ЗЕРКАЛЬНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения и регистрации перемещений и колебаний.

Известны зеркальные умножители, содержащие два отражающих элемента (авт. св. СССР N 224846; Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Л. Машиностроение, 1976, с. 276). Отражающие элементы в таких зеркальных умножителях выполнены плоскими, а их чувствительность прямо пропорциональна числу переотражений между отражающими элементами.

Однако известные зеркальные умножители характеризуются недостаточной чувствительностью вследствие наличия линейной зависимости чувствительности от числа переотражений.

Наиболее близким устройством по своей технической сущности к изобретению является зеркальный умножитель (авт. св. СССР N 135664), содержащий два плоских отражающих элемента, установленных параллельно друг другу, причем одно из зеркал выполнено параллельно перемещающимся.

Существенным недостатком прототипа является недостаточная чувствительность, обусловленная наличием линейной зависимости чувствительности от числа переотражений.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Цель достигается тем, что в зеркальном умножителе, содержащем два зеркальных элемента, обращенных отражающими поверхностями друг к другу, один из которых установлен с возможностью перемещения, согласно изобретению, зеркальные элементы выполнены с выпуклыми поверхностями цилиндрической формы и установлены так, что центры их кривизны лежат в одной плоскости.

Использование зеркальных элементов с выпуклыми поверхностями цилиндрической формы приводит к тому, что плоский волновой фронт светового потока при его отражении становится выпуклым.

При перемещении цилиндрического зеркала поперек плоскости, лежащей на точках многократного отражения, или поперек нормали и образующей цилиндра, происходит боковой сдвиг волнового фронта, что может регистрироваться интерферометром бокового сдвига (Оптико-механическая промышленность. 1973, N 8, с. 55, Интерференционные методы и приборы для контроля правильности формы сферических поверхностей. И.И. Духопел и др.).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый умножитель соответствует критерию изобретения "новизна".

Таким образом, выпуклые цилиндрические зеркала служат для преобразования линейного бокового смещения любого цилиндрического зеркала в угловое смещение (сдвиг) волнового фронта светового пучка и в совокупности с другими отличительными признаками проявляет свойства, не совпадающие со свойствами известных решений обеспечивает возможность измерения с высокой чувствительностью перемещения любого зеркала.

Следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Использование зеркальных элементов с выпуклыми поверхностями цилиндрической формы обеспечит измерение перемещения любого зеркального элемента с повышенной чувствительностью по сравнению с прототипом, т.к. в прототипе зависимость между перемещением зеркального элемента и отклонением луча соответствует линейной функции, а в предлагаемом умножителе эта зависимость приближается к показательной функции, что обосновано ниже расчетным путем.

На фиг.1 представлен зеркальный умножитель; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 схема умножителя для расчета чувствительности измерения.

Зеркальный умножитель содержит неподвижное выпуклое цилиндрическое зеркало 1 с радиусом кривизны R и центром кривизны O₁; подвижное выпуклое цилиндрическое зеркало 2 с радиусом кривизны R и центром кривизны O₂, с зеркальными поверхностями 3 и точками многократного отражения 4, причем зеркала расположены друг от друга на расстоянии L, а центры кривизны зеркал O₁ и O₂, точки многократного отражения 4, оптическая ось с падающим на умножитель лучом 5 и выходящим лучом 6 из умножителя находятся на одной плоскости; направляющие 7 подвижного зеркала 2 для осуществления его сдвига на величину h>0.

На фиг.3 пунктирной линией показано цилиндрическое зеркало 2 в первоначальном положении при отсутствии поперечного смещения h.

Ход светового луча при отсутствии смещения (h=0) проходит в плоскости, проходящей через центры кривизны O₁ и O₂ цилиндрических зеркал 1 и 2.

Ход луча при наличии поперечного смещения (h>0) цилиндрического зеркала 2 показан ломаной линией со стрелкой (фиг.3).

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Световой пучок или луч 5, например, от лазера (на фиг.1-3 не показан) падает на рабочую поверхность выпуклого цилиндрического зеркального умножителя с одного конца, многократно отражаясь в зеркальном умножителе, выходит из него с другого противоположного конца или края рабочей поверхности (луч 6).

При отсутствии смещения (h=0) световые лучи 5 и 6, а также центры кривизны O₁ и O₂ лежат в одной плоскости.

При наличии поперечного линейного смещения одного цилиндрического зеркала в одну сторону, например, нижнего, как показано на фиг.3, на величину h= h₁, световой луч 6, многократно отраженный в умножителе, отклонится в другую, противоположную сторону.

