FI71021B - Foerfarande foer maetning av fysikaliska parametrar foer ett roerligt foeremaol med hjaelp av en koherent ljuskaella genomheterodyne-detektering av ljus reflekterat eller spritt f ran det roerliga foeremaolet - Google Patents

Description

1 71021

Menetelmä liikkuvan kohteen fysikaalisten parametrien, mittaamiseksi koherentin valon lähteen avulla heterodyne-il-maisemalla liikkuvasta kohteesta heijastunut tai sironnut valo 5

Esillä oleva keksintö liittyy menetelmään liikkuvan kohteen fysikaalisten parametrien mittaamiseksi koherentin valon lähteen avulla heterodyne-ilmaise-malla liikkuvasta kohteesta heijastunut tai sironnut valo.

10 Edellä mainitut fysikaaliset parametrit ovat seuraavat: liikkuvan kohteen hetkellinen nopeus ja siitä johdetut suureet, esim. liikkeen pituus, kiihtyvyys, kehänopeus, kulmanopeus, kierrosluku minuutissa, taajuus jne., näiden suureiden keskiarvo ja hajonta. Liikkuvan kohteen tehon hei-15 jastus tai sironta, sen hajonta, pinta-alajakauma ja keskiarvo jne. Edellä mainittujen suureiden ja niistä johdettujen suureiden kulmariippuvuus, kuten suoruus, kaarevuus jne. voidaan myös mitata.

Tekniikan tasosta tunnetaan eri menetelmiä liikkuvan 20 kohteen kosketuksettomaan fysikaalisten parametrien mittaamiseen. Näiden menetelmien merkittävä ryhmä perustuu kohteesta heijastuneen tai sironneen valon ilmaisemiseen, ja koska koherentin valon lähteet (laserit) ovat tulleet käyttöön, ovat tämänkaltaiset erittäin tarkat mittaukset mah-25 dollisia, nimittäin käyttäen koherentin valon interferens-sikykyä voidaan pituusmittauksissa saada valon aallonpituuden luokkaa oleva tarkkuus. Interferometristä mittaustekniikkaa käytetään mm. US-patenttijulkaisussa nro 3 796 493.

Tässä patenttijulkaisussa kuvattua laitetta käyte-30 tään tarkkuuskäyttöruuvien, kuten ohjausruuvin, kierteen nousun mittaamiseen. Tämä tehtävä suoritetaan sijoittamalla kulmakuutioheijastin, joka on tehty kolmesta osasta, tarkasti liikkuvalle mekanismille - kelkalle. Tätä kelkkaa siirretään mitattavalla käyttöruuvilla. Optinen koodilevy 35 on jäykässä kosketuksessa käyttöruuvin kanssa, mikä antaa signaalin kullakin kierroksella tai tietyllä kulmakierrolla. Mittauslaite sisältää laserin, osittaisheijastimen, kaksi 2 71021 muuta heijastinta ja ilmaisujärjestelmän, joka kykenee käsittelemään interferenssisignaalia. Viimeksi mainitut osat eivät ole liikkuvia. Mittauksen periaate on seuraava. Laserin lähettämä valo osuu osittaiselle heijastimelle, joka 5 projisoi osan siitä seisovaan peiliin, joka heijastaa sen takaisin osittaisen peilin läpi ilmaisimeen. Laservalon toinen osa projisoituu osittaisesta heijastimesta kulma-kuutioheijastimeen, jota ohjausruuvi siirtää ja siitä se projisoidaan seisovaan peiliin, josta se heijastuu takai-10 sin samaa reittiä osittaiseen heijastimeen, joka projisoi sen ilmaisimella, jossa interferenssi tapahtuu. Siinä tapauksessa, että lasketaan interferenssiliestymät ruuvin täyden kierroksen aikana, minkä ilmaisee optinen koodile-vy, ja lasertaajuuden tarkka arvo tunnetaan, kierteen nou-15 su voidaan helposti laskea.

Tämän optisen rakennelman pääetu on, että vaikka jos käyttöruuvin siirtämä kelkka suorittaa vähäisen kul-masiirtymän laserin optisen akselin suhteen liikkeensä aikana, tämä siirtymä ei aiheuta virheitä kulmakuutioheijas-20 timen käytön johdosta. Toisaalta on haitaksi optisten osien suuri määrä ja vaatimus, että seisovien optisten osien, laserin ja ilmaisimen suhteellinen asema ei saa muuttua mittauksen kuluessa, koska tällainen muutos aikaansaa samankaltaisen muutoksen interferenssiin kuin ohjausruuvin 25 aikaansaama liike. Myöskään kulmakuutioheijastimen osien suhteellinen asema ei saa muuttua. Suurin sallittu mekaaninen epästabiilisuus, joka ei aiheuta virheitä mittaukseen, ei saa ylittää lasersäteilyn puolta aallonpituutta.

He-Ne -laserin tapauksessa tämä yläraja on noin 0,3 mikro-30 metriä.

