Устройство преобразования сигналов интерферометра для высокоточных измерителей перемещений
Устройство преобразования сигналов интерферометра для высокоточных измерителей перемещений, выполненное по алгоритму измерения фазы квадратурных сигналов, сформированных из выходного сигнала интерферометра, содержащее два буферных усилителя квадратурных сигналов, управляющий микропроцессор с шиной данных и управления. В каждый канал квадратурных сигналов дополнительно введены устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, выходной сигнал которого после аналого-цифрового преобразования через интерфейсный блок, подается на шину данных и управления микропроцессора. Результат измерения перемещения осуществляется в соответствии с алгоритмом, предложенным авторами. Предложенное устройство обеспечило измерение перемещений с разрешением менее одного нанометра. Формула содержит 1 независимый пункт, 2 ил.
Предлагаемое устройство относится к измерительной технике, а именно к высокоточным системам для измерения перемещений объекта. Каждая система измерения перемещений содержит датчик, реагирующий на перемещение объекта в виде физических сигналов, и устройство преобразования этих сигналов датчика в цифровую форму, соответствующую величине перемещения, представленной в заданной системе единиц измерения длины.
В высокоточных системах для измерения перемещений таким датчиком служит лазерный интерферометр. Такие системы содержит оптическую часть (лазерный интерферометр) и электронную - (устройство обработки фотоэлектрических сигналов интерферометра).
Чаще всего в электронных устройствах обработки сигналов интерферометра применяется алгоритм реверсивного счета числа электрических импульсов. Число этих импульсов пропорционально числу интерференционных полос в интерферометре, вызванных перемещением объекта, и, следовательно, величине перемещения этого объекта. Для использования указанного алгоритма обязательным условием является представление выходного сигнала интерферометра в виде квадратурных составляющих. Разрешающая способность таких измерительных систем определяется длиной волны лазера интерферометра и может составлять величину, равную 
/2, /4 или /8, где - длина волны лазера [1. Pock E.R., Obeiz S.V. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting. // JOSA, 1953, 43, P. 505.].
Более высокое разрешение измерителей перемещений достигается благодаря использованию двойного прохода лучей в измерительном плече интерферометра. [2. В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова, Интерферометры с двойным прохождением лучей // Оптика и спектроскопия. 1967, 23, вып. 2, с 312].
Однако для некоторых задач, например, связанных с управлением порталом лазерных построителей изображений, в измерителях перемещений требуется более высокое разрешение, на порядки превышающее величину, указанную выше для лазерного интерферометра. Эти высокие требования исследователи пытаются удовлетворить применением различных схемотехнических решений и алгоритмов в электронных устройствах преобразования оптических сигналов интерферометров. К настоящему времени значительное повышение разрешающей способности измерителей перемещений было достигнуто благодаря исключению дрейфа постоянных составляющих квадратурных сигналов интерферометра, предварительного преобразования этих сигналов в цифровую форму, применению алгоритмов прямого измерения фазы интерференционного сигнала, величина которой, как известно, [3. В.П. Коронкевич, В.А. Ханов. Современные лазерные интерферометры. Новосибирск, Издательство <Наука>, Сибирское отделение, 1985, с. 10., 4. Ichioka Y., Inuiya M., Direct phase detection systems // Appl. Opt. 1972, 11, 
7, P. 1507] зависит от величины перемещения объекта.
Операция получения двух квадратурных сигналов из оптического сигнала наиболее просто выполняется, если выходной оптический сигнал интерферометра расщепить на три оптических сигнала, имеющих одинаковые уровни переменной и постоянной составляющих, но различные относительные фазовые сдвиги (0, 90, 180) градусов. Интерферометры с таким расщепленным выходным оптическим сигналом позволяют формировать два квадратурных сигнала V=Rsin(
) и U=Rcos(), где R - амплитуда квадратурных электрических сигналов, 
- текущая фаза вектора выходного сигнала. Квадратурные сигналы обеспечивают реализацию двунаправленного счета интерференционных полос, исключение дрейфа постоянной составляющей интерференционного сигнала, вызванного колебаниями интенсивности источника света. Такие интерферометры широко применяют в системах измерения перемещений с нанометровым разрешением [5. Патент 2375577 G01B 9/02 Франция, Interferometre destine a la mesure de deplacement / Bernard Fillol - Puble. 21.07.78., 6. Патент РФ 1768957, В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова, А.И. Лохматов, Г.Г. Тарасов. Способ создания интерференционных полей с фазовым сдвигом от 0 до 180°.] Именно для таких измерительных систем, в которых выходные сигналы (датчиков) интерферометров представлены тремя сдвинутыми по фазе (0, 90, 180 градусов) оптическими сигналами и предназначается предлагаемое устройство.
Известны прецизионные измерители перемещений, в которых используется алгоритм, основанный на прямом измерении фазы квадратурных сигналов. [7. M. Hercher. Ultra-high resolution interferometric sensor. // Optic & Photonics News. Nov 1991, 8. S. Hosoe. Laser interferometric system for displacement with high precision // Nanotecnology. 1991, 2. p. 88., 9. В.П. Кирьянов, Г.А. Ленкова, А.И. Лохматов, Г.Г. Тарасов. Лазерный интерферометр линейных и угловых перемещений. // Автометрия. 1994, 4, сс. 61-65]. Такие измерители перемещений содержат три фотоприемных усилителя, на которые поступают три оптических сигнала с относительными фазовыми сдвигами 0°, 90° и 180°. После суммирования попарно выходных сигналов соответственно первого и второго, а также второго и третьего фотоприемных усилителей на выходах двух буферных усилителях формируются два квадратурных электрических сигнала. Эти сигналы подаются на входы двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), выходы которых соединены с входными шинами двух блоков оперативной памяти (ОЗУ). Выходные сигналы АЦП используются для управления процессом преобразования квадратурных сигналов в модуль вектора огибающей комплексного сигнала и его фазу для дальнейшей их обработки. Практическая реализация таких устройств обработки сигналов интерферометра требует сложных схемотехничских решений, быстродействующих логических схем и сверхскоростной памяти.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство обработки сигналов интерферометра, предложенное, в преобразователе перемещений [10. В.П. Кирьянов, С.А. Кокарев. Лазерно-интерферометрический преобразователь перемещений с субнанометровым разрешением. // Автометрия. 1998, 2, сс. 3-7].
В этом преобразователе используется цифровая обработка данных квадратурных сигналов. Квадратурные электрические сигналы U=Rcos() и V=Rsin() формируются из трех электрических сигналов блока фотоприемников на выходах двух буферных усилителей путем попарного суммирования сигналов первого и второго, а также второго и третьего усилителей блока фотоприемников оптического интерферометра [10]. Фазы этих сигналов блока фотоприемников равны соответственно 0, 90 и 180 градусов.
В состав устройства обработки преобразователя перемещений [10] входят два быстродействующих аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и программируемая логическая интегральная схема, внутри которой сформированы синхронный реверсивный счетчик, два регистра, дискриминатор направления счета и цифровой фильтр.
Такой преобразователь, использующий 8-разрядные АЦП, обеспечивает разрешающую способность по перемещению менее 1 нм. Однако он требует при реализации устройства сложного технического решения в связи с большим количеством используемых электронных компонентов, а выполнение их на базе микросхем с программируемой логикой уменьшает надежность устройства.
Авторами предлагается вариант устройства обработки оптических сигналов интерферометра, также основанного на алгоритме прямого измерения фазы, но оно имеет более простую аппаратную часть, и надежнее, так как не используются (в отличие от прототипа) ненадежные микросхемы с программируемой логикой,
и при этом, при измерении перемещений объекта обеспечивается разрешение менее одного нанометра.
Указанный результат достигается за счет того, что в устройство преобразования сигналов интерферометра для высокоточных измерителей перемещений, содержащее два буферных усилителя квадратурных сигналов, управляющий микропроцессор с шиной данных и управления, в каждый канал квадратурных сигналов дополнительно введены устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, выходной сигнал которого после аналого-цифрового преобразования через интерфейсный блок, подается на шину данных и управления микропроцессора.
Микропроцессор по двум последовательно взятым значениям отсчетов (m и m+1) квадратурных сигналов (векторов огибающей интерференционного сигнала) вычисляет разность фаз между этими векторами, а затем вычисляет и величину перемещения объекта.
Как уже отмечалось выше, для достижения субнанометрового разрешения при измерении перемещений разрабатываются различные алгоритмы обработки электрических квадратурных сигналов, полученных после преобразования оптических выходных сигналов интерферометра. Авторами разработан алгоритм, использование которого позволило получить разрешение менее одного нанометра, как и в устройстве, принятом за прототип. Но для использования этого алгоритма необходимо квантование аналогового измерительного сигнала с возможностью кратковременного запоминания уровня этого сигнала. Такая операция выполняется устройствами выборки и хранения сигнала, которые и введены в предлагаемую
полезную модель. Введение этих устройств позволило реализовать разработанный алгоритм, что в свою очередь обеспечило при измерении перемещений объекта достижение величины разрешения менее одного нанометра.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Входными сигналами устройства являются сигналы из блока фотоприемников интерферометра с относительными фазовыми сдвигами 0°, 90° и 180°, которые поступают попарно на входы буферных усилителей 1, 2. Буферные усилители формируют два электрических сигнала с взаимным фазовым сдвигом 90°. Каждый буферный усилитель соединен с устройством выборки и хранения (УВХ) 3, 4, которые через соответствующий канал коммутатора 5 подключены к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Оцифрованные данные с выхода АЦП через интерфейсный блок поступают на шину данных 8 микропроцессора 9.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Два квадратурных интерференционных сигнала U=Rcos() и V=Rsin() формируются на выходах буферных усилителей 1 и 2. Каждый выходной сигнал с этих усилителей поступает в свой канал измерения. Устройства выборки и хранения фиксируют значения квадратурных сигналов. Эти сигналы через соответствующий канал коммутатора 5 поочередно поступают на вход аналого-цифрового преобразователя по команде с интерфейсного блока 7, связанного через шину 8 с микропроцессором 9. Интерфейсный блок последовательно вводит оцифрованные АЦП значения квадратурных сигналов в память микропроцессора.
