Одним из направлений развития оптико-электронного приборо-строения является создание систем оптического воспроизведения ин-формации на дисковых носителях. Большая информационная емкость оптических дисковых носителей, превышающая на три порядка ем-кость магнитных дисков, позволила успешно применять их для хране-ния телевизионных программ (видеодиски), для воспроизведения прак-тически с абсолютной достоверностью звуковых программ (компакт-диски), использовать в компьютерах различного вида, в картографии и т.д. Бесконтактный способ воспроизведения с помощью сфокусирован-ного лазерного пучка дает возможность защитить запись прозрачным покрытием, что обеспечивает высокую надежность и долговечность хранения информации. Существенное преимущество оптического вос-
произведения – высокая скорость поиска информации. Кроме того, оп-тические дисковые носители относительно дешевы, и способ их произ-водства позволяет осуществлять массовое тиражирование. Схема запи-си и воспроизведения оптической информации приведена на рис. 4.22.
Пучок, излучаемый лазером 1, формируется коллимационным объ-ективом 2, расщепляется дифракционной решеткой 3 на три пучка; зондирующий и два пучка слежения. Эти пучки проходят поляризаци-онный светоделитель 4, фазосдвигающий элемент 5 и фокусируются микрообъективом 6 на оптическом диске 7, который имеет информаци-онную поверхность 9, покрытую защитным слоем 8. На информацион-ной поверхности создаются три сфокусированных пятна диаметрами около 1 мкм: пятно считывания и два пятна слежения 17 и 18. Пятно считывания служит для получения информационного сигнала. При ра-боте оно должно находиться по центру информационной дорожки 15. Пятна слежения необходимы для детектирования сигнала рассогласова-ния между положением считывающего пятна и осью информационной дорожки. Диск 7 приводится во вращение приводом 19. При этом счи-тывающее пятно движется вдоль информационной дорожки и модули-руется информацией, записанной на ней. Отраженные обратно инфор-мационные пучки снова проходят микрообъектив и фазосдвигающий элемент. При двукратном прохождении фазосдвигающего элемента по-ляризация пучков меняется на ортогональную, поэтому поляризацион-ный светоделитель отразит их через сфероцилиндрический объектив 10 на фотоприемник 11. Сфероцилиндрический объектив необходим для фокусировки пучков на фотоприемнике и для формирования сигнала ошибки фокусировки считывающего пятна относительно поверхности. Фотоприемник формирует информационный электрический сигнал, а также сигналы для схемы определения ошибки фокусировки 12 и схе-мы определения ошибки слежения 13. Сигнал со схемы определения ошибки фокусировки поступает на вход «фокусировка» двухкоорди-натного привода микрообъектива 14, который перемещает микрообъ-ектив вдоль оптической оси до устранения расфокусировки. Сигнал со схемы определения ошибки слежения поступает на вход «слежение» того же привода, который перемещает микрообъектив в плоскости, пер-пендикулярной оптической оси, до устранения рассогласования между положением считывающего пятна и информационной дорожкой.
1 2 3 4 5 6 19
| 8 | 9 | ||
| 10 | |||
7
12 14
11 13
Информация
15
17 16
17
18
16
18
11
Рис. 4.22. Схема записи и воспроизведения оптической информации
В системе оптического воспроизведения информации, показанной на рис. 4.22, лазер, коллимационный объектив и микрообъектив пред-ставляют собой схему формирования зондирующего пучка. Дифрак-ционная решетка, микрообъектив, фотоприемник, схема определения ошибки слежения и привод «слежение» микрообъектива образуют схе-му позиционирования считывающего пятна на информационной до-рожке. Микрообъектив, сферицилиндрический объектив, фотоприем-ник, схема определения ошибки фокусировки и привод «фокусировка» микрообъектива формируют схему фокусировки считывающего пятна на поверхности носителя информации. Поляризационный светодели-тель и фазосдвигающий элемент входят в схему поляризационного раз-деления зондирующего информационного пучка.Разделение пучковможет быть выполнено различными способами, наибольшей эффектив-ности разделения позволяет достичь поляризационная схема, напри-мер, с использованием четвертьволновой пластинки.
