RU2023982C1 - Interference method for measuring phase shift of light waves - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method involves division of radiation of laser 1 incident onto acoustooptic modulator 2 by reference and measuring fluxes of different optical frequencies. Measuring flux is passed to measuring channel of interferometer 4. Reflected radiation is spatially aligned with reference flux radiation and sent to photodetector 6 whose output signal goes to input of measuring circuit and then to acoustooptical modulator 2. The reversal of polarity of measuring circuit conversion factor at extreme phase shift of light waves provides for elimination of time-limited discrete frequency processes in acoustooptic modulator 2 (frequency hopping) and to shape instead of them low-duration logical information pulses. Changing absolute value of measuring circuit conversion factor enables shaping of pulse-to-pulse spatial period of desired value. EFFECT: improved speed of response due to improved processing speed of measuring data; enlarged functional capabilities of laser heterodyne method of displacement measurements. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов с высокой точностью и регулируемым порогом чувствительности. The invention relates to measuring technique, namely to laser interferometry, and can be used to measure the movements of objects with high accuracy and an adjustable sensitivity threshold.

Известны способы измерения фазового сдвига световых волн, на основе которых созданы лазерные интерферометры, позволяющие измерять перемещения объектов в больших диапазонах с высокой разрешающей способностью. Known methods for measuring the phase shift of light waves, on the basis of which laser interferometers are created, allowing to measure the movement of objects in large ranges with high resolution.

Недостатками известных технических решений являются малые функциональные возможности из-за невозможности плавной регулировки чувствительности и отсутствия оптоэлектронного умножения измеренного фазового сдвига на значение длины волны оптического излучения λ , вследствие этого в известных решениях операция умножения выполняется в блоке вторичной обработки информации. The disadvantages of the known technical solutions are the small functionality due to the impossibility of smoothly adjusting the sensitivity and the absence of optoelectronic multiplication of the measured phase shift by the optical radiation wavelength λ, therefore, in the known solutions, the multiplication operation is performed in the secondary information processing unit.

Известен способ измерения фазового сдвига световых волн, заключающийся в управлении частотой возбуждения излучателя акустооптического модулятора (АОМ) посредством организации акустооптоэлектронной положительной обратной связи (АПОС), осуществляемый путем передачи сигнала с выхода фотопреобразователя, полученного при фотосмешении двух разночастотных оптических компонент, на возбуждение излучателя. A known method of measuring the phase shift of light waves, which consists in controlling the excitation frequency of the emitter of an acousto-optic modulator (AOM) by organizing acousto-optoelectronic positive feedback (APOS), is carried out by transmitting a signal from the output of the photoconverter obtained by mixing two different frequency optical components to excite the emitter.

Исследования показывают, что способ можно использовать для измерения фазового сдвига световых волн в больших диапазонах на основе использования нелинейных процессов в цепи АПОС - частотных перескоков - резких скачкообразных изменений частоты сигнала. Для такого технического решения порог чувствительности определяется значением пространственного периода между частотными перескоками, которое определяется в соответствии с выражением: L_пр=n

, (1)
где n - количество двойных ходов оптического луча в схеме интерферометра;
λ - длина волны оптического излучения.Studies show that the method can be used to measure the phase shift of light waves in large ranges based on the use of nonlinear processes in the APOS circuit - frequency hopping - sharp abrupt changes in the signal frequency. For such a technical solution, the sensitivity threshold is determined by the value of the spatial period between the frequency jumps, which is determined in accordance with the expression: L _CR = n

, (1)
where n is the number of double strokes of the optical beam in the interferometer circuit;
λ is the wavelength of optical radiation.

