CC BY
30
УДК 681. 787.7
Е. Е. Майоров, А. Ч. Машек, В. Т. Прокопенко, Н. Я. Чистякова
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ГОЛОВКИ
Представлен анализ метрологических характеристик измерительной оптико-механической головки: исследованы диапазон измерения при контроле формы поверхности диффузно-отражающего объекта, амплитуда выходного сигнала, погрешность измерений. Приведены результаты сравнительного анализа оптико-механической головки с существующим аттестованным прибором.
Ключевые слова: оптико-механическая головка, огибающая интерференционного сигнала, пружинный параллелограммный механизм, спекл-модуляция.
Измерительная оптико-механическая головка (ОМГ), предназначенная для контроля формы поверхности диффузно-отражающих объектов, а также для томографических исследований, представляет собой сканирующий интерферометр Майкельсона с двумя подвижными зеркалами [1]. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки, где 1, 15 — суперлюминесцентные диоды; 2 — микрообъектив; 3, 8 — светоделители; 4 — объект; 5, 7, 9, 10, 11 — зеркала; 6, 14, 16 — фотоприемники; 12 — модулятор; 13 — дифракционные решетки; 17 — датчик скорости; 18 — блок электронной обработки сигналов; ПК — компьютер; ()\—А', ()\—М, ()г—А', ()г—Ь — оптические длины плеч интерферометра.
N
Рис. 1
Важными метрологическими характеристиками ОМГ являются диапазон измерений при контроле формы поверхности, амплитуда выходного сигнала при модуляции оптической разности хода и погрешность измерений системы.
5
Диапазон измерений. Диапазон измерения (Az) при контроле формы поверхности диффузно-отражающих объектов с использованием ОМГ определяется диапазоном компенсационного изменения разности хода интерферирующих пучков [2]. Посредством этого изменения обеспечивается достаточная для анализа величина интерференционного сигнала. В этой связи для определения диапазона Az производилось исследование амплитуды выходного сигнала (U/Umax) при изменении расстояния (z) от оптической измерительной головки до поверхности объекта, в качестве которого использовалась плоскопараллельная стеклянная пластина. Исходным при проведении эксперимента считалось расстояние z = 120 мм, соответствующее максимальной амплитуде выходного сигнала при отсутствии возбуждающего напряжения на модуляторе положения опорного зеркала. Расчет зависимости амплитуды выходного сигнала от расстояния z производился при смещении контролируемой поверхности объекта вдоль направления зондирования в обе стороны от исходной точки. Результаты измерений при частоте сканирования опорного зеркала /м = 23 Гц и z = 120 мм представлены на рис. 2, a.
Как следует из полученной зависимости, для используемой конструкции модулятора Az ~ 3,8 мм. Схема модулятора показана на рис. 2, б, где 1 — пружины, 2 — опорное зеркало, 3 — постоянный магнит, стрелкой обозначено направление движения.
а)
U/Um
б)
0,5
о<х.
------
119
""Г"
120 Az
121
z, мм
б)
Az/zm
0,5
г)
Az, мм-
5 4 3 2
-0,2
-0,1
0,1
20
40
60
80 fp, Гц
0,2 А/, Гц
Рис. 2
Модулятор изготовлен на основе пружинного параллелограммного механизма и электромагнита. Возбуждение модулятора производится переменным током с частотой модуляции /м, сканирование — на резонансной частоте механизма/р: /м = /р. Оптимальное соотношение длины 1м пружинных сторон параллелограмма, частоты модуляции и амплитуды колебаний подбиралось экспериментальным путем. Повышение частоты модуляции /м, с одной стороны, увеличивает частоту измерений, с другой — уменьшает амплитуду колебаний. При увеличении длины 1м увеличивается амплитуда колебаний, но уменьшается резонансная частота параллелограммного механизма (рис. 2, в).
Следует отметить, что пружинная колебательная система является высокодобротной: отклонение частоты/м на 1 % от резонансной частоты/р приводит к уменьшению амплитуды колебаний в 2 раза (см. рис. 2, в). На рис. 2, г показана зависимость диапазона измерений от резонансной частоты, изменение которой производилось за счет изменения длины пружин 1м.