Toisenlainen mittaustekniikka liikkuvan kohteen fysikaalisten parametrien mittaamiseksi on tästä kohteesta heijastuneen tai sironneen valon sekoitus- eli heterodyneilmaisu. Sen sisältö on seuraava. Jos valo taajuudeltaan "f" osuu 35 kohteeseen, joka liikkuu nopeudella "v", niin heijastuneen tai sironneen valon taajuus muuttuu Doppler-ilmiön johdosta vertailukehyksessä suhteessa siihen, että kohde 3 71021 liikkuu nopeudella "v" ja että valolähde ja valoilmaisin ovat levossa.

Jos projisoituneen ja heijastuneen tai sironneen valon optiset akselit ovat yhtenevät, niin 5 f' = f (1 + ~ - cos f) missä "c" on valon nopeus ja "f" on liikkuvan kohteen nopeuden suunnan ja kohteeseen projisoidun valon suunnan vä-10 linen kulma.

Siinä tapauksessa, että osan valonsäteestä, joka tulee suoraan koherentin valon lähteestä, ja kohteesta heijastuneen tai sironneen valon (joka on taajuudeltaan erilainen) annetaan interferoida ilmaisimen pinnalla sillä 15 tavoin, että nämä kaksi valoa ovat koherentteja tilassa -ts. vaihe-ero ilmaisimen koko pinta-alan yli on vakio -silloin interferenssin seurauksena nämä kaksi valoa vahvistavat tai vaimentavat toisiaan taajuudella Af = (f - f) ilmaisimen pinnalla. Tällä tavoin kehitetään sähköinen sig-20 naali ilmaisimen ulostuloon taajuudeltaan Af, joka liittyy liikkuvan kohteen nopeuteen kaavalla

Af = (f · — · cos f) c 25 Tämä on hyvin tunnettu optisen heterodyne-tekniikan kuvaus ja sen sovellutuksia voidaan löytää mm. esim. teoksista Chu: "Laser Light Scattering" ja Kallard: "Exploring Laser Light".

Optisen heterodyne-mittaustekniikan vaikeudet ai-30 heutuvat vaatimuksesta kahden valon koherenttisuudesta tilassa ilmaisimen pinnalla, mikä on aikaansaatu seuraavilla menetelmillä.

1) Asettelu vastaa tavanomaista Michelsonin interfe-rometriä, jossa yksi peileistä on korvattu liikkuvalla 35 kohteella. Tässä järjestelyssä toinen peili täytyy asettaa ja pitää kiinteässä asennossa suhteessa lähteen optisiin 71021 osiin ja ilmaisimeen valon aallonpituuden luokkaa olevalla tarkkuudella koko mittauksen suorituksen ajan.

2) Laser-Doppler -tuulimittarin toimintaperiaatteella: kahden koherentin valon eri suuntaisten säteiden poik-5 kileikkauksen pisteessä liikkuvasta kohteesta kohteen eri suuntaan heijastuneen tai sironneen valon taajuus muuttuu eri lailla johtuen eri kulmista liikkuvan kohteen nopeuden suunnan suhteen. Kun säteet, jotka saavuttavat ilmaisimen pinnan, saapuvat kohden säteen poikkiieikkausalueelta ja 10 ovat eri taajuisia, mutta täyttävät tilakoherent.tisuuden vaatimuksen, ne sen johdosta interferoivat. Tilakoherentti-suus varmistetaan sillä, että nämä kaksi valonsädettä, joilla on eri taajuudet, saapuvat samasta pisteestä tilassa identtisiä reittejä pitkin ilmaisimen pinnalle. Tämän 15 menetelmän haitta on, että tilakoherenttisuuden tila täyttyy vain pienessä tilan alueessa. Sen johdosta tätä menetelmää on käytetty pääasiassa liikkuvan väliaineen, esim. nesteiden, kaasujen jne. nopeuden mittaamiseen.

Erittäin mielenkiintoista optista heterodyne-tek-20 nilkkaa on käytetty US-patentti julkaisussa nro 3 790 284 . Tässä patentissa esitetty laite mahdollistaa suoruuden ja pyörimisen mittaamisen.

Tämän keksinnön yksinkertaisin esimerkki koostuu laserista, joka säteilee valoa kahdella laajuudella ja 25 f kahdesta polarisaattorista, kahdesta osittaisesta heijastimesta, Wollaston prismasta, joka on kiinnitetty laitteen liikkuvaan kelkkaan, kahdesta paikoillaan pysyvästä peilistä, jotka on sijoitettu tiettyihin kulmiin toistensa ja optisen akselin suhteen, ylimääräisestä peilistä, kah-30 desta valoilmaisimesta ja palautettavasta laskurista.

