ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2021 года по МПК G01B9/02 G01B11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к интерферометрическим измерениям линейных перемещений объектов.

Известен интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий одночастотный лазер, установленные последовательно по ходу его лучей расщепитель лазерного излучения на два пучка и устройство сдвига частоты излучения в виде дифракционного фазового модулятора, первый фотоделитель и первый фотоприемник, образующие опорный канал, второй светоделитель, отражатель, второй фотоприемник, образующие рабочий канал, электронный блок обработки, подключенный к выходам фотоприемников (см. авторское свидетельство СССР № 991152, МПК G 01 В 9/00, опубл. 23.01.1983). Кроме того, интерферометр содержит систему из двух плоских отражателей, каждый из которых установлен между модулятором и первым светоделителем в ходе излучения одного из пучков под углом к направлению распространения пучка и с возможностью поворота отражателя вокруг оси, перпендикулярной к плоскости, проходящей через оси пучков.

Недостатками этой схемы интерферометра являются:

а) нерациональное использование энергии лазерного излучателя, что приводит к невозможности использовании этого варианта оптической схемы для контроля за перемещением объектов более 2-х координат;

б) расщепленный на дифракционном фазовом модуляторе луч в поперечном сечении имеет форму эллипса и на интерферирующем пучке два луча совмещаются перекрещивающимися эллипсами, что тоже приводит к потере полезной энергии излучения лазера;

в) использование общего коллиматора для двух расщепленных лучей приводит к заметным аберрациям и также уменьшает выходную мощность лучей измерительных каналов.

Известен интерферометр для измерения линейных перемещений объектов, в котором повышение технологичности и точности измерений достигается совмещением в пространстве двух пучков излучения с различными ориентациями поляризации (см. патент SU 1800260, МПК  G01B 11/16, опубл. 07.03.1993). Интерферометр содержит лазер линейно поляризованного излучения, дифракционный фазовый модулятор, предназначенный для расщепления излучения лазера на два пучка, оптический элемент, предназначенный для изменения направления пучков излучения, полуволновую фазовую пластину, установленную на пути одного из пучков излучения, отражатель, светоделитель, коллиматор, второй поляризационный светоделитель, неподвижный уголковый отражатель, подвижный уголковый отражатель, устанавливаемый на объекте измерения, поляроиды: опорный и измерительный, фотоприемники опорный и измерительный. Поляроид и фотоприемник установлены в опорном канале интерферометра, а коллиматор второй светоделитель, отражатели, поляроид и фотоприемник - в рабочем канале.

Однако данная схема имеет следующие недостатки:

а) схема не оптимальна по использованию мощности лазерного излучателя из-за эллипсности поперечного сечения лучей после расщепления луча на дифракционном фазовом модуляторе;

б) необходимо изготовление точной клиновой призмы для достижения параллельности выходящих из формирователя лучей интерферометра;

в) вся энергия одного из линейно поляризованного луча, выходящего из лазера, идет на опорный канал, что нерационально, т.к. большая часть этого излучения может быть использована для еще одного рабочего канала.

Наиболее близким к предлагаемому решению является интерферометр для измерения линейных перемещений объектов в двух направлениях (см. патент SU 1800259, МПК  G01B 11/16, опубл. 07.03.1993). Интерферометр содержит двухчастотный лазер линейно поляризованного излучения, дифракционный фазовый модулятор, предназначенный для расщепления излучения лазера на два пучка, оптический элемент, предназначенный для изменения направления пучков излучения, полуволновую фазовую пластину, установленную на пути одного из пучков излучения, отражатель, светоделитель, имеющий поляризационное покрытие, два коллиматора, два поляризационных светоделителя, два неподвижных уголковых отражателя, два подвижных уголковых отражателя, устанавливаемых на объектах измерения, поляроид, установленный в опорном канале, два поляроида, установленные в рабочих каналах, фотоприемник, установленный в опорном канале, два фотоприемника, установленные в рабочих каналах, а также светоделитель, предназначенный для образования опорного канала. Коллиматоры, поляризационные светоделители, неподвижные уголковые отражатели, подвижные уголковые отражатели, поляроиды и фотоприемники установлены по одному в каждом из двух рабочих каналов. Коллиматоры установлены на выходе блока формирования пучков.