К недостаткам следует отнести ограничение скорости обработки измерительной информации, обусловленное использованием дискретных, ограниченных по времени нелинейных процессов частотных перескоков в цепи АПОС, а также отсутствием возможности плавной регулировки порога чувствительности. The disadvantages include the limitation of the processing speed of measurement information due to the use of discrete, time-limited nonlinear processes of frequency hopping in the APOS circuit, as well as the lack of the ability to smoothly adjust the sensitivity threshold.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения фазового сдвига световых волн (прототип), который заключается в том, что в цепи АПОС используют устройство, которое обеспечивает формирование пространственного периода между частотными перескоками с требуемым значением. При этом об изменении фазового сдвига измерительной световой волны судят по количеству частотных перескоков в цепи АПОС. The closest in technical essence to the invention is a method of measuring the phase shift of light waves (prototype), which consists in the fact that in the APOS circuit a device is used that provides the formation of a spatial period between frequency jumps with the desired value. In this case, the change in the phase shift of the measuring light wave is judged by the number of frequency jumps in the APOS circuit.

Недостатками такого технического решения являются ограничение скорости обработки измерительной информации из-за использования дискретных, ограниченных по времени нелинейных процессов частотных перескоков в цепи АПОС, а также малые функциональные возможности из-за cложности плавной регулировки порога чувствительности. The disadvantages of this technical solution are the limitation of the processing speed of the measurement information due to the use of discrete, time-limited nonlinear processes of frequency hopping in the APOS circuit, as well as small functionality due to the complexity of the smooth adjustment of the sensitivity threshold.

Цель изобретения - повышение скорости обработки измерительной информации и расширение функциональных возможностей. The purpose of the invention is to increase the processing speed of measurement information and expand the functionality.

Это достигается тем, что в предлагаемом интерференционном способе измерения фазового сдвига световых волн, заключающемся в том, что монохроматическое когерентное излучение направляют на движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру, созданную излучателем в среде распространения световых волн так, что излучение разделяется на опорный и измерительный потоки с различными оптическими частотами; измерительный поток направляют в измерительный канал интерферометра; отраженное излучение пространственно совмещают с излучением опорного потока, посредством фотоэлектрического преобразования поля интерференции выделяют выходной электрический сигнал, поступающий в измерительную схему. По выходному электрическому сигналу определяют фазовый сдвиг световых волн; при экстремальных значениях фазового сдвига световых волн изменяют знак коэффициента преобразования измерительной схемы на противоположный; формируют информационные логические импульсы, соответствующие моменту изменения знака. Электрический сигнал после измерительной схемы направляют на изменение периода движущейся с постоянной скоростью структуры, об изменении фазового сдвига световых волн судят по числу информационных логических импульсов. Изменяют абсолютное значение коэффициента преобразования измерительной схемы таким образом, чтобы сформировать пространственный период необходимого значения. This is achieved by the fact that in the proposed interference method for measuring the phase shift of light waves, which consists in the fact that monochromatic coherent radiation is directed to a periodic structure moving at a constant speed, which is created by the emitter in the medium of propagation of light waves so that the radiation is divided into reference and measuring flows with various optical frequencies; the measuring stream is sent to the measuring channel of the interferometer; the reflected radiation is spatially combined with the radiation of the reference stream; by means of a photoelectric conversion of the interference field, an output electrical signal is supplied to the measuring circuit. The output phase signal determines the phase shift of the light waves; at extreme values of the phase shift of the light waves, the sign of the conversion coefficient of the measuring circuit is reversed; form informational logical impulses corresponding to the moment of sign change. The electrical signal after the measuring circuit is sent to change the period of the structure moving at a constant speed, the change in the phase shift of light waves is judged by the number of informational logical pulses. The absolute value of the conversion coefficient of the measuring circuit is changed in such a way as to form a spatial period of the required value.

На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации данного способа на лазерного акустооптического интерферометра; на фиг.2 - структурная схема фазового детектора экстремальных значений (ФДЭЗ); на фиг.3 - графики, поясняющие алгоритм работы устройства ФДЭЗ; на фиг.4 - графики, иллюстрирующие процесс формирования функций преобразования измерительной схемы на основе схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и цепи АПОС для различных значений K_α .In FIG. 1 shows an example of a specific implementation of this method on a laser acousto-optical interferometer; figure 2 is a structural diagram of a phase detector of extreme values (PDEZ); figure 3 is a graph explaining the algorithm of the PDEZ device; figure 4 - graphs illustrating the process of forming the conversion functions of the measuring circuit based on the phase-locked loop (PLL) and the APOS circuit for various values of K _α .

