Интерферометр для измерения перемещений

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскмк

Социапмстмческмк

Рес убпмк

< 1934212 (6l ) Дополнительное к авт. сеид-в)1 (22)Заявлено 21.07.80 (2! ) 2966227/25-28 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 07.06.82. 81оллетеиь %21

Дата опубликования описания 07.06.82 (5l jN. Кл.

G 0l В 9/02

Гооударствснный квинтет

СССР по делам изобретений н открытнй (53) УДK531.715.1(088.83

А.Л. Старков /

-j 4

Институт электроники АН белорусскаи CCP., с. (72) Автор изобретения (71) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к фотоэлектрическим устройствам для измерения линейных и угловых величин, преимущественно к системам прецизионного отсчета перемещающихся объектов.

Известен интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник монохроматического излучения - гелий-неоновый лазер щель

Ф Э разделительный блок, относительное зеркало, подвижный блок сферических зеркал, неподвижные уголковое и плоское зеркала. Повышение чувствительности осуществляется путем многократного

15 прохондения света между подвижным блоком сферических зеркал и неподвижными зеркалами 11 1.

Цедостатком такого интерферометра является невысокая точность измерения, громоздкость конструкции и значительные потери света.

Точность измерения снижается нестабильностью интерференционной картины вследствие чувствительности к разъюстировке плоских зеркал и самого блока сферических зеркал при незначительных вибрациях и атмосферных изменениях, а также нестабильностью работы лазера иэ-за возврата пучка света в лазер. Громоздкость конструкции заключается в изготовлении блока сферических зеркал и значительной номенклатуре оптических деталей. Потери света на оптических поверхностях деталей и частичный возврат пучка в лазер составляют также более 503.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно расположенные источник монохроматического излучения, телескопическую систему, све" тоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму, два неподвижных автоколлимационHhlx зеркала и фотоприемник. Светоделитель выполнен в виде плоскопарал3 93421 лельной пластины с полупрозрачным отражающим покрытием, а отражательв виде триппель-призмы (2 ).

Недостатком интерферометра является недостаточно высокая точность измерения, так как стабильность интерференционной картины снижается вследствие чувствительности к разъюстировке автоколлимационных зеркал и светоделительной пластины, а также не- о стабильности работы источника монохроматического измерения — лазера.

Известно, что ширина.интерференционных полос и зависит от длины волны

3 и угла сходимости 6 интерферирую- i5 щих пучков таким образом

А

t:Чувствительность к раэъюстировке влечет к изменению угла сходимос- рв ти интерферирующих пучков 8, а нестабильность работы лазера проявляется в изменении длины волны излучения и длины когерентности из-за возврата пучка в него. Кроме этого, стабильность интерференционной картины снижается вследствие термической неустойчивости интерферометра, т.е. из-за неидентичного прохождения пучков в плечах интерферометра.

Неидентичность плеч также ухудшает и контрастность интерференционной картины. Потери света составляют "îëåå пятидесяти процентов, что в итоге ухудшает контрастность интерференционных полос и надежность работы устройства при больших перемещениях отражателя.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем стабилизации интерференционной картины интерферометра.

Поставленная цель достигается тем, что в интерферометре для измере- ния перемец ений, содержащем последовательно расположенные источник моно- хроматического излучения, телескопическую систему, светоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, светоделитель выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с углом при вершине э1ni с =агс sin

55 и где i - угол между нормалью к свето1 делительной поверхности и направлением перемещения;

n — - показатель преломления приз-, мы, а гипотенуэная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90, входная катетная грань имеет частичное полупрозрачное покрытие на половине поверхности, а отражатель представляет собой двухгранное зеркало с углом 90

На фиг.1 изображена принципиальная схема интерферометра для измерения перемещений; на фиг.2 - вид

А на фиг. 1.

Интерферометр содержит последовательно расположенные источник 1 монохроматического излучения, например гелий-неоновый лазер, телескопическую систему 2, светоделитель

3„ связываемый с контролируемым объектом (на чертеже не показан ), отражатель 4 диафрагму 5 и фотопри/ емник 6.

Светоделитель 3 выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с полупрозрачным отражающим покрытием (на фиг.1 обозначено пунктиром,1 на половине поверхности входной катетной грани, а гипотенуэная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90 . Входная катетная грань призмы расположена под углом 4 ок направлению перемецения объекта, что дает угол призмы при вершине с =28 при показателе преломления с1екла

A=1 ". .

В качестве отражателя 4 используется двухгранное зеркало с углом

90, которое жестко связано с перемецаюцимся объектом. Ребра двухгранного зеркала и крыши расположены взаимно перпендикулярно. Гипотенуэная грань или ребро крыши (фиг.1) образует угол в с катетной светоделительной поверхностью, Угол i показан на чертеже между нормалью к светоделительной поверхности и направлением хода рабочего пучка или то же самое между направлением перемещения отражателя 4. Направление измеряемого перемещения на фиг,1 указано двойной стрелкой около отражателя 4.

Входная катетная грань, она же выходная, обозначена на фиг.2 соответственно индексами и 8.

Сплошной линией со стрелками (фиг.1) показан ход лучей эталонного и рабочего пучков от покрытия до крыши светоделителя 3.