Рассмотрим устройство отдельных элементов схемы, показанной на рис. 4.22. В качестве источника излучения лазера 1 может быть исполь-зован либо гелий-неоновый, либо полупроводниковый лазер. Успешное развитие полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой на основе AlGaAs дало возможность применить их в системах оптической записи и воспроизведения информации. По сравнению с гелий-неоно-вым полупроводниковые лазеры имеют следующие преимущества: зна-чительно меньшие габариты и массу;небольшое напряжение питания (единицы вольт); меньшее тепловое рассеяние; большие механическая прочность и ресурс работы; меньшая стоимость.
Однако полупроводниковым лазерам присущи также и такие недо-статки: разброс значений длины в лазерах одного типа (до ±30 нм) и
ее зависимость от температуры и тока накачки, а также как правило, более длинноволновое излучение; большая расходимость лазерного излучения, неодинаковость расходимости в разных плоскостях, ее раз-брос в лазерах одного типа и зависимость от температуры и тока накач-ки; астигматизм пучка; меньшая степень поляризации; нестабильность мощности излучения; сокращение срока работы при повышенных тем-пературах.
Увеличение длины волны приводит к необходимости увеличения апертуры микрообъектива, что связано с увеличением сферической аберрации, а если нормаль к поверхности видеодиска отклоняется от
оптической оси микрообъектива, то и комы. Для контроля мощности излучения в корпусе лазера позади излучающего кристалла устанавли-вается фотодиод, сигнал с которого используется в цепи питания лазе-ра. Компенсация астигматизма осуществляется коллимирующим объ-ективом путем введения в него цилиндрической линзы.
Сфероцилиндрический объектив 10 обеспечивает выработку сиг-нала ошибки фокусировки следующим образом. Если отражающий информативный слой пластинки расположен в фокальной плоскости микрообъектива 6, то лазерный луч 16 в плоскости фотоприемника 11 приобретает круглую форму и все четыре площадки фотоприемника за-свечиваются равномерно (см. рис. 4.22). При нарушении этого условия форма пучка становится эллиптической с разворотом осей эллипсов на 90° в зависимости от расположения информативной поверхности от-носительно фокальной плоскости микрообъектива (до или за ней). Ве-личина и знак разностного сигнала с площадок фотодиода 11 содержат информацию о положении отражающего слоя оптического диска отно-сительно объектива 6. Когда слой расположен в фокальной плоскости объектива, сигнал равен нулю. Сигнал слежения за дорожкой выраба-тывается двумя чувствительными площадками фотоприемника 11 в за-висимости от того, в каком из пятен 17 или 18 сигнал становится про-модулированным при попадании их на дорожку 15 в плоскости диска.
Запись информации на оптическом диске имеет вид последова-тельности микроскопических углублений диаметром около 1 мкм, ко-торые располагаются на концентрических или спиральных дорожках. Расстояние между дорожками составляет 1,6–2 мкм, что соответствует поперечной плотности записи 625 дорожек на одном миллиметре. На оптическом диске диаметром 300 мм обычно размещается 45 000 до-рожек. Высокая плотность записи информации позволила осуществить запись звукового сигнала в цифровой форме. Разработанные к насто-ящему времени системы позволяют записывать на CD-диске диаме-тром 300 мм объем информации более 103 Мбайт, а в режимах DVD и BlueRays на несколько порядков больше.
Информационные углубления (питы) имеют глубину λ/4, благодаря чему при попадании в них информационных пятен происходит резкое уменьшение интенсивности отраженного от дорожки сигнала за счет интерференции падающего и отраженного от дна питы пучка.
Доплеровские системы
Доплеровские системы предназначены для измерения скорости различных объектов, а также могут быть использованы для измерения изменения расстояния до них (относительной дальности). Принцип их действия основан на известном эффекте Доплера, который наблюдается как для звуковых, так и для электромагнитных волн. Он заключается в том, что если измерить с помощью фотоприемника частоту излучения движущегося источника, то она оказывается отличной от той, которая наблюдается при неподвижных друг относительно друга приемнике и источнике. Регистрируемая приемником частота равна
| ν = ν0 (1 ± V / с cosφ), | (4.2) |
где ν – частота, воспринимаемая приемником излучения; ν0 – частота, излучаемая источником; φ – угол между вектором скорости объекта и направлением приемник–источник; V – скорость перемещения объекта.
Преобразуя формулу (4.2), получим ν – ν0 = (±ν0 V / с cos φ).