Устройство (фиг.1), реализующее способ, содержит источник монохроматического излучения (лазер) 1, акустооптический модулятор (АОМ) 2, коллимирующую оптическую систему 3, элементы оптической схемы инерферометра 4, отражающую триппель-призму 5, фотоприемное устройство (ФПУ) 6, фазовый детектор экстремальных значений (ФДЭЗ) 7, счетчик импульсов (СИ) 8, генератор 9, управляемый кодом (ГУК). The device (Fig. 1) that implements the method comprises a monochromatic radiation source (laser) 1, an acousto-optical modulator (AOM) 2, a collimating optical system 3, elements of the optical scheme of the interferometer 4, reflecting the triple prism 5, a photodetector (FPU) 6, phase extreme value detector (PDEZ) 7, pulse counter (SI) 8, generator 9, code-controlled (GUK).

Способ осуществляют в работе следующим образом. The method is carried out in the following way.

Излучение лазера 1 направляется на АОМ 2, после которого оно распределяется на дифракционные порядки выходного спектра. Коллимирующей оптической системой 3 выходящие порядки направляются в схему в виде параллельных лучей. Первый порядок модуляции Е(+1) распространяется до триппель-призмы 5, возвращается в интерференционную схему с помощью элементов оптической схемы интерферометра 4, пространственно совмещается и интерферирует с нулевым порядком дифракции Е(0) на входе ФПУ 6. The radiation from laser 1 is directed to AOM 2, after which it is distributed over the diffraction orders of the output spectrum. The collimating optical system 3, the outgoing orders are sent to the circuit in the form of parallel rays. The first modulation order E (+1) propagates to the triple prism 5, returns to the interference circuit using the optical elements of the interferometer 4, spatially combines and interferes with the zero diffraction order E (0) at the input of the FPU 6.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе ФПУ 6 электрического измерительного сигнала, который в виде квадратурных (ортогонально-сдвинутых по фазе: U₁ = U_o sin ω t, U₂ = U_osin( ω t + 90^o), U₃ = U_osin ( ω t+ +180^o) сигналов поступает на вход ФДЭЗ 7. Совместная электрическая схема ФДЭЗ 7 и ГУК 9 образуют схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Выходной частотный сигнал этой схемы подается на кварцевый излучатель АОМ 2 и на опорный вход ФДЭЗ 7.Optical heterodyning on the photodetector plane of different-frequency optical flows leads to the appearance of an electric measuring signal at the FPU 6 output, which is in the form of quadrature (orthogonally phase-shifted: U ₁ = U _o sin ω t, U ₂ = U _o sin (ω t + 90 ^o ), U ₃ = U _o sin (ω t + +180 ^o ) the signals are fed to the input of the PDEZ 7. The joint electric circuit PDEZ 7 and the GUK 9 form a phase-locked loop (PLL). The output frequency signal of this circuit is fed to a quartz emitter AOM 2 and to the reference input of PDEZ 7.

При перемещении триппель-призмы 5 на выходе ФДЭЗ 7 формируется последовательность информационных логических импульсов, которая поступает на вход СИ 8. На выходе СИ 8 образуется цифровой код, соответствующий суммарному фазовому сдвигу. When moving the triple prism 5 at the output of PDEZ 7, a sequence of informational logical pulses is formed, which is fed to the input of SI 8. At the output of SI 8, a digital code is generated corresponding to the total phase shift.

Сущность способа заключается в следующем. The essence of the method is as follows.