Laitteen toimintaperiaate on seuraava: Laserin säteilemä kahta taajuutta oleva valo kulkee polarisaatto-reiden läpi ja tällä tavoin valokomponentin, jonka taajuus on f ^, polarisaatiotaso tulee olemaan kohtisuorassa f2:n 35 polarisaatiotasoon nähden. Sen jälkeen osittainen heijastin jakaa säteen ja osa siitä osuu vertailuilmaisimeen, jossa se interferenssin avulla voidaan ilmaista heterodyne- 5 71021 menetelmällä. Tämän valoilmaisimen taajuusulostulo on (f2 - f^)/ joka siirretään palautettavan laskurin yhteen sisääntuloon. Säteen toinen osa osittaiselta heijastimelta kulkee toisen osittaisen heijastimen läpi Wollaston pris-5 malle, joka erottaa ja f2 taajuiset säteet niiden orto-gonaalisen polarisaation johdosta ja nämä kaksi sädettä etenevät eri teitä. Nämä kaksi sädettä projisoituvat pei-lipolarilla, jotka on sijoitettu tiettyihin kulmiin toisiinsa ja optiseen akseliin nähden ja joista ne heijastu-10 vat takaisin Wollaston prismalle, missä ne yhdistyvät uudelleen. Osa tästä uudelleen yhdistyneestä säteestä osuu mittaavalle valoilmaisimelle heijastuttuaan osittain toisesta osittaisesta heijastimesta ja kokonaan ylimääräisestä peilistä, jonka ilmaisimen pinnalla valo interferoi ja 15 heterodyne-signaali siirretään palautettavan laskurin toiseen sisääntuloon. Jos Wollaston prisma ei liiku, tämän valoilmaisimen ulostulo on myös (f^ - f·^) . Toisaalta, jos kelkka liikkuu yhdensuuntaisesti optisen akselin kanssa, mittausilmaisimelle osuvan valon taajuus muuttuu Doppler-20 siirtymän johdosta, mutta näiden kahden taajuuden välinen ero ei muutu. Jos kelkka liikkuu suorakulmaisesta akselin suhteen liikkeensä aikana, niin Wollaston prisman nopeus-komponentit ovat erilaiset siitä lähteville ja f^ taajuisten valonsäteiden etenemissuunnille, minkä johdosta ne 25 ovat erilaiset kummallekin heijastimelle. Siten Doppler-siirtymä on erilainen ja f2 taajuiselle valolle niin, että mittaavan valoilmaisimen ulostulon taajuus tulee olemaan erilainen. Palautettava laskuri varastoi kahdesta ilmaisimesta tulevien impulssimäärien eron, joka luonnehtii 30 mitatun reitin suoruutta.

Tämän laitteen pääetu optiselta kannalta katsoen on, että käyttämällä valoa, jolla on kaksi taajuuskompo-nenttia ja heterodyne-ilmaisua optisten elementtien (paitsi heijastavien peilien) pienten siirtymien aiheuttamat 35 virheet kumoutuvat eikä mittaukseen synny virhettä tästä syystä. Toisaalta haittana on suuri optisten elementtien määrä mukaan lukien myös jotkin optiset erikoiselementit.

71021

Myös tiukkaa asemastabiliteettia ajan suhteen vaaditaan edelleen heijastaville peileille.

Edellä mainituista esimerkeistä on selvää, että sekä interferometristä ja heterodyne-mittaustekniikkaa on käy-5 tetty liikkuvan kohteen parametrien mittaamiseen suurin vaikeuksin. Siinä tapauksessa, että liikkuva kohde on ollut kiinteä kappale, niin silloin on täytynyt kiinnittää siihen joitakin ylimääräisiä välineitä ja jos se on liikkuva väliaine, niin on ollut mahdollista suorittaa mittaus 10 vain pienellä tilavuudella ja useimmissa tapauksissa tarvittiin monimutkaisia ja tarkkoja optisia järjestelmiä.

Osa näistä hankaluuksista on eliminoitu US-patentti-julkaisussa nro 3 958 883., mutta se tuo esiin myös uusia ongelmia. Tämä patentti esittää rakenteen, jossa liikku-15 vasta kohteesta takaisin sironnut valo kulkee laserin ulos-kytkevän elementin läpi laseriin, jossa se vahvistetaan, heterodynoidaan alkuperäisen laservalon kanssa ja tällä tavoin laser säteilee valoa, joka on moduloitu taajuudella, joka vastaa erotaajuutta. Tämä rakenne suorittaa mittauk-20 siä kaikkialla, missä mahdollista pitkin lasersädettä eikä vaadi ylimääräisiä varusteita. Sen haitta perustuu siihen tosiseikkaan, että laser tyypillisesti toimii oienellä kaistanleveydellä ) ja tämän kaistanleveyden sisäl lä aktiivisen väliaineen vahvistus pyrkii nollaan saturaa-25 tion johdosta. Ottaen huomioon uloskytkevän elementin pienen transmittanssin - yleisesti muutamia prosentteja - ja laser resonaattorin laatukertoimen, joka on lähellä yhtä, mutta sen alla, myös taajuuserolla 0, esiintyy merkittävä valon häviö syötettäessä sironnut valo takaisin laseriin.

30 Johtuen laatukertoimen taajuusriippuvuudesta, häviöt kasaavat taajuuseroa Af lisättäessä. Seurauksena kaistanleveys Aflaser rajoittaa teoreettisesti mitattavissa olevaa nopeutta:

Af* c 35 v <. ___iase-r______ max 2f · cos f 7 71021 koska, jos Af >Aflaser, *aser e* siirrä taajuudeltaan siirtynyttä valoa lainkaan.

