Интерферометрическое устройство для измерения расстояний и изменения расстояний

 

1. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ И ИЗМЕНЕНИЯ РАССТОЯНИЙ , имеющее источник монохрсыат. ческого света, пучерасшеппяюшие эпементы , один ход измерительных пучей и один ход пучей сравнения со световозврашатепями и фотоэпектрическщу приемником, причем, кроме этого, предусмотрены элементы для модуляции частоты или амплитуды исходящего от источника света нэпучения , отличающееся тем, что в ходе измерительных пучей предусмотрены оптические эпементы для полу чения расходящегося пучка света в области объекта, а в ходе лучей сравнения отображающие и рассеивающие элементы для получения пучка сравнения, эквивалентного по апертуре и направлению отраженному от объекта пучку света, предусмотрен состоящий из отдельных фотоактивных элементов 28 плоский и подавляющий составляющие постоянного света фотоэлектрический приемник 19. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

М АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 7770891/25-28 (89) 139760 (22) 25.10.79. (31) Ж PQ 01 В/209326 (32) 27.11,78 (33) ГДР (46) 23.08.83. Бюп. Ха 31 (72) Вернер Криг (ГДР) (71) ФЕБ Карп-11ейсс-Йена (ГДР) (53) 531.715.1 (088.8) (54) (57) 1. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАССТОЯНИЙ И ИЗМЕНЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, имеющее источник монохроматического света, пучерасщенпяющие эпементы, один ход измерительных пучей и один ход лучей сравнения со световоэврашате„„SU„„103 7063 А

3 5 С 01 В 11 00; С 01 В 9 02 пями и фотоэлектрическим приемником, причем, кроме этого, предусмотрены эп менты дпя модупяции частоты ипи амппитуды исходящего от источника света иэпучения, о т п и ч а ю ш е е с я тем, что в ходе измеритепьных лучей предусмотрены оптические элементы дпя получения расходящегося пучка света в обпасти объекта, а в коде пучей сравненияотображающие и рассеивающие эпементы дпя попучения пучка сравнения, эквивапентного по апертуре и направлению отраженному от объекта пучку света, предусмотрен состоящий из отдепьных фотоактивных эпементов 28 ппоский и подавляющий составляющие постоянного света е фотоэлектрический приемник 1 9.

7063

103

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а - ю ш е е с я тем, что как в ходе лучей сравнения, так и в ходе измерительных лучей распопожены расширяющие пучки. афокапьные оптические системы 12, 13 и

14,15 и относящиеся к ним матовые стекла 16 и 17, причем в фокальной плоскости со стороны источника света одна линза проектирует матовое стекпо

1 7 на фотоэпектрический приемник 19, а другая лииза проектирует второе мато вое стекпо 16 на световозвращатепь 2, соединенный с объектом.

3. Устройство по.пп. 1 и 2,о т и ич а ю щ е е с я тем,,что в xone .ocseтительных пучей расположена оптоакустическая ячейка 8 ипи другой электро оптический эпемент дпя расщепления исходящего от источника света 7 пучка света 9 на пучок света 0-го порядка и пучок света 1-го порядка 10 и 11, при с. чем пучок 0-го порядка 10 предусмотрен для хода измеритепьных пучей, а пучок

1-ro порядка 11 - для хода пучей срав кения.

4. Устройство по п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что световозвращатепь

42 в ходе измеритеньных лучей сфокусирован на измеряемую длину = и е

2 причем апертура световозврашатепя 42 имеет такие параметры, что непараппель ность интерферированных фронтов не превышает 3/О, а в ходе измерительных пучей расположена амппитудно-модулирующая ячейка 47.

5. Устройство по п. 1, о т и и ч аю щ е е с я тем, что связанный с объектом светоотражатепь 62 имеет выпукпую отражательную поверхность.

6. Устройство по пп. 1-5, о т и и - ч а ю ш е е с я тем, что фотоэлектрический приемник 19 имеет скрещенный растровый фотоактивный спой 26, отдепьные фотоактивные эпементы 28 которого общим емкостным связывающим эпементом 29 соединены с общим проводником 30, причем фотоэлектрический приемник 19 настроен на определенные несущие частоты падающего изпучения. пучение изменяет частоту окопо среднего э начения, Интерферометрическое устройство имеет в одной из двух ветвей рефпектор, жестко соединенный с объектом. Излучение попяризовано и, как минимум, в одной иэ ветвей устройство содержит одну

Л/Ф вЂ” густину.

