eng
Выпуск #6/2022
В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев, Ю. В. Филатов, Е. В. Шишалова
Оптические нуль-индикаторы для гониометрических систем: обзор
Оптические нуль-индикаторы для гониометрических систем: обзор
Просмотры: 652
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.6.464.474
В настоящее время высокоточное измерение углов необходимо во многих областях науки и промышленности. Прецизионные измерения углов особенно важны при поверке и контроле различных оптических деталей и угловых мер. Одним из самых точных приборов на данный момент является гониометр, позволяющий измерять углы бесконтактными методами. В данной статье рассматриваются различные типы нуль-индикаторов, применяемых в гониометрических системах, указываются их преимущества и недостатки. Обзор предназначен для того, чтобы дать базовое представление о гониометрических системах и нуль-индикаторах, используемых в угловых измерениях.
В настоящее время высокоточное измерение углов необходимо во многих областях науки и промышленности. Прецизионные измерения углов особенно важны при поверке и контроле различных оптических деталей и угловых мер. Одним из самых точных приборов на данный момент является гониометр, позволяющий измерять углы бесконтактными методами. В данной статье рассматриваются различные типы нуль-индикаторов, применяемых в гониометрических системах, указываются их преимущества и недостатки. Обзор предназначен для того, чтобы дать базовое представление о гониометрических системах и нуль-индикаторах, используемых в угловых измерениях.
Теги: autocollimator goniometric systems null-indicator optical polygon автоколлиматор гониометрические системы многогранная призма нуль-индикатор
Оптические
нуль-индикаторы для гониометрических систем: обзор
В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев,
Ю. В. Филатов, Е. В. Шишалова
Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия
В настоящее время высокоточное измерение углов необходимо во многих областях науки и промышленности. Прецизионные измерения углов особенно важны при поверке и контроле различных оптических деталей и угловых мер. Одним из самых точных приборов на данный момент является гониометр, позволяющий измерять углы бесконтактными методами. В данной статье рассматриваются различные типы нуль-индикаторов, применяемых в гониометрических системах, указываются их преимущества и недостатки. Обзор предназначен для того, чтобы дать базовое представление о гониометрических системах и нуль-индикаторах, используемых в угловых измерениях.
Ключевые слова: гониометрические системы, многогранная призма, автоколлиматор, нуль-индикатор
Статья поступила: 03.08.2022
Статья принята: 29.08.2022
1. Введение
Разработка гониометров неразрывно связана с развитием исследований в области кристаллографии. В 1783 году Арнольд Каранжо изобрел первый прибор для измерения угла между двумя гранями кристалла. Этот прибор учёный назвал контактным гониометром, он состоял из двух металлических стержней, которые были соединены шарнирами в центре градуированного полукруга. Точность этого прибора составляла около 15 угловых минут [1].
В 1809 году английский физик Уильям Хайд Волластон разработал оптический гониометр, который измерял углы между гранями кристалла с помощью света, отраженного от них. Кристалл прикреплялся к вращающемуся градуированному столу, а источник света направлялся на различные грани кристалла. Угол между гранями кристалла определялся как разница показаний градуированного стола, на который падал отраженный от граней свет. Этот гониометр имел точность 5 угловых минут [2].
Развитие науки в области гониометрии приводило к созданию новых приборов и прогрессивных методов и средств измерений углов, позволяющих вращать исследуемый объект в автоматическом режиме, использовать различные вспомогательные элементы, оптимизировать конструкции и повышать точность гониометров.
Идея измерения углов многогранной призмы с помощью гониометра появилась очень давно. Когда возникла необходимость измерения углов в астрономии с очень высокой точностью, также возникла необходимость калибровки средств измерений для повышения точности их измерений. В 1954 году в своей публикации под названием «The calibration of circular scale and precision polygon» Кук А. Х. описал калибровку многогранной призмы путем точного решения набора уравнений для разницы углов между ее гранями [3]. С развитием метрологии в области угловых измерений многогранная призма стала играть важную роль угловой меры. Международные сличения, обеспечивающие единство измерений, проходят с использованием многогранной призмы, которую последовательно калибруют на эталонных гониометрических системах национальных метрологических институтов разных стран [4,5].
2. Классификация бесконтактных гониометров
Исходя из истории изобретения гониометров и методов их измерений, мы можем заключить, что существует два типа гониометров: контактный и отражательный (бесконтактный). Бесконтактный гониометр является наиболее точным и в настоящее время широко используется в метрологии, приборостроении и других научных и промышленных областях.
Полная гониометрическая система состоит из таких элементов, как угловая шкала; поворотный стол; привод, задающий вращение; оптическое устройство, задающее опорное направление; электронный блок, который осуществляет управление двигателем и предварительную обработку данных; персональный компьютер для приема и обработки данных. Исследуемый объект закрепляется на поворотном столе так, как показано на рис. 1 [6].
По принципу действия бесконтактные гониометры делятся на статические и динамические. Статический способ измерений отличается тем, что движущиеся части гониометрической системы (исследуемый объект и поворотный столик) остаются неподвижными непосредственно в момент измерений. В этом режиме оптическим устройством является автоколлиматор, который измеряет отклонение нормали к отражающей грани призмы от визирной оси автоколлиматора. Результат измерений в такой системе определяется показаниями угловой шкалы и автоколлиматора. Основной проблемой, связанной со статическим гониометром, является большая продолжительность измерений.
Динамическим гониометром называется устройство, в котором во время процесса измерений исследуемый объект вращается с квазипостоянной скоростью. В этом типе гониометров оптическим устройством, задающим опорное направление, является нуль-индикатор.
