИС, интегрированной с зеркальным интерферометром (узлы обработки и детектирования не показаны).
На рисунке 9 отмечены следующие позиции: 1 - лазер; 2 - одночастотное излучение; 3 - компактный поляризационный светоделитель; 4 - опорный пучок; 5 - измерительный пучок; 6а и 7а - четвертьволновые пластины; 6 - неподвижное зеркало; 7 - подвижное зеркало. Поляризации излучения показаны на рисунке стрелками.
Перечисленные направления развития ЛИИС показывают перспективность принципа построения ЛИИС, лежащего в основе разработанной системы.
И 4c 4b 6a Л +f 4a +f Д д 7a 5c 2 5a 5b 3 +f Д +f x Д 5d 4d Рисунок 9 - ЛИИС на основе компактного зеркального интерферометра В заключении изложены основные выводы и результаты, полученные в работе.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Повышение точности измерительной системы обеспечивается и подтверждается следующими положениями:
а) теоретически показано, что при расположении схемы акустооптического преобразования частоты на выходе интерференционной схемы исключается составляющая поляризационной погрешности, обусловленная эллиптичностью излучения лазера;
б) экспериментально показано, что предложенный в работе способ совмещения опорного и измерительного разночастотных пучков непосредственно в анизотропном акустооптическом модуляторе обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на выходе аналогового фильтра узла обработки 42 дБ, обеспечивая потенциальную чувствительность определения перемещения на уровне 0,3 нм;
в) полученные экспериментально параметры фазоизмерительного канала ЛИИС (в единицах длины): номинальная ступень квантования xр = 0,6 нм; предел допускаемого значения СКО случайной составляющей основной погрешности xп(ск) = 0,9 нм при частоте несущей f0 = 40 МГц, свидетельствуют о пригодности использования фазоизмерительного канала в ЛИИС гетеродинного типа с нанометрическим разрешением;
г) экспериментальные результаты сличения разработанной системы с гомодинной ЛИИС показывают сравнимый уровень точности (значение расширенной неопределенности измерений u = 0,510-6 (k = 2)), что свидетельствует о высоких метрологических характеристиках системы.
2. Повышение быстродействия ЛИИС подтверждается экспериментально:
а) работой накапливающего фазометра на несущей частоте f0 = 40 МГц в диапазоне частот измерительного сигнала fизм = (4017) МГц без понижения частоты несущей, что обеспечивает превосходство в максимальной скорости контролируемых перемещений на 20% по сравнению с известными серийными гетеродинными акустооптическими системами (vmax = 5,3 м/c вместо vmax = 4,4 м/c).
б) работоспособностью ЛИИС с максимальной скоростью контролируемых перемещений vmax = 1,5 м/c, что обеспечивает превосходство в скорости на 50% по сравнению с известными гетеродинными ЛИИС зеемановского типа (vmax = 1 м/c).
3. Расширение функциональных возможностей обеспечивается:
а) применением разработанной ЛИИС в качестве измерительных преобразователей перемещений из-за простоты доставки лазерного излучения к интерферометру посредством элементов волоконной оптики;
б) возможностью замены интерференционного узла для проведения других видов измерений: угловых, отклонений от прямолинейности, параллельности, перпендикулярности.
4. С помощью построенной математической модели влияния собственных шумов ЛИИС на погрешность измерения перемещения теоретически показано, что:
а) среднеквадратическое значение фазового шума на выходе фазометра не превосходит двух номинальных ступеней квантования, величина которой составляет xр = 0,6 нм;
б) наибольший вклад в фазовый шум на выходе фазометра вносит фазовый шум подсистемы ФАПЧ и амплитудный шум усилителя фототока (среднеквадратическое значение шума на уровне xр = 0,6 нм). Наименее значимым является фазовый шум, обусловленный шириной спектральной линии лазера и драйвера АОМ (менее 0,02xр). Дробовый шум от сигнальной засветки фотоприемника находится на промежуточном уровне (на уровне 0,2xр);
в) накапливающий фазометр обеспечивает подавление уровня фазовых шумов ЛИИС от 20% до 40% (отношение среднеквадратических значений на выходе и входе фазометра) в зависимости от уровня фазового шума на его входе.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Телешевский В. И., Гришин С.Г. Гетеродинная лазерная интерферометрия с цифровым фазовым преобразованием измерительной информации // Измерительная техника. - М. : ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ, 2006. - №6. - С. 13Ц18.
2. Гришин С. Г. Оценка фазовой погрешности в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Измерительная техника. - М. : ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ, 2011. - №8. - С. 11Ц13.
3. Гришин С. Г. Анализ поляризационной составляющей погрешности измерения в гетеродинных лазерных интерференционных измерительных системах // Метрология. - ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ, 2011. - №12. - С. 19Ц34.
Статьи и материалы конференций:
4. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Цифровая обработка измерительных сигналов гетеродинных лазерных интерферометров с использованием программируемой логики // Материалы Международной научно-технической интернет-конференции Нанотехнология - технология XXI века. - М. : Изд-во МГОУ, 2004. - С. 17Ц28.
5. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Построение измерительной информационной системы для нанометрологии на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии // Труды конгресса V международный конгресс Конструкторскотехнологическая информатика-2005. - М. : И - ГОУ МГТУ Станкин, Янус-К, 2005. - С. 146Ц150.
6. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Гетеродинный лазерный интерферометр с цифровой обработкой измерительной информации для нанометрологии // Компетентность. - М. : Академия стандартизации, метрологии и сертификации, 2005.
- №9. - С. 34Ц39.
7. Teleshevskii V. I. Grishin S. G. A heterodyne laser interferometer with digital phase conversion // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2006. - V. 49. - N. 6.
- P. 526Ц529.
8. Телешевский В. И., Гришин С. Г. Цифровые фазовые преобразования измерительной информации в гетеродинной лазерной интерферометрии высокого разрешения // Вестник Санкт-Петербургского отделения Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова. - СПб. : Изд-во Политехнического ун-та, 2007. - №3. - С. 90 - 102.
9. Телешевский В. И., Гришин С.Г. Измерительная информационная система для нанометрологии // Вестник МГТУ Станкин. - М. : МГТУ Станкин, 2008. - №2(2). - С. 33Ц40.
10. Teleshevsky V. I., Grishin S. G. Digital transformations of the phase measurement information in the high resolution heterodyne laser interferometry // Proceedings of SPIE. - 2008. - V. 7006. - P. 70060E-1Ц70060E-7.
11. Grishin S. G. Estimating phase errors in heterodyne laser interferometer measurement systems // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2011. - V. 54. - N. 8. - P. 865Ц868.
12. Grishin S. G. An analysis of the polarization component of the measurement error in heterodyne laser interferometer measurement systems // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2012. - V. 54. - N. 12. - P. 1378Ц1387.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям