ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА ТРИГГЕРНОГО ТИПА
Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе
УДК 681.787.7
ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА ТРИГГЕРНОГО ТИПА
Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе
Предложен способ минимизации влияния спекл-модуляции в оптических щупах триггерного типа на точность измерений. Определена величина дискретности съема информации на основе измерения корреляционной функции огибающей выходного сигнала в нескольких произвольных точках поверхности объекта. Ключевые слова: интерференционные приборы, оптический щуп, когерентно-ограниченные источники излучения, спеклы, корреляционная функция, опорное зеркало.
Введение
В настоящее время проявляется повышенный интерес к интерферометрическим приборам, в которых используются источники излучения с ограниченной длиной временной когерентности (бесконтактные оптические щупы). Приборы указанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами геометрической оптики. Точность, диапазон измерений, а также расстояние до контролируемой поверхности не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения. Когерентно-
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
13
ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА …
ограниченные оптические щупы малогабаритны, удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации [1–3]. В некоторых случаях, таких, например, как исследование поверхностей биологических тканей, бесконтактные оптические щупы являются единственно возможными. Однако, несмотря на определенные успехи в использовании систем с когерентно-ограниченным излучением, остаются нерешенными некоторые вопросы их практического применения, позволяющие повысить точность и воспроизводимость бесконтактных измерений.
Постановка задачи
Рассмотрим принцип работы оптического щупа триггерного типа. Изменение контраста интерфе-
ренционного поля обусловлено модуляцией разности хода вследствие перемещения измерительной го-
ловки. В общем случае при движении зондирующего излучения по поверхности объекта и наличии попе-
речной компоненты в плоскости регистрации происходит изменение картины спеклов (спекл-
модуляция). Скорость этого изменения определяется скоростью поперечного перемещения луча по по-
верхности. Если увеличить скорость съема информации таким образом, что спеклы в плоскости регист-
рации за время одного измерения окажутся как бы «заморожены» [3], будем считать задачу решенной.
Сущность предлагаемого способа минимизации влияния спекл-модуляции на точность измерения
диффузно отражающего объекта заключается в следующем: за время относительно медленного приближе-
ния измерительной головки к поверхности объекта при значительном увеличении скорости съема инфор-
мации необходимо произвести несколько независимых измерений расстояния до поверхности и затем ус-
реднить их. Для реализации предлагаемого способа вводится дополнительная модуляции разности хода за
счет сканирования опорного зеркала. Требования к параметрам сканирования можно представить в виде
loz V
lt Vt
,
V
Vx ,
(1)
где loz – амплитуда сканирования опорного зеркала по оси OZ, V – скорость сканирования опорного зеркала; lt – расстояние, на которое смещается измерительная головка за один проход, Vt – скорость изменения оптической длины объектного плеча, Vx – скорость поперечного смещения зондирующего пятна по поверхности объекта. При выполнении этих условий, во-первых, за один проход измерительной головки
удастся произвести несколько независимых измерений, во-вторых, во время одного измерения спеклы в
плоскости регистрации окажутся «заморожены».
Исходя из условий (1), необходимо сформулировать требования к техническим параметрам опти-
ческого щупа и решить вопрос о количественном соотношении между скоростями Vx и V, чтобы предлагаемый способ привел к увеличению точности измерений при требуемом диапазоне измерений.
Для решения поставленных вопросов были проведены экспериментальные исследования. Цель
эксперимента состояла в определении допустимой скорости поперечного смещения поверхности объекта
при фиксированных частоте колебаний паралеллограммного механизма (2 кГц) и скорости сканирования
опорного зеркала (400 мм/с). В качестве критерия оценки достижения положительного эффекта приме-
нялась величина среднеквадратического отклонения (СКО) расстояния до поверхности объекта.
Результаты исследования оптического щупа триггерного типа
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Диффузно отражающий объект 1 уста-
новлен на параллелограммном механизме 2. Колебания механизма возбуждаются генератором 3. Дви-
жение объекта происходит вдоль оси X. Измерение расстояния до объекта производится оптическим щу-
пом 4. Для вычисления СКО проводилось 20 независимых измерений.
Важное условие проведения эксперимента – обеспечение идентичности положений объекта и его
скорости для каждого из 20 измерений. С этой целью применен датчик скорости 5, состоящий из элек-
тромагнитной катушки и постоянного магнита, закрепленного на параллелограммном механизме. Ком-
паратор 6 позволяет выделять моменты времени, соответствующие максимальной скорости движения
объекта Vx, max. В эти моменты компаратор формирует разрешающий сигнал для выдачи информации оптическим щупом. Таким образом, измерение расстояния до объекта производится в моменты максималь-
ной скорости его движения. Поскольку движение объекта происходит по гармоническому закону,
x xm sin 2t , оценка максимальной скорости производится по амплитуде колебаний параллелограммного механизма:
Vx,max
dx dt
t 0
2xm ,
где xm – амплитуда механических колебаний; – частота колебаний. Изменение скорости движения объекта задавалось изменением амплитуды выходного напряжения генератора. Параметры эксперимента: скорость
перемещения опорного зеркала V = 400 мм/с; длительность выходного сигнала 1 по уровню 0,1 = 50 мкс; размер зондирующего пятна d = 40 мкм; частота колебаний параллелограммного механизма ν = 23 Гц.
14 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)
Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – объект; 2 – параллелограммный механизм; 3 – возбуждающий генератор; 4 – оптический щуп; 5 – датчик скорости; 6 – компаратор; S – зондирующий
пучок
На рис. 2 представлена полученная зависимость СКО измерений расстояния до объекта z от ско-
рости движения объекта Vx, max. Видно, что поперечное смещение поверхности относительно щупа практически не сказывается на точности измерений до скорости порядка 60 мм/с. Поскольку при проведении эксперимента скорость перемещения опорного зеркала оставалась неизменной, можно сделать вывод, что при скорости поперечного смещения объекта, равной 60 мм/с, нижний предел скорости сканирования опорного зеркала (скорости модуляции оптической разности хода) составляет 400 мм/с.
На практике более полезной является зависимость z z (рис. 2, б), где величина равна
отношению величины смещения зондирующего пятна за время одного измерения 1 к размеру пятна d:
Vx,max 1 d
.
z, мкм 2,5
z, мкм 2,5
22
1,5 1,5
11 0,5 0,5
0
50 100 150 200 Vx max, мм/с
0
0,07 0,14 0,21 0,28
аб
Рис. 2. Результаты исследования зависимости СКО измерений расстояния до объекта от скорости поперечного смещения поверхности объекта относительно щупа (а) и относительного смещения зондирующего пятна за время одного измерения (б) при фиксированной скорости сканирования опорного
зеркала
Для обеспечения независимости серии измерений с последующим усреднением их результатов поставлена задача определения их временного шага. С этой целью определена корреляционная функция [2–4]
U x, zU x x, z dz
R x
,
U 2 x, z dz
где U x, z – огибающая выходного сигнала; x – шаг измерений. Для определения средней величи-
ны R x величины U xi , z и U xi x, z для каждого значения x снимались в десяти произ-
вольных точках поверхности объекта xi . Результаты измерений для различных углов падения зондирующего излучения представлены на
рис. 3. Видно, что отдельные измерения можно считать независимыми, если при смещении объекта в поперечном направлении измерения проводить с шагом 7–10 мкм.
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
15
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ …
R 1 0,8 0,6
0,4 0,2
0 5 10
= 45,
= 0
15 x, мкм
Рис. 3. Зависимость корреляционной функции измерения расстояния до объекта от поперечного смещения объекта ∆x при различных углах падения θ зондирующего излучения
Заключение
Получены результаты, имеющие практическое значение при использовании щупа триггерного типа для бесконтактных измерений. Определены дискретность измерений и граница допустимой скорости движения контролируемой поверхности при динамических измерениях.
Литература
1. Гуров И.П., Ли Ган. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистрацией неподвижных интерференционных картин // Оптика и спектроскопия. – 1998. – Т. 84. – № 1. – С. 129–138.
2. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Исследование оптического щупа с частично когерентным источником излучения // Научное приборостроение. – 2003. – Т. 13. – № 2. – С. 47–51.
3. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности // Современные технологии: Труды молодых ученых СПбГУ ИТМО. – 2001. – С. 61–63.
4. Hausler G., Lindner M.W. Coherence radar and spectral radar – new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. – 1998. – V. 3. – № 1. – P. 21–31.