Блок-схема, представленная на рисунке 1, подходит как для статических, так и для динамических типов гониометров [7]. У двух режимов работы есть несколько отличий, которые мы рассмотрим. В современных статических гониометрах угловая шкала всегда представлена датчиками угла (обычно оптическими) или лимбом, в то время как в динамических гониометрах в качестве угловой шкалы может использоваться либо кольцевой лазер, либо оптический датчик угла. Второй особенностью является тип оптического устройства, используемого в системе. В составе статических гониометров используется автоколлиматор, а в составе динамических гониометров – нуль-индикатор.
Помимо принципа действия, гониометры делятся также по своему назначению. Задачи, выполняемые с помощью гониометров, могут быть следующие: калибровка многогранных призм, измерение показателя преломления, измерение внешних углов, измерение углов между двумя отражающими поверхностями [8].
Многогранная призма – это один из самых распространенных объектов, используемых при измерениях с помощью гониометров. Многогранная призма представляет собой изделие с фиксированным количеством сторон, которое считается одним из самых точных и надежных эталонных стандартов в области угловой метрологии. Примеры представлены на рисунке 2.
Как уже отмечалось выше, в основном они используются для калибровки средств измерений, в частности – для передачи величины угла от первичного эталона к рабочему оборудованию. Помимо указанных применений, многогранные призмы также используются в качестве элементов различных лазерных и оптических систем [9]. Существует множество параметров, описывающих многогранные призмы. Основными параметрами являются следующие: количество граней, модель, размеры, покрытие отражающей поверхности и материал, из которого изготовлена призма [10].
3. Типы оптических нуль-индикаторов
Нуль-индикатор – это оптическое устройство, задающее опорное направление в пространстве и фиксирующее тот момент, когда его оптическая ось перпендикулярна отражающей поверхности исследуемого объекта. Существуют различные конфигурации нуль-индикаторов, однако можно выделить два основных типа: интерференционные и автоколлимационные [11].
3.1. Автоколлимационный нуль-индикатор
Одним из первых нуль-индикаторов, которые стали применять в составе динамических гониометров, является устройство, построенное на базе автоколлиматора. Оптическая схема такого устройства представлена на рис. 3. Перед источником света 7 ставится задающая щель 6 определенной ширины. Такой же ширины перед фотоприемником 1 ставится анализирующая щель 2. Ширина щелей должна быть одинакова для того, чтобы выходной сигнал имел квазитреугольную форму. Свет, проходя через светоделительный кубик 3, падает на объектив 4 и затем на отражающую поверхность 5. Когда она становится перпендикулярной оси нуль-индикатора, изображение задающей щели попадает на анализирующую щель и на выходе фотоприемника формируется аналоговый сигнал.
Моменту совпадения нормали к поверхности с оптической осью АК соответствует максимум аналогового сигнала. Выходной импульс, используемый для дальнейшей обработки, формируется с помощью пороговой схемы по определенному уровню сигнала, причем этот уровень выбирается так, чтобы крутизна сигнала была на нем максимальной, чтобы уменьшить случайную погрешность измерений.
В общем случае вклад нуль-индикатора с пороговой схемой обработки аналогового сигнала в случайную погрешность единичного измерения гониометрической системы определяется двумя параметрами: угловой крутизной самого сигнала и соотношением сигнал / шум, который задается оптоэлектронными компонентами и самой схемой, участвующей в формировании и предварительной обработке сигнала. Вместо крутизны аналогового сигнала при различного рода оценках можно также оперировать параметром его угловой ширины, т. к. необходимая амплитуда сигнала определяется входными параметрами обрабатывающей схемы и составляет обычно порядка 3 В. Типовой образец рассматриваемого автоколлимационного нуль-индикатора (фокусное расстояние объектива – 250 мм и ширина задающей и анализирующей щели – 40 мкм) характризуется шириной аналогового сигнала порядка 60 угл. сек. и соотношением сигнал / шум – 50. При этом величина случайной погрешности единичного измерения составляет порядка 0,6 угл. сек., что является неприемлемой величиной в современных высокоточных измерениях [12].
3.2. Интерференционный нуль-индикатор
Интерференционный нуль-индикатор представляет собой двухлучевой интерферометр, основанный на расщеплении луча призмой Кестерса (или бипризмой Дове) (рис. 4). Выходной аналоговый сигнал такого нуль-индикатора представляет собой комбинацию узкого импульса и квази-постоянной составляющей, которая намного шире импульса (примерно в 1 600 раз) [13].
Данный тип нуль-индикатора характеризуется чрезвычайно малой шириной импульса (ширина импульса в интерференционном нуль-индикаторе определяется шириной световых пучков и расстоянием между ними, см. рис. 4). При ширине световых пучков и расстоянии между ними равными 10 мм угловая ширина импульса составляет всего лишь 0,6 угл.с. При соотношении сигнал / шум порядка 100 СКО случайной погрешности составляет 0,03 угл.с. [14]. Исходя из таких точностных характеристик интерференционные нуль-индикаторы считались одними из самых точных в динамических гониометрических измерениях.
Недостатком этого типа нуль-индикаторов является сильная зависимость возможности его функционирования от качества отражающей поверхности и однородности среды, в которой распространяется свет. Искажение регистрируемого волнового фронта, соответствующее даже одной интерференционной полосе, может привести к сбою работы гониометрической системы.
Кроме того, существует еще один недостаток интерференционного нуль-индикатора. Гониометры-рефрактометры измеряют показатели преломления материалов, которые используются для изготовления специальных тестовых призм. Для определения показателей преломления измеряют углы между лучами, отраженными от внутренних и внешних поверхностей исследуемой призмы. Отраженный от внутренней поверхности грани луч проходит через призму дважды, преломляясь средой этой призмы, при этом на луч оказывает существенное влияние дисперсия. Явление дисперсии проявляется в том, что проходящие через среду лучи раскладываются в пространстве на составляющие, которые имеют различную частоту. В таком случае при использовании источника света с широким спектром узкий интерференционный импульс превращается в размытую картину, что существенно снижает точность прибора.
3.3. Автоколлимационный
нуль-индикатор с дифференциальной схемой регистрации
В связи с вышеперечисленными проблемами была предложена схема автоколлимационного нуль-индикатора с дифференциальной схемой регистрации. Схема такого устройства представлена на рис. 5.
В качестве фотоприемника в данной схеме выступает квадрантный фотодиод, который представляет собой кремниевый фотодетектор с четырьмя светочувствительными областями (квадрантами). Фотоприемник расположен так, что оптическая ось нуль-индикатора проходит через перекрестие, образованное зазорами между квадрантами. При этом вертикальный зазор должен быть параллелен оси вращения отражающей поверхности.
После того как свет, отраженный от поверхности исследуемого объекта, попадает на квадранты, на выходе нуль-индикатора начинают формироваться сигналы с левых и правых площадок фотодиода. В момент, когда отражающая поверхность перпендикулярна оптической оси этого устройства, эти сигналы пересекаются и по точке пересечения формируется логический импульс, который подается в гониометр для дальнейшей обработки.
Процесс формирования сигнала представлен на рис. 6.
Изображение щели больше зазора между площадками, поэтому существует тот момент, когда сигналы с правых и левых площадок равны. При этом искомому моменту соответствует тот, когда центр масс изображения задающей щели находится в центре вертикального зазора.
Этот тип нуль-индикатора в ходе исследований показал хорошие результаты, его случайная погрешность оказалась на том же уровне, что и у интерференционного типа – порядка пяти сотых угловой секунды [12]. Его преимуществом является то, что нестабильность скорости вращения исследуемого объекта и нестабильность аналогового сигнала не оказывают практически никакого влияния на погрешность измерений. Но также был выявлен и существенный недостаток.
При установке данного нуль-индикатора относительно вращающейся угловой меры необходимо довольно точно выставлять параллельность вертикального зазора квадрантного фотодиода относительно оси вращения – с точностью порядка нескольких угловых минут [12]. При отклонении от параллельности на 20 угл. мин. систематическая погрешность измерений гониометрической системы достигала 0,4 угл. сек.
3.4. Автоколлимационный
нуль-индикатор с цифровой обработкой аналогового сигнала
В настоящий момент одним из самых точных автоколлимационных нуль-индикаторов является нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала, которая основана на оценке его центра масс. Оптические схемы такого прибора имеют несколько вариаций, одна из которых аналогична схеме, представленной на рис. 3.
Фотоприемник генерирует аналоговый сигнал, максимум которого соответствует моменту точного совпадения нормали к отражающей поверхности и оси нуль-индикатора. Цифровая обработка сигнала, основанная на оценке его центра масс, позволяет добиться точности измерений, определяемой случайной погрешностью единичного измерения в 0,02 угл. сек. [15]. Схема цифрового автоколлимационного нуль-индикатора представлена на рис. 7.
Сигнал, попадающий на фотоприемник, усиливается и подается в устройство регистрации сигналов, где оцифровывается для дальнейшего определения центра масс. Логическое устройство выдает пакет данных, который содержит количество периодов оптического энкодера от момента превышения сигналом порогового уровня до момента, когда сигнал оказывается ниже порога; значения сигнала внутри этого интервала; длительность сигнала и временные привязки в микросекундах. Далее все данные обрабатываются и с помощью программного пакета вычисляется центр масс, исходя из которого определяется момент перпендикулярности контролируемой поверхности к оптической оси нуль-индикатора.
Недостатком такого нуль-индикатора является наличие постобработки, которая может вносить определенный вклад в погрешность прибора. Однако по экспериментальным данным этот нуль-индикатор все же выигрывает у других типов по точности. В работе [15] были проведены модельные эксперименты, задачей которых было определение случайной погрешности нуль-индикации и ее зависимости от соотношения сигнал / шум. В таблице приведены полученные результаты. Полученные результаты показывают, что при соотношении сигнал / шум 50 случайная погрешность оказывается менее 0,02 угл.с., что характеризует нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала наилучшим образом.
3.5. Другие схемы нуль-индикаторов
Помимо представленных конфигураций нуль-индикаторов, существуют и другие, однако сейчас они практически не используются из-за своих недостатков (особенностей эксплуатации и низкой точности).
Первый тип, который мы рассмотрим – автоколлимационный нуль-индикатор, задающая и анализирующая щели которого представляют из себя маски, области прозрачности которых чередуются по псевдошумовому закону (случайным образом распределенные щели). Прозрачному и непрозрачному участку маски соответствуют элементы кодовой последовательности – 1 и 0. При этом выходной сигнал определяется автокорреляционной функцией. Когда контролируемая поверхность перпендикулярна оси нуль-индикатора, у автокорреляционной функции наблюдается резкий всплеск, по максимуму которого и определяется искомый момент. Недостатком такого нуль-индикатора является дифракционное искажение светового луча, которое, как оказалось в результате экспериментального исследования опытного образца, сводит на нет все преимущества использования псевдошумовой маски [16].
Второй тип представляет собой автоколлимационный нуль-индикатор с качающимся направлением оптического луча. В этом нуль-индикаторе после прохождения щели луч отражается от «качающегося зеркала», установленного на пьезоэлектрическом основании, которое перемещает зеркало относительно центральной оси. Выходной сигнал фотоприемника поступает на встроенный усилитель, который позволяет отфильтровать сигнал по частоте качания, и на синхронный детектор [3]. Недостатком такого варианта является требование достаточно низкой скорости вращения исследуемого объекта, что замедляет процесс измерений.
