RU2023982C1 - Interference method for measuring phase shift of light waves - Google Patents
Interference method for measuring phase shift of light waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2023982C1 RU2023982C1 SU4951482A RU2023982C1 RU 2023982 C1 RU2023982 C1 RU 2023982C1 SU 4951482 A SU4951482 A SU 4951482A RU 2023982 C1 RU2023982 C1 RU 2023982C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- light waves
- phase shift
- radiation
- measuring circuit
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
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: Lпр=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 Kα .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
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
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 = Uo sin ω t, U2 = Uosin( ω t + 90o), U3 = Uosin ( ω t+ +180o) 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
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 = Kп ˙ Δ φ , (2) где Kп - 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 Kп cоответствует собственному коэффициенту пропорциональности КI п, который определяется только внутренними параметрами АОМ:
Kп = K = , (3) где Vзв - скорость распространения звуковой волны в воде,
LAOМ - 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 Кдет - 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= Kдет·R1; , (5) где Rad(1; R1; - первая функция Радемахера для аргумента .Expression (4) can rightfully be rewritten to a new form [8]:
K = K children ·
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 Кп в уравнении (2) становится равным Кп'' - общему коэффициенту преобразования схемы ФАПЧ:
Кп = K' = Kдет .Кгук, (6) где Кдет - абсолютное значение коэффициента преобразования ФДЭЗ;
Kгук - 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:
Lпр = . (7)
При подстановке выражения (3) в выражение (7) последнее приобретает следующий вид Lпр = =Kα·λ, (8) где Kα - 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 Kα 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
Фазовый интерполятор 1 состоит из резистивной цепочки 16 и набора компараторов 17.
Логическая схема 15 включает счетный Т-триггер 18, два двоичных шифратора 19 и 20, коммутатор 21, выполненный на базе набора логических элементов. The
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 = Nmaх), 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
(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
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-
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4951482 RU2023982C1 (en) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Interference method for measuring phase shift of light waves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4951482 RU2023982C1 (en) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Interference method for measuring phase shift of light waves |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2023982C1 true RU2023982C1 (en) | 1994-11-30 |
Family
ID=21582440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4951482 RU2023982C1 (en) | 1991-06-28 | 1991-06-28 | Interference method for measuring phase shift of light waves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2023982C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011048446A1 (en) | 2009-10-22 | 2011-04-28 | Uab "Stikloporas" | Granulated batch for foam glass and method of production of said granulated batch |
-
1991
- 1991-06-28 RU SU4951482 patent/RU2023982C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Авторское свидетельство СССР N 1388721, кл. G 01B 21/00, 1986. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 1693382, кл. G 01B 21/00, 1990. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011048446A1 (en) | 2009-10-22 | 2011-04-28 | Uab "Stikloporas" | Granulated batch for foam glass and method of production of said granulated batch |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0640846A2 (en) | Optical measuring apparatus | |
JP3583906B2 (en) | Optical rangefinder | |
EP2329599B1 (en) | System and method for precision phase shift measurement | |
JPH0518364B2 (en) | ||
RU2023982C1 (en) | Interference method for measuring phase shift of light waves | |
JPH0489507A (en) | Displacement detector | |
Imai et al. | Optical-heterodyne displacement measurement using a frequency-ramped laser diode | |
JPH0352881B2 (en) | ||
US4176961A (en) | Methods and apparatus for improving the resolution of measured parameters | |
RU2020409C1 (en) | Acoustic-and-optical method determination of distance to object | |
RU2813988C1 (en) | Holographic method for generating radio frequency electrical oscillations at discrete frequencies | |
JPH0776695B2 (en) | Displacement detection device | |
JP3512072B2 (en) | Position detection device | |
SU1763882A1 (en) | Method and device for displacement heterodyne-interference measuring | |
RU2213935C1 (en) | Acoustooptic facility measuring shifts | |
RU2112210C1 (en) | Interference device for measuring of light wave phase shift | |
SU1388721A1 (en) | Method of measuring phase shift of light waves | |
Hariharan | Laser interferometry: current trends and future prospects (Keynote Paper) | |
RU2175753C1 (en) | Method of determination of deviation from linearity | |
Koltchanov et al. | New modulation technique for unambiguous measurements of phase changes in diode laser interferometers | |
SU408145A1 (en) | DESCRIPTION OF THE INVENTION | |
SU900213A1 (en) | Phase-shifting device | |
RU2016380C1 (en) | Method and device for automatic interpolation of phase-shift in laser interferometers | |
RU1810865C (en) | Method of determining propagation time of optic spectrum electromagnetic oscillations | |
SU794644A1 (en) | Device for control of scanning at output of graphic information from electronic computer |