Однако измерения расстояний обьекта до определенного положения возможно топько в том спучае, если это положе:О

1

Изобретение относится к интерферометрическим устройствам дпя измерения расстояний или изменения расстояний объекта до точки фиксации, в частности для точных измерительных приборов.

Известно интерферометрическое устройство для определения расстояния объекта до определенного попожения (описано в 3ЕОС 20.12.946), основанное на испопьзовании изпучения, испускаемого от источника света, которое после взаимодействия с объектом вместе с излученчем, проходящим ход пучей сравнения, направтиется к фотоэлектрическому приемнику. Испускаемое источником света из- 15

we пежит на оптической оси ипи в непосредственной бпизости от рычага, о6хватываюшей ход измерительных пучей, Еспи определенное попожение лежит вне оптической оси, что, как правило, имеет место при такого рода измерениях, то

° эти интерферометрические измерения провести невозможно.

Цепью изобретения является расширение воэможностей устройств для интерферометрических, измерений расстояний и изменений расстояний.

В основу изобретения попожена задача создать интерферометрическое устройство. дпя измерения расстояний и изменения расстояний между смещенным в любом направлении от оптической оси обьектом и точкой фиксации, Согпасно изобретению эта задача в таком устройстве, вкпючающем в себя монохроматический источник света, раздепяюшие пучи элементы, один ход изме"ритепьных лучей и один ход пучей сравнения, а также фотоэпектрический приемник, решена тем, что в ходе иэмеритеп ных пучей предусмотрены оптические эпе063 4 стояния между обьектом и точкой фиксации и в том случае, если объект смещен по направлению, т.е. лежит вне оптичеокой оси хода измерительных лучей. Таким образом, отпадает необходимость в нали3 1037 менты для образования расходящего пучка света в области объекта, а в ходе лучей сравнения - отображающие и управляющие оптические элементы для обраЗОВания пучка сраВненияs экВивалентнОГО по апертуре и направлению, отраженному от объекта пучку света, предусмотрен содержащий отдельные фотоактивные элементы плоский и подавляющий составляющие постоянного света фотоэлектричеокий приемнике

Предпочтительным является то, что как .в ходе измерительных лучей, так и в ходе лучей сравнения предусмотрены расширяющие лучи афокапьные оптичес кие системы и отнесенные к иим матовые стекла, причем эти матовые стекла

pacHooo)Ke HbI сО cropoHbl истОч ника сВет&

В фОкальнОЙ плОскОсти линз, Одна иэ ко торых проектирует одно матовое стекло на фотоэлектрический приемник, а другая проектирует второе матовое стекло в направление .Световоэврашателя, соединенного с объектом.

При этом в ходе осветительных лучей расположена оптоакустическая ячейка или другой электрооптический элемент для расщепления исходящего от источника света пучка на пучки 0-го и 1-го порядка, причем пучок 0-го порядка предусмот рен для хода измерительных лучей, а

30 пучок 1-го порядка - для хода лучей сравнения.

Световоэврашатель в ходе измерителт ных лучей сфокусирован на половину средней измеряемой длины = И- причем З5

2 апертура световозвращателя имеет такие параметры, что непараллельность интерферируюших фронтов волн не превышает

Л/S, а в ходе измерительных лучей расположена амппитуднс>-модулнрующйя ячей- 40 ка.

Соединенный с объектом световозвращатель имеет выпуклую отражательную поверхность.

Дпя регистрации аналогичных рйсстоя- 45 ниям и изменениям расстояний сщ.нйлов фотоэлектрический приемник имеет фотоактивный слой (в виде растра с перекрешиваюшими линиями), отдельные фотоактивные элементы которого посредством общего емкостного связывающего элемента соединеюа с общим проводником, причем фотоэлектрический приемник настроен иа определенные частоты пйдаюшего излучения. 55

Такое интерферометрическое устройство обладает тем преимуществом, что оно обеспечивает проведение измерений расчии механических и регулировочных средств, с помощью которых необходимо было бы производить ориентировку хода измерительных лучей на объект при внеосевом положении. Кроме того, расширяется О6пасть применения такого рода устройств, На фиг. 1 показан ход лучей интер ферометрического устройства, выполненНОГО В ВИДЕ ДОЦПЕРОВСКОГО! ДВУХПУЧЕВОГО интерферометра с оптическим квантовым генератором; на фиг. 2 - принципиальная схема фотоэлектрического приемника; на фиг. 3 - конструкция приемника; на фиг.

4 - схема прохождения сигнала при обработке; на фиг. 5 - малогабаритное иополнение устройства, на фиг. 6 - устройство с выпуклым световоэвращателем.

Интерферомет рическое устройство (фиг.l) состоит из неподвижного базиса

1 двухлучевого интерферометра и соединенного с объектом (не показан) световозвращателя 2, основными элементами которого являются вогнутое зеркало и линза. (Ю вЂ” измеряемое -расстояние между главными точками 3 и 4 линз 5 и 6).

В таком устройстве источник 7 света, выполненный в виде оптического квантового генератора, освещает оптоакустичеокую ячейку 8, которая пучок 9 света дифрагируэт в определенное число дифрак». пионных пучков, из которых пучок 10

О-го порядка предусмотрен для хода измерительных лучей, а пучок 11 1w по рядка — для хода лучей сравнения. Так, как пучок 0-го порядка обладает наибол шей долей энергии, то он служит для освещения области обьекта и имеет частоту колебаний Ч, генерируемую источником 7 света. Частота пучка 11 1-го порядка модулируется посредством наводимой В оптоакустическую ячейку звуковой энергии (несущая частота Ч). Она соотавляет таким образом Ч + 2 . Две афокальные оптические системы 12, 13 и 14,15 представленные Линзами, расширяют пучки 10 и ll. Включенные эа этими афокальными системами рассеивающие свет элементы в форме матовых стекол 16 и 17 придают пучкам 10 и 11 необходимую для последующей измерительной оптики расходнмость. Для лучшего понимания матовые стекла 16 и 17 расположены цоэади афокальных систем

12,13 и 1.4, 15. Если они расположен у 10370 перед афокальными системами, то их действие явпяется более уревновешенным . Расщепитепь пучков 18 направляет пучок 10 0-го порядка к служащей в качестве измерительной пинэы пинзе 5, которая при отображении апемента поверхности матового стекла 16 в бескэнечюсть рассеивает свет. в области обьекта. Собраний световозвращатепем

2 пучок 10 направляется в себе самом щ обратно и с помощью линзы 5 к фото электрическому приемнику 19. В ходе лучей сравнения с пучком 11 1-го поряд ка линза 2 и расшепитепь пучка 21 про- ектируют свет на фотоапектрический приемник 19, причем свет пучка 11 по апертуре и направлению совпадает с ото-, браженным световоэврашатепем 2 светом. Оба пучка 10 и 11 интерферируют.

B месте иэображения интерференционной картины фотоэлектрический приемник 19 принимает наведенную несущую частоту и пропорционапьную смешению объекта допперовскую частоту f > . Приемник 1 9 нечувствитепен по отношению к состав gg ляющим постоянного света (фиг.2 и 3) .

Фотоэнектрический приемник 19 (фиг.

2) имеет на подложке 25 фотоактивный спой 26, который посредством эон 27 в виде растра с перекрещивающимися пи- 30 ниями раздепен на множество отдельных элементов 28, которые с помощью емкостных связывающих элементов 29 сое- динены с общим проводником 30. Ввиду емкостного сопротивления связывающих элементов 29 подавляются составляющие

35 постоянного света, сигналы же переменного света, на частоту которых настроена емкость, направляются к выходу провод

Н8КВ 30, причем H B том спучае, ecnH . 40 они происходят только от отдельных апементов 28 фотоактивного споя 26 приемника 19. Эпементы 28, на которые воздействуют составляющие постоянного света, в противоположность, этому, не подают электрический сигнап к проводнику 30.

В приемнике 19 (фиг.3) в качестве проводника 30 предусмотрена, например, покрытая проходящим метаппическим слоем стеклянная пластина. Пластина имеет нанесенный слой диэпектрика 31, толщина которого согпасована с требуемой ем« костью, опредепяемой величиной отдельных апементов 28 и несущей частотой

S<. Элементы приемника могут быть построены иа базе интегральных схем с применением согласованных копебатепьных контуров . Схема прохождения сигнапов

63 6 (фиг.4) схематически показывает обрабоз ку свяэащой с несущей частотой дрпперовской частоты f реэупьтатом которой является попучение обрабатываемого далее сигнала. На ней также пока,заны генератор 35 синусоидапьных коде баний и смеситепь 36..Здесь производится отдепение допперовской частоты от несущей частоты f > . Освобожценный от несущей частоты f сигнал с gonneровской частотой f .дпя цапьнейшей об работки может быть подан к счетчику импульсов (не показан) с целью определения положения объекта.