4. Заключение
В зависимости от технических возможностей, требований и поставленных задач следует выбирать подходящий нуль-индикатор, учитывая его параметры и факторы, влияющие на точность конкретной конфигурации нуль-индикатора. Подытожив, проведем краткое сравнение рассмотренных в данной статье нуль-индикаторов.
Автоколлимационный нуль-индикатор с пороговой схемой обработки имеет относительно простую конструкцию, однако из-за большой ширины аналогового сигнала точность прибора сильно падает.
Интерференционный нуль-индикатор является одним из самых точных за счет малой ширины интерференционного импульса. Данный тип нуль-индикатора крайне требователен к качеству контролируемой поверхности, так как из-за различных неровностей и неоднородностей световой луч испытывает дисперсию, интерференционная картина размывается и точность прибора снижается, либо же прибор выходит из строя.
Автоколлимационный нуль-индикатор с дифференциальной схемой регистрации с точки зрения формирования логического сигнала имеет существенное преимущество, так как формирование логического импульса происходит строго по точке пересечения сигналов, симметричных относительно момента формирования этого импульса. Систематическая погрешность данного нуль-индикатора зависит в основном от точности юстировки его компонентов и равномерности освещенности фотодиода.
Автоколлимационный нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала является одним из самых точных типов нуль-индикаторов, однако его недостатком является наличие постобработки.
Нуль-индикаторы с псевдошумовыми масками и с качающимся направлением светового луча на данный момент практически не используются. Недостатком первого является дифракционное искажение светового луча. Недостаток второго нуль-индикатора заключается в том, что скорость вращения исследуемого объекта должна быть низкой, что сказывается на продолжительности измерений.
Благодарность
Авторы Ю. В. Филатов и Р. А. Ларичев благодарны за финансовую поддержку работ грантом РНФ № 20-19-00412.
REFERENCES
Sir C., Simon J. The evolution of the goniometer. Nature. 1915; 95(2386):564–565.
The History of Goniometers. URL.: http://saveliv.blogspot.com/2013/07/the-history-of-goniometers.html.
Kinnane M. N., Hudson L. T., Henins A., Mendenhall M. H. A simple method for high-precision calibration of long-range errors in an angle encoder using an electronic nulling autocollimator. Metrologia. 2015; 52(2): 244–250.
CHekirda K. V., SHur V. L., Kos’mina M. A., Lejbengardt G. I., Lukin A. YA. Izmerenie uglov mnogogrannyh prizm na gosudarstvennom pervichnom etalone edinicy ploskogo ugla GET 22-2014. Izmeritel’naya tekhnika. 2017; 3: 19–24.
Чекирда К. В., Шур В. Л., Косьмина М. А., Лейбенгардт Г. И., Лукин А. Я. Измерение углов многогранных призм на государственном первичном эталоне единицы плоского угла ГЭТ 22-2014. Измерительная техника. 2017; 3: 19–24.
Probst R., Wittekopf R. Angle calibration on precision polygons. Final Report of EUROMET Project #371. PTBF‑43 (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany). 2001. 54 р.
Nava-Sandoval R., Díaz-Uribe R. Optical polygon calibration using only one autocollimator. 18th IMEKO World Congr. 2006 Metrol. a Sustain. Dev. 2006;3: 1818–1820.
Burnashev M. N., Luk’yanov D. P., Pavlov P. A., Filatov YU. V. Razvitie metodov i sredstv lazernoj dinamicheskoj goniometrii. Kvantovaya elektronika. 2000; 30(2):141–146.
Бурнашев М. Н., Лукьянов Д. П., Павлов П. А., Филатов Ю. В. Развитие методов и средств лазерной динамической гониометрии. Квантовая электроника. 2000; 30(2):141–146.
Vishnyakov G. N. et al. Measuring the refractive index on a goniometer in the dynamic regime. J. Opt. Technol. 2005; 72(12): 929.
Akgoz S. A., Yandayan T. High precision calibration of polygons for emerging demands. J. Phys. Conf. Ser. 2018; 1065(14).
Project E. Bilateral Comparison of measurements of precision polygons. Technical protocol. no. January 2008; 2005.
Filatov Yu. V., Nikolaev M. S., Larichev R. A. Study of adjustment influence on the autocollimating null-indicator accuracy. SPIE / COS Photonics Asia. 10 October. 2020.
Larichev R. A., Filatov YU. V. Avtokollimacionnyj nul’-indikator: razrabotka i primenenie v dinamicheskoj goniometrii. Opticheskij zhurnal. 2013;80(9): 39–44.
Ларичев Р. А., Филатов Ю. В. Автоколлимационный нуль-индикатор: разработка и применение в динамической гониометрии. Оптический журнал. 2013;80(9): 39–44.
Filatov YU. V. Analiz raboty interferencionnogo uglovogo nul’-indikatora. OMP. 1989;4: 13–16.
Филатов Ю. В. Анализ работы интерференционного углового нуль-индикатора. ОМП. 1989;4: 13–16.
Pavlov P. A., Filatov YU. V. Lazernaya goniometriya. – SPb: Izd-vo SPbGETU «LETI». 2012. 184 pp.
Павлов П. А., Филатов Ю. В. Лазерная гониометрия. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. 184 стр.
Pavlov P. A., Larichev R. A., Filatov Yu. V. Digital autocollimating null-indicator for dynamic goniometry. Opt. Eng. 2020; 59(10):1–8.
