Исследование оптоэлектронных дифракционных измерителей перемещений и колебаний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Соколов Юрий Михайлович

Исследование оптоэлектронных дифракционных измерителей перемещений и колебаний 01 04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ дис сергации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003069356

Работа выполнена на кафедре радиофизики факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель, доктор технических наук,

профессор Комоцкин Владислав Антонович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Никитин Алексей Константинович

кандидат физико-математических наук,

с не Родни Владислав Геннадьевич

Ведущая организация- Московский государственный институт

Защита диссертации состоится «ЗД » „и о £-2007 г в 16 час 30 мин

на заседании диссертационного совета К 212.203 01

в Российском университете дружбы народов

по адресу 117198, Москва, ул Орджоникидзе, 3, зал № 1

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу 117198, Москва, ул Миклухо-Маклая, 6

радиотехники, электроники и автоматики

(МИРЭА, Технический университет)

Автореферат диссертации разослан " 23

2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время в связи с развитием прецизионных и нанометри-ческих технологий значительный интерес представляют измерения малых перемещений и колебаний с высокой точностью в субмикрометровом и нанометровом диапазонах Датчики малых перемещений и колебаний широко применяются в таких областях как приборостроение, сейсмометрия, робототехника, машиностроение, производство печатных плат и многих других областях науки и техники Детальное исследование, разработка новых и совершенствование существующих типов датчиков малых перемещений является актуальной научно-технической задачей В современной литературе описано множество различных оптических и опто-электронных измерительных систем малых перемещений и колебаний, среди которых выделяются интерференционные, дифракционные, голо-графические системы, обладающие высокой разрешающей способностью и точностью

В настоящей работе исследуются оптоэлектронные схемы измерения малых перемещений и колебаний, основанные на двойной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке в виде меандра Такие схемы исследовались ранее в целом ряде работ, выполненных на кафедре радиофизики РУДН, однако теоретическое исследование предыдущих вариантов датчиков проводилось приближенно, на основе полученных аналитических формул без значительных компьютерных расчетов С появлением современных компьютерных программ для расчета характеристик становится возможным более детально анализировать зависимости интенсивностей дифракционных порядков от перемещения одной из решеток и исследовать их линейность при различных параметрах системы

В диссертации рассмотрены новые, усовершенствованные измерительные устройства малых перемещений и колебаний, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с датчиками, описанными ранее В частности, рассмотрен новый вариант д<ичика малых линейных перемещений и макет профилометра на основе усовершенствованного интегрального блока из двух решеток, а также измеритель малых угловых колебаний конструкции нового типа, построенный на основе оптоэлектронною блока-сенсора

Наряду с датчиками перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток в диссертации рассматриваются датчики линейных перемещений на основе применения метода оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР) Метод ОЗ ПАВ с ОДР был предложен и разработан на

кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов в 1980 - 1990г и был описан в ряде статей На основе этого метода были предложены различные варианты схем датчиков перемещений с чувствительностью порядка десятых долей нанометра, и построены макеты измерителей, подтверждающие возможность получения высокой разрешающей способности измерений Однако в этих работах недостаточно полно было изучено влияние вторичных переотражений ПАВ, которые искажают результаты измерений перемещений и приводят к нелинейности шкалы. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача исследования условий, при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах

Цель работы Создание и исследование новых, усовершенствованных датчиков .малых линейных перемещений и колебаний, построенных на основе эффекта двойной дифракции лазерного пучка на системе из двух фазовых дифракционных решеток, а также исследование некоторых типов датчиков линейных перемещений, состоящих из дифракционной решетки и звукопровода ПАВ Оптимизация параметров датчиков, исследование стабильности измерений и возможных способов уменьшения погрешностей, вызванных различными факторами

В настоящей работе были поставлены следующие задачи

1 Провести теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, с применением методов компьютерных расчетов исследовать зависимости интенсивностей дифракционных порядков от смещения решеток и других параметров системы Определить оптимальные параметры, необходимые для получения максимального уровня выходного сигнала и максимальной протяженности участков линейности датчика,

2 Изготовить образцы новых датчиков, отработать методику и провести экспериментальные измерения их параметров, сопоставить результаты измеренных характеристик с данными теоретических исследований и дать рекомендации по практическому применению датчиков

3. Рассмотреть однолучевую и двухлучевую схемы измерений малых линейных перемещений на основе ОЗ ПАВ с ОДР и проанализировать основные ошибки измерений

Научная новизна

1 Проведен теоретический анализ взаимодействия лазерного излучения с измерительной схемой из двух фазовых дифракционных решеток с профилем в виде меандра Впервые проведен детальный компьютерный анализ формы и линейности зависимостей интенсивностей нулево-

го порядка при различных параметрах системы, определены ее оптимальные параметры Найдены значения параметров схемы, при которых существует возможность увеличения диапазона линейности в несколько раз за счет сопряжения линейных участков характеристик нулевого и первых порядков Предложена новая методика учета влияния конечных размеров пучка на основные характеристики системы Исследовано влияние отклонения формы решеток от идеального меандра на линейность характеристик

2. Предложено и исследовано новое устройство датчика малых линейных и угловых перемещений в виде прозрачного параллелепипеда с нанесенными на его грани фазовыми дифракционными решетками На его основе построен макет измерителя профиля поверхности с оригинальной системой настройки на линейный участок

