Интерферометр перемещения
Интерферометр используется для измерения линейной длины отрезков. Он состоит из подвижного измерительного прямого двугранного отражателя, биссектриса которого параллельна направлению его перемещения, референтного отражателя, расщепителя, установленного перед референтным отражателем, и трех прямых двугранных отражателей. Первый прямой двугранный отражатель выполнен со щелью вдоль ребра и установлен между подвижным измерительным прямым двугранным отражателем и вторым и третьим прямыми двугранными отражателями. Биссектрисы двугранных отражателей параллельны друг другу, а ребра второго и третьего отражателей параллельны между собой и ортогональны сторонам щели. Подвижный измерительный прямой двугранный отражатель установлен навстречу дополнительным отражателям и расположен под углом k/n к первому отражателю, плечи второго и третьего отражателей расположены симметрично оси поворота измерительного отражателя, а размеры сторон оснований второго и третьего отражателей равны соответственно (m + 1)X, (m - 1)X и mX, mХ, причем расщепитель установлен перед гранью второго отражателя, размер которой равен (m - 1)X, где k - нечетное число; n - четное число; m - натуральное число; X - общая мера сторон оснований второго и третьего дополнительных отражателей. Благодаря увеличению числа проходов сигнального луча между отражателями интерферометра повышается точность измерения. 1 ил.
Изобретение относится к интерферометрам и может быть использовано для абсолютного измерения линейной длины отрезков.
Известен интерферометр перемещения [1], состоящий из подвижного двугранного отражателя и двух расщепителей, причем двугранный отражатель содержит две взаимно ортогональные поверхности отражения. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому интерферометру является выбранный в качестве прототипа интерферометр [2], содержащий подвижный измерительный прямой двугранный отражатель, референтный прямой двугранный отражатель и расщепитель. Схема интерферометра составлена так, что грани отражателей, на которые падают входящие лазерные лучи, параллельны светоделительной поверхности расщепителя, а направление перемещения измерительного отражателя совпадает с биссектрисой его прямого угла. В известном интерферометре перемещения сигнальный луч совершает два прохода в плечах измерительного отражателя и соединяется с референтным лучом при помощи расщепителя. При перемещении измерительного отражателя на величину где - длина волны лазерного излучения, интенсивность светового поля на выходе интерферометра изменится на один период, что соответствует изменению целой части порядка интерференции. Недостаток известного интерферометра перемещения заключается в том, что изменению целой части числа полос в интерференционном поле соответствует перемещение измерительного отражателя на половину длины волны излучения лазера и это приводит к ограничению точности измерения линейных отрезков величиной равной Предложенный интерферометр перемещения содержит подвижный прямой двугранный и референтный отражатели, расщепитель, установленный перед референтным отражателем. В отличие от известного устройства интерферометр содержит дополнительные первый, второй и третий прямые двугранные отражатели, установленные навстречу измерительному отражателю, причем биссектрисы указанных отражателей параллельны друг другу. Второй и третий отражатели установлены вдоль щели первого отражателя и служат для образования оптической связи с измерительным и первым отражателями. Измерительный отражатель повернут на угол относительно первого отражателя, где k - нечетное число; n - четное число. Поэтому лазерный луч, введенный через щель в пространство между измерительным и первым дополнительным отражателями параллельно биссектрисам двугранных отражателей, совершит n проходов между отражающими гранями, образуя круговую цилиндрическую поверхность. Ребра второго и третьего отражателей параллельны между собой и ортогональны сторонам щели, а размеры сторон оснований этих отражателей равны соответственно (m+1)X, (m-1)X и mX, mX, где m - натуральное число; X - общая мера сторон оснований второго и третьего от отражателей. Плечи второго и третьего отражателей установлены симметрично относительно оси поворота измерительного отражателя, а расстояния R от граней с размерами оснований, равными (m-1)X и mX до оси поворота, равны Это обеспечивает образование m цилиндрических поверхностей проходами лазерного луча и возникновение mn дополнительных, вырожденных пространственно, лазерных проходов между измерительным и первым отражателями. Так как расщепитель установлен перед гранью с размерами оснований (m+1)X, то лазерный луч направляется в объем между измерительным, первым, вторым и третьим отражателями. После совершения 2mn проходов между указанными отражателями сигнальный луч соединится с референтным лучом после расщепителя, образуя интерференционное поле. При перемещении измерительного отражателя на величину равную интенсивность интерференционного поля изменится на один период. Отсюда следует, что одна и та же разность хода между сигнальным и референтным лучами на выходе интерферометра создается меньшим перемещением измеряемого объекта. Этим и достигается повышение точности измерения линейных отрезков. Графическое изображение интерферометра, освещенного лазерным лучом, показано на чертеже в горизонтальной, фронтальной и профильной проекциях. Интерферометр перемещения содержит референтный отражатель 1, расщепитель 2, третий дополнительный прямой двугранный отражатель 3 с ребром 6 и отражающими гранями 4 и 5, второй дополнительный прямой отражатель 7 с ребром 10 и отражающими гранями 8 и 9, первый дополнительный прямой отражатель 11 с отражающими гранями 14 и 15 и сторонами щели 12 и 13, измерительный отражатель 16 с ребром 19 и отражающими гранями 17 и 18. Лазерный луч 20 после расщепителя 2 делится на сигнальный луч 21 и референтный луч 22. Направление перемещения отражателя 16 обозначено стрелкой 23, а грани 5 и 8 ограничены краями соответственно 24 и 25. Расстояния между краями 24 и 25 и осью поворота обозначены через R. Угол между отражателями 11 и 16 определяется углом между их скрещивающимися ребрами и обозначен через А. Цилиндрические поверхности обозначены P и Q. Отражатели 3, 7 и 11 установлены навстречу отражателю 16, а их биссектрисы параллельны направлению 23. Ребра 6 и 10 отражателей 3 и 7 параллельны между собой и ортогональны сторонам щели 12 и 13. Плечи отражателей 3 и 7 - пространства между гранями 17 и 18 отражателя 16 и соответственно гранями 4, 5 и 8, 9 - установлены симметрично относительно оси поворота измерительного отражателя 16. Размеры оснований граней 4, 5, 8, 9 равны соответственно mX, mX, (m-1)X, (m+1)X, где m - натуральное число, X - общая мера указанных граней. Расстояние между краями 24 и 25 и осью поворота отражателя 16 равно а ширина щели отражателя 11 равна При освещении интерферометра лазерным лучом 20, направленным под углом к светоделительной поверхности расщепителя 2, он делится, образуя два луча; сигнальный 21 и референтный 22. Сигнальный луч 21 после отражения от грани 9 направляется через щель отражателя 11 на грань 18 отражателя 16. Так как на представленном чертеже угол A между скрещивающимися ребрами отражателей 16 и 11 равен (k=1, n=4), то лазерный луч, последовательно отражаясь от граней 18, 17, 15, 14, 18, 17, совершит четыре прохода между указанными отражателями. Эти проходы располагаются на цилиндрической поверхности Р. При условии, что n - четное число, луч 21 проходит через щель и падает на отражатель 3 и направляется гранями 4 и 5 обратно через щель отражателя 11 на измерительный отражатель 16. Последовательно отражаясь от граней 17, 18, 14, 15, 17, 18, лазерный луч совершит четыре прохода на цилиндрической поверхности Q и через щель отражателя 11 по биссектрисе упадет на ребро 10 отражателя 7. Так как для отражателей 3 и 7, представленных на чертеже, выбрано m - четное (m = 2), то в пространстве между отражателями 11 и 16 образуются две цилиндрические поверхности P и Q, и в качестве обратного отражателя служит отражатель 7. Если m - нечетное число, то в качестве обратного отражателя будет служить отражатель 3, а количество цилиндрических поверхностей будет нечетным. В дальнейшем, обратно отразившись от двугранного отражателя 7, лазерный луч совершит 16 проходов на поверхностях P и Q и направится на расщепитель 2, образуя с референтным лучом 22 интерференционное поле. При перемещении объекта с измерительным отражателем 16 в направлении 23 на величину разность хода между сигнальным лучом 21 и референтным лучом 22 изменится на . Поэтому измеряемая длина L определится по формуле где N - порядок интерференции, а точность измерения определится величиной и выше в 8 раз по сравнению с известным интерферометром. Если выбрать угол поворота А таким, чтобы наименьшая цилиндрическая поверхность Q была бы полностью "упакована" проходами лазерного луча с диаметром d, то точность измерения линейных отрезков значительно повысится. Действительно, если радиус наименьшей цилиндрической поверхности равен 50 мм, d = 2 мм, мм, то n 150. Угол поворота будет равен одному из значенийПри m = 4 количество лазерных проходов в четырех цилиндрических поверхностях будет равно 1200, а точность измерения будет определяться величиной Теперь измеряемая длина будет вычисляться по формуле
и точность измерения линейных отрезков по сравнению с прототипом будет выше в 600 раз. Таким образом, благодаря увеличению числа проходов сигнального луча между отражателями интерферометра, путем увеличения значений m и n обеспечивается повышение точности измерения линейных отрезков. Источники информации. 1. Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы. - M: Радио и связь, 1981, с. 252. 2. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры перемещений. - Автометрия, 1982, N6, с. 14-18.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1