Известно, что в функции преобразования цепи АПОС имеется линейный участок, где зависимость между изменением фазового сдвига входного оптического потока и изменением выходной частоты определяется в соответствии с выражением:
Δ f = K_п ˙ Δ φ , (2) где K_п - коэффициент пропорциональности.It is known that in the conversion function of the APOS circuit there is a linear section where the relationship between the change in the phase shift of the input optical stream and the change in the output frequency is determined in accordance with the expression:
Δ f = K _p ˙ Δ φ, (2) where K _p is the coefficient of proportionality.

Для этой схемы K_п cоответствует собственному коэффициенту пропорциональности К^I _п, который определяется только внутренними параметрами АОМ:
K_п = K

=

, (3) где V_зв - скорость распространения звуковой волны в воде,
L_AOМ - расстояние между лазерным лучом и кварцевым излучателем.For this scheme, K _p corresponds to its own proportionality coefficient K ^I _p , which is determined only by the internal parameters of AOM:
K _p = K

=

, (3) where V _sv is the speed of propagation of a sound wave in water,
L _AOM - the distance between the laser beam and the quartz emitter.

Линейный участок функции преобразования определяется смещением объекта на величину пространственного периода (I), который соответствует фазовому сдвигу оптического излучения, равному 2π . При превышении этого значения проявляется нелинейное свойство АПОС - частотный перескок, который заключается в резком, скачкообразном изменении частоты сигнала (фиг.3) и происходит в течение промежутка времени, равного t =

В системах ФАПЧ применяются фазовые детекторы, которые имеют пилообразную функцию преобразования с отрицательной крутизной [5,6]. Для таких фазовых детекторов коэффициент преобразования можно описать следующим выражением:
K

=

(4) где К_дет - абсолютное значение коэффициента преобразования фазового детектора.The linear portion of the conversion function is determined by the displacement of the object by the value of the spatial period (I), which corresponds to a phase shift of optical radiation equal to 2π. When this value is exceeded, the non-linear property of the APOS is manifested - a frequency hopping, which consists in a sharp, spasmodic change in the signal frequency (Fig. 3) and occurs over a period of time equal to t =

PLL systems employ phase detectors that have a sawtooth conversion function with negative slope [5,6]. For such phase detectors, the conversion coefficient can be described by the following expression:
K

=

(4) where K _det is the absolute value of the conversion coefficient of the phase detector.

n - положительное число. n is a positive number.

Выражение (4) правомерно переписать к новому виду [8]:
K

= K_дет·R

1;

, (5) где R_ad(1; R

1;

- первая функция Радемахера для аргумента

.Expression (4) can rightfully be rewritten to a new form [8]:
K

= K _children · R

1;

, (5) where R _ad (1; R

1;

is the first Rademacher function for the argument

.

Использование фазового детектора, коэффициент преобразования которого может изменять свой знак аналогично, подобно уравнению (5) позволяет исключить нелинейные участки функции преобразования цепи АПОС, связанные с частотными перескоками. Реализация схемы фазового детектора экстремальных значений (ФДЭЗ) на современной электронной базе позволит формировать информационные логические импульсы (в качестве эквивалентов частотных перескоков), длительность которых намного меньше, чем длительность частотных перескоков. Это позволит повысить скорость подсчета импульсов, что приведет к повышению общей скорости обработки измерительной информации. The use of a phase detector, the conversion coefficient of which can change its sign in a similar way, like equation (5), allows one to exclude nonlinear portions of the conversion function of the APOS circuit associated with frequency jumps. The implementation of the phase extreme value detector (PDEZ) scheme on a modern electronic base will allow the formation of informational logical impulses (as equivalents of frequency hopping), the duration of which is much shorter than the duration of frequency hopping. This will increase the speed of counting pulses, which will lead to an increase in the overall processing speed of the measurement information.