Evstaf’ev E.N., Pavlov P. A., Luk’yanov D.P. et al. Issledovanie tochnostnyh harakteristik avtokollimacionnogo nul’-indikatora s psevdoshumovoj maskoj. Metody i ustrojstva opticheskoj golografii. – L.: Fiziko-tekhnicheskij in-t im. A. F. Ioffe. 1983.
Евстафьев Е. Н., Павлов П. А., Лукьянов Д. П. и др. Исследование точностных характеристик автоколлимационного нуль-индикатора с псевдошумовой маской. Методы и устройства оптической голографии. – Л.: Физико-технический ин-т им. А. Ф. Иоффе. 1983.
АВТОРЫ
В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев, Ю. В. Филатов, Е. В. Шишалова, кафедра лазерных измерительных и навигационных систем, Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 197376, Российская Федерация.
нуль-индикаторы для гониометрических систем: обзор
В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев,
Ю. В. Филатов, Е. В. Шишалова
Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия
В настоящее время высокоточное измерение углов необходимо во многих областях науки и промышленности. Прецизионные измерения углов особенно важны при поверке и контроле различных оптических деталей и угловых мер. Одним из самых точных приборов на данный момент является гониометр, позволяющий измерять углы бесконтактными методами. В данной статье рассматриваются различные типы нуль-индикаторов, применяемых в гониометрических системах, указываются их преимущества и недостатки. Обзор предназначен для того, чтобы дать базовое представление о гониометрических системах и нуль-индикаторах, используемых в угловых измерениях.
Ключевые слова: гониометрические системы, многогранная призма, автоколлиматор, нуль-индикатор
Статья поступила: 03.08.2022
Статья принята: 29.08.2022
1. Введение
Разработка гониометров неразрывно связана с развитием исследований в области кристаллографии. В 1783 году Арнольд Каранжо изобрел первый прибор для измерения угла между двумя гранями кристалла. Этот прибор учёный назвал контактным гониометром, он состоял из двух металлических стержней, которые были соединены шарнирами в центре градуированного полукруга. Точность этого прибора составляла около 15 угловых минут [1].
В 1809 году английский физик Уильям Хайд Волластон разработал оптический гониометр, который измерял углы между гранями кристалла с помощью света, отраженного от них. Кристалл прикреплялся к вращающемуся градуированному столу, а источник света направлялся на различные грани кристалла. Угол между гранями кристалла определялся как разница показаний градуированного стола, на который падал отраженный от граней свет. Этот гониометр имел точность 5 угловых минут [2].
Развитие науки в области гониометрии приводило к созданию новых приборов и прогрессивных методов и средств измерений углов, позволяющих вращать исследуемый объект в автоматическом режиме, использовать различные вспомогательные элементы, оптимизировать конструкции и повышать точность гониометров.
Идея измерения углов многогранной призмы с помощью гониометра появилась очень давно. Когда возникла необходимость измерения углов в астрономии с очень высокой точностью, также возникла необходимость калибровки средств измерений для повышения точности их измерений. В 1954 году в своей публикации под названием «The calibration of circular scale and precision polygon» Кук А. Х. описал калибровку многогранной призмы путем точного решения набора уравнений для разницы углов между ее гранями [3]. С развитием метрологии в области угловых измерений многогранная призма стала играть важную роль угловой меры. Международные сличения, обеспечивающие единство измерений, проходят с использованием многогранной призмы, которую последовательно калибруют на эталонных гониометрических системах национальных метрологических институтов разных стран [4,5].
2. Классификация бесконтактных гониометров
Исходя из истории изобретения гониометров и методов их измерений, мы можем заключить, что существует два типа гониометров: контактный и отражательный (бесконтактный). Бесконтактный гониометр является наиболее точным и в настоящее время широко используется в метрологии, приборостроении и других научных и промышленных областях.
Полная гониометрическая система состоит из таких элементов, как угловая шкала; поворотный стол; привод, задающий вращение; оптическое устройство, задающее опорное направление; электронный блок, который осуществляет управление двигателем и предварительную обработку данных; персональный компьютер для приема и обработки данных. Исследуемый объект закрепляется на поворотном столе так, как показано на рис. 1 [6].
По принципу действия бесконтактные гониометры делятся на статические и динамические. Статический способ измерений отличается тем, что движущиеся части гониометрической системы (исследуемый объект и поворотный столик) остаются неподвижными непосредственно в момент измерений. В этом режиме оптическим устройством является автоколлиматор, который измеряет отклонение нормали к отражающей грани призмы от визирной оси автоколлиматора. Результат измерений в такой системе определяется показаниями угловой шкалы и автоколлиматора. Основной проблемой, связанной со статическим гониометром, является большая продолжительность измерений.
Динамическим гониометром называется устройство, в котором во время процесса измерений исследуемый объект вращается с квазипостоянной скоростью. В этом типе гониометров оптическим устройством, задающим опорное направление, является нуль-индикатор.
Блок-схема, представленная на рисунке 1, подходит как для статических, так и для динамических типов гониометров [7]. У двух режимов работы есть несколько отличий, которые мы рассмотрим. В современных статических гониометрах угловая шкала всегда представлена датчиками угла (обычно оптическими) или лимбом, в то время как в динамических гониометрах в качестве угловой шкалы может использоваться либо кольцевой лазер, либо оптический датчик угла. Второй особенностью является тип оптического устройства, используемого в системе. В составе статических гониометров используется автоколлиматор, а в составе динамических гониометров – нуль-индикатор.
Помимо принципа действия, гониометры делятся также по своему назначению. Задачи, выполняемые с помощью гониометров, могут быть следующие: калибровка многогранных призм, измерение показателя преломления, измерение внешних углов, измерение углов между двумя отражающими поверхностями [8].