3 Предложено и исследовано новое устройство для измерения угловых колебаний конструкций, в котором применен оптоэлектронный блок-сенсор оригинальной конструкции Проведены экспериментальные исследования колебаний пробного объекта

4. Рассмотрены однолучевая и двухпучевая схемы измерений малых линейных перемещений на основе ОЗ ПАВ с ОДР Проанализированы основные ошибки измерений, среди которых особое внимание уделялось ошибкам, вносимым переотражениыми поверхностными акустическими волнами в схеме измерения линейных перемещений Научная и практическая ценность

1 По пучены новые результаты углубленного теоретического анализа системы из двух фазовых дифракционных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг 01 друга Анализ проведен с применением методов компьютерного расчета Результаты анализа имеют практическую ценность при конструировании датчиков линейных и угловых перемещений

2 Создан, испытан и исследован усовершенствованный высокочувствительный датчик малых линейных и угловых перемещений на основе прозрачного блока с нанесенными на его грани фазовыми дифракционными решетками

3. На основе усовершенствованного интегрального датчика построен макет измерителя шероховатостей и неровностей поверхности с простой системой настройки на линейный участок Реальная чувствительность измерения профиля поверхности составляет величину 0,008мкм

4 Разработан и испытан измеритель малых угловых колебаний конструкций на основе оптоэлект ровного блока-сенсора нового типа, отличительной чертой которого является то, что он способен регистрировать колебания с очень низкими частотами, вплоть до нулевых частот. Дат-

чик имеет простую конструкцию и практически нечувствителен к случайным механическим вибрациям фотодетектора и лазера 5 Исследовано влияние переотражений ПАВ на измерения линейных перемещений с помощью акустооптического датчика Новые результаты исследований иметот важное значение при разработках измерителей перемещений на ПАВ

Научные положении, выносимые на защиту 1. Результаты уточненных детальных расчетов зависимостей ннтенсив-ностей нулевого и первых дифракционных порядков с применением компьютерных алгоритмов в среде МаШсас!. Результаты анализа формы зависимостей интенсивности нулевого порядка при различных параметрах системы Оценки границ линейности участков эт1гх зависимостей при различных сочетаниях параметров системы Результаты исследования сопряжений линейных участков характеристик нулевого и первых порядков дифракции при различных параметрах системы, увеличение диапазона линеиности в несколько раз

2 Методика анализа влияния ограниченности светового пучка на характеристики системы, созданная на основе геометрических параметров системы с введением весовых коэффициентов для высоких пространственных частот. Результаты исследования влияния отклонения формы решеток от идеального меандра на изменение формы зависимостей интенсивностей нулевого и первых порядков дифракции от смещения решеток.

3 Создание и исследование усовершенствованного датчика малых линейных и угловых перемещений на основе прозрачного параллелепипеда с нанесенными на его грани фазовыми дифракционными решетками Создание на основе этого датчика макета измерителя шероховатостей и неровностей поверхности с оршинальной системой настройки на линейный участок

4 Создание и исследование дифракционного измерителя малых угловых колебаний конструкций на основе предложенного оптоэлек-тронного блока-сенсора нового типа Экспериментальные результаты измерения частотных зависимостей амплитуды колебаний тестовой конструкции.

5. Экспериментальные результаты исследования отражений ПАВ от края подложки и оценка влияния отражений на линейность измерительной шкалы датчика линейных перемещений на основе ОЗ ПАВ с ОДР

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на XXXIX (2003г ), XLI (2005г ), XLII (2006г) ежегодных Всероссийских конференциях по проблемам математики, информатики, физики, химии, методики преподавания естественно-научных дисциплин, на Международной научно-практической конференции образовательных, научных и инженерных приложений в среде Lab VIEW и технологии National Instruments (2003г ), на научных сессиях МИФИ-2006 и МИФИ-2007, на 61-й научной сессии научно-технического отделения радиоэлектроники и связи имени А С Попова (НТОРЭС), посвященной дню радио (2006г), на семинаре Московского НТОРЭС имени А С Попова (2006г ), на научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом Наука и практика» (2006г ) и на научных семинарах кафедры радиофизики РУДН Вклад автора

Результаты исследования, изложенные в диссертации, получены автором лично В частности, лично автором проведено компьютерное моделирование и детальные компьютерные расчеты характеристик рассмотренных схем, изготовлены экспериментальные образцы датчиков линейных и угловых перемещений, и проведено их экспериментальное исследование Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, включая 1 патент на полезную модель с участием автора Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований Ее объем составляет 170 страниц Диссертация содержит 92 рисунка, 1 фотографию, j_5 таблиц и 7 приложений

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели диссертационной работы

В первой главе проведен обзор литературы, в котором кратко описаны существующие методы измерения малых линейных перемещений и колебаний, при эгом особое внимание уделено оптоэлсктрониым методам, обеспечивающим высокую точность Обоснована актуальность и практическая целесообразность исследования дифракционных измерителей перемещений и колебаний

Во второй главе диссертации проведен теоретический анализ взаимодействия оптической волны с системой из двух фазовых дифракционных решеток с одинаковыми периодами А с профилем в виде меандра, расположенных на расстоянии lz друг от друга (рис 1) Получены общие формулы для интенсивности дифракционного порядка 1т с номером т на

выходе системы из двух фазовых высокосимметричных решеток Для схемы, состоящей из двух фазовых дифракционных решеток с профилем в виде меандра, проведены детальные расчеты зависимостей ннтенсивно-стей нулевого и первых дифракционных порядков с применением компьютерных алгоритмов в среде МЫЬсас!