Intensiteettihäviö tekee tämän menetelmän käytön mahdottomaksi pienten takaisinsironneiden intensiteettien 5 tapauksessa. Yksinkertaisin tapa intensiteetin kasvattamiseksi voitaisiin saada aikaan käyttämällä suurempite-hoisia lasereita. Yllä mainitulla periaatteella toimiva laite sisältää miltei aina CO^-laserit. Häviöitä voitaisiin vähentää vain käyttämällä lasereita ei optimaalisella 10 tavalla, esim. laskemalla uloskytkevän elementin heijastus-kerrointa, mikä kohottaa valon takaisinsyötön tehokkuutta laseriin ja samaan aikaan aktiivinen väliaine ei ole saturoitunut; toisaalta tällä tavoin laserin intensiteetti on alhaisempi, jolloin signaalikohinasuhde ei parane. Tämän 15 on kokeellisesti vahvistanut N.M. Doyle, W.D. Berber ja M.B. White julkaisussa: Use of an Oscillating Laser as a Heterodyne Receiver Preamplifier (IEEE Journal of Quantum Electronics QE-3, 479, 1976). Esillä olevan keksinnön tarkoitus on samanaikainen yllä mainittujen hankaluuksien eli-20 minointi ja menetelmän kuvaaminen, joka menetelmä mahdollistaa liikkuvan kohteen fysikaalisten parametrien mittaamisen optisella heterodyne-tekniikalla.

Keksinnöllä ratkaistava ongelma voidaan tiivistää seuraavasti: tarvitaan menetelmä, jolla liikkuvan 25 kohteen fysikaaliset parametrit voidaan mitata koske-tuksettomasti käyttäen koherentin valon lähdettä sillä tavoin, että valon aallonpituuden luokkaa olevaa sovitusta ja stabiilisuutta ei tarvita ja mittaustila ei ole rajoitettu pieneen tilaan, lisäksi sen tulisi mahdollistaa mit-30 taus vähäisen sironneen valon intensiteetin tapauksessa, suorimman mitattavan nopeuden ei tulisi olla laserin rajoittama, ja sen tulisi olla niin yksinkertainen kuin mahdollista.

Esillä olevan keksinnön perustana on tosiasia, että 35 yllä luetellut ongelmat voidaan helposti ratkaista, jos tunnettujen menetelmien sijasta liikkuvasta kohteesta si-ronnut tai heijastunut valo projisoidaan valoilmaisimeen 8 71021 reittiä, joka on identtinen koherentin valon lähteen reitin kanssa. Nimittäin tässä tapauksessa suora ja sironnut tai heijastunut valo näyttävät olevan peräisin identtisistä valonlähteistä. Koherentin valon lähteellä, joka on 5 edullisesti laser, on vähintään yksi uloskytkevä elementti, joka kykenee siirtämään ja heijastamaan valoa ja laserin säteilemä valonsäde - laserin toimintaperiaatteen mukaisesti - seuraa jokaista uloskytkevän elementin liikettä. Jos siis koherentin valon lähteen uloskytkevää 10 elementtiä käytetään heijastamaan liikkuvasta kohteesta heijastunut tai sironnut valo, niin tilakoherenttisuuden ehdot ovat automaattisesti täytetyt. Koska takaisinsi-ronnutta valoa ei syötetä takaisin laseriin, tätä voidaan käyttää optimaalisella tavalla - optimaalinen uloskytken-15 täelementti, saturoitunut aktiivinen väliaine - ja takai-sinsironneen valon osa, joka on tilakoherentti, voidaan projisoida kokonaan ilman häviöitä reitillä, joka on identtinen lasersäteen reitin kanssa, valoilmaisimen pinnalle. Samaan aikaan suurin mitattavissa oleva erotaajuus ei ole 20 laserin kapean kaistanleveyden rajoittama, vaan valoilmaisimen kaistanleveyden (F) rajoittama, joka voi olla 109 Hz. Suurin mitattavissa oleva nopeus on F ' c V < - 25 max 2f cost jolloin V voi saavuttaa hyvin korkeita arvoja. Esillä oleva keksintö liittyy siten menetelmään liikkuvaan kohteen liikettä tai pintaa kuvaavien fysikaalisten para-30 metrien mittaamiseksi koherentin valon lähteen ja liikkuvasta kohteesta sironneen tai heijastuneen valon sekoi-tusilmaisun avulla, jolloin koherentin valon lähteen valo jaetaan säteen jakavalla elementillä ainakin kahteen osaan, ja yksi osa valosta projisoidaan suoraan valoilmaisimelle, 35 kun taas toinen osa valosta projisoidaan joko suoraan tai optisen kuvauselementin läpi liikkuvaan kohteeseen, jolloin liikkuvasta kohteesta sironnut tai heijastunut valo 9 71021 projisoidaan sen jälkeen säteen jakavalla elementillä ko-herentin valon lähteen uloskytkevälle elementille ja edelleen koherentin valon lähteestä heijastunut valo johdetaan säteen jakavan elementin kautta valoilmaisimen pinnalle.

