Детальная информация
Предмет исследования. Оптико-информационный метод измерения углов между лазерным лучом и нормалью к плоской поверхности с погрешностью порядка 1% дифракционного предела и менее. Цель работы. Установление достижимых метрологических характеристик оптико-информационного метода субдифракционных угловых измерений и их зависимости от объёма обрабатываемых изображений, от пространственного разрешения, дискретизации по уровню сигнала и от соотношения сигнал/шум. Метод. Математическое моделирование интерференционных картин и макетирование алгоритма их обработки. Численное и аналитическое решение уравнений, определяющих угловые отклонения лазерных пучков. Результаты. В работе предлагается метод измерения углового положения лазерного пучка относительно нормали к плоской поверхности, в принципе обеспечивающий погрешность на уровне 1/10-1/100 дифракционного предела. Метод основан на применении специальных алгоритмов математической обработки массива двумерных интерференционных картин, создаваемых интерферометром Майкельсона с подвижным уголковым отражателем. Такая оптическая схема не требует больших продольных размеров, как в автоколлимационном методе, и в принципе нечувствительна к вибрации. Предлагаемый метод по сути является оптоинформационным, поскольку для его реализации необходимы массивные вычисления, основанные на математической модели процесса измерения. Описано схемное решение и алгоритм обработки данных. Приведены результаты численного моделирования процесса измерений. Показано, что за счёт математической обработки массива интерференционных картин, создаваемых интерферометром Майкельсона с уголковым отражателем при модуляции разности хода, возможно измерение углов отклонения пучков с погрешностью, существенно меньшей дифракционного предела. Описан адаптивный алгоритм обработки данных. Построена математическая и численная модель процесса измерений. Проведено численное моделирование процесса измерений. Установлены основные количественные параметры, характеризующие метрологические свойства и возможности метода. Так, установлено, что для лазерного пучка с 1/e2-диаметром 2 мм и длиной волны 0,63 мкм минимальный измеряемый угол отклонения пучка от номинального положения оценивается величиной 1/2 угловых секунды. Показано, что алгоритм работает даже для сильно зашумлённых данных и даёт ощутимый выигрыш в точности даже при невысоком пространственном разрешении изображений. Эффект достигается за счёт увеличения количества обрабатываемых интерференционных картин и соответствующего уменьшения полосы пропускания измерительной системы. Практическая значимость. Полученные в работе соотношения позволяют разработать практическую реализацию субдифракционного измерителя углов и соответствующую методику измерений.
Subject of the study. Optical-information method for angle measuring between a laser beam and the normal to a flat surface with an error of the order of 1% of the diffraction limit or less. Purpose of the study. Studying of the metrological properties of the optical-information method of sub-diffraction angular measurements and their dependence on the volume of processed images, on spatial resolution, sampling error as well as the signal-to-noise ratio. Metod of investigation. Simulation of interference patterns; mock-up of the processing algorithm building; numerical and analytical solving of equations for angular deviation of the laser beam. Main results. New method for measuring the angular position of a laser beam relative to the normal to a flat surface have been proposed in the paper, which, in principle, provides an error of about 1/10-1/100 of the diffraction limit. The method is based on the specially developed algorithm for mathematical processing of an array of two-dimensional interference patterns created by a Michelson interferometer with a moving retro-reflector. This optical design does not require large longitudinal dimensions, like in the autocollimation method, and is, in principle, insensitive to vibration. The proposed method is essentially an optical information method, since its implementation requires huge calculations based on the mathematical model of the measurement process. The optical circuit and data processing algorithm are described. The results of numerical simulation of the measurement process are presented. It is shown that the algorithm works well even for highly noisy data and gives much better accuracy even with low spatial resolution of images. The effect is achieved by increasing the number of processed interference patterns and correspondingly reducing the bandwidth of the measuring system. Practical significance. The relationships obtained in the work make it possible to develop a practical implementation of a sub-diffraction angle meter and the corresponding experimental research methodology.
Количество обращений: 13
За последние 30 дней: 1