В разделе 2 1. описана постановка задачи теоретического исследования измерительной схемы Дано описание прототипа, т е. варианта датчика малых перемещений на основе фазовых дифракционных решеток с применением упругих подвесов, принципа его работы, отмечены некоторые недостатки предшествующего анализа

В разделе 2.2 рассмотрена модель, описываюшая формирование полезного сигнала на выходе фотодетектора, расположенного в порядке с ¡го\!ером т. Общий ход теоретического анализа измерительной схемы следующий Задаем функцию модуляции волнового фронта в результате взаимодействия оптической волны с длиной волны Я с каждой из двух решеток и рассчитываем пространственный спектр дифрагированных волн на выходе системы В спектре выделяем один из дифракционных порядков Находим выражение для его интенсивности и анализируем зависимости интенсивности от различных параметров системы В результате было получено общее выражение для интенсивности порядка 1т с номером т на выходе системы из двух фазовых дифракционных решеток.

В разделе 2 3 проведен анализ зависимостей интенсивностей первых порядков /±1 от параметров системы, состоящей из двух решеток с формой идеального меандра Выражение для зависимостей интенсивностей первых дифракционных порядков от перемещения одной из решеток /±1(х) состоит из постоянной и переменной составляющих и имеет вид

\

Рис.1 Модель дифракционного датчика на основе двух фазовых д1'фракцчонпых решеток ДР1 и ДР2 Фотодетектор ФД располагается а О или +1 порядках дифракции

2 2

где а0=созФМ), Ь0-созФМ2, а, = — бшФ^,, = —втФ,,, - коэффициен-

к к

ты разложения функций пропускания фазовых решеток прямоугольного профиля в ряды Фурье, ФЛЛ, Фл/2 - глубины пространственных фазовых модуляций (ПФМ) первой и второй решетки соответственно В (1) введено

два безразмерных параметра г = ^-С я ту - параметр наклона,

Л

Ь = 7гЯ(:г/Л2 - параметр расстояния При значениях глубины ПФМ Фд, = ФЛП — Фд/2 =я/4 амплитуды переменных составляющих интенсивно-стей достигают максимальных значений, и выражение (1) перепишется в виде

= + + (2) к' п~ V А )

Показано, что при использовании сигналов в двух первых порядках существует возможность увеличения протяженности линейного участка вдвое, если расстояние между решетками Iж выбрать таким, чтобы графики зависимостей /+,(х) и /_,(*) были смещены друг относительно друга на величину линейного участка Увеличение протяженности производится за счет переключения входа схемы с одного канала на другой при достижении границы линейного участка На рис 2 показан пример сопряжения линейных участков при отклонении от линейности к = 1%.

Рнс.2 Расчетные зависимости интенсивностей /±1(л:/Л) первых дифракционных порядков от относительного смещения решапо'- На рисунке показан пример удвоения линейных участков при с = 1 %

В разделе 2 4 получены формулы для интенсивности нулевого порядка дифракции Для решеток с глубинами ПФМ, равными Фд, = Фдп — Фд/2 = л"/4, и профилем в виде меандра, зависимости принимают следующий вид-

I0(x)

Q +00 +CO

-JrIZ

(2/c + l)2 cos(4(fc2-¿'2+£-¿-')L)

(^¿TiTí^+T)5 v 'U

2n

cosí 2{k'-k)\ — x-r

+

(3)

СОБ

rZZ-

O j= O

(2k + Y)\2j + \f

кФк'

В разделе 2 5 произведен детальный компьютерный расчет зависимостей интенсивное!ей нулевого порядка от перемещения решеток при различных значениях параметра расстояния £ Найдены оптимальные значения расстояний I,, при которых зависимости /0(х) имеют максимальную протяженность линейных участков, соизмеримую с протяженности ми линейных участков зависимостей /±1(х). Например, на рис 3 показаны зависимости /0(х) и /±|(х) при значении параметра Ьор, =0,19

Рнс.З Расчетные зависимости интенсивностей нупееого /0 (х/Л) и первых 1п(х/К) дифракционных порядков от относительного сме-

щения решеток при £.^,=0,19

1 12 14 л

Проведен анализ стабильности формы характеристик /0(х) при небольшом отклонении расстояния между решетками от оптимальных значений и показано, что линейность характеристик /0(х) резко ухудшается при отклонениях от оптимальных параметров Найдены значения отклонений расстояний между решетками Д£г от оптимальных значений, при которых линейность характеристик уменьшается не более, чем на 10% Например, для решеток с периодом Л = 100мкм величина отклонения равна А£г =49 мкм

В разделе 2 6 проведен анализ возможности сопряжения линейных участков характеристик 1±Л(х) и 10(х) с целью увеличения протяженности суммарного линейного участка Найдены значения параметров схемы, при которых существует возможность сопряжения линейных участков ха-

рактеристик нулевого и первых порядков между собой. Показано, что при определенных значениях параметров суммарный участок линейности, составленный из нескольких участков линейности зависимостей 1±1(х) и /0(х), может превышать период решетки Л (рис.4)

Таким образом, показано, что в этих случаях можно полностью перекрыть всю область измерения и проводить непрерывные измерения в пределах нео раничеииого количества периоде».