Микропроцессор из записанных в память двух пар следующих один за другим отсчетов величин квадратурных сигналов формирует два комплексных числа Zm=Rcos(m)+iRsin(m) и Zm+1=Rcos(m+1)+iRsin(m+1), преобразует число Zm в комплексно сопряженное ZSm=Rcos(m)-iRsin(m), осуществляет умножение двух комплексных чисел SZm и Zm+1 и вычисляет разность фаз векторов Zm и Zm+1 в соответствии с математическим выражением
На фиг. 2, а изображены соответственно вектор огибающей комплексного интерференционного сигнала Z m, сопряженный ему вектор ZSm, а также векторы Zm+1, и 
- одно из положений вектора Zm+li На фиг.2, б изображены векторы 
=ZSm*Zm+1 и 
для произведений двух векторов SZm и Z m+1, а также векторов ZSm и 
фазы и -' которых соответствуют разности текущих фаз исходной пары векторов. Здесь индекс т номеру отсчета вектора. Разность фаз двух исходных векторов комплексного интерференционного сигнала Zm и Zm+1, полученная в соответствии с выражением 1, может изменяться в диапазоне 0-±
. Эта фаза положительна, если поворот вектора комплексного числа Zm+1 относительно исходного вектора комплексного числа Zm произведен против часовой стрелки. Фаза отрицательна, если поворот вектора комплексного числа 
относительно исходного вектора комплексного числа Z m, произведен по часовой стрелке. Микропроцессоросуществляет ввод с устройств выборки и хранения УВХ 3, 4 в свою память двух новых значений квадратурных сигналов. Эти два значения квадратурных сигналов образуют очередное комплексное число Zm+2 . Комплексное число Zm+1, соответствующее предыдущему отсчету, преобразуется микропроцессором в комплексно сопряженное ZSm+1. Микропроцессор осуществляет умножение значений двух комплексных чисел ZSm+1 и Zm+2 и производит в соответствии с математическим выражением 1 вычисление новой разности фаз, которая суммируется с разностью фаз предыдущей пары векторов ZSm и Zm+1 и характеризует величину перемещения объекта. Если объект останавливается, то разность фаз между очередной парой векторов равна нулю. При движении объекта в обратном направлении знак суммируемой разности фаз очередной пары векторов изменяется на противоположный.
Последовательное накопление в сумматоре микропроцессора разности фаз двух векторов с индексами m и m+1 позволяет вычислить в соответствии с математическим выражением 2 величину перемещения объекта выраженной в числе интерференционных полос, включая дробную часть полосы
где L - величина перемещения объекта, N - число пар отсчетов векторов огибающей интерференционного сигнала, ZSm - комплексное число, сопряженное комплексному числу Zm, характеризующему величину вектора огибающей интерференционного сигнала, и соответствующее отсчету с
индексом m, Zm+1 - комплексное число вектора огибающей интерференционного сигнала, соответствующее отсчету с индексом m+1, - длина волны лазера.
Испытание устройства для преобразования сигналов интерферометра для высокоточных измерителей перемещений преобразователя было проведено на экспериментальном макете измерителя линейных перемещений на основе лазерного интерферометра [9], созданного в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. Оно подтвердило работоспособность предлагаемого устройства для высокоточных измерений перемещения. При 8-разрядном АЦП разрешающая способность преобразователя равна 
, что при использовании гелий - неонового лазера в интерферометре составляет в абсолютных единицах 0.6 нм.
Устройство преобразования сигналов интерферометра для высокоточных измерителей перемещений, выполненное по алгоритму измерения фазы квадратурных сигналов, сформированных из выходного сигнала интерферометра, содержащее два буферных усилителя квадратурных сигналов, управляющий микропроцессор с шиной данных и управления, отличающееся тем, что в каждый канал квадратурных сигналов дополнительно введены устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, выходной сигнал которого после аналого-цифрового преобразования через интерфейсный блок подается на шину данных и управления микропроцессора.
РИСУНКИ