5 Menetelmälle on tunnusomaista se, että koherentin valon lähde on järjestetty jatkuvatoimiseksi He-Ne-kaasulase-riksi, että koherentin valon lähteeseen takaisin lähetetty valo heijastetaan uloskytkevästä elementistä ja johdetaan valoilmaisimen pinnalle reittiä, jonka optinen 10 pituus on yhtäsuuri kuin optinen pituus uloskytkevästä elementistä säteen jakavalle elementille yhdessä toisen osan optisen pituuden kanssa, ja että liikkuvan kohteen liikettä tai pintaa kuvaavat parametrit määrätään käsittelemällä valoilmaisimen ulostuloon syntyvää sähkösignaa-15 lia signaalinkäsittely-yksiköllä.

Keksinnön yksityiskohtaisempi kuvaus annetaan piirustusten perusteella, mitkä esittävät joitakin keksinnön suoritusmuotoja käyttöesimerkkejä.

Piirustuksissa (kaaviollisia kuvia) 20 kuvio 1 on esillä olevan keksinnön suoritusmuodon esimerkki, joka esittää järjestelyä pyörivän sylinterin kulma- tai kehänopeuden määrittämiseksi, kuvio 2 on muunnettu järjestely, jota käytetään liikkuvan karkean pinnan pintaominaisuuksien mittaamiseen, 25 ja kuvio 3 esittää keksinnön suoritusmuodon, jossa useampia säteitä kuin yksi projisoidaan liikkuvaan kohteeseen, mikä mahdollistaa liikkuvan kohteen liikkeen mittaamisen tilassa.

30 Kuviossa 1 valonsäde 15 koherentin valon lähteestä 11 - edullisesti laser - osuu uloskytkevän elementin 19 läpi säteenjakajalle 20 - esimerkissämme osittainen heijastin. Heijastuttuaan säteen jakajasta 20, valonsäteen osa 17 osuu valoilmaisimeen 12, joka on edullisesti PIN-siodi.

35 Säteenjakajan 20 ja optisen kuvauselementin 14 läpi - joka on esimerkissä linssi - toinen valonsäteen osa 18 osuu liikkuvaan kohteeseen 10 - joka on esimerkissä pyörivä sylinteri. Liikkuvasta kohteesta 10 heijastunut tai sironnut valo 16 osuu optisen kuvauselementin 14 ja säteenjakajän 10 71 021 20 läpi laserin 11 uloskytkevään osaan 19 ja heijastuu.

Tämä heijastunut valo 21 heijastuu jälleen säteen jakajasta 20 ja osuu valoilmaisimen 12 pinnalle, missä se interferoi säteen 17 osan kanssa, jolloin valoilmaisimen 12 5 ulostuloon ilmestyy sähköinen signaali, jonka taajuus on Δί = (f · — * cos f) vastaten taajuuseroa. Tätä sähköistä signaalia käsitellään 10 signaalinkäsittely-yksiköllä 13.

Kuviossa 1 esitetyllä laitteella voidaan esim. määrätä pyörivän sylinterin kierrosluku sekunnissa "n". Sylinterin kehänopeus on "v". Koska kierrosluvulle sekunnissa "n" pätee 15 v n ' missä "r" on pyörivän sylinterin säde ja jos laserin 11 suoran valon taajuus "f” ja r ja f tunnetaan niin, kier-20 rosluku sekunnissa voidaan määritellä _ _c · Af_ 4f * r * )£ * cos f *Ρ:η arvo liittyy 0(:an kaavalla f = 90 ° - 0( ja kulma 0( 25 voidaan helposti mitata.

Tämän suoritusmuodon menetelmän ja laitteen tärkeä etu on, että Af voidaan mitata sylinterin täyden kierroksen murto-osan aikana. Tällä tavoin voidaan määrittää se-kuntikierrosluvun ja sen vaihtelun hetkellinen arvo.

30 Asettamalla f = 90° pyörivän sylinterin huojunta va lonsäteen 15 suunnassa voidaan myös määrittää. Jos oC = 0, niin cos ^ = 1 ja siten

Af V rr -TT*T— 2cf

Integroimalla nopeus "v" täyden kierroksen ajan "T" yli huojunnan arvo saadaan nimittäin: 35 71021 11 τ

As = $ w o 5 Huomaa, että mahdollisten sylinterin pinnan korkeuksien johdosta huojuntamittauksen aikana saattaa haitallisia aaltokimppuja ilmestyä valoilmaisimen 12 ulostuloon, jotka voivat vääristää mittausta. Nämä suurtaajuiset komponentit voidaan helposti suodattaa, jos signaalinkäsittely-10 yksikkö 13 sisältää sopivan alipäästösuotimen.