Многогранная призма – это один из самых распространенных объектов, используемых при измерениях с помощью гониометров. Многогранная призма представляет собой изделие с фиксированным количеством сторон, которое считается одним из самых точных и надежных эталонных стандартов в области угловой метрологии. Примеры представлены на рисунке 2.
Как уже отмечалось выше, в основном они используются для калибровки средств измерений, в частности – для передачи величины угла от первичного эталона к рабочему оборудованию. Помимо указанных применений, многогранные призмы также используются в качестве элементов различных лазерных и оптических систем [9]. Существует множество параметров, описывающих многогранные призмы. Основными параметрами являются следующие: количество граней, модель, размеры, покрытие отражающей поверхности и материал, из которого изготовлена призма [10].
3. Типы оптических нуль-индикаторов
Нуль-индикатор – это оптическое устройство, задающее опорное направление в пространстве и фиксирующее тот момент, когда его оптическая ось перпендикулярна отражающей поверхности исследуемого объекта. Существуют различные конфигурации нуль-индикаторов, однако можно выделить два основных типа: интерференционные и автоколлимационные [11].
3.1. Автоколлимационный нуль-индикатор
Одним из первых нуль-индикаторов, которые стали применять в составе динамических гониометров, является устройство, построенное на базе автоколлиматора. Оптическая схема такого устройства представлена на рис. 3. Перед источником света 7 ставится задающая щель 6 определенной ширины. Такой же ширины перед фотоприемником 1 ставится анализирующая щель 2. Ширина щелей должна быть одинакова для того, чтобы выходной сигнал имел квазитреугольную форму. Свет, проходя через светоделительный кубик 3, падает на объектив 4 и затем на отражающую поверхность 5. Когда она становится перпендикулярной оси нуль-индикатора, изображение задающей щели попадает на анализирующую щель и на выходе фотоприемника формируется аналоговый сигнал.
Моменту совпадения нормали к поверхности с оптической осью АК соответствует максимум аналогового сигнала. Выходной импульс, используемый для дальнейшей обработки, формируется с помощью пороговой схемы по определенному уровню сигнала, причем этот уровень выбирается так, чтобы крутизна сигнала была на нем максимальной, чтобы уменьшить случайную погрешность измерений.
В общем случае вклад нуль-индикатора с пороговой схемой обработки аналогового сигнала в случайную погрешность единичного измерения гониометрической системы определяется двумя параметрами: угловой крутизной самого сигнала и соотношением сигнал / шум, который задается оптоэлектронными компонентами и самой схемой, участвующей в формировании и предварительной обработке сигнала. Вместо крутизны аналогового сигнала при различного рода оценках можно также оперировать параметром его угловой ширины, т. к. необходимая амплитуда сигнала определяется входными параметрами обрабатывающей схемы и составляет обычно порядка 3 В. Типовой образец рассматриваемого автоколлимационного нуль-индикатора (фокусное расстояние объектива – 250 мм и ширина задающей и анализирующей щели – 40 мкм) характризуется шириной аналогового сигнала порядка 60 угл. сек. и соотношением сигнал / шум – 50. При этом величина случайной погрешности единичного измерения составляет порядка 0,6 угл. сек., что является неприемлемой величиной в современных высокоточных измерениях [12].
3.2. Интерференционный нуль-индикатор
Интерференционный нуль-индикатор представляет собой двухлучевой интерферометр, основанный на расщеплении луча призмой Кестерса (или бипризмой Дове) (рис. 4). Выходной аналоговый сигнал такого нуль-индикатора представляет собой комбинацию узкого импульса и квази-постоянной составляющей, которая намного шире импульса (примерно в 1 600 раз) [13].
Данный тип нуль-индикатора характеризуется чрезвычайно малой шириной импульса (ширина импульса в интерференционном нуль-индикаторе определяется шириной световых пучков и расстоянием между ними, см. рис. 4). При ширине световых пучков и расстоянии между ними равными 10 мм угловая ширина импульса составляет всего лишь 0,6 угл.с. При соотношении сигнал / шум порядка 100 СКО случайной погрешности составляет 0,03 угл.с. [14]. Исходя из таких точностных характеристик интерференционные нуль-индикаторы считались одними из самых точных в динамических гониометрических измерениях.
Недостатком этого типа нуль-индикаторов является сильная зависимость возможности его функционирования от качества отражающей поверхности и однородности среды, в которой распространяется свет. Искажение регистрируемого волнового фронта, соответствующее даже одной интерференционной полосе, может привести к сбою работы гониометрической системы.
Кроме того, существует еще один недостаток интерференционного нуль-индикатора. Гониометры-рефрактометры измеряют показатели преломления материалов, которые используются для изготовления специальных тестовых призм. Для определения показателей преломления измеряют углы между лучами, отраженными от внутренних и внешних поверхностей исследуемой призмы. Отраженный от внутренней поверхности грани луч проходит через призму дважды, преломляясь средой этой призмы, при этом на луч оказывает существенное влияние дисперсия. Явление дисперсии проявляется в том, что проходящие через среду лучи раскладываются в пространстве на составляющие, которые имеют различную частоту. В таком случае при использовании источника света с широким спектром узкий интерференционный импульс превращается в размытую картину, что существенно снижает точность прибора.
3.3. Автоколлимационный
нуль-индикатор с дифференциальной схемой регистрации
В связи с вышеперечисленными проблемами была предложена схема автоколлимационного нуль-индикатора с дифференциальной схемой регистрации. Схема такого устройства представлена на рис. 5.
В качестве фотоприемника в данной схеме выступает квадрантный фотодиод, который представляет собой кремниевый фотодетектор с четырьмя светочувствительными областями (квадрантами). Фотоприемник расположен так, что оптическая ось нуль-индикатора проходит через перекрестие, образованное зазорами между квадрантами. При этом вертикальный зазор должен быть параллелен оси вращения отражающей поверхности.