3
2
I
0
1
м
1
0
Для каждого значения/р определялась зависимость, аналогичная представленной на рис. 2, а, по которой вычислялся диапазон измерений. Полученная зависимость диапазона измерений от частоты сканирования опорного зеркала позволяет для каждой конкретной задачи выбрать оптимальное соотношение этих параметров.
Амплитуда информационного сигнала. Амплитуда сигнала совместно с огибающей интерференционного сигнала являются важнейшими характеристиками измерительного устройства, которые содержат информацию об измеряемом расстоянии, обеспечивают необходимую величину превышения полезного сигнала над уровнем шумов и помехозащищенность измерений [3]. Получение информации об изменении амплитуды выходного сигнала при изменении оптической разности хода позволяет визуализировать влияние спекл-модуляции на точность измерений. Исследование изменения амплитуды сигнала при сканировании контролируемой поверхности объекта дает возможность объяснить механизм формирования огибающей интерференционного сигнала при декорреляции спекл-полей.
В работе не ставилась задача изучения возможности влияния шероховатости поверхности на характеристики измерительной системы. Поэтому измерения проводились с использованием одного объекта с аттестованной поверхностью — плоскопараллельной стеклянной пластины, шлифованная поверхность которой относится к шестому классу шероховатости (Я = 2,0.. .2,5 мкм).
Пластина крепилась на подвижной части микрометрического столика. Измерения проводились для различных значений диаметра (ё) зондирующего пятна. Диаметр изменялся посредством введения между оптическим щупом и поверхностью плоскопараллельной пластины дополнительных стеклянных пластин различной толщины: 1,25, 2,5 и 3,5 мм, что соответствовало диаметру зондирующего пятна 50, 70 и 90 мкм. Результаты измерений показаны на рис. 3, б—г; на рис 3, а представлен график зависимости и/итах(х) для контролируемой пластины с шероховатостью Яа = 2,0.2,5 мкм и й= 30 мкм. Результаты расчета зависимости среднего значения амплитуды сигнала от размера зондирующего пятна показаны на рис. 3, д, где и30 — амплитуда сигнала при ё = 30 мкм.
Из приведенных зависимостей следует, что амплитуда сигнала может изменяться более чем на порядок. Это объясняет наличие сильно деформированных участков огибающей вследствие декорреляции спекл-полей. Действительно, при изменении разности хода лучей суперпозиция некоррелированных составляющих спекл-поля, имеющих различные амплитуды, приводит к дополнительной модуляции амплитуды интерференционного сигнала и, как следствие, к деформации огибающей. Результаты исследования формы огибающей при различных углах падения зондирующего излучения (9) представлены на рис. 4. Как следует из графиков, при увеличении угла 9 форма огибающей интерференционного сигнала изменяется.
Погрешность измерений. В процессе экспериментальных исследований регистрировались результаты измерений расстояния г при перемещении объекта относительно зондирующего пятна при различных значениях угла 9. Положение контролируемой поверхности относительно зондирующего луча фиксировалось под углом 0, равным 0, 30, 45, 60 и 72°. Таким образом, номинальное исходное расстояние (г = 120 мкм) оставалось неизменным, и регистрировались флуктуации результатов измерений этого расстояния (СКО 5г), обусловленные спекл-модуляцией огибающей выходного сигнала. Перемещение объекта, закрепленного на микрометрическом столике, относительно щупа осуществлялось с шагом 50 мкм. Для каждого угла 0 производилось 10 измерений.
В ходе эксперимента осуществлялся независимый контроль возможного отклонения направления перемещения столика (объекта) от плоскопараллельного. Для этого был собран дополнительный интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого крепилось на столике параллельно направлению перемещения. В качестве источника излучения использовался Не—Ке-лазер с длиной волны X = 0,6328 мкм. Контроль осуществлялся по классической
методике: смещение интерференционной картины на одну полосу соответствовало отклонению от плоскости на величину Х/2 ~ 0,3 мкм [4].