Kuviossa 2 valonsäde 15 koherentin valon lähteestä 11 - edullisesti laser - osuu säteenjakajaan 20 - esimerkissämme osittainen heijastin. Säteenjakajasta valonsäteen osa 17 osuu suoraan valoilmaisimelle 12. Valonsäteen toi-15 nen osa 18 projisoidaan optisen kuvauselementin 14 läpi -esimerkissämme linssi - liikkuvaan kohteeseen 10 - esimerkissämme liikkuva korkea pinta. Liikkuvasta kohteesta siron-nut tai heijastunut valo 16, joka kulkee optisen kuvaus-elementin 14 läpi, heijastuu säteenjakajasta 20 ja lase-20 rin 11 uloskytkevästä elementistä 19 ja tämä heijastunut valo 21 projisoituu säteenjakajan 20 kautta valoilmaisimen pinnalle, missä se interferoi säteen osan 17 kanssa. Tällä tavoin syntyy valoilmaisimen 12 ulostuloon sähköinen signaali, jonka taajuus on 25

Af = (f * 2- * cos Ψ) c vastaten taajuuseroa. Tätä sähköistä signaalia käsitellään signaalinkäsittely-yksiköllä 13. Kuvion 2 laitteella voi-30 daan määrätä liikkuvan kohteen 10 valonsäteen 18 suhteen kohtisuorien pintaelementtien pinnan koko "s" ja myös näiden elementtien koon hajonta. Nimittäin yllä kuvatulla tavalla liikkuvan kohteen 10 pinnasta valo heijastuu valoilmaisimeen 12 siinä tapauksessa, että valonsäteen 18 leik-35 kaava pintaelementti on kohtisuorassa mainitun valonsäteen suhteen. Tästä kohtisuorasta pintaelementistä ajanjaksossa 12 71 021 t =--*-τ-τ v · sin f saapuu heijastunut valonsäde taajuudella 5 f’ = f (1 + · cos -P) c valoilmaisimeen 12, jonka ulostulon sähköinen signaali taajuudeltaan 10 f = (f * — · cos *P) c kestää myös ajanjakson "t".

Yllä käytetyissä yhtälöissä "v" on liikkuvan kohteen 15 io nopeus, "f" on valonsäteen 18 suunnan ja liikkuvan kohteen 10 liikkeen suunnan välinen kulma. Kun liikkuvan kohteen 10 valonsäteen 18 suhteen kohtisuora pintaelementti jättää valonsäteen 18 valaiseman pinnan, niin jatkuva sähköinen signaali taajuudeltaan " f" valoilmaisimen 12 ulos-20 tulosta lakkaa, ts. valoilmaisimesta 12 lopullisen pituiset aaltojonot on siirretty signaalinkäsittely-yksikköön 13.

Siinä tapauksessa, että signaalinkäsittely-yksikkö 13 mittaa taajuuden "Af” arvon, aaltojonojen "t" pituudet ja kulma f tunnetaan, yhden pintaelementin koko voidaan 25 määrätä

Af · c · t , λ s = JJ--- tg f Tällä tavoin laitteen suhteen mielivaltaisella nopeudella 30 liikkuvan pinnan pintarakenne voidaan tutkia ja määrittää pintaelementtien koko hajonta. Pienin erotettavissa oleva elementin koko on valon aallonpituuden luokkaa.

Kuviossa 3 koherentin valon lähde 11 on laser, jonka suora valo 15 osuu säteenjakajaan 20. Säteenjakajän 20 35 läpi valonsäteen osa 17 projisoituu valoilmaisimelle 12. Säteenjakaja 20 esimerkissämme koostuu kahdesta säteen jakajasta elementistä 22, säteen jakavat elementit 22 ovat 13 71 021 edullisesti osittaisia heijastimia. Valonsäteen muut osat 18, jotka käyttävät säteen jakavia elementtejä 22 projisoidaan optisten kuvauselementtien 14 läpi - esimerkissämme linssejä - liikkuvaan kohteeseen 10. Tällä tavoin valon-5 säteet 23 ja 24 valaisevat liikkuvan kohteen 10 pinnan kahdesta eri suunnasta. Sironnut tai heijastunut valo 16 liikkuvasta kohteesta 10 kulkee optisten kuvauselementtien 14 läpi ja osuu säteenjakajaan 20. Säteenjakajaelementit 22 projisoivat sen koherentin valon lähteen 11 uloskytkevään 10 elementtiin 19, uloskytkevästä elementistä se heijastuu takaisin ja tämä heijastunut valo 21 projisoituu säteenjaka-jan 20 läpi valoilmaisimen 12 valoherkälle pinnalle, missä se interferoi valonsäteen osan 17 kanssa. Tällä tavoin valoilmaisimen 12 ulostuloon ilmestyy sähköisten signaalien 15 summa, joilla on taajuudet "Af" ja "Af2".

2v.

Δίi = (f * · cos fx) 20 2v = (f * * COS f2} missä v^ on valonsäteen 23 valaiseman liikkuvan kohteen 10 pisteen nopeustaso, 25 v2 on valonsäteen 24 valaiseman liikkuvan kohteen 10 pisteen nopeustaso, on valonsäteen 23 valaiseman pisteen nopeuden suunnan ja valonsäteen 23 suunnan välinen kulma, f2 on valonsäteen 24 valaiseman pisteen nopeuden 30 suunnan ja valonsäteen 24 suunnan välinen kulma.