4212 6

5 93

Пунктиром со стрелкой показан ход лучей эталонного и рабочего пучков после отражения их от крыши.

Интерферометр работает следующим образом.

Пучок света от источника 1 монохроматического излучения расширяется телескопической системой 2 и падает на светоделитель 3.

На входе светоделителя 3, на его полупрозрачной поверхности, пучок делится по амплитуде на рабочийотраженный и эталонный — проходящий внутрь стекла. Рабочий пучок па; дает на отражатель 4 и возвращается параллельно самому себе вновь на катетную грань светоделителя 3, на участок, где нет полупрозрачного покрытия. На катетной грани рабочий пучок преломляется, отражается на гранях крыши,. смецается и вторично направляется на отражатель 4, где, отразившись от него, возвращается вновь на светоделитель 3, íà участок с полупрозрачным покрытием.

Яо

35 0

Эталонный пучок также отражается на гранях крыши и вновь возвращается на светоделительную поверхность, где смешивается с рабочим пучком. Обе части делятся еще раэ, интерферируют и направляются частично на фотоприемник 6 через диафрагму 5. Второй интерференционный поток повторяет путь первоначального луча и усиливает яркость первой интерференционной картины и т.д.

Таким образом, возврат пучка к источнику 1 монохроматического излучения отсутствует, в основном весь поток падает на фотоприемник 6.

Наложение интерферирующих пучков достигается поперечным смецением светоделителя 3 относительно отражателя 4, а требуемый угол между ними создается благодаря тому, что углы между отражающими гранями сделаны отличными от 90 о

При перемецении объекта совместно с отражателем 4 изменяется разность хода интерферирующих пучков и на выходе. интерферометра перед фотоприемником 6 проходят интерференционные полосы. Так как рабочий пучок дважды отражается от отражателя 4, то чувствительность интерферометра к перемещениям повышается вдвое. Например, при перемещении отражателя на g / 3 разность хода меиду эталонным и рабочим пучком составит 2,Х . Фотоприемник 6 выдает элект-. рические сигналы, близкие к синусоидальным, что позволяет осуцествлять, счет интерференционных полос. Число полос N связано с измеряемой длиной

L соотношение Ь =К Д где А - длина

1 волны в воздухе.

Иногда необходимо осуществлять ре» версивный счет полос, тогда достаточно в поле интерференционной картины поставить рядом два фотоприемника с входными диафрагмами, сдвинутыми в четверть полосы.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность путем стабилизации интерференционной картины. В предлагаемом интерферометре устра" нены причины, вызывающие изменение ширины и ориентации полос, а именно: чувствительные к разъюстировке оптические элементы выполнены нечувствительными, улучшена стабильность работы лазера и повышена термическая устойчивость.

В устройстве светоделитель выполняет роль расц епителя, светосоедини теля и двух автоколлимационных эер". кал,. Роль двух автоколлимационных зеркал выполняет крыша светоделителя, а катетная грань с частичным полупрозрачным покрытием - расцепителя и светосоединителя. Взаимно перпендикулярное расположение ребер под" вииного двухгранного зеркала и крыши светоделителя позволяет стабилизировать рабочий пучок е двух координатах.

Так как эталонный и измерительный пучки отражаются на общих гранях крыши, то небольшие наклоны и поперечные смещения светоделителя и отраиателя не изменяют угол сходимости двух интерферирующих пучков и не нарушается соответствие взаимодействующих лучей. Таким образом, интерферометр, сохраняя повышенную чувствительность, не чувст" вителен к раэъюстировке. Кроме этого, отражаясь на гранях крыши, пучок смещается и не возвращается обратно в лазер, что является положительным для стабильной его работы.

Повысилась термическая устойчивость устройства, так как путь в стекле интерферирующих пучков почти одинаков.

Предлаraeмое выполнение светоделителя и отражателя уменьшает количестФормула изобретения

ВНИИПИ Заказ 39(6/32 Тираж 614 Подписное филиал ППП Т!атент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 во оптических поверхностей и самих

\ деталей, что значительно упрощает устройство в целом и технологию его изготовления.

Благодаря тому, что количество оптических поверхностей уменьшилось, . а частичный возврат пучка в источник монохроматического излучения исключен, увеличился световой поток и

- контрастность интерференционной картины на фотоприемнике. Контрастность интерференционных полос повышается благодаря почти идентичному прохождению интерферирующих .пучков в стекле, причем без нанесения зеркального покрытия на отражающие грани свето1 делителя. Положительным эффектом интерферометра является также простота его юстировки.

Таким образом, повышение точности измерения при одновременном упрощении позволило уменьшить номенклатуру применяемых оптических деталей и упростить технологию изготовления интерферометра в целом.

Интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно расположенные источник монохрома34212 8 тического излучения, телескопическую систему, светоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, светоделитель выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с углом при вершине

М1т1

g = а -с и—

l1 где 1 - угол между нормалью к светоделительной поверхности и направлением перемещения, 15 И - показатель, преломления призмы, I а гипотенузная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90, входо ная катетная грань имеет полупрозрачное покрытие на половине поверхнос.г ти, а отражатель представляет собой о двухгранное зеркало с углом 90

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

h" 203972, кл. G 01 B 9/02, 1967.

2. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. И., "Машиностроение", 1976, с.193, 275 (прототип).