В разделе 2 7 произведен учет влияния ограниченности падающего пучка на рабочие характеристики системы. Предложена новая методика анализа на основе учета геометрических параметров системы, с учетом которых введены весовые коэффициенты для различных пространственных гармоник Найдены значения расстояний между решетками £г, при которых влиянием расходимости на изменения форм характеристик /0(л) и /±,(х) можно пренебречь Например, для решеток с периодом А = 1 ООл/к'.ч допустимый диапазон расстояний лежит в интервале iz <9,5лш при апертуре пучка А = 1,5мм

В разделе 2 8 исследовано влияние отклонения формы решеток от идеального меандра на линейность и форму характеристик 10(х) и /±,(х) Рассмотрен случай неравенства выст>пов и впадин решеток Показано, что даже при незначительном отклонении формы решеток от идеального меандра происходит изменение формы зависимостей не только нулевого порядка /0(х), но и гармонических зависимостей первых порядков 1±[(х) При отклонении ДА/Л = 0,03 форма зависимостей /±1(л') отклоняется настолько, что на них практически нельзя выделить линейные участки с достаточной для измерения протяженностью Однако в некоторых случаях кроме ухудшения формы и уменьшения протяженностей линейных участков возможна обратная ситуация, когда будет происходить увеличение длины участков линейности зависимостей /0(х) и /±,(х) (рис 5)

отн сд

I

£ = 0,95

Рис 4 Расчетные зависимости интенсивпостей нулевого

/0(х/Л) и первых 1±1(х/А) дифракционных порядков от относительного смещения решеток при ¿ = 0,95 Среднеквад-ратическое отклонение от чи-нейности не превышает значение а, =6,7x10"' (в единицах

I)

Н„Х = 0,134Л

Рнс.5 Расчетные заьи-симости интенсивности /+|(х/Л) первого порядка от относительного смещения решеток при ¿ = 0,78 и ДЛ/Л = 0,03 для неидеального (----) и идеального меандра (-)

0 02 04 06 08 ' Л

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований измерителей перемещений и колебаний на основе фазовых дифракционных решеток В эгой главе предложено и исследовано два новых практических устройства, на которые получены патенты.

В разделе 3 1 кратко описан принцип работы устройств и их преимущества перед предыдущими вариантами датчиков

В разделе 3 2 проведено экспериментальное исследование датчика малых линейных и угловых перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток. Основным элементом интегрального датчика является стеклянный параллелепипед с показателем преломления и, на гранях которого размещены две фазовые дифракционные решетки Ц и Рг с одинаковым периодом Л с профилем в виде меандра (рис 6) Рассчитаны оптимальные значения толщины интегрального блока и изготовлено два интегральных блока с различными параметрами

Рис 6 Блок-схема усовершенствованного датчика малых перемещений 1 — попупро-\7 подниковый лазер, 2 — коллиматор, 3 - блок решеток, 4 — щуп, 5 — линза, б - диафрагма, 7 - фотодетекторы

На основе усовершенствованного интегрального блока создана экспериментальная установка для исследования шероховатостей и неровностей поверхности с оригинальной системой настройки на середину линейного участка Произведены расчеты основных составляющих шумов дат-

чика и его чувствительности Предельная чувствительность датчика, рассчитанная с учетом собственных шумов датчика на аналоговом выходе, составляет величину порядка 0,11А Реальная чувствительность установки с 16-разрядным АЦП составила величину 0,008д/юи при измерениях в статическом режиме При движении образца уровень шумов, включач сейсмические шумы и неоднородности подложки, составил величину 0,02л//аг Результаты измерения профиля рельефной структуры с периодом А = 200мкм и глубиной рельефа порядка 0,2мкм представлены на рис 7

ОГВ т , ----г ----Г „ „

Рис.7 Результаты измерения профиля рельефа глубиной порядка 0 2мкм

и. в

О Э'З 1ЖЧ 23« 3792 1740 2, МКМ

смещение образца

В разделе 3 3 исследовано новое опюэлек тронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций, построенное на основе блока-сенсора, который изображен на рис 8 Он представляет собой прозрачную пластинку толщиной несколько миллиметров, на одной стороне которой находится фазовая дифракционная решетка с профилем в виде меандра, а на другой стороне - зеркальная отражающая пленка

Рнс.8 Схема оптоэчектронного устройства дчя измерения угловых кочебаний конструкций Фотодетектор ФД расположен в одной из первых порядков дифракции

Проведен теоретический анализ характеристик и расчет оптимальных параметров блока-сенсора Изготовлено несколько образцов датчиков с различными параметрами, и разработана методика калибровки измерителя Проведено измерение статических характеристик датчика, а также угловых колебаний пробной конструкции, которая представляла собой ме-

таллическую планку, закрепленную на двух вертикальных стойках (рис 9) Возбуждение колебаний производилось с помощью электромагнитного возбудителя По результатам измерений определены резонансные частоты и распределение колебаний вдоль конструкции на фиксированных часто-

£ = О 35

/

•0,53 Д"

