Лазерный мир

Г. В. Леонтьева, Л. В. Пинаев, А. Г. Серегин // “Оптический журнал”, 79, 10, 2012, с: 52-57, УДК 531.748

Представлено описание нового высокоточного лазерного измерительного прибора для контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий протяженностью до 100 м и более. В приборе создана стабильная отсчетная база, не зависящая от положения оси диаграммы направленности излучения лазера. Путем интерференционного преобразования лазерного излучения была получена концентрическая кольцевая структура пучка, сохраняющая стабильное положение относительно оси, вдоль которой распространяется излучение, что позволило осуществить непосредственную привязку приемных отсчетных устройств к оси лазерного пучка без предварительной обработки изображения. Приведены технические характеристики прибора, его отличительные особенности.

Лазерный измеритель непрямолинейности – “Лазерная струна” является принципиально новым [1], прецизионным измерительным прибором, предназначенным для контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий на всех стадиях их изготовления, монтажа, разметки, сборки и эксплуатации.
В свое время для этих целей были разработаны и выпускались серийно высокоточные измерительные оптические приборы. К таким приборам относятся известные разработки Государственного оптического института им. С.И. Вавилова: “Оптическая струна” и ее модификации, “Оптическая линейка”, Оптический плоскомер, а также прибор ЛОМО – визирная труба ППС-11. Основным недостатком указанных приборов является ограничение рабочего расстояния. В этих приборах, основанных на визирном методе, точность контроля зависит от дальности контролируемой трассы. С увеличением расстояния погрешность измерения увеличивается. Например, в визирных трубах типа ППС погрешность измерения составляет (10 ± 5L) мкм, в “Оптических струнах” – (4 ± 2L) мкм, где L – длина контролируемой трассы. Применение в “Оптической струне” объектива-аксикона, который, как известно [2], обладает свойством создавать на оптической оси длинный непрерывный ряд изображений источника света независимо от расстояния от источника до объектива, что позволяет повысить точность измерений из-за отсутствия фокусировки, но не увеличивает дальность контролируемой трассы. Поэтому максимальное рабочее расстояние этих приборов ограничено 30 м.

В современных технологиях пространственного контроля сложных крупногабаритных объектов на больших расстояниях эффективно использование лазерных оптических приборов.
Лазерный пучок обладает большой протяженностью (сотни метров), поэтому для увеличения измерительной трассы целесообразно его применение. Однако в поперечном сечении он имеет неоднородную и непостоянную структуру, что исключает возможность привязки к нему как к высокоточной отсчетной базе или направлению. Преодоление этого фактора позволило бы устранить основные недостатки лазерных измерительных приборов при построении точного отсчетного направления для контроля протяженных объектов. Создание стабильного базового направления является одной из важнейших задач лазерных измерительных приборов.
В измерителе непрямолинейности “Лазерная струна” эта проблема решается использованием в оптической системе стабилизации опорного направления в качестве объектива аксикона. Аксикон – специальный оптический элемент, обладающий большой сферической аберрацией, и благодаря этому изображение источника строится резким без перефокусировки на всех дистанциях измерения. В Лазерной струне аксикон – это положительный мениск с двумя сферическими поверхностями [3], обладающий, как упоминалось выше, свойством изображать точечный источник света в виде прямой, лежащей на оптической оси. Лучи, выходящие из источника света под одним и тем же углом к оптической оси, одинаково преломляются аксиконом и сходятся на оптической оси в одной точке, а идущие под другим углом также сходятся в одной точке оптической оси, но на другом расстоянии от аксикона.
Таким образом, аксикон строит изображение без всякой фокусировки на всей длине контролируемой трассы. Вследствие таких свойств аксикона и большой пространственной и временной когерентности лазерного излучения происходит интерференционное преобразование
лазерного пучка.
В результате после прохождения лазерных пучков через аксикон образуется изображение в виде концентрической кольцевой структуры с центральным ярким пятном. Кольцевая структура остается симметричной на всей контролируемой трассе и сохраняет свое положение относительно оси, вдоль которой распространяется лазерное излучение, а геометрический или энергетический центр кольцевой
структуры можно принять за отсчетную ось. Таким образом, создается надежная и стабильная отсчетная база для измерения непрямолинейности на больших расстояниях (до 100 м и более).
Следует отметить, что такое преобразование лазерного пучка позволяет осуществить непосредственную привязку приемных отсчетных устройств к оси пучка без предварительной обработки изображения. Этот факт является существенным отличием Лазерной струны от применяемых для решения подобных задач лазерных интерферометров, например таких как Лазерный интерферометр XL-80 (RENISHAW,
Великобритания), Система измерительная лазерная (FIXTURLASER, Швеция) и др., в которых искомые контролируемые параметры выдаются после обработки первичной информации, представляющей собой систему интерференционных полос. Еще одним недостатком интерференционных приборов является исчезновение информации в интерферометре в процессе измерений при случайном перекрытии лазерного пучка.
Разработанный и использованный в приборе “Лазерная струна” метод стабилизации лазерного пучка лучей позволяет сохранить информацию о положении контролируемого изделия или объекта даже при случайном перекрытии пучка. Кроме того, перекрыв лазерный пучок простым экраном, мы получим на нем видимое изображение преобразованного пучка, что даст предварительную информацию о положении объекта. А это обеспечивает простоту и наглядность процесса контроля на всей трассе.
На рис. 1 показана принципиальная схема измерителя непрямолинейности “Лазерная струна”, где 1 – лазер, 2 – оптическая система преобразования лазерного излучения, включающая расширитель лазерного пучка 3 и объектив – аксикон 4, телекамера 5 с приемником 6 подключены к блоку 7, обеспечивающему управление параметрами телекамеры. Телекамера преобразует сигналы приемника в цифровой видеосигнал и передает его в вычислительный блок 8. Последний пересылает сигналы в блок отображения информации 9, который выводит изображение кольцевой структуры на свой экран (на экран дисплея прибора или в компьютер).

Полное содержание статьи: http://opticjourn.ifmo.ru/file/article/8226.pdf