Исследование возможности создания автоколлиматора на основе схемы дифракционного интерферометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование возможности создания автоколлиматора на основе схемы дифракционного интерферометра

Соколов Ю.А.

Назаров В.Н.

Theska R.

Университет ИТМО,

Технический университет Ильменау

Рассмотрена компактная дифракционная схема контроля малых угловых перемещений, обладающая высокой чувствительностью (<4") и простотой реализации. Представлена математическая модель, описывающая распределение интенсивности излучения в плоскости регистрации. Результаты экспериментов (ТУ Ильменау, ФРГ) подтвердили основные теоретические положения работы. дифракционный излучение интерферометр

В настоящее время для юстировки и проведения угловых измерений широко применяются различные оптико-электронные приборы и датчики.

Растровые датчики и автоколлиматоры используются во многих задачах угловых измерений [1]. Достоинствами фотоэлектрических автоколлиматоров являются малая погрешность измерений (0,01 - 3)" [2, 3], а также высокая скорость и возможность автоматизации измерений. К их недостаткам относятся высокая стоимость и большие габариты приборов, вызванные необходимостью использования длиннофокусных объективов (f=100-1000 мм). Альтернативой фотоэлектрическим автоколлиматорам служат различные когерентно-оптические схемы контроля, использующие волновую природу света. Эти методы обладают рядом достоинств, главные из которых - высокая точность, относительная простота конструкции, невысокие требования к оптике, дешевизна и малые габариты. А их недостатками являются: значительно меньший диапазон измерений при сравнимой чувствительности (в случае дифракционных методов контроля) [4]; сложность конструкции при большом диапазоне измерений (для интерферометрических схем контроля) [1]; специфичность конструкции, которая делает невозможным использование схемы для автоколлимационных измерений, но обладает высокой чувствительностью и большим диапазоном измерений при использовании схемы в качестве углоизмерительного датчика [5]. Кроме того попытка [6] упростить схему из [4] с целью получения более компактного дифракционного автоколлиматора привела к увеличению погрешности измерений. В этой связи представляют интерес разработка и исследование новых схем дифракционных методов контроля, свободных от вышеуказанных недостатков.

В настоящей работе исследуется схема измерения малых угловых перемещений, основанная на анализе интерференционной картины, образованной дифракционным интерферометром. В отличие от схем интерферометров с делением пучка излучения в дифракционном интерферометре оба интерферирующих волновых фронта формируются дифракционными элементами, например, щелевыми апертурами. Такой подход упрощает конструкцию интерферометра и его юстировку, уменьшает его габариты и цену.

Исследуемая в данной работе схема представлена на рис. 1. Здесь перед линзой установлена плоскопараллельная стеклянная пластина с нанесенным отражающим покрытием, в котором сделаны одинаковые прямоугольные отверстия. Пластина с помощью автоколлимационного зеркала освещается наклонным коллимированным пучком излучения от лазерного источника. В плоскости приемника наблюдается суперпозиция интерференционных картин от каждой из трех пар щелевых апертур и дифракционной картины от одной апертуры. Чувствительность к углу поворота автоколлимационного зеркала во всех точках одной интерференционной картины постоянна. При этом чувствительность интерференционной картины, образованной осевой парой апертур (имеющих нулевые поперечные смещения от вертикальной штрихпунктирной линии v1=v2=0), минимальна и определяется расстоянием между апертурами вдоль штрихпунктирной линии и углом падения излучения. Чувствительность внеосевой интерференционной картины (от пары апертур, расположенной на наклонной штриховой линии и имеющих v1=0; v4?0) растет с увеличением величины поперечного смещения апертуры от оси системы v4 (рис. 1) и не зависит от угла падения излучения и расстояния от пластины до призмы. Описанные явления дают возможность одновременного получения нескольких измерительных сигналов с заданной чувствительностью и позволяют расширить диапазон абсолютных измерений за пределы одного колебания интенсивности. Такая схема, обладая большей чувствительностью и диапазоном измерений, является более компактной по сравнению со схемой без призмы и с одной парой апертур, исследованной в [7, 8].

Рис. 1. Схема дифракционного автоколлиматора

В ходе оценки чувствительности данной схемы была получена модель интерференции двух точечных источников, расположенных с двух сторон от стеклянной плоскопараллельной пластинки, толщина которой равна геометрической длине хода осевого луча в призме. Результаты расчетов по полученной модели подтвердили предположение о высокой чувствительности схемы.

Для проверки полученных теоретических положений и математической модели были разработаны две стеклянные маски (с различными размерами и взаимным расположением апертур), впоследствии изготовленные на фирме «Compugraphics Jena GmbH» (рис. 2).

Рис. 2. Стеклянная пластина с различными размерами апертур.