а) 35 £5 те 95 115 135 150 ДО ЗЯ «О НУ * Гц

¿-=05 1 = 1

Эг ектромаг ни мыи особ /^ит ель. —— колебании

О

Рис.9 Частотные зависимости амплитуды угловых колебаний пробной конструкции, измеренные при размещении блока-сенсора в различных точках конструкции

Отличительной особенностью измерителя является то, что он способен регистрировать колебания с очень низкими частотами, вплоть до нулевых частот Датчик нечувствителен к поступательным колебаниям конструкций и случайным механическим вибрациям фотодетектора и лазера Он позволяет получать результаты измерений, выраженные в абсолютных единицах углов, а не в относительных единицах Датчик может быть использован на практике для исследования низкочастотных колебаний крупногабаритных конструкций

В четвертой главе рассмотрены однолучевая и двухлучевая схемы измерений малых линейных перемещений на основе оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой с использованием фазового метода измерений перемещений

В разделах 4.1 - 4.3 проведен краткий теоретический анализ системы, приведены формулы для расчета амплитуды и фазы переменных составляющих интенсивностей нулевого и первого порядка на частоте ПАВ О Оценки возможных погрешностей, зависящих от нестабильности частоты генератора ПАВ, температуры окружающей среды, прецессии ла-

зерного пучка, показывают, что разрешающая способность измерений может быть порядка 0,1 мкм

В разделе 4 4 проведен анализ влияния отраженных поли и показано, что отраженные от края подложки поверхностные акустические волны могут существенно искажать результаты измерений и привести к нелинейности шкалы В разделах 4 5 и 4 6 проведены экспериментальные исследование отражений с применением методики оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой Эксперименильно показано, что ПАВ может переходить с поверхности звукопровода на боковую грань и отражаться обратно Кроме этого, в результате экспериментальных исследований установки показано, что встречные поверхностные акустические волны могут возникать в результате преобразования объемных волн, возбуждаемых встречно-штыревым преобразователем, после их взаимодействия с торцом подложки Величина амплитуды этой волны в наших экспериментах составила уровень порядка 3% от амплитуды прямой волны Существование таких дополнительных обратных волн может привести к довольно значительным ошибкам измерений фазы, превышающим все остальные ошибки

Заключение

В соответствии с поставленными задачами в настоящей работе созданы и исследованы новые, усовершенствованные датчики малых линейных и угловых перемещений и колебаний, построенные на основе эффекта двойной дифракции лазерного пучка на системе из двух фазовых дифракционных решеток

Проведен теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток с профилем в виде меандра, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и определены оптимальные параметры схемы, необходимые для получения максимальной протяженности участков линейности датчика

Проведены детальные расчеты формы и линейности характеристик интенсивностей нулевого и первых дифракционных порядков с применением компьютерных алгоритмов в среде МаЛсас!. Найдены параметры схемы, при которых удается произвести сопряжение линейных участков характеристик нулевого и первых порядков между собой, так что можно полностью перекрыть всю область измерения и проводить непрерывные измерения в пределах неограниченного количества периодов

Предложена новая методика учета влияния ограниченности оптического пучка на характеристики системы на основе геометрических параметров системы

Проведен анализ влияния отклонения формы решеток от идеального меандра на линейность характеристик нулевого и первых порядков дифракции

Отработана методика измерений, и проведены экспериментальные исследования новых типов датчиков линейных и угловых перемещений на основе двойной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке с профилем в виде меандра

Создан и испытан макет оптоэлектронного профилометра, в котором использован датчик из двух фазовых дифракционных решеток

Проанализированы однолучевая и двухлучевая схемы измерений малых линейных перемещений на основе оптического зондирования ПАВ с ОДР Проведены оценки возможных погрешностей измерений, при этом особое внимание в процессе исследования было уделено изучению влияния отраженных соли ПАВ на результаты измерений Проведены экспериментальные исследования влияния отраженных волн на линейность характеристик датчика, и изучены эффекты, которые могут привести к значительным ошибкам измерений перемещений, превышающим другие виды ошибок

Результаты диссертации опубликованы в работах:

1 В А Комоцкий, С М Окот, Ю М Соколов Влияние вторичных эффектов на результаты измерений отражений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой типа меандра // Тезисы докладов XXXIX Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественнонаучных дисциплин Физические секции М 2003. С 18

2 В А Комоцкий, В И Корольков, Ю М Соколов Исследование датчика перемещения на основе двух дифракционных решеток // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» М 2003. С 142-144

3 В А Комоцкий, В И Корольков, 10 М Соколов Макет установки для исследования неровностей и шероховатостей поверхности // Тезисы докладов XLI Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии Физические секции М 2005 С 80-82

4 ТО М. Соколов Анализ характеристик схемы измерений малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток // Тезисы докладов XLII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии Физические секции М 2006 С 31

5 В А Комоцкий, В И Корольков, ТО М Соколов Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2006 Секция фотоника и информационная оптика М 2006. Т 4 С 233-235

6 В Л Комоцкий, ТО М Соколов Исследование оптоэлектронного дифракционного датчика малых угловых и линейных перемещений // Труды НТОРЭС им Попова 61-й научной сессии, посвященной дню радио Секция опгоэлектроника и волоконно-оптические устройства М 2006 Вып LXI С 145-148

7. В А Комоцкий, Ю М Соколов Датчик дифракционного типа для измерения угловых колебаний конструкций // Официальные материалы на-учно-практпческой конференции «Голография в России и за рубежом Наука и практика» М 2006 С 100-101

8 В.А Комоцкий, Ю М Соколов Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки // Вестник РУДТ1 Серия Физико-математические науки М Издательство РУДН 2006 №1 С 90-95

9 Комоцкий В А., Соколов ТО М Оптоэлектронное усгройство для измерения угловых колебаний конструкции Патент на полезную модель №2006117556 ог 23 05 2006. М РУДН

10 В А Комоцкий, В И Корольков, Ю М Соколов Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток //Автометрия. Новосибирск 2006 Т42 №6. С 105-112.