После того как свет, отраженный от поверхности исследуемого объекта, попадает на квадранты, на выходе нуль-индикатора начинают формироваться сигналы с левых и правых площадок фотодиода. В момент, когда отражающая поверхность перпендикулярна оптической оси этого устройства, эти сигналы пересекаются и по точке пересечения формируется логический импульс, который подается в гониометр для дальнейшей обработки.
Процесс формирования сигнала представлен на рис. 6.
Изображение щели больше зазора между площадками, поэтому существует тот момент, когда сигналы с правых и левых площадок равны. При этом искомому моменту соответствует тот, когда центр масс изображения задающей щели находится в центре вертикального зазора.
Этот тип нуль-индикатора в ходе исследований показал хорошие результаты, его случайная погрешность оказалась на том же уровне, что и у интерференционного типа – порядка пяти сотых угловой секунды [12]. Его преимуществом является то, что нестабильность скорости вращения исследуемого объекта и нестабильность аналогового сигнала не оказывают практически никакого влияния на погрешность измерений. Но также был выявлен и существенный недостаток.
При установке данного нуль-индикатора относительно вращающейся угловой меры необходимо довольно точно выставлять параллельность вертикального зазора квадрантного фотодиода относительно оси вращения – с точностью порядка нескольких угловых минут [12]. При отклонении от параллельности на 20 угл. мин. систематическая погрешность измерений гониометрической системы достигала 0,4 угл. сек.
3.4. Автоколлимационный
нуль-индикатор с цифровой обработкой аналогового сигнала
В настоящий момент одним из самых точных автоколлимационных нуль-индикаторов является нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала, которая основана на оценке его центра масс. Оптические схемы такого прибора имеют несколько вариаций, одна из которых аналогична схеме, представленной на рис. 3.
Фотоприемник генерирует аналоговый сигнал, максимум которого соответствует моменту точного совпадения нормали к отражающей поверхности и оси нуль-индикатора. Цифровая обработка сигнала, основанная на оценке его центра масс, позволяет добиться точности измерений, определяемой случайной погрешностью единичного измерения в 0,02 угл. сек. [15]. Схема цифрового автоколлимационного нуль-индикатора представлена на рис. 7.
Сигнал, попадающий на фотоприемник, усиливается и подается в устройство регистрации сигналов, где оцифровывается для дальнейшего определения центра масс. Логическое устройство выдает пакет данных, который содержит количество периодов оптического энкодера от момента превышения сигналом порогового уровня до момента, когда сигнал оказывается ниже порога; значения сигнала внутри этого интервала; длительность сигнала и временные привязки в микросекундах. Далее все данные обрабатываются и с помощью программного пакета вычисляется центр масс, исходя из которого определяется момент перпендикулярности контролируемой поверхности к оптической оси нуль-индикатора.
Недостатком такого нуль-индикатора является наличие постобработки, которая может вносить определенный вклад в погрешность прибора. Однако по экспериментальным данным этот нуль-индикатор все же выигрывает у других типов по точности. В работе [15] были проведены модельные эксперименты, задачей которых было определение случайной погрешности нуль-индикации и ее зависимости от соотношения сигнал / шум. В таблице приведены полученные результаты. Полученные результаты показывают, что при соотношении сигнал / шум 50 случайная погрешность оказывается менее 0,02 угл.с., что характеризует нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала наилучшим образом.
3.5. Другие схемы нуль-индикаторов
Помимо представленных конфигураций нуль-индикаторов, существуют и другие, однако сейчас они практически не используются из-за своих недостатков (особенностей эксплуатации и низкой точности).
Первый тип, который мы рассмотрим – автоколлимационный нуль-индикатор, задающая и анализирующая щели которого представляют из себя маски, области прозрачности которых чередуются по псевдошумовому закону (случайным образом распределенные щели). Прозрачному и непрозрачному участку маски соответствуют элементы кодовой последовательности – 1 и 0. При этом выходной сигнал определяется автокорреляционной функцией. Когда контролируемая поверхность перпендикулярна оси нуль-индикатора, у автокорреляционной функции наблюдается резкий всплеск, по максимуму которого и определяется искомый момент. Недостатком такого нуль-индикатора является дифракционное искажение светового луча, которое, как оказалось в результате экспериментального исследования опытного образца, сводит на нет все преимущества использования псевдошумовой маски [16].
Второй тип представляет собой автоколлимационный нуль-индикатор с качающимся направлением оптического луча. В этом нуль-индикаторе после прохождения щели луч отражается от «качающегося зеркала», установленного на пьезоэлектрическом основании, которое перемещает зеркало относительно центральной оси. Выходной сигнал фотоприемника поступает на встроенный усилитель, который позволяет отфильтровать сигнал по частоте качания, и на синхронный детектор [3]. Недостатком такого варианта является требование достаточно низкой скорости вращения исследуемого объекта, что замедляет процесс измерений.
4. Заключение
В зависимости от технических возможностей, требований и поставленных задач следует выбирать подходящий нуль-индикатор, учитывая его параметры и факторы, влияющие на точность конкретной конфигурации нуль-индикатора. Подытожив, проведем краткое сравнение рассмотренных в данной статье нуль-индикаторов.
Автоколлимационный нуль-индикатор с пороговой схемой обработки имеет относительно простую конструкцию, однако из-за большой ширины аналогового сигнала точность прибора сильно падает.