Майоров Евгений Евгеньевич Прокопенко Виктор Трофимович
Ушверидзе Лариса Александровна
– Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, majorov_ee@mail.ru
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, prokopenko@mail.ifmo.ru
– Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, larisha6@yandex.ru
16 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)
УДК 681.787.7
ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА ТРИГГЕРНОГО ТИПА
Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе
Предложен способ минимизации влияния спекл-модуляции в оптических щупах триггерного типа на точность измерений. Определена величина дискретности съема информации на основе измерения корреляционной функции огибающей выходного сигнала в нескольких произвольных точках поверхности объекта. Ключевые слова: интерференционные приборы, оптический щуп, когерентно-ограниченные источники излучения, спеклы, корреляционная функция, опорное зеркало.
Введение
В настоящее время проявляется повышенный интерес к интерферометрическим приборам, в которых используются источники излучения с ограниченной длиной временной когерентности (бесконтактные оптические щупы). Приборы указанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами геометрической оптики. Точность, диапазон измерений, а также расстояние до контролируемой поверхности не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения. Когерентно-
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
13
ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА …
ограниченные оптические щупы малогабаритны, удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации [1–3]. В некоторых случаях, таких, например, как исследование поверхностей биологических тканей, бесконтактные оптические щупы являются единственно возможными. Однако, несмотря на определенные успехи в использовании систем с когерентно-ограниченным излучением, остаются нерешенными некоторые вопросы их практического применения, позволяющие повысить точность и воспроизводимость бесконтактных измерений.
Постановка задачи
Рассмотрим принцип работы оптического щупа триггерного типа. Изменение контраста интерфе-
ренционного поля обусловлено модуляцией разности хода вследствие перемещения измерительной го-
ловки. В общем случае при движении зондирующего излучения по поверхности объекта и наличии попе-
речной компоненты в плоскости регистрации происходит изменение картины спеклов (спекл-
модуляция). Скорость этого изменения определяется скоростью поперечного перемещения луча по по-
верхности. Если увеличить скорость съема информации таким образом, что спеклы в плоскости регист-
рации за время одного измерения окажутся как бы «заморожены» [3], будем считать задачу решенной.
Сущность предлагаемого способа минимизации влияния спекл-модуляции на точность измерения
диффузно отражающего объекта заключается в следующем: за время относительно медленного приближе-
ния измерительной головки к поверхности объекта при значительном увеличении скорости съема инфор-
мации необходимо произвести несколько независимых измерений расстояния до поверхности и затем ус-
реднить их. Для реализации предлагаемого способа вводится дополнительная модуляции разности хода за
счет сканирования опорного зеркала. Требования к параметрам сканирования можно представить в виде
loz V
lt Vt
,
V
Vx ,
(1)
где loz – амплитуда сканирования опорного зеркала по оси OZ, V – скорость сканирования опорного зеркала; lt – расстояние, на которое смещается измерительная головка за один проход, Vt – скорость изменения оптической длины объектного плеча, Vx – скорость поперечного смещения зондирующего пятна по поверхности объекта. При выполнении этих условий, во-первых, за один проход измерительной головки
удастся произвести несколько независимых измерений, во-вторых, во время одного измерения спеклы в
плоскости регистрации окажутся «заморожены».
Исходя из условий (1), необходимо сформулировать требования к техническим параметрам опти-
ческого щупа и решить вопрос о количественном соотношении между скоростями Vx и V, чтобы предлагаемый способ привел к увеличению точности измерений при требуемом диапазоне измерений.
Для решения поставленных вопросов были проведены экспериментальные исследования. Цель
эксперимента состояла в определении допустимой скорости поперечного смещения поверхности объекта
при фиксированных частоте колебаний паралеллограммного механизма (2 кГц) и скорости сканирования
опорного зеркала (400 мм/с). В качестве критерия оценки достижения положительного эффекта приме-
нялась величина среднеквадратического отклонения (СКО) расстояния до поверхности объекта.
Результаты исследования оптического щупа триггерного типа
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Диффузно отражающий объект 1 уста-
новлен на параллелограммном механизме 2. Колебания механизма возбуждаются генератором 3. Дви-
жение объекта происходит вдоль оси X. Измерение расстояния до объекта производится оптическим щу-
пом 4. Для вычисления СКО проводилось 20 независимых измерений.