Также была собрана экспериментальная установка (рис 3). В ходе экспериментов использовалась цветная камера EVS VEI-535 с размером пикселя 2.775Ч2.775 мкм, работающая в черно-белом режиме. Получение фотографий интерференционных картин с камеры и настройка ее параметров производились автоматически в среде MatLAB. Чтобы нейтрализовать засветку одной из интерференционных картин (из-за перепада интенсивности между главным и побочными максимумами дифракционной картины) для каждого значения углового смещения проводилась последовательная съемка двух кадров с различными уровнями максимальной экспозиции. Для увеличения соотношения сигнал /шум при регистрации интерференционных картин в области дальних порядков дифракции число фотографий увеличивалось до 20. Величина угла поворота зеркала, контролировалась с помощью автоколлиматора Elcomat 3000 с разрешающей способностью 0,1".

Рис. 3. Экспериментальная установка для контроля влияния величины поворота зеркала

Исследование влияния угла падения излучения на интерференционные картины производилось для трех различных расстояний между пластиной и призмой. На рисунке 4 представлен пример фотографии, совмещенной из двух других с различными уровнями экспозиции, полученных при среднем положении пластины для трех пар апертур (v1=v2=0 мм; v3=4 мм; v4=8 мм, ширине апертуры, равной 50 мкм в плоскости рисунка 1 и равной 100 мкм в плоскости, перпендикулярной ему). На том же рисунке 4 под фотографией представлены графики колебаний интенсивности в точках центров трех интерференционных картин при изменении угла поворота зеркала б от 0" до 2000". Гладкая кривая, достигающая нулевого и единичного значений интенсивности при каждом колебании, - результат, полученный с помощью интерференционной модели. Из рисунка 4 видно, что модель адекватно отражает чувствительности интерференционных картин от различных пар апертур. Минимально регистрируемый угол поворота зеркала в данном эксперименте составляет 4" (при регистрации смещения интерференционной полосы с дискретностью, равной ј ее ширины).

Дальнейшее повышение разрешающей способности возможно путем дополнительной обработки экспериментальных данных или изменения схемных параметров (уменьшения длины волны излучения, уменьшения габаритных размеров призмы и/или показателя преломления стекла призмы). Максимальный диапазон абсолютных измерений на данном этапе ограничивается одним колебанием интенсивности в наименее чувствительной интерференционной картине (120"), что в 7,5 раз больше чем в [7, 8]. Дальнейшее расширение диапазона абсолютных измерений угла поворота зеркала в данном эксперименте (до 300") возможно при повышении разрешающей способности схемы в 2,5 раза. Если при этом проводить дополнительные измерения смещения кругового пятна засветки (или смещения дифракционных полос (рис. 4), то возможно дальнейшее повышение диапазона до 1500". При дополнительном уменьшении поперечных размеров апертур в k-раз диапазон измерений возрастет до (kЧ1500)", поскольку в k-раз расширяется огибающая колебаний интенсивности на рис. 4.

Рис. 4. Пример результата эксперимента, полученного на установке (рис. 3)

Результаты исследования показали возможность создания нового средства измерения малых угловых величин, отличающегося большей чувствительностью и компактностью по сравнению с фотоэлектрическими автоколлиматорами. Достигнутые метрологические показатели экспериментального макета не являются предельными и могут быть существенно улучшены посредством дополнительной обработки интерференционных полос или модификацией схемных параметров. Дальнейшие исследования направлены на разработку более компактного дифракционного автоколлиматора с улучшенными метрологическими характеристиками.

Список литературы

1 Аникст Д.А., Константинович К.М., Меськин И.В. и др. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова. - М., 1987. - 480 с.

2. Проспект фирмы „TRIOPTICS“ (Германия), 2014.

3. Проспект фирмы „MOELLER-WEDEL“ (Германия), 2014.

4. Назаров В.Н., Линьков А.Е. Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 2. С. 76-81.

5. Arefiev A.A., Ivanov A., Kotenok A. Interferometric devices for angular measurements // SPIE. 1996. Vol. 2775. P. 189-196.

6. Иванов А.Н., Носова М.Д. Использование двойной дифракции для контроля угловых перемещений // Сборник трудов 10-ой международной конференции Прикладная оптика-2012. - Санкт-Петербург, 15 - 19 октября 2012. - Т. 1. Секция 1.2. «Оптические приборы». - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - С. 172-175. - 312 с.

7. В.Н. Назаров, Ю.А. Соколов. Новый метод дифракционного контроля малых угловых и линейных перемещений. // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 12. С. 53-59.

8. V. N. Nazarov, Yu. A. Sokolov. New method of diffraction monitoring of small angular and linear displacements // J. Opt. Technol. 2013. Vol. 80. No. 12. p. 756-760.

Размещено на Allbest.ru