Интерференционный нуль-индикатор является одним из самых точных за счет малой ширины интерференционного импульса. Данный тип нуль-индикатора крайне требователен к качеству контролируемой поверхности, так как из-за различных неровностей и неоднородностей световой луч испытывает дисперсию, интерференционная картина размывается и точность прибора снижается, либо же прибор выходит из строя.
Автоколлимационный нуль-индикатор с дифференциальной схемой регистрации с точки зрения формирования логического сигнала имеет существенное преимущество, так как формирование логического импульса происходит строго по точке пересечения сигналов, симметричных относительно момента формирования этого импульса. Систематическая погрешность данного нуль-индикатора зависит в основном от точности юстировки его компонентов и равномерности освещенности фотодиода.
Автоколлимационный нуль-индикатор с цифровой обработкой сигнала является одним из самых точных типов нуль-индикаторов, однако его недостатком является наличие постобработки.
Нуль-индикаторы с псевдошумовыми масками и с качающимся направлением светового луча на данный момент практически не используются. Недостатком первого является дифракционное искажение светового луча. Недостаток второго нуль-индикатора заключается в том, что скорость вращения исследуемого объекта должна быть низкой, что сказывается на продолжительности измерений.
Благодарность
Авторы Ю. В. Филатов и Р. А. Ларичев благодарны за финансовую поддержку работ грантом РНФ № 20-19-00412.
REFERENCES
Sir C., Simon J. The evolution of the goniometer. Nature. 1915; 95(2386):564–565.
The History of Goniometers. URL.: http://saveliv.blogspot.com/2013/07/the-history-of-goniometers.html.
Kinnane M. N., Hudson L. T., Henins A., Mendenhall M. H. A simple method for high-precision calibration of long-range errors in an angle encoder using an electronic nulling autocollimator. Metrologia. 2015; 52(2): 244–250.
CHekirda K. V., SHur V. L., Kos’mina M. A., Lejbengardt G. I., Lukin A. YA. Izmerenie uglov mnogogrannyh prizm na gosudarstvennom pervichnom etalone edinicy ploskogo ugla GET 22-2014. Izmeritel’naya tekhnika. 2017; 3: 19–24.
Чекирда К. В., Шур В. Л., Косьмина М. А., Лейбенгардт Г. И., Лукин А. Я. Измерение углов многогранных призм на государственном первичном эталоне единицы плоского угла ГЭТ 22-2014. Измерительная техника. 2017; 3: 19–24.
Probst R., Wittekopf R. Angle calibration on precision polygons. Final Report of EUROMET Project #371. PTBF‑43 (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany). 2001. 54 р.
Nava-Sandoval R., Díaz-Uribe R. Optical polygon calibration using only one autocollimator. 18th IMEKO World Congr. 2006 Metrol. a Sustain. Dev. 2006;3: 1818–1820.
Burnashev M. N., Luk’yanov D. P., Pavlov P. A., Filatov YU. V. Razvitie metodov i sredstv lazernoj dinamicheskoj goniometrii. Kvantovaya elektronika. 2000; 30(2):141–146.
Бурнашев М. Н., Лукьянов Д. П., Павлов П. А., Филатов Ю. В. Развитие методов и средств лазерной динамической гониометрии. Квантовая электроника. 2000; 30(2):141–146.
Vishnyakov G. N. et al. Measuring the refractive index on a goniometer in the dynamic regime. J. Opt. Technol. 2005; 72(12): 929.
Akgoz S. A., Yandayan T. High precision calibration of polygons for emerging demands. J. Phys. Conf. Ser. 2018; 1065(14).
Project E. Bilateral Comparison of measurements of precision polygons. Technical protocol. no. January 2008; 2005.
Filatov Yu. V., Nikolaev M. S., Larichev R. A. Study of adjustment influence on the autocollimating null-indicator accuracy. SPIE / COS Photonics Asia. 10 October. 2020.
Larichev R. A., Filatov YU. V. Avtokollimacionnyj nul’-indikator: razrabotka i primenenie v dinamicheskoj goniometrii. Opticheskij zhurnal. 2013;80(9): 39–44.
Ларичев Р. А., Филатов Ю. В. Автоколлимационный нуль-индикатор: разработка и применение в динамической гониометрии. Оптический журнал. 2013;80(9): 39–44.
Filatov YU. V. Analiz raboty interferencionnogo uglovogo nul’-indikatora. OMP. 1989;4: 13–16.
Филатов Ю. В. Анализ работы интерференционного углового нуль-индикатора. ОМП. 1989;4: 13–16.
Pavlov P. A., Filatov YU. V. Lazernaya goniometriya. – SPb: Izd-vo SPbGETU «LETI». 2012. 184 pp.
Павлов П. А., Филатов Ю. В. Лазерная гониометрия. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. 184 стр.
Pavlov P. A., Larichev R. A., Filatov Yu. V. Digital autocollimating null-indicator for dynamic goniometry. Opt. Eng. 2020; 59(10):1–8.
Evstaf’ev E.N., Pavlov P. A., Luk’yanov D.P. et al. Issledovanie tochnostnyh harakteristik avtokollimacionnogo nul’-indikatora s psevdoshumovoj maskoj. Metody i ustrojstva opticheskoj golografii. – L.: Fiziko-tekhnicheskij in-t im. A. F. Ioffe. 1983.
Евстафьев Е. Н., Павлов П. А., Лукьянов Д. П. и др. Исследование точностных характеристик автоколлимационного нуль-индикатора с псевдошумовой маской. Методы и устройства оптической голографии. – Л.: Физико-технический ин-т им. А. Ф. Иоффе. 1983.
АВТОРЫ
В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев, Ю. В. Филатов, Е. В. Шишалова, кафедра лазерных измерительных и навигационных систем, Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 197376, Российская Федерация.
Отзывы читателей