Важное условие проведения эксперимента – обеспечение идентичности положений объекта и его
скорости для каждого из 20 измерений. С этой целью применен датчик скорости 5, состоящий из элек-
тромагнитной катушки и постоянного магнита, закрепленного на параллелограммном механизме. Ком-
паратор 6 позволяет выделять моменты времени, соответствующие максимальной скорости движения
объекта Vx, max. В эти моменты компаратор формирует разрешающий сигнал для выдачи информации оптическим щупом. Таким образом, измерение расстояния до объекта производится в моменты максималь-
ной скорости его движения. Поскольку движение объекта происходит по гармоническому закону,
x xm sin 2t , оценка максимальной скорости производится по амплитуде колебаний параллелограммного механизма:
Vx,max
dx dt
t 0
2xm ,
где xm – амплитуда механических колебаний; – частота колебаний. Изменение скорости движения объекта задавалось изменением амплитуды выходного напряжения генератора. Параметры эксперимента: скорость
перемещения опорного зеркала V = 400 мм/с; длительность выходного сигнала 1 по уровню 0,1 = 50 мкс; размер зондирующего пятна d = 40 мкм; частота колебаний параллелограммного механизма ν = 23 Гц.
14 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)
Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – объект; 2 – параллелограммный механизм; 3 – возбуждающий генератор; 4 – оптический щуп; 5 – датчик скорости; 6 – компаратор; S – зондирующий
пучок
На рис. 2 представлена полученная зависимость СКО измерений расстояния до объекта z от ско-
рости движения объекта Vx, max. Видно, что поперечное смещение поверхности относительно щупа практически не сказывается на точности измерений до скорости порядка 60 мм/с. Поскольку при проведении эксперимента скорость перемещения опорного зеркала оставалась неизменной, можно сделать вывод, что при скорости поперечного смещения объекта, равной 60 мм/с, нижний предел скорости сканирования опорного зеркала (скорости модуляции оптической разности хода) составляет 400 мм/с.
На практике более полезной является зависимость z z (рис. 2, б), где величина равна
отношению величины смещения зондирующего пятна за время одного измерения 1 к размеру пятна d:
Vx,max 1 d
.
z, мкм 2,5
z, мкм 2,5
22
1,5 1,5
11 0,5 0,5
0
50 100 150 200 Vx max, мм/с
0
0,07 0,14 0,21 0,28
аб
Рис. 2. Результаты исследования зависимости СКО измерений расстояния до объекта от скорости поперечного смещения поверхности объекта относительно щупа (а) и относительного смещения зондирующего пятна за время одного измерения (б) при фиксированной скорости сканирования опорного
зеркала
Для обеспечения независимости серии измерений с последующим усреднением их результатов поставлена задача определения их временного шага. С этой целью определена корреляционная функция [2–4]
U x, zU x x, z dz
R x
,
U 2 x, z dz
где U x, z – огибающая выходного сигнала; x – шаг измерений. Для определения средней величи-
ны R x величины U xi , z и U xi x, z для каждого значения x снимались в десяти произ-
вольных точках поверхности объекта xi . Результаты измерений для различных углов падения зондирующего излучения представлены на
рис. 3. Видно, что отдельные измерения можно считать независимыми, если при смещении объекта в поперечном направлении измерения проводить с шагом 7–10 мкм.
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 2 (78)
15
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ …
R 1 0,8 0,6
0,4 0,2
0 5 10
= 45,
= 0
15 x, мкм
Рис. 3. Зависимость корреляционной функции измерения расстояния до объекта от поперечного смещения объекта ∆x при различных углах падения θ зондирующего излучения
Заключение
Получены результаты, имеющие практическое значение при использовании щупа триггерного типа для бесконтактных измерений. Определены дискретность измерений и граница допустимой скорости движения контролируемой поверхности при динамических измерениях.
Литература
1. Гуров И.П., Ли Ган. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистрацией неподвижных интерференционных картин // Оптика и спектроскопия. – 1998. – Т. 84. – № 1. – С. 129–138.
2. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Исследование оптического щупа с частично когерентным источником излучения // Научное приборостроение. – 2003. – Т. 13. – № 2. – С. 47–51.
3. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности // Современные технологии: Труды молодых ученых СПбГУ ИТМО. – 2001. – С. 61–63.
4. Hausler G., Lindner M.W. Coherence radar and spectral radar – new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. – 1998. – V. 3. – № 1. – P. 21–31.
Майоров Евгений Евгеньевич Прокопенко Виктор Трофимович
Ушверидзе Лариса Александровна
– Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, majorov_ee@mail.ru
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, prokopenko@mail.ifmo.ru
– Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, larisha6@yandex.ru
16 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 2 (78)