Отпечатано в ООО «Оргсервис—2000» Подписано в печать 18 04 07 Объем 1,06 п л Форма г 60x90/16 Тираж 100 экз Заказ №18/04115419, Москва, Орджоникидзе, 3

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по измерениям перемещений и колебаний.

1.1. Введение.

1.2. Оптические методы измерения перемещений.

1.2Л. Оптические мостовые схемы.

1.2.2. Интерферометрические датчики.

1.2.3. Голографические датчики.

1.2.4. Муаровые (растровые) датчики.

1.2.5. Волоконно-оптические датчики.

1.2.6. Акустооптические датчики.

1.2.7. Оптоэлектронный датчик угловых перемещений.

Глава 2. Теоретический анализ зависимостей интенсивностей дифракционных порядков в системе из двух фазовых дифракционных решеток.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Теоретический анализ дифракции в измерительной схеме из двух фазовых дифракционных решеток.

2.3. Анализ зависимостей интенсивностей первых дифракционных порядков от параметров системы.

2.3.1. Сопряжение линейных участков зависимостей /±1 (х) с противоположным наклоном.

2.4. Вывод формул, описывающих зависимости интенсивности нулевого дифракционного порядка от параметров системы.

2.5. Компьютерный расчет формы зависимости интенсивности нулевого порядка и нахождение областей линейности.

2.5.1. Анализ зависимостей 10(х/А) при отклонении параметра L от оптимальных значений.

2.5.2. Периодичность зависимостей 10(х/А) от параметра L.

2.6. Исследование вопроса о сопряжении линейных участков нулевого и первых дифракционных порядков.

2.6.1. Результаты анализа в интервале L е (0, я/4).

2.6.2. Результаты анализа в интервале L е (я/4, я/2).

2.6.3. Анализ сопряжения линейных участков с полным перекрытием области измерений.

2.7. Учет ограниченности оптического пучка.

2.7.1. Методика анализа сигнала в нулевом порядке с учетом ограниченности падающего пучка.

2.7.2. Методика расчета весовых коэффициентов.

2.7.3. Определение критерия практического применения.

2.7.4. Методика анализа сигнала в первых порядках с учетом ограниченности падающего пучка.

2.7.5. Расчет характеристик 10(х) и 1±](х) с учетом влияния ограниченности пучка.

2.8. Анализ влияния отклонений формы решеток от идеального меандра на характеристики системы.

Глава 3. Экспериментальное исследование схемы из двух фазовых дифракционных решеток и датчиков на ее основе.

3.1. Введение.

3.2. Датчик малых угловых и линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток.

3.2.1. Устройство датчика. Основные расчетные соотношения.

3.2.2. Экспериментальный макет измерителя малых перемещений.

3.2.3. Расчет чувствительности датчика.

3.2.4. Результаты экспериментальных испытаний макета профило-метра.

3.3. Оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний конструкций.

3.3.1. Устройство и физический принцип работы.

3.3.2. Сравнение методов измерений угловых колебаний с применением блока-сенсора и ножевой диафрагмы.

3.3.3. Экспериментальное исследование статических характеристик и калибровка датчиков.

3.3.4. Результаты измерений колебаний конструкции.

Глава 4. Измерители малых линейных перемещений на основе схемы оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн

ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР).

4.1. Схемы измерителей и принцип работы.

4.2. Анализ схемы измерителя малых перемещений.

4.3. Анализ основных погрешностей измерения.

4.4. Анализ влияния отражений ПАВ на измерения малых перемещений.

4.5. Экспериментальное исследование влияний отражений на измерения малых перемещений по фазовым измерениям.

4.6. Исследование зависимости коэффициента отражения от частоты при отражении от края подложки.

В настоящее время в связи с развитием прецизионных и нанометриче-ских технологий значительно увеличилось количество исследований измерений малых перемещений и колебаний с высокой точностью в субмикрометро-вом и нанометровом диапазонах. Определение малых перемещений объектов является важной функцией современных прецизионных автоматизированных систем. Датчики малых перемещений и колебаний широко применяются в таких областях как робототехника, строительство, машиностроение, производство печатных плат, промышленная техника измерения и регулирования, приборостроение и многих других областях науки и техники.