Однако, в этом варианте интерферометра линейных перемещений, в той его части, где формируются лучи, также как и в предыдущем варианте имеются недостатки:

а) не решена задача компенсации эллиптичности поперечного сечения лучей после расщепления входящего лазерного луча на дифракционном фазовом модуляторе, причем она тем больше, чем меньше шаг штрихов в круговой решетке дифракционного фазового модулятора;

б) отсутствуют компенсирующие непараллельность лучей оптические элементы с тонкой регулировкой, все основывается на точности исполнения клиновой призмы или двух клиньев, что не всегда достаточно для точной регулировки;

Техническая проблема заключается в разработке интерферометра, обеспечивающего возможность измерения перемещений в трех и более направлениях.

Технический результат заключается в увеличении выходного полезного сигнала интерферирующих пучков за счет уменьшения потерь энергии максимальным исправлением эллиптичности формы поперечного сечения пучков и более тонкой регулировкой параллельности выходных пучков.

Технический результат достигается тем, что в интерферометре, для измерения линейных перемещений объектов, содержащий двухчастотный лазер линейно поляризованного излучения и расположенные вдоль излучения дифракционный фазовый модулятор, расщепляющий излучение лазера на два пучка, оптический элемент, предназначенный для изменения направления пучков излучения, полуволновую фазовую пластину, установленную за оптическим элементом на пути одного из пучков, коллиматоры, отражатель и светоделители для формирования опорного и рабочих каналов, включающих поляроиды и фотоприемники, согласно решению, коллиматоры конструктивно выполнены из трех положительных линз, при этом первая положительная линза является общей для двух коллиматоров и расположена между лазером и фазовым модулятором, а вторые положительные линзы расположены за модулятором на пути каждого из пучков, при этом плоскость нанесения штрихов круговой фазовой дифракционной решетки модулятора находится в фокусе первой общей положительной линзы коллиматоров.

После оптического элемента в виде оптических клиньев, дополнительно по ходу одного из лучей, установлена пара дополнительных компенсирующих клиньев, обеспечивающих точную юстировку параллельности выходных лучей, с углом клина значительно меньше угла клина первой пары и установленных в оправки, обеспечивающие возможность вращения клиньев.

Интерферометр может содержать три и более рабочих каналов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема предлагаемого интерферометра. Позициями на чертеже обозначены:

1. – лазер;

2. – положительная линза;

3. – дифракционный фазовый модулятор, в виде вращающейся дифракционной фазовой решетки;

4. – положительные линзы;

5. – оптический элемент, в виде оптических клиньев;

6. – компенсирующий оптический клин;

7. – полуволновая фазовая пластина;

8. – отражатель;

9. – светоделитель;

10. – поляризационный светоделитель;

11. – неподвижный уголковый отражатель;

12. – подвижный уголковый отражатель;

13. – поляроид;

14. – поляроид;

15. – фотоприемник;

16. – фотоприемник;

17. – светоделитель;

18. – светоделитель;

19. – светоделитель;

20. – отражатель;

21. светоделитель;

ω' и ω" - частоты линейно поляризованного излучения лазера.

