Классификация оптических измерительных систем
Оптические системы измерений охватывают широкий спектр методов и приборов, в которых используются законы распространения, отражения, преломления, интерференции, дифракции и поляризации света для извлечения количественной информации о физических объектах и процессах. В зависимости от принципа действия, оптические измерительные системы подразделяются на:
Основные компоненты измерительных систем
Каждая оптическая измерительная система включает в себя следующие функциональные элементы:
Интерферометрические измерения
Интерферометры используются для определения очень малых изменений длины, показателя преломления, углов и деформаций. Принцип их работы основан на интерференции когерентных волн, возникающей при наложении оптических лучей, прошедших разные оптические пути.
Классическим примером является интерферометр Майкельсона, где свет делится на два луча, отражается от зеркал и снова складывается. При изменении длины одного из плеч происходит сдвиг интерференционных полос, по которому определяется изменение длины с точностью до долей длины волны.
В системах с лазерным излучением достигнута субнанометровая точность. Эти методы широко применяются в метрологии, нанотехнологиях и оптической литографии.
Оптические системы измерения расстояния
Лазерные дальномеры используют время пролёта импульса или фазовый сдвиг непрерывного сигнала между испущенным и отражённым светом. Современные лидары способны точно картировать трёхмерное пространство с миллиметровой точностью на расстояниях до нескольких километров.
Для малых расстояний применяются триангуляционные методы, в которых по углу отражения луча с объекта на фотодетектор определяется расстояние до точки отражения.
Фазовые методы обеспечивают более высокую точность, чем методы по времени пролета, особенно при использовании модулированных лазерных источников и гетеродинной детекции.
Измерения углов и направлений
Для высокоточных угловых измерений применяются автоколлиматоры, в которых свет от источника отражается от зеркала объекта и возвращается обратно через ту же оптическую систему. Смещение изображения позволяет измерить угол поворота отражающей поверхности.
Гониометры используются для измерения преломления, дифракции и углов поворота в спектроскопии. Высокоточные гониометрические столы позволяют проводить исследования кристаллов и материалов с субсекундной точностью.
Спектральные методы измерений
Спектрометры позволяют измерять распределение интенсивности света по длинам волн. Это используется в аналитической химии, астрономии, физике плазмы, фотометрии.
Оптические элементы спектрометров — призмы и дифракционные решётки — разлагают излучение в спектр, который затем регистрируется матрицей или щелевой системой.
Особое значение имеют Фурье-спектрометры, основанные на интерференции (часто с использованием интерферометра Майкельсона) и обработке полученного интерферограммы с помощью преобразования Фурье.
Поляризационные измерения
Измерения, основанные на изменении поляризации света, позволяют получать информацию о внутренних напряжениях в прозрачных материалах, толщине слоёв, магнитных и электрических полях. Применяются поляризаторы, анализаторы, волновые пластинки и поляризационные интерферометры.
Фотоупругие методы используются для измерения напряжений в прозрачных телах. При поляризованном освещении в области напряжения возникает двойное лучепреломление, по которому можно восстановить распределение напряжённостей.
Фотометрические и радиометрические измерения
Фотометрия занимается измерением параметров излучения с учётом чувствительности глаза: освещённости, яркости, светового потока. Используются люксметры, фотометры и колориметры. Эти приборы калибруются в люксах, канделах, люменах.
Радиометрия регистрирует физическую мощность излучения в ваттах, без учёта зрительного восприятия. Измеряются спектральная плотность энергии, поток излучения и температура излучающей поверхности. Здесь применяются болометры, пирометры, интегральные сферы.
Методы оптической когерентной томографии
Оптическая когерентная томография (ОКТ) представляет собой метод послойного оптического сканирования биологических тканей с разрешением порядка 1–15 мкм. Основан на интерференции низкокогерентного излучения, отражённого от различных глубин объекта. Используется в офтальмологии, дерматологии, материаловедении.
Современные системы ОКТ включают в себя сканирующие зеркала, быстрое преобразование Фурье, линейные ПЗС-матрицы и лазеры с перестраиваемой длиной волны. Это позволяет получать объёмные изображения тканей в реальном времени.
Голографические методы измерений
Голография, как метод интерференционного запоминания фазовой информации, применяется для измерения микродеформаций, перемещений, температурных градиентов. В голографической интерферометрии два голографических изображения интерферируют, давая характерные полосы, отражающие изменения между состояниями объекта.
Цифровая голография позволяет получать фазовую информацию с помощью ПЗС-матриц и численного восстановления волнового фронта. Метод используется для бесконтактных измерений в микроскопии, контроле качества, аэродинамике.
Методы на основе оптических решёток и грейтингов
Оптические дифракционные решётки применяются для высокоточной оценки длины волны, углов, частот и деформаций. Использование фазовых грейтингов позволяет реализовать датчики деформаций, температуры и давления в волоконно-оптических сенсорных системах.
Фазовые решётки Брагга, интегрированные в оптоволокно, изменяют свои характеристики при механических или термических воздействиях. Это основа для волоконных датчиков, используемых в авиации, мостостроении и медицине.
Комбинированные и адаптивные системы
Современные оптические измерительные системы часто представляют собой гибридные комплексы с несколькими принципами действия: например, лазерный интерферометр с автоматической компенсацией погрешностей с помощью адаптивной оптики и цифровой обработкой.
Адаптивная оптика применяется для компенсации искажений фронта волны, вызванных турбулентностью атмосферы или оптическими элементами системы. Используются деформируемые зеркала, волновые фронт-сенсоры и алгоритмы обратной связи.
Оптоволоконные измерительные системы
Оптоволоконные технологии значительно расширили возможности оптической метрологии. Волокна используются как каналы передачи света, как сенсоры и как элементы интерферометров.
Примеры применения:
Разрешающая способность и точность
Точность оптической измерительной системы определяется рядом факторов:
Для большинства высокоточных задач требуется изоляция от вибраций, температурных флуктуаций, и учет дисперсионных и нелинейных эффектов в оптической среде.
Применения
Оптические измерительные системы широко применяются в научных исследованиях, машиностроении, медицине, микроэлектронике, астрономии, оборонной промышленности. Они обеспечивают бесконтактные, неразрушающие, высокоточные методы контроля, что делает их незаменимыми в условиях повышенных требований к точности и воспроизводимости.