а) б)
Рис. 3
Результаты измерений при обработке сигнала методом дифференцирования огибающей показаны на рис. 5, а при обработке методом площадей [4] — на рис. 6.
8г, мкм 1 0 -1 -2
8г, мкм 3 0
-3 -6
8г, мкм 6 0 -6 -12
8г, мкм 9 0
-9 -18
8г, мкм 20 0 -20 -30
: \ /1 \ ,
/ X \ / \ ,
\ , /
х*^ С X \/ X
м->;
А
\
х—:£
л
/
9=0
100 200 300 400 500 х, мкм
3 / Ч / < \
/ V \
/ X \ / С
\ X-! 1 \ / С
9=30°
100 200 300 400 500 х, мкм
9=45°
100 200 300 400 500 х, мкм
- N. 5 с \ X / \
\ /' с
V / ' \ /
\ / х \ ] ___X-) (— / к
9=60°
100 200 300 400 500 х, мкм
X / \ / Х ■
Л' / \
/ с
Л \ / 5 X
9=72°
100 200 300
400 500 х, мкм
В ходе исследований проводился также сравнительный анализ результатов экспериментальных измерений расстояния г с независимыми измерениями (Дга), выполненными с помощью аттестованного прибора — индикатора линейных перемещений 1МИГ (ГОСТ 9696-75) с погрешностью отсчета показаний 0,5 мкм. Результаты измерений представлены на рис. 7.
8г, мкм 1 0 -1 -2
8г, мкм 4 0
-4 -8
8г, мкм 6 0 -6 -12
8г, мкм 12 0 -12 -24
8г, мкм 16 0 -16 -32
! -1 "V X /V
-! -А X X =3 ) : / \ [-
100
200
300
400
500 х, мкм
100
200 300 400 500 х, мкм
100
200 300
400 500 х, мкм
100
200 300
400 500 х, мкм
100 200 300 400
500 х, мкм
9=0
9=30°
! 7 < \ ч / < \
/ \ / V \
/ \ 3 К \ .
/ ж V
9=45°
1 ) \ у е
\ / ч/ X \
\ / V / \ VI
\ ) / \ / <
9=60°
V 3 :—х ! с
N ■ \ / \ /
\ / \ X /
* \ 3 / С
9=72°
5г, мкм 2
1
0 -1
-2
-м- / \
: / с vH л С-X \ X
/ -х- \ -X-> 1 I- \ -3 / \ !-3 !-
0
20
40
80
100
Лгя, мкм
60 Рис. 7
Приведенные результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pat. 6195168 USA. Infrared Scanning Interferometry Apparatus and Method / De Lega et al. 2001.
2. Большаков О. П., Котов И. Р., Хопов В. В. Система для измерения рельефа поверхности и упругости кожи // Мед. техника. 1997. № 5. С. 35—38.
3. Анисимов Н. М., Вязанкина М. К., Машек А. Ч., Майоров Е. Е, Чистякова Н. Я., Федоров А. Л. Лазерная спекл-техника // Сб. тр. Первой междунар. науч.-практ. конф. „Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине". СПб: СПбГПУ, 2010. С. 148—152.
4. Майоров Е. Е., Крюкова Т. В., Смирнова Т. А., Чистякова Н. Я. Использование оптических приборов и методов в исследовании биологических объектов // Сб. статей Второй междунар. науч.-практ. конф. „Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине". СПб: СПбГПУ, 2011. С. 94—96.
Евгений Евгеньевич Майоров
Александр Чеславович Машек
Виктор Трофимович Прокопенко
Нина Ярославна Чистякова
Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники НИУ ИТМО
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова, кафедра медицинской информатики и физики, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected] Военная академия связи им. С. М. Буденного, кафедра физики и математики, Санкт-Петербург; старший преподаватель; E-mail: [email protected]
д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; E-mail: [email protected]
канд. физ.-мат. наук, доцент; Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова, кафедра медицинской информатики и физики, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 29.12.11 г.