При многократном отражении от выпуклых цилиндрических зеркал плоский волновой фронт светового пучка преобразуется в выпуклый. Такой волновой фронт светового пучка можно регистрировать при помощи интерферометра бокового сдвига (на фиг.1-3 не показан). В этом случае при h=h₁ угол падения волнового фронта на интерферометр сдвига также изменится, что приводит к сдвигу интерференционных полос.

Таким образом, величина или число сместившихся интерференционных полос, которое является измеряемой величиной, несет информацию о величине линейного поперечного смещения цилиндрического выпуклого зеркала.

Возможны варианты, когда перемещается верхнее цилиндрическое зеркало 1 или оба зеркала 1 и 2.

Для расчета чувствительности рассмотрено смещение бесконечно тонкого светового луча в зеркальном умножителе.

Пусть произошел поперечный сдвиг одного, например нижнего, цилиндрического зеркала 2 на величину h=h₁ от плоскости, где находились центры кривизны O₁ и O₂ до отсутствия сдвига в первоначальном положении (фиг.3).

При этом луч 5 сначала отразится от нижнего зеркала 2 под углом Φ₁=2γ т. к. угол падения равен углу отражения, а нормаль в точке падения есть продолжение радиуса цилиндрического зеркала. Будем считать, что величина поперечного смещения h₁ намного меньше, чем радиус кривизны R цилиндрического зеркала, т.е. h<R, тогда найдем приближенное значение Таким образом, выражение для углового значения луча после первого его отражения будет
,
Как видно из фиг.3, для последующих отражений также можно записать выражения для угловых отклонений

где h₂≃ LΦ₁; тогда

где h₃≃ h₁+LΦ₁+LΦ₂, тогда

где h₄≃ LΦ₁+LΦ₂+LΦ₃; тогда

и т.д.

Очевидно, для n-го отражения

где h_n≃ h₁+ LΦ₁+LΦ₂+LΦ₃+...+ LΦ_n-1 для нечетного числа отражений
h_n≃ LΦ₁+LΦ₂+LΦ₃+...+ LΦ_n-1 для четного числа отражений.

Учитывая предыдущие выражения (1), (3), (5), (7) и т.д. последнее выражение (8) может быть записано в виде

где a, b,c коэффициенты, зависящие от числа переотражений n.

С учетом пренебрежения членами малых порядков при L>>R последнее выражение может быть записано в виде

Таким образом, как следует из выражения (10), заявляемый объект обеспечивает измерение перемещения любого зеркала поперек плоскости, лежащей на точках многократного отражения, причем угловое смещение Φ_n луча 6 на выходе зеркального умножителя относительно параметров L и R зависит нелинейно от количества переотражений n.

Например, при L=5R

т. е. значение углового отклонения растет в этом случае пропорционально нелинейно показательной функции 10ⁿ.

Коэффициент умножения К_у углового смещения при этом будет

а при L=5R
K_у≃ 10^n-1. (13)
Например, для n=4 находим, что K_у≃ 10³, т.е. достаточно 4 переотражений, чтобы чувствительность повысилась более чем на 3 порядка.

Из выражения (13) видно, что значение коэффициента умножения (чувствительность) растет нелинейно согласно показательной функции 10^n-1. (При использовании плоских зеркал коэффициент умножения (чувствительность) растет линейно прямо пропорционально n).

Поэтому заявляемое устройство обладает большой чувствительностью к поперечным перемещениям зеркального элемента.

Таким образом, заявляемый объект выгодно отличается от прототипа тем, что использование выпуклых цилиндрических зеркал в зеркальном умножителе обеспечивает повышение чувствительности измерения.

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения и регистрации перемещений и колебаний. Сущность: изобретение решает задачу обеспечения возможности измерения перемещения любого зеркала зеркального умножителя поперек плоскости, лежащей на точках многократного отражения с высокой чувствительностью. Возможность измерения поперечного перемещения основано на использовании интерферометра бокового сдвига, включенного в световой поток, падающего из зеркального умножителя, содержащего два зеркала, ориентированных друг к другу отражающими поверхностями, и обеспечивающего многократное отражение. Новым является выполнение зеркал с выпуклыми поверхностями цилиндрической формы и ориентированными друг к другу так, что их центры кривизны и точки многократного отражения лежат на одной плоскости. 3 ил.

Зеркальный умножитель, содержащий два зеркальных элемента, обращенных отражающими поверхностями друг к другу, один из которых установлен с возможностью перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, зеркальные элементы выполнены с выпуклыми поверхностями цилиндрической формы, установленными так, что центры их кривизны лежат в одной плоскости.