Среди существующих методов измерений малых перемещений и колебаний важное место занимают оптоэлектронные методы, основанные на различных физических явлениях, таких как интерференция, дифракция, рассеяние света. В современной литературе описано множество различных оптических и оптоэлектронных измерительных систем малых перемещений и колебаний [1-8], среди которых выделяются интерференционные [9-15], гологра-фические [16, 17], дифракционные [25-27] и муаровые датчики [5, 6, 22]. Основным достоинством оптических датчиков малых перемещений и колебаний является высокая точность измерений. Кроме того, оптические датчики малых перемещений и колебаний нечувствительны к паразитным магнитным и электростатическим помехам, а некоторые из них достаточно просты в изготовлении.

В настоящей работе исследуются оптоэлектронные схемы измерения малых перемещений и колебаний, основанных на двойной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке в виде меандра. Такие схемы исследовались ранее в целом ряде работ [23-27]. Так, например, ранее в 80-х годах на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов проводились исследования дифракционных и акустооптических измерителей малых линейных перемещений и колебаний [25-27, 31, 36]. В настоящей работе удалось выдвинуть ряд новых предложений и идей по усовершенствованию датчиков дифракционных и акустооптических типов.

В диссертации будут рассмотрены новые, усовершенствованные измерительные устройства малых перемещений и колебаний, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с датчиками, описанными ранее. В частности, будут рассмотрены новые варианты датчиков малых угловых и линейных перемещений и макет профилометра для измерения неровностей поверхности на основе усовершенствованного интегрального блока из двух решеток (патенты [51, 52]).

Теоретическое исследование предыдущих вариантов датчиков на фазовых дифракционных решетках проводилось приближенно, на основе полученных аналитических формул без значительных компьютерных расчетов. Схема с использованием нулевого порядка дифракции практически не применялась. С появлением современных компьютерных программ для расчета характеристик становится возможным детально анализировать зависимости интенсивностей дифракционных порядков и исследовать их линейность при различных параметрах системы. Компьютерные расчеты дают возможность строить различные математические модели и исследовать зависимости, описывающиеся сложными математическими формулами. Например, с помощью математических моделей удается проанализировать влияние отклонения формы решеток от идеального меандра и влияние расходимости пучка на рабочие характеристики системы.

Наряду с дифракционными датчиками в диссертации рассматриваются измерительные устройства и датчики на основе применения метода оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР). Метод 03 ПАВ с ОДР был предложен и разработан на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов [28-34]. На основе этого метода были разработаны различные варианты датчиков перемещений, обладающих чувствительностью порядка десятых долей нанометра, и построены профилометры с высокой разрешающей способностью [36]. Однако в этих работах не было глубоко проанализировано влияния вторичных переотражений, которые искажают результаты измерений перемещений. Характерным примером вторичных волн является так называемая волна трехкратного прохождения, которая образуется в результате переотражения от возбудителя ПАВ [34]. Эта волна складывается с прямой волной в некоторой фазе, которая зависит от частоты, поэтому результаты измерений содержат дополнительные ошибки за счет влияния этой, так называемой, «трехпроходной» волны. Поэтому одной из основных задач работы является нахождение условий, при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах.

Таким образом, в настоящей диссертации ставится задача усовершенствования и более детального исследования измерительных систем малых перемещений и колебаний, построенных на основе фазовых дифракционных решеток и ПАВ.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

- Изучить различные методы измерений малых перемещений, их достоинства и недостатки;

- Провести теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и определить оптимальные параметры схемы, необходимые для получения максимальных значений протяженности участка линейности датчика и уровня выходного сигнала, регистрирующего малые перемещения;

- Изготовить образцы новых датчиков, отработать методику измерений и провести экспериментальные измерения малых перемещений;

- Рассмотреть однолучевую и двухлучевую схемы измерений малых линейных перемещений на основе оптического зондирования ПАВ с ОДР и проанализировать основные ошибки измерений.

Дальнейшее изложение материала диссертации строится по следующему плану.

1. Фрайден. Дж. Современные датчики. Справочник. М. Техносфера. 2005. 588с.

2. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М. Мир. 1989. 196с.

3. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М. Энергоатомиздат. 1989. 272с.

4. Власов. Ю.Н. Обзор оптических методов и средств измерений параметров вибраций. Обзор № 140. М. 1982.

5. Преснухин J1.H., Шаньгин В.Ф., Шаталов Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М. Машиностроение. 1974. 376с.

6. Пилипович В.А. и др. Многоэлементные фотоприемники в преобразователях перемещений. Минск. Наука и техника. 1991. 182с.

7. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. М. Машиностроение. 1986. 272с.

8. Застрогин Ю.Ф. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. М. Машиностроение. 1995. 315с.

9. Кирьянов В.П., Коронкевич В.П. Лазерные интерферометры перемещений. // Автометрия. 1998. №6. С. 65-84.

10. Ведерников В.М., Кирьянов В.П. Лазерно-интерферометрические системы в промышленных измерениях. // Автометрия. 1998. №6. С. 85-92.

11. Кирьянов В .П., Ленкова Г.А., Лохматов А.И., Тарасов Г.Г. Лазерный интерферометр линейных и угловых перемещений. // Автометрия. 1994. №4. С. 61-65.

12. Шестаков Н.П., Шабанов В.Ф. Интерференционные измерения перепадов микрорельефа. //Автометрия. 1999. №5. С.34-40.

13. Борыняк Л.А., Краснопевцев Е.А., Логинов А.В., Штыгашев А.А. Точность определения перемещений в голографических интерферометрах. // Автометрия. 1992. №6. С. 62-74.

