Измерительные системы

Измерительные системы

Свет используется для измерений во многих случаях. Это системы различных интерферометров, позволяющие измерять малые перемещения, контроль поверхности, с высокой точностью порядка длины волны света.

Область оптических, бесконтактных, измерительных систем очень широка. Она простирается от исследовательских лабораторий до промышленных предприятий. Поэтому имеется большая заинтересованность в разработках и распространении таких систем. Они используются для измерений размеров предметов или их перемещения, для измерения и контроля вибраций, измерения скорости и для контроля состояния поверхности. Для этого удобно использовать лазерные диоды, свет которых можно коллимировать и фокусировать на исследуемый объект.

Система бесконтактного оптического измерения обычно включает три принципиальные части: измерительная головка, система электроники, система регистрации и обработки информации. Принципиальным преимуществом бесконтактных измерений является полное отсутствие воздействия на объект и высокая скорость измерений, которая в некоторых случаях может превышать 25 000 измерений в секунду.

Обычно профиль линии на некоторой механической поверхности измеряют путем проведения вдоль этой линии некоторого щупа, который касается поверхности, и измерения его смещений. Таким щупом обычно служит алмазная игла, зона контакта которой имеет диаметр несколько мкм. Вертикальные перемещения иглы, следующие за нерегулярностями поверхности, измеряют, и это представляет рельеф поверхности (шероховатость). Такие инструменты улучшались в течение ряда лет, и в настоящее время они обычны в измерительных лабораториях. Эквивалентный оптический инструмент использует вместо алмазной иглы хорошо коллимированный пучок лазерного диода, который фокусируется объективом на поверхность. Отраженный свет собирается тем же объективом. Этот отраженный свет несет информацию о шероховатости поверхности. Когда система правильно настроена и сбалансирована и точка фокуса находится точно на поверхности, тогда отраженный свет формируется после объектива в хорошо коллимированный пучок. Если поверхность ближе к объективу, тогда пятно на поверхности уже не является пятном совершенной фокусировки, и после объектива формируется расходящийся пучок. Наоборот, в случае, если поверхность находится за точкой фокуса, при отражении получается сходящийся пучок. Существуют оптические устройства, позволяющие точно измерить степень сходимости или расходимости пучка. Соответствующим образом система вырабатывает сигнал ошибки для управления сервомеханизмом (обратная связь), который поддерживает точное фокусирование на поверхность. Знание перемещений сервомеханизма при движении пучка вдоль поверхности дает измерение рельефа. Аналогичная система используется в системах компакт-дисков. Поэтому в ней исключаются влияния нерегулярности поверхности и системы вращения диска.

Оптический профилометр позволяет измерять смещения с точностью до нескольких ангстрем, без прямого контакта с любой механической частью. Как было сказано, этот принцип важен для устройств компакт-дисков. Но он также важен в тех случаях, когда нужно избежать повреждения поверхности, в частности для нежных, хрупких поверхностей, например, резиновых и пластиковых пленок, биологических тканей, полупроводников. Еще одним преимуществом является то, что измерительная часть не изнашивается. Благодаря малому размеру светового пятна получается высокая разрешающая способность и скорость измерения в любом направлении.

Совершенно другим применением является лазерный гироскоп, способный измерять очень малые вращения. Первые такие гироскопы были сделаны в 1963 г. и стали развиваться с 1965 г. Принцип действия был установлен французским физиком Саньяком (1869—1928), который в 1913 г. отметил, что пучки света, распространяющиеся в противоположных направлениях по замкнутому кольцу, можно использовать для измерения вращения этого кольца. В самом деле, если точка, из которой пучки начинают свое распространение, движется по кольцу, то эти пучки должны проходить разные пути вдоль кольца до точки возврата. Этот факт легко установить с помощью интерферометра. В 1965 г. были построены лазерные гироскопы, способные обнаружить скорость вращения менее 5° за час. Подобные гироскопы и другие более совершенные версии их были установлены на самолетах Боинг 757 и 767. Такие гироскопы являются необходимой частью систем наведения.