Для простоты положим, что источник перемещается по линии при-емник–источник, т.е. cosφ = 1. Обычно разность ν – ν0 меньше, чем ν + ν0, и поэтому ν – ν0 можно назвать разностной частотой f или часто-той биений.
Наконец, так как ν0 = с /λ0, то
| f = V /λ0. | (4.3) |
В большинстве случаев скорость объектов измеряют не по частоте его собственного излучения, а по отраженному от объекта излучению при облучении его электромагнитными волнами с известной частотой (длиной волны). Поэтому разностная частота удваивается и становится
равной f = 2 V /λ0.
Очевидно, что в качестве источника излучения необходимо при-менять одночастотный лазер со стабилизированной длиной волны (ча-стотой). Разностную частоту f проще всего измерить, если направить на приемник излучения колебания стабилизированного лазера и волну, отраженную от объекта (рис. 4.23). Известное свойство фотоприемни-ков состоит в том, что если направить на них колебания с двумя близко расположенными частотами, то в спектре выходного сигнала появля-ется разностная частота. Таким образом, легко определяется скорость объекта:
V = f λ0/2.
| Опорное зеркало | Доплеровские системы тео- | ||||
| ретически | обладают огромным | ||||
| Лазер | ν0(λ0) | V | диапазоном | измеряемых скоро- | |
| стей. Нижний предел измеряемых | |||||
| Полупроз- | Объект | ||||
| скоростей определяется конечной | |||||
| рачное | |||||
| зеркало | шириной спектральной линии из- | ||||
| Приемник | |||||
| лучения лазера (очевидно, что из- | |||||
| излучения | |||||
| f Разностная частота | меряемая частота биений должна | ||||
| быть больше ширины спектра из- | |||||
| Рис. 4.23. Принципиальная схема | |||||
| лучения лазера). Например, при | |||||
| доплеровского измерителя скорости |
ширине лазерной линии 1 Гц и
длине волны λ = 0,63 мкм
V min= (1·0,63)/2 ≈ 0,3мкм/с.
Кроме того, нижний предел измеряемых скоростей зависит от явления захвата (затягивания) частот, которое заключается в том, что при небольшой разнице ν – ν0 биения происходят на одной из частот, а это значит, что сигнал с приемника отсутствует (постоянная времени приемника гораздо больше величины 1/ν). Захват происходит при раз-ностной частоте в десятки герц. Данный недостаток устраняется путем использования невзаимных элементов, имеющих разные условия про-хождения излучения в двух взаимно противоположных направлениях. Верхний предел измеряемой скорости определяется инерционностью (постоянной времени) приемника излучения. Например, при τ = 10‒8 c
V max= (108·0,6З)/2 ≈ 300м/с.
Однако современные фотоприемники обладают постоянной време-ни менее 10‒14 с, что существенно повышает верхнюю границу измере-ния скоростей этим методом.
Очевидно, что если одновременно с измерением скорости объек-та измерять и время, то можно определять и изменения расстояния от приемника до объекта. Точность измерений скоростей и расстояний за-висит от стабильности частоты излучения лазера. По этой причине в доплеровских системах применяются, в основном, газовые лазеры.
Доплеровские системы применяются для измерения скорости как наземных, так и воздушных объектов. На рис. 4.24 показана упрощен-ная структурная схема доплеровского измерителя скорости полета са-молетов на основе CO2-лазера.
Часто представляет интерес определение не только скорости, но и
ее направления. Для этого можно использовать те же методы, которые применяются для определения направления сдвига объекта в интер-ферометрах. Схема получения разностной частоты в доплеровских из-мерителях аналогична схеме интерферометра. Поэтому можно решить задачу либо путем использования двух фотоприемников, сдвигая до-плеровскую составляющую в них на π/2 и измеряя фазы двух сигналов, либо путем использования двухчастотного лазера.
Лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС) можно так-же применять в том случае, когда объект движется перпендикулярно относительно оптической оси прибора. Для этого необходимо создать в поле движения объекта интерференционную картину, при этом объект должен рассеивать излучение. Особенно эффективно применение та-ких ЛДИС при измерении скоростей потоков жидкостей и газов. Прин-цип действия измерителя поясняется на рис. 4.25.