Интерферометр содержит двухчастотный стабилизированный лазер 1 линейно поляризованных взаимно-ортогональных частот излучения, положительную линзу 2, дифракционный фазовый модулятор 3, предназначенный для разложения излучения лазера на два пучка. Плоскость дифракционной решетки модулятора 3, на которой происходит дифракционное разложение луча, находится в фокусе положительной линзы 2. На пути каждого из пучков после модулятора установлены положительные линзы 4, которые с линзой 2 образуют коллиматоры. Оптический элемент 5 , предназначенный для изменения направления пучков излучения, расположенный после линз 4 может представлять собой одну общую для двух пучков призму или два оптических клина 5, расположенных на пути каждого пучка. Оптические клинья служат для компенсации угла расхождения лучей плюс и минус первого порядка после расщепления луча лазера на дифракционной решетке модулятора. На пути одного из пучков установлен отражатель 8. На пути другого пучка установлены компенсирующие оптические клинья 6, с углом клина существенно меньшим, чем клин оптического элемента 5, вставленных в цилиндрическую оправку для более точной юстировки параллельности выходных пучков, с помощью поворота вокруг оси цилиндров, полуволновая фазовая пластина 7, поворачивающая плоскость поляризации проходящих лучей на 90°, светоделитель 9, имеющий поляризационное покрытие. Интерферометр содержит три или более поляризационных светоделителя 10, три или более неподвижных уголковых отражателей 11, три или более подвижных уголковых отражателей 12, устанавливаемых на объектах измерения, поляроид 13 и фотоприемник 15, установленные в опорном канале, три или более фотоприемника 16, установленные в рабочих каналах, а также светоделитель 17, предназначенный для образования опорного канала. Поляризационные светоделители 10, неподвижные уголковые отражатели 11, подвижные уголковые отражатели 12, поляроиды 14 и фотоприемники 16 установлены по одному в каждом из трех или более рабочих каналов.

В той части устройства, где формируются выходные пучки лазерного излучения с целью компенсации эллиптичности поперечной формы их до правильной окружности круговая дифракционная фазовая решетка модулятора 3 помещена в фокусе первой линзы коллиматоров 2, являющейся общей для двух коллиматоров. После дифракционного разложения пучки, плюс и минус первого порядка, проходят вторые линзы коллиматоров 4 и далее оптические клинья 5 или клиновую призму для достижения параллельности направлений хода пучков. Расстояние между пучками обеспечивается точным исполнением расчетных значений линейных размеров по расположению элементов схемы: входной линзы 2, дифракционной решетки модулятора 3 и выходных линз 4. Далее следуют отражатель 8, блок оптических клиньев из предварительных и компенсирующих клиньев, полуволновая фазовая пластина 7, светоделитель 9 с поляризационным покрытием, светоделители 18, 19, 21 и отражатели 8 и 20 для ответвления лучей на канал опорного сигнала и на три или более (шесть, как показано на чертеже) рабочих каналов интерферометра измерения перемещений объектов.

Интерферометр работает следующим образом.

Лазер 1 генерирует излучение, состоящее из двух волн с разными частотами ω' и ω" и ортогональными линейными поляризациями. Положительной линзой 2 излучение лазера фокусируется на плоскости, где расположены штрихи дифракционной фазовой решетки модулятора 3. На модуляторе 3 происходит дифракционное разложение исходного излучения лазера. Структура и форма штрихов выполнены таким образом, что основная энергия исходного луча концентрируется в двух пучках: в плюс первом и в минус первом порядке дифракционного разложения. Положительные линзы 4 образуют с линзой 2 коллиматоры, далее следуют оптические клинья 5, максимально уменьшающие расхождение этих основных двух лазерных пучков, полученных в результате дифракционного разложения. После оптических клиньев 5 один пучок проходит через компенсирующую пару оптических клиньев 6, полуволновую пластину 7, которая поворачивает плоскость поляризации пучка на 90°. Второй пучок попадает на отражатель 8, установленный под углом к его оси и, отражаясь, пересекается с первым пучком на светоделителе 9. Светоделитель 9, имеющий поляризационное покрытие, разделяет компоненты излучения каждого падающего на него пучка по поляризациям и формирует два совмещенных пучка с ортогональными поляризациями, при этом один пучок имеет частоты ω'₁ и ω'_2, а другой - частоты ω"₁ и ω"₂ . Каждый пучок может быть использован самостоятельно в рабочих каналах. Для формирования опорного канала на пути одного из пучков устанавливают дополнительный светоделитель 17, отделяющий часть пучка и направляющий его на поляроид 13 и фотоприемник 15. Этот опорный канал работает на все рабочие каналы.