Yllä esitetyistä kaavoista voidaan määrätä liikkuvan kohteen 10 nopeuskomponentit valonsäteiden 23 ja 24 suunnissa, koska signaalinkäsittely-yksikkö 13 voi erottaa sähköiset signaalit, joilla on eri taajuudet "Af^" ja ”Af2". 35 Tällä menetelmällä ei voi määrätä ainoastaan yhtä liikkuvan kohteen nopeuskomponenttia vastaten tiettyä suuntaa, vaan voidaan mitata molemmat liikkeen nopeuden suunta ja 14 71021 taso. Siinä tapauksessa, että käytetään säteenjakajaa, joka valaisee vähintään kolmella, ei samassa tasossa olevalla säteellä liikkuvan kohteen, niin voidaan määrätä kolmiulotteisen liikkeen taso ja suunta, jos valonsäteet va-5 laisevat liikkuvan kohteen saman pisteen. Jos liikkuvaa kohdetta voidaan pitää kiinteänä kappaleena ja valonsäteet valaisevat eri pisteet, voidaan tutkia etenevää liikettä tilassa. Heterodyne-signaalin analyysillä samanaikaisen etenevän liikkeen ja pyörimisen tapauksessa voidaan erottaa 10 liikkeen yksittäiset komponentit. Jos liikkuvaa kohdetta ei voida pitää kiinteänä kappaleena, niin käyttämällä useita säteitä, voidaan tutkia kohteen tiettyjen pisteiden suhteellista liikettä. Pienin mitattava tilavuus, jonka sisällä liikkeen parametrejä ei voida selvittää, on valon aal-15 lonpituuden luokkaa. Tietyissä käyttötarkoituksissa, kun liikkuvan kohteen pinta on heijastava, ei kuvauselementtejä tarvita.

On tarpeen ottaa huomioon, mitä ei ole mainittu eikä myöskään patenttivaatimuksissa mainita, ainoastaan 20 missä on ratkaisevan tärkeää, että valon intensiteetti voi merkittävästi muuttua sen kulkiessa tiettyjen optisten elementtien läpi tai heijastuessa niistä ja muita heijastuksia - joita ei mainita tässä selityksessä - voi myös tapahtua. Näiden vaikutusten merkitys on toissijainen, ei-25 vätkä ne vaikuta keksinnön sisältöön. Niitä voidaan pitää vakiohäviötekijöinä. Esimerkkinä on tutkittu kuvion 2 pohjalta virhettä tapauksessa, jossa säteenjakajana 20 käytetään tasoyhdensuuntäistä levyä, joka heijastaa 10 % osuvasta valosta ja siirtää loput. Kaikkien muiden elementtien 30 oletetaan olevan ideaalisia ja tarkastellaan vain heijastunutta tai sironnutta valoa 16. Vain 10 % liikkuvasta kohteesta 10 heijastuneesta tai sironneesta valosta 16 heijastuu säteenjakajasta 20 koherentin valon lähteen 11 ulos-kytkevää elementtiä 19 kohti, loppu kulkee säteenjakajan 35 20 läpi ja säteilee vapaaseen tilaan. Miltei täydellinen heijastus tapahtuu koherentin valon lähteen 11 uloskytke-vässä elementissä 19 ja 90 % uloskytkevästä elementistä 19 71021 heijastuneesta valosta 21 kulkee säteenjakajan 20 läpi ja osuu valoilmaisimen 12 pinnalle. Tämä merkitsee, että vain 9 % sironneesta tai heijastuneesta valosta saavuttaa valo-ilmaisimen 12. Säteenjakajasta 20 10 % uloskytkevästä ele-5 mentistä heijastuneesta valosta 21 voi päästä kuvauselemen-tin 14 läpi takaisin liikkuvaan kohteeseen 10. Tämä on vain 1 % alkuperäisestä heijastuneesta tai sironneesta valosta. Vaikka tämä valo voisi jonkin täydellisen heijastuksen kautta saavuttaa valoilmaisimen 12 ja interferoida sen pinnal-10 la - eri heterodyne-taajuudella - tämä signaali olisi merkityksetön suhteessa alkuperäiseen signaaliin, koska sen on kuljettava saman reitin läpi, se voi tuottaa signaalin maksimiamplitudiltaan 1 % suhteessa käyttökelpoiseen valoon, mikä on merkityksetöntä.

15 Esillä olevassa keksinnössä kuvatun menetelmä ja laitteen edut voidaan esittää yhteenvetona seuraavasti.

Se mahdollistaa liikkuvan kohteen fysikaalisten parametrien mittaamisen käyttäen koherentin valon lähdettä heterodyne-ilmaisemalla liikkuvasta kohteesta sironnut tai 20 heijastunut valo sillä tavoin, että menetelmän luonteen johdosta se ei vaadi asetusta ja stabiilisuutta interfero-metrisellä tarkkuudella, valaisevan säteen täytyy vain osua liikkuvaan kohteeseen.