Исследования показывают, что введение внешней управляющей схемы в виде ФАПЧ изменяет свойства АПОС таким образом, что К_п в уравнении (2) становится равным К_п'' - общему коэффициенту преобразования схемы ФАПЧ:
К_п = K

' = K_дет ^.К_гук, (6) где К_дет - абсолютное значение коэффициента преобразования ФДЭЗ;
K_гук - коэффициент преобразования ГУК.Studies show that the introduction of an external control circuit in the form of a PLL changes the APOS properties in such a way that K _p in equation (2) becomes equal to K _p '' - the overall conversion coefficient of the PLL:
K _p = K

'= K ^_children. K _guk, (6) where K _det is the absolute value of the PDEZ conversion coefficient;
K _hook - conversion coefficient _Hook .

Для такого схемного решения величина пространственного периода, с учетом двойного хода луча, соответствует выражению:
L_пр =

. (7)
При подстановке выражения (3) в выражение (7) последнее приобретает следующий вид L_пр =

=K_α·λ, (8) где K_α - модуляционный коэффициент.For such a circuit solution, the value of the spatial period, taking into account the double beam path, corresponds to the expression:
L _CR =

. (7)
When substituting expression (3) in expression (7), the latter takes the following form L _CR =

= K _α · λ, (8) where K _α is the modulation coefficient.

Анализ полученного выражения показывает, что для различных значений K_α можно реализовать функции преобразования с различным пространственным периодом, как показано на фиг.4,а. Теоретически значение пространственного периода может находиться в любом соотношении со значением длины волны используемого источника излучения, что расширяет функциональные возможности лазерных гетеродинных методов измерения перемещений.Analysis of the obtained expression shows that for various values of K _α , transformation functions with different spatial periods can be realized, as shown in Fig. 4, a. Theoretically, the value of the spatial period can be in any ratio with the wavelength of the used radiation source, which expands the functionality of laser heterodyne methods of measuring displacements.

Устройство ФДЭЗ (фиг. 2) включает фазовый интерполятор 10, схему 12 сравнения кодов и логическую схему 15. The PDEZ device (Fig. 2) includes a phase interpolator 10, a code comparison circuit 12, and a logic circuit 15.

Фазовый интерполятор 1 состоит из резистивной цепочки 16 и набора компараторов 17. Phase interpolator 1 consists of a resistive chain 16 and a set of comparators 17.

Логическая схема 15 включает счетный Т-триггер 18, два двоичных шифратора 19 и 20, коммутатор 21, выполненный на базе набора логических элементов. The logic circuit 15 includes a countable T-flip-flop 18, two binary encoders 19 and 20, a switch 21, based on a set of logical elements.

Алгоритм работы ФДЭЗ реализован следующим образом. На измерительный вход фазового интерполятора 1 поступают ортогонально-сдвинутые по фазе сигналы:

(9)
В качестве опорного сигнала используется частотный сигнал после ГУК. Разность фаз между измерительным и опорным сигналом преобразуется в цифровой код. Цифровой код с прямых выходов компараторов 17 поступает на вход схемы 12 сравнения кодов. Схема сравнения кодов формирует информационный логический импульс на выходе, если входная цифровая комбинация соответствует двум экстремальным значениям (N = 0 или N = N_maх), что соответствует фазовым сдвигам Δ φ= 0 и Δ φ = 2 π .The PDEZ operation algorithm is implemented as follows. The measuring input of the phase interpolator 1 receives the signals orthogonally shifted in phase:

(9)
As a reference signal, the frequency signal after the HCC is used. The phase difference between the measuring and reference signal is converted into a digital code. The digital code from the direct outputs of the comparators 17 is fed to the input of the code comparison circuit 12. The code comparison circuit generates an informational logical impulse at the output if the input digital combination corresponds to two extreme values (N = 0 or N = N _ma x), which corresponds to phase shifts Δφ = 0 and Δφ = 2 π.