Для формирования рабочих каналов на пути хода пучков устанавливают светоделители 18, 19, 21 и отражатели 20. В каждом рабочем канале пучок направляется через светоделители 18, 19, 21и отражатели 20 на поляризационные светоделители 10, которые разделяют компоненты излучения по поляризации и тем самым по частоте, направляя излучение с одной из частот на неподвижные уголковые отражатели 11, а с другой частотой на подвижные уголковые отражатели 12.

В предложенном интерферометре происходит преобразование луча двухчастотного излучения с высокой разностью частот в два пучка, каждый из которых состоит из двух частот с ортогональными линейными поляризациями и с задаваемой модулятором разностью частот. Конструктивное исполнение двух коллиматоров из трех положительных линз: первой общей линзы 2 и вторых линз 4, а также расположенной в фокусе первой линзы 2 поверхности нанесения круговой фазовой дифракционной решетки модулятора 3, позволяет существенно увеличить выходной полезный сигнал интерферирующих лучей за счет уменьшения потерь энергии максимальным исправлением эллиптичности формы поперечного сечения лучей, возникающей после разложения исходного луча на круговой фазовой дифракционной решетке с помощью расположения ее в фокусе первой положительной линзы коллиматоров и, соответственно, максимального уменьшения размера пятна лазерного луча в месте пересечения его с поверхностью нанесения штрихов, а также за счет исключения из схемы одной линзы коллиматора, что уменьшает потери на паразитные отражения и более точной юстировки параллельности выходных лучей с помощью компенсирующей пары клиньев 6. При этом появляется возможность использовать излучение двухчастотного лазера для образования в интерферометре трех и более рабочих каналов и измерения перемещений, соответственно, в трех и более направлениях одновременно.

Устройство позволяет увеличить информативность при минимизации потерь мощности луча лазера в оптической схеме интерферометрического измерителя линейных перемещений объекта.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерферометрическим измерениям линейных перемещений объектов. Интерферометр содержит двухчастотный лазер 1 линейно поляризованного излучения и расположенные вдоль излучения дифракционный фазовый модулятор 3, оптический элемент 5, полуволновую фазовую пластину 7, установленную за оптическим элементом на пути одного из пучков, отражатели 8, 20 и светоделители 9, 17, 18, 19, 21 для формирования опорного и рабочих каналов, включающих поляроиды и фотоприемники, коллиматоры. Коллиматоры конструктивно выполнены из трех положительных линз 2, 4, при этом первая положительная линза является общей для двух коллиматоров и расположена между лазером 1 и фазовым модулятором 3, а вторые положительные линзы 4 расположены за модулятором на пути каждого из пучков. Плоскость нанесения штрихов круговой фазовой дифракционной решетки модулятора находится в фокусе первой общей положительной линзы коллиматоров 2. Технический результат заключается в увеличении выходного полезного сигнала интерферирующих пучков. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Интерферометр для измерения линейных перемещений объектов, содержащий двухчастотный лазер линейно поляризованного излучения и расположенные вдоль излучения дифракционный фазовый модулятор, расщепляющий излучение лазера на два пучка, оптический элемент, предназначенный для изменения направления пучков излучения, полуволновую фазовую пластину, установленную за оптическим элементом на пути одного из пучков, коллиматоры, отражатель и светоделители для формирования опорного и рабочих каналов, включающих поляроиды и фотоприемники, отличающийся тем, что коллиматоры конструктивно выполнены из трех положительных линз, при этом первая положительная линза является общей для двух коллиматоров и расположена между лазером и фазовым модулятором, а вторые положительные линзы расположены за модулятором на пути каждого из пучков, при этом плоскость нанесения штрихов круговой фазовой дифракционной решетки модулятора находится в фокусе первой общей положительной линзы коллиматоров.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде призмы или отдельных оптических клиньев, расположенных на пути каждого из пучков.

3. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит компенсирующую пару оптических клиньев, расположенных между оптическим элементом и полуволновой фазовой пластиной с углом клина, существенно меньшим по сравнению с первыми оптическими клиньями.

4. Интерферометр по п.3, отличающийся тем, что компенсирующая пара оптических клиньев установлена в оправки, обеспечивающие возможность вращения клиньев.

5. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что содержит не менее трех рабочих каналов.