ИНТЕРФЕРОМЕТР ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01B9/02 

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 λ - 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 λ. 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 значений

При 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.

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 πk/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.

Интерферометр перемещения, состоящий из подвижного измерительного прямого двугранного отражателя, биссектриса которого параллельна направлению его перемещения, референтного отражателя, расщепителя, установленного перед референтным отражателем, отличающийся тем, что дополнительно введены три прямых двугранных отражателя, причем первый прямой двугранный отражатель выполнен со щелью вдоль ребра и установлен между подвижным измерительным прямым двугранным отражателем и дополнительными вторым и третьим прямыми двугранными отражателями, при этом биссектрисы двугранных отражателей параллельны друг другу, 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 π k/n к первому дополнительному отражателю, плечи второго и третьего дополнительных отражателей расположены симметрично оси поворота измерительного отражателя, а размеры сторон оснований второго и третьего отражателей равны соответственно (m+1)X, (m-1)X и mХ, mX, причем расщепитель установлен перед гранью второго дополнительного отражателя, размер которой равен (m-1)Х, где k - нечетное число; n - четное число; m - натуральное число, X - общая мера сторон оснований второго и третьего дополнительных отражателей.