Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

2.2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1

излучает две волны с частотами ?1 и ?2, одна из которых поляризо-

вана параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа.

Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для фор-

мирования опорного сигнала I0. Поляризационная призма-куб 3 раз-

деляет составляющие излучения разных частот и направляет их в

разные плечи интерферометра. Пластины ?/4 - позиция 7, оптические

оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют сос-

тояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. По-

ляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков,

возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I1. После поляри-

заторов 6, ось пропускания которых составляет угол 450 с плос-

костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час-

тотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения.

Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения раз-

ности частот, которые они обеспечивают, ограничены, в качестве

источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая

частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптически-

ми модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в од-

ном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал

I0 может быть получен непосредственно из модулирующих сигналов,

подаваемых на акустооптические модуляторы.

Частота частотной модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения . Однако при использовании акустооптических модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для современных ЛИС около 10 мкс .

Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции,

допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС

считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических. Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин, изменение которых можно преобразовать в изменение еометрической или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и др.).

Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон изменения интенсивности имеет вид

(4)  

где I1 и I2 - интенсивности, ?1 и ?2 - оптические частоты, ?1 и ?2 - фазы интерферирующих волн.

Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.

Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту ?b=??1-??2 последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.

Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг ?=??L/?, эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны ? при

ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.

Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б)

?(t)=???t*?b

между опорным и измерительным сигналами биения:

I0(t)=A0 *COS[2?(?1-??2)t+(?1-?2)] ,

 (5)

I1(t)=A1 *COS[2?(?1-??2)t+(?1-?2)+??(t)] ,

где A0 и A1 - их амплитуды.

Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами

подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслежи-

вают разность ?N=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не

меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны

f?=f1=??1???2, и ?N=0. При движении отражателя 4 частота биения

измерительного сигнала становится равной f1=??1-??2+??, где

??=??(t) /??t. Изменение ГРХ равно ??L=?????=(N1-N0)*?.

Знак при ?n зависит от направления движения отражателя 4.

Связь между знаками ?L и ??? остается однозначной до тех пор, пока

[???]<[??1-??2]. Чтобы исключить влияние низкочастотных шумов на ра-

боту ЛИС, обеспечивают ¦???¦<[??1-??3]+??ш, где ?ш - верхняя гранич-

ная частота шумов. Таким образом, в ЛИС со счетом полос на основе

частотной модуляции имеет место принципиальное ограничение ско-

рости изменения измеряемых расстояний. В современных ЛИС она не

превышает 1 м/с.

При счете числа биений сигналов дискрета измерения при-

ращений ГРХ равна ?. Для повышения точности измерения уменьшают

дискрету счета, умножая частоты этих сигналов в электронной сис-

теме. Чаще всего обеспечивают дискрету ?/64 .

Метод счета полос на основе частотной модуляции, также как и

на основе квадратурных интерференционных сигналов, не ограничива-

ет максимальное значение измеряемых расстояниий, которые в из-

вестных ЛИС достигают 100 м.

ЛИС со счетом полос применяют для измерения больших расстоя-

ний и быстрых линейных перемещений с интерференционной точностью.

Благодаря достигнутому уровню технических характеристик и высокой

надежности они находят широкое применение в метрологии (аттеста-

ция станков и технологического оборудования, поверка вновь разра-

батываемых интрументов измерения расстояний и т.д.). Очень перс-

пективная область их применения - преобразователи линейных пере-

мещений координатно-измерительных систем станков и технологичес-

кого оборудования.