В исследуемую область направляются два пучка когерентного света (рис. 4.25, а), которые получаются путем деления амплитуды или волно-вого фронта пучка лазера. В области пересечения этих пучков образуется интерференционное поле с чередованием максимумов и минимумов. При пересечении этого поля рассеивающей частицей интенсивность рассеян-ного света будет меняться. Если рассеянный свет собрать линзой и напра-вить на приемник, то его выходной ток будет содержать переменную со-ставляющую с частотой, пропорциональной скорости движения частицы.
Расстояние между интерференционными максимумами (период интерференционной картины) ОВ = D, как видно из рис. 4.25, б, где
| Передающая | ||||||
| Лазер | оптика | x | ||||
| Линза | Прием- | |||||
| Приемная | ник | |||||
| Приемник | 2θ | |||||
| оптика | ||||||
| излучения | ||||||
| V | B | Диафрагма | ||||
| Фильтр | Блок | O ʹ | ||||
| λ | ||||||
| разностной | обработки | |||||
| частоты | и индикации | A θ | θ | |||
| Рис. 4.24. Структурная схема | 1 | O | ||||
| доплеровского измерителя | 2 | |||||
| скорости | Рис. 4.25. Принцип действия ЛДИС |
показаны два волновых фронта и точки О и О ʹ, в которых волны усили-вают друг друга (разность фаз равна нулю или λ).
Из треугольника АОО ʹ имеем ОО ʹ = λ/sin2Θ, а из треугольни-ка BOO ʹ имеем D = ОО ʹcosΘ. Поэтому D = λcosΘ / sin2Θ, а так как sin2Θ = 2sinΘcosΘ, то D = λ / (2sinΘ). Если скорость частицы соответ-ствует одному периоду в секунду, то на выходе приемника будет сигнал
с частотой 1 Гц. Поэтому скорости V в направлении оси X соответствует переменный сигнал с частотой
f = V/D = 2V/ λ sinΘ,
что совпадает с формулой для доплеровской частоты.
В заключение этого раздела приведем описание одного из первых от-ечественного ЛДИС типа ДИП-2, который служит для измерения скоро-сти и величины перемещения и может быть использован в прецизионных координатно-измерительных машинах и станках и других устройствах.
Схема прибора ДИП-2 приведена на рис. 4.26. Он содержит двух-частотный лазер 1 и блок стабилизации частоты излучения лазера 2. Лазер – одномодовый, а для получения устойчивого двухчастотного режима и стабилизации частоты используется эффект Зеемана. Разде-ление осуществляется по ортогональным поляризациям зеемановских компонент поляризационной призмой. Отражатель 6 в виде уголкового отражателя устанавливается на подвижном объекте, скорость и положе-ние которого необходимо измерить. Аналогичный отражатель 7 уста-новлен в опорном плече интерферометра.
На нагрузке фотоприемника 3 на выходе опорного интерферометра выделяется частота f, равная разности между частотами ортогонально по-ляризованных зеемановских компонент в излучении лазера, На нагрузке фотоприемника 4 на выходе измерительного интерферометра выделяется частота, равная f + f д, где f д – доплеровская частота, пропорциональная скорости движения подвижного отражателя. Измерительный электрон-
| 5 | ный блок 5 | определяет | разность | ||||
| частот на выходах опорного и из- | |||||||
| 7 | мерительного интерферометров и | ||||||
| 5 | 3 | 5 | измеряемую скорость. | ||||
| 4 | Пределы | измерения | скоро- | ||||
| 1 | сти этого устройства от нуля до | ||||||
| ±0,3 м/с. Погрешность измерений | |||||||
| Рис. 4.26. Схема прибора ДИП-2 | скорости 5 · 10‒6 м/с. Одновременно |
прибор может измерять перемещения в пределах от нуля до ±40 м с по-грешностью 10‒7–10‒9 за время усреднения 32 мкс.
Среди современных лазерных измерителей скорости и дальности, использующих эффект Доплера, можно выделить прибор ЛИСД-2Ф производства ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. Данный при-бор может производить измерения в плотном потоке машин при слабом снеге, дожде и тумане до приближающегося или удаляющегося объек-та, двигающегося со скоростью до 250 км/ч с погрешностью измерения 1,5 км/ч. Погрешность измерения дальности определяется величиной ±(0,3 + 0,001 D) м в диапазоне от 5 до 1000 м.