14. Гуров И.П., Ган Ли. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. // Оптика и спектроскопия. 1998. №1. Т.84. С.129-145.

15. Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Результаты экспериментальных исследований интерференционного измерителя малых перемещений. // Измерительная техника. 2006. №5. С. 23-25.

16. Турухано Б.Г., Турухано Н. Голографические системы для измерения линейных перемещений и фазовых сдвигов. // Материалы III Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ. 1971. С.213-233.

17. Турухано Б.Г., Турухано Н. Фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений на базе голографических решеток. // Оптический журнал. 2002. №8. Т.69. С.69-73.

18. Kato Н., Kojima М., Gattoh М., Okumura Y. and Morinaga S. Photoelectric inclination sensor and its application to the measurement of the shapes of 3D objects. // IEEE Trans.lustrum. Meas. 40 (6). 1991.1021-1026.

19. Поташников A.K., Финогенов Л.В. Измерение угловых перемещений с помощью многоэлементного фотоприемника. // Автометрия. 1997. №5. С. 7075.

20. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В. Адаптивный волоконно-оптический преобразователь абсолютного углового положения. // Измерительная техника. 2006. №4. С. 41-45.

21. Mitchell G.L. Intensity-based and Fabry-Perot interferometer sensors in fiber Optic Sensors. An Introduction for Engineers and Scientists. // E Udd. John Willey&Sons. New York. 1991. Chap.6.

22. Spillman W.B. Ir-multimode fibre-optic hydrophone based on a Shlieren technique.//Opt. 20. 1981.P.465.

23. Ниибизи Альфонсо, Комоцкий В.А. Теоретический анализ взаимодействия оптической волны с системой пространственно разделенных периодических решеток. Москва. ВИНИТИ. 1985. 33с. № 661-В86.

24. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Теоретический анализ дифракции гауссова оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток. Москва. Оптика и спектроскопия. 1987. Вып.2. С.409-415.

25. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Дифракционный измеритель малых перемещений и вибраций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразру-шающего контроля». // Могилев. 1989. Часть И. С.99-100.

26. Ниибизи Альфонсо, Комоцкий В.А. Характеристики оптической схемы из двух дифракционных решеток при измерении вибраций. // Москва. ВИНИТИ. 1988. № 9096-В88.

27. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Бесконтактный дифракционный метод измерения угловых смещений и вибраций отражающих поверхностей. Москва. Оптика и спектроскопия. 1992. Т.72. Вып. 2. С.479-486.

28. Adler R., Korpel A. Acoustic surface displacements on a wedge shaped transducer using an optical probe technique.-IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. // 1968. V.SU. 15. №. 3. P. 186-189.

29. Бессонов А.Ф., Дерюгин JI.H., Комоцкий B.A. Измерение фазовых распределений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной решеткой. // Автометрия. 1982г. №. 5. С.92-95.

30. Komotskii V.A., Black T.D. Analysis and application of stationary reference grating method for optical detection of surface acoustic waves // J. Appl. Phys. Jan., 1981. V.52. №.1. P. 129-136.

31. Абейнаяке Х.Т., Комоцкий В.А. Измерение отражений поверхностных акустических волн с использованием метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. // Автометрия. 1987. №.6. С.52-55.

32. Окот С.М. Исследование отражений поверхностных акустических волн с применением метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // Москва. 2005.

33. Комоцкий В.А., Окот С.М. Характеристики отражения ПАВ от края подложки, измеренные методом лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой // Вестник РУДН. Серия Физика. 2004. №11(1).

34. Кащенко Н.М., Комоцкий В.А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа дифракционных порядков // Вестник РУДН. Серия Физика. 1999. №.7. Вып. 1. С. 55-65.

35. Бессонов А.Ф., Дерюгин Л.Н., Комоцкий В.А., Котюков М.В. Измерение линейных и угловых перемещений на основе использования схемы оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой // Автометрия. 1985. №2. С.57-61.

36. Комоцкий В.А. Применение методов пространственно-частотного анализа для решения некоторых задач когерентной оптики. Учеб. пособие. // Москва. Изд-во РУДН. 1994. 74 с.

37. Кольер. Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. // Москва. Мир. 1973. 686с.

38. Градштейн И.С. и Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм рядов и произведений. // Москва. Изд-во Физматгиз. 1963.

39. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. // М. Наука. 1967.

40. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7. Под ред. Бутырина П.А. // М. ДМК Пресс. 2005. 264с.

41. В.А Комоцкий, Ю.М. Соколов. Датчик дифракционного типа для измерения угловых колебаний конструкций. // Официальные материалы научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». М. 2006. С. 100-101.

42. Комоцкий В.А, Соколов Ю.М. Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки. // Вестник РУДН. Серия Физико-математические науки. М. Издательство РУДН. 2006. №1. С. 90-95.

43. Комоцкий В.А., Корольков В.А., Соколов Ю.М. Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток. // Автометрия. Новосибирск. 2006г. Т.42. № 6. С. 105-112.

44. Комоцкий В.А., Корольков В.И. Устройство для измерения малых линейных перемещений. Патент № 2277695 РФ (приоритет от 06.12.2004 по заявке №2004135369/28(038476)).

45. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций. Патент на полезную модель (приоритет от 23.05.2006 по заявке №2006117556).