Siinä tapauksessa, että vain yksi säde projisoidaan 25 liikkuvaan kohteeseen, niin mittausasento voi olla, missä tahansa tätä sädettä pitkin laitteen herkkyyden rajoissa.

Siinä tapauksessa, että on tarkoitus seurata liikkuvan kohteen liikettä sen liikkeen kuluessa tai sen liike on rajoitettu alueeseen, missä se jatkuvasti valaistaan 30 säteen tai säteiden avulla, niin mittaustilavuuden tilamit-toja rajoittaa vain herkkyysrajät.

Liikkuvan kohteen parametrien mittaukset keksinnössä kuvatulla menetelmällä ovat luonteeltaan kosketuksettomia eivätkä yleensä vaadi minkään optisen elementin tai ele-35 menttien kiinnittämistä tutkittavaan liikkuvaan kohteeseen.

Koska koherentin valon lähteen optinen taajuus on korkea, niin mittaukset voivat muodostaa mitattavien para- 16 71 021 metrien hetkellisiä arvoja (esim. He-Ne -laserin tapauksessa, kun liikkuvan kohteen nopeus säteillyn valonsäteen suunnassa on 1 m/s, niin valoilmaisimen signaalin taajuus on noin 3 kHz).

5 Koska tässä keksinnössä kuvattu menetelmä voidaan toteuttaa myös matalatehoisilla lasereilla esim. He-Ne-tai puolijohde-lasereilla, jotka voivat maksaa murto-osan CC^-laserin hinnasta, eikä toteutus vaadi tarkkoja mekaanisia elementtejä, sen toteuttaminen on halvempaa kuin yh-10 denkään aikaisemmin tunnetun menetelmän.

Johtopäätöksenä tässä kuvattu menetelmä tarjoaa aikaisempien interferometristen ja heterodyne-mittausmenetel-mien tarkkuuden ja samalla laajentaa mahdollisten käyttötarkoitusten aluetta ja tässä keksinnössä kuvatun menetel-15 män ja laitteen toteutus voidaan suorittaa hyvin helposti.

Claims (2)

17 71021

1. Menetelmä liikkuvan kohteen (10) liikettä tai pintaa kuvaavien fysikaalisten parametrien mittaamisek-5 si koherentin valon lähteen (11) ja liikkuvasta kohteesta (10) sironneen tai heijastuneen valon sekoitusilmaisun avulla, jolloin koherentin valon lähteen (11) valo (15) jaetaan säteen jakavalla elementillä (20) ainakin kahteen osaan, ja yksi osa (17) valosta projisoidaan suoraan 10 valoilmaisimelle (12), kun taas toinen osa (18) valosta projisoidaan joko suoraan tai optisen kuvauselementin (14) läpi liikkuvaan kohteeseen (10), jolloin liikkuvasta kohteesta (10) sironnut tai heijastunut valo (16) projisoidaan sen jälkeen säteen jakavalla elementillä (20) ko-15 herentin valon lähteen (11) uloskytkevälle elementille (19) ja edelleen koherentin valon lähteestä (11) heijastunut valo (21) johdetaan säteen jakavan elementin (20) kautta valoilmaisimen (12) pinnalle, tunnettu siitä, että koherentin valon lähde (11) on järjestetty jatkuva-20 toimiseksi He-Ne-kaasulaseriksi, että koherentin valon lähteeseen (11) takaisin lähetetty valo (16) heijastetaan uloskytkevästä elementistä (19) ja johdetaan valoilmaisimen (12) pinnalle reittiä, jonka optinen pituus on yhtäsuuri kuin optinen pituus uloskytkevästä elementistä (19) 25 säteen jakavalle elementille (20) yhdessä toisen osan (17) optisen pituuden kanssa, ja että liikkuvan kohteen (10) liikettä tai pintaa kuvaavat parametrit määrätään käsittelemällä valoilmaisimen (12) ulostuloon syntyvää sähkö-signaalia signaalinkäsittely-yksiköllä (13).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä liik kuvan kohteen (10) fysikaalisten parametrien suuntaomi-naisuuksien mittaamiseksi, tunnettu siitä, että koherentin valon lähteen (11) valo (15) jaetaan useampaan kuin kahteen osaan, ainakin kaksi muuta valon säteen 35 osaa (18) projisoidaan joko suoraan tai optisten kuvaus- elementtien (14) läpi eri kulmissa joko liikkuvan kohteen (10) samaan pisteeseen tai eri pisteisiin, projisoidaan 1 ft 71021 liikkuvasta kohteesta (10) heijastunut tai sironnut valo (16) joko suoraan tai optisten kuvauselementtien (14) läpi säteen jakavalla elementillä (20) koherentin valon lähteen (11) uloskytkevälle elementille (19), ja proji-5 soidaan sieltä heijastunut valo (12) säteen jakavalla elementillä (20) valoilmaisimen (12) pinnalle. 19 71021