Доплеровский цвухпучевой интерфе рометр с оптическим квантовым генератором (фиг.б) имеет базис 41 и световозврашатепь 42, который соединен с объектом. Пучок света, исходящий от источника света (не показан) проходит диафрагму 43 и посредством расщепителя

44 пучка денится на ход измерительных лучей и на ход лучей сравнения. Луч сравнения падает на слабо отражающее зеркало 45 сравнения и посредством расшепитепя пучка 44 направляется на фотоэлектрический приемник 46. Измерительный ппуч проходит амппитудно-модупирующую ячейку 47 и посредством измерительной линзы 48 в форме сферических вопи рассеивается в область объекта. В таком устройстве свет в ходе иэмеритепьных кучей и ходе лучей сравнения имеет одну и ту ке частоту 3, Одна часть рассеянного света в ходе измеритепьных лучей падает на несфокусированный на. бесконечность световозвращатепь 42. Он фокусирован на фокусное расстоянием =tn/2, причем щ «средняя измеряемая длина, Апертура световозврашатепя 42 имеет такие параметры, что ненарацлепьность интерферирующих фронтов волн не превышает Я/8, rge

- дпина волны света, Измерительный пуч возвращается в самом себе обратно и эа счет движения световозврашатель приобретает gonneровское смешение Ч+ f g . Поспе повторного прохожцения ячейки 47 достигается попная модуляция амплитуды. Частота не изменяется. На поверхности расшепитепя пучка 44 происходит интерференция пучков измеритепьных лучей и лучей сравнения. Приемник 46 принимает в месте попадания объединенного интерферирова нного пучка амплитудно-модулированное с частотой Доппера .+ f изпучение несущей частоты f, Снгнап, фор мируемый приемником 46, подается на

7 1037063 8 устройство обработки сигнапов дпя по- мерительных пучей 64 до Ч + f> . Получения анапогичной вепичины, соответсч средством пинзы 67 свет хода нэмернвующей измеряемому расстоянию 0, тельных лучей 64 рассеивается и откпоИзмеряемое расстояние 8. (фиг.5) - это няется призмой 68 так, что мнимое на расстояннв между фокусом 49 измеритель-5 чапо сферических вопи нежит в гпавюй ной линзы 48 и внешней главной точкой точке 3 пиизы 5 со стороны объекта.

50 световозвращателя 42. Измерение Одна часть отраженного от рефлектора расстояний с помощью световоэвращате- 62 света отображается пинзой 5 в виде пей зависит от параппепьности смещения кружка рассеяния на приемник 19. Свет в пространстве.. 10 хода измеритепьных лучей 64 в связи

Однако имеются движения подачи, ко- со смешением обьекта имеет в атой точторые производятся при вращении вокруг ке частоту:V + f «+ f В ходе лучей одной иди нескольких осей и исключающие 65 сравнения пннэа 69 и призма 70 расприменение этих световозвращатепей. сеивают свет так, что создается впечат. При етом предпочтительным является . 1g .ление, как будто свет исходит от гпавной

"применение сферических, имеющих выпукную, точки 4 лиюы 71. Задачей пинзы 72 и отражающую поверхность рефлекторов (фиг. рефлектора 73 явпяется формирование

° 6). Наряду с нечувствитепьиостью K враще пучков сравнения, которые во всех полонию они обпадают тем преимуществом, что жениях обьекта совпадают с ходом иэпутем выбора радиуса отражающей по- д мерительных пучей 64 по направпению, верхности измеряемая точка может быть виду иэображения и по апертуре. Свет перенесена s жепаемые плоскости, оси . -xoaa измерительных лучей и хода лучей и точки, так что уменьшается впияние 64 и 65 сравнения интерферируют на рас погрешностей поиожения вращения систе- щепнтепе 63. Приемник 19 принимает мы объект - рефлектор. Кроме того, та«д. частоту биений 8< + . ПллучениФсигкого рода устройства применены в тех- папа с частотой «+ дня определения нике измерения расхода. направпений и скоростей производится

Главными узпами устройства (фиг. 6) (фиг.4) с помощью смеситепя. явпяются базис 61 и. сферический рефпек-: Изобретение позволяет расширить воз тор 62.-Испускакяйий. монохроматичес-: зо можюсти устройств для интерферометри-) кий свет источник 7света образует с по- ческих измерений расстояний и saMe мощью спабо отражающего расщепителя пений расстояний.

63 излучения ход измеритепьных Признано изобретением по результатам пучей и ход пучей 64 и 65 cpas- экспертизы, осуществпенной В едомством кения. Эпектрооптический элемент 5 по иэобретатепьству Германской Демокра66 смешает частоту иэпучення хоаа иэ- тической Республики.

1037063

1037063

Составитепь Л. Лобэова

Редактор Г. Ус Текред С.Мигунова Корректор М. -Демчик

Заказ 5989/41 Тираж 602 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР о депам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., a. 4/5 Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4