Информационный логический импульс поступает на вход счетчика импульсов (СИ) и на вход счетного Т-триггера 18 логической схемы. Счетный Т-триггер формирует на прямом выходе поочередно логическое состояние ("0", "1"), в зависимости от которого (см. таблицу) на выход логической схемы (и соответственно на вход ГУК), с помощью шифраторов 19 и 20 и коммутатора 21 поступает поочередно прямой или инверсный цифровой код фазового интерполятора. В результате этого цифровой код поочередно возрастает и уменьшается. Соответствие между фазовым сдвигом на входе и выходным цифровым кодом отображено в таблице. Information logical impulse is fed to the input of the pulse counter (SI) and to the input of the countable T-trigger 18 of the logic circuit. The counting T-flip-flop generates an alternate logical state at the direct output ("0", "1"), depending on which (see the table) to the output of the logic circuit (and, accordingly, to the input of the GUK), using encoders 19 and 20 and a switch 21, a direct or inverse digital code of the phase interpolator is supplied alternately. As a result of this, the digital code increases and decreases in turn. The correspondence between the phase shift at the input and the output digital code is shown in the table.

Схема генератора управляемого кодом (ГУК) может строиться на базе хорошо исследованных схем синтезаторов частоты или по двухступенчатой структуре: цифроаналоговый преобразователь + генератор управляемый напряжением = ГУК. The code driven oscillator (GUC) generator circuit can be built on the basis of well-studied frequency synthesizer circuits or in a two-stage structure: digital-to-analog converter + voltage-controlled generator = GUK.

Приведенный алгоритм работы ФДЭЗ, ГУК показывает реальную возможность создания интерферометров на основе предложенного способа. В качестве элементной базы могут использоваться широкоприменяемые цифровые микросхемы серий 155, 531, 555 и серии аналоговых микросхем 174, 118, 572 и др. The algorithm for the operation of PDEZ and GUK shows the real possibility of creating interferometers based on the proposed method. As an element base, widely used digital microcircuits of the 155, 531, 555 series and the analogue microcircuit series 174, 118, 572 and others can be used.

Claims (2)

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА СВЕТОВЫХ ВОЛН, заключающийся в том, что создают излучателем в среде распространения световых волн периодическую структуру, монохроматическое когерентное излучение направляют на движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру так, что излучение разделяется на опорный и измерительный потоки с различными оптическими частотами, измерительный поток направляют в измерительный канал интерферометра, отраженное излучение пространственно совмещают с излучением опорного потока, преобразуют оптический сигнал от поля интерференции в электрический сигнал в измерительной схеме, по выходному сигналу которой определяют фазовый сдвиг световых волн, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия за счет увеличения скорости обработки измерительной информации при экстремальных значениях фазового сдвига световых волн, изменяют знак коэффициента преобразования измерительной схемы на противоположный, формируют информационные логические импульсы, соответствующие моменту изменения знака, с помощью выходного сигнала измерительной схемы изменяют период движущейся с постоянной скоростью периодической структуры, а об изменении фазового сдвига световых волн судят по числу информационных логических импульсов. 1. INTERFERENCE METHOD FOR MEASURING THE PHASE SHIFT OF LIGHT WAVES, which consists in creating a periodic structure in the medium of propagation of light waves, monochromatic coherent radiation is directed to a periodic structure moving at a constant speed so that the radiation is divided into reference and measuring flows with different optical frequencies , the measuring stream is sent to the measuring channel of the interferometer, the reflected radiation is spatially combined with the radiation of the reference stream convert the optical signal from the interference field into an electrical signal in the measuring circuit, the output signal of which determines the phase shift of the light waves, characterized in that, in order to improve performance by increasing the processing speed of the measurement information at extreme values of the phase shift of the light waves, they change the sign the conversion coefficient of the measuring circuit to the opposite, form information logical impulses corresponding to the moment of sign change, using the output signal period measuring circuit change the moving periodic structure at a constant speed, and the change of the phase shift of the light waves are judged by the number of logical information pulses. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют абсолютное значение коэффициента преобразования измерительной схемы так, чтобы сформировать пространственный период заданной величины. 2. The method according to claim 1, characterized in that the absolute value of the conversion coefficient of the measuring circuit is changed so as to form a spatial period of a given value.

Images