Интерферометр для измерения линейных перемещений Российский патент 2022 года по МПК G01B9/02 

Интерферометр для измерения линейных перемещений относится к области измерительной техники и может быть использован для измерения линейных перемещений движущийся объектов, например, подвижных частей прецизионных станков.

Известен интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий одночастотный лазер, установленные последовательно по ходу его излучения расщепитель лазерного излучения на два пучка и устройство сдвига частоты излучения, выполненные в виде дифракционного фазового модулятора, плоские отражатели, светоделители, угловые отражатели, фотоприемники. Модулятор представляет собой акустооптическую ячейку, питаемую переменным напряжением. Один уголковый отражатель устанавливается на измеряемом объекте, а другой уголковый отражатель установлен неподвижно [SU № 991152, 1981].

Недостатком известного интерферометра является низкая точность измерений, обусловленная тем, что частота измерительного сигнала может изменяться в очень широких пределах, начиная с нулевого значения, а также дрейфом энергетических параметров источника и приемников излучения.

Из известных, наиболее близким по технической сущности является интерферометр для измерения отклонений от прямолинейности, схема которого построена таким образом, что пучки лучей источника монохроматического излучения проходят через акустооптический модулятор, где дифрагируют на бегущей ультразвуковой волне и поступают на движущуюся систему оптических элементов, состоящую из двух уголковых отражателей, интерферируют на одной из полупроводниковой граней уголкового отражателя и направляются на фотоприемник, на котором по изменению фазы электрического сигнала определяют непрямолинейность измеряемой поверхности [SU № 1696851, 1991].

К недостаткам рассматриваемого устройства можно отнести невозможность измерения линейного перемещения измеряемого объекта, так как система из двух уголковых отражателей жестко соединены друг с другом и при движении данной системы оптическая разность хода двух световых пучков, проходящих разные расстояния, будет одинаковой.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение функциональной возможности оптического интерферометра за счет разделения конструкции, состоящей из двух уголковых отражателей, и использования данной конструкции не только для измерения отклонений от прямолинейности, но и для измерения линейных перемещений подвижных объектов.

Это достигается тем, что в интерферометре для измерения отклонений от прямолинейности, содержащем источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу пучка лучей источника акустооптический модулятор, поворотные зеркала, объектив, блок отражателей, состоящий из подвижного и неподвижного уголковых отражателей, фотоприемник, отличающийся тем, что с целью повышения функциональных возможностей интерферометра не уменьшая точности измерения блок отражателей разделен на неподвижный уголковый отражатель, который жестко соединен с корпусом интерферометра, и подвижный уголковый отражатель, который жестко соединен с объектом измерения и перемещается вместе с ним.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.

На чертеже изображен интерферометр для измерения линейных перемещений объекта, содержащий источник оптического излучения (1), акустооптический модулятор (2), объектив (5), поворотные зеркала (3,4,9), неподвижный уголковый отражатель (7), подвижный уголковый отражатель (6), источник электрического сигнала (8), фотоприемник (10).

Принцип работы интерферометра заключается в следующем.

Пучки лучей источника оптического излучения 1 проходят через систему поворотных зеркал 3, 4 и поступают на акустооптический модулятор 2, где дифрагируют на бегущей ультразвуковой волне, возбуждаемой от источника электрического сигнала 8. В результате дифракции в поле акустооптического модулятора 2 пучки лучей распространяются под разными углами по отношению к оптической оси интерферометра. В дальнейшем будем рассматривать только два пучка лучей, соответствующие дифракционным порядкам E(0) и E(-1), соответствующие нулевому и первому порядку дифракции. Частотные спектры пучков лучей E(0) и E(-1) отличаются друг от друга на частоту возбуждения ƒ ультразвуковой волны, а угол расхождения пучков лучей равен углу дифракции. Пройдя через объектив 5, пучки лучей E(0) и E(-1) станут параллельными, отстающими друг от друга на расстояние d. Пучок лучей E(0) отражается от боковых граней подвижного уголкового отражателя 6, пучок лучей E(-1) отражается от боковых граней неподвижного уголкового отражателя 7. На полупрозрачной грани неподвижного уголкового отражателя 7 пучки лучей E(0) и E(-1) интерферируют и через поворотное зеркало 9 попадают на фотоприемник 10, на выходе которого имеется электрический сигнал, частота которого равна разности частот взаимодействующих пучков лучей E(0) и E(-1). При движении подвижного уголкового отражателя 6 по измеряемой траектории изменяются длины оптического хода лучей E(0) и E(-1). Изменение разности хода пучков лучей E(0) и E(-1) приводит к изменению фазы электрического сигнала на фотоприемнике 10, которое пропорционально величине измеряемого перемещения.

Расположение акустооптического модулятора 2 на выходе источника оптического излучения 1 монохроматического излучения позволяет выполнить акустооптическому модулятору 2 две функции - формирование когерентных частотно-смещенных пучков лучей и пространственное разделение пучков лучей.

Измеряемое перемещение контролируемого объекта L вычисляется по формуле:

, (1)

где λ_вак - длина волны оптического излучения лазера в вакууме; N - количество целых и дробных частей числа полос на фотоприемнике; n_возд - показатель преломления воздуха, в котором производится измерение.

Таким образом, в предложенном техническом решении имеется возможность изменять не только отклонение от прямолинейности, но и линейные перемещения объектов. Это приводит к повышению функциональных возможностей предлагаемой схемы интерферометра, не уменьшая точности измерения.

Интерферометр для измерения линейных перемещений относится к области измерительной техники и может быть использован для измерения линейных перемещений движущихся объектов, например, подвижных частей прецизионных станков. Изобретение направлено на повышение функциональной возможности оптического интерферометра без уменьшения точности измерения за счет разделения конструкции, состоящей из двух уголковых отражателей, и использования данной конструкции не только для измерения отклонений от прямолинейности, но и для измерения линейных перемещений подвижных объектов. Это достигается тем, что в конструкции интерферометра для измерения отклонений от прямолинейности конструкцию, состоящую из двух уголковых отражателей, разделяют таким образом, что один из уголковых отражателей остается неподвижным, а по движению второго уголкового отражателя судят о перемещении подвижного объекта. 1 ил.

Интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу пучка лучей источника акустооптический модулятор, поворотные зеркала, объектив, блок отражателей, состоящий из подвижного и неподвижного уголковых отражателей, фотоприемник, отличающийся тем, что с целью повышения функциональных возможностей интерферометра, не уменьшая точности измерения, блок отражателей разделен на неподвижный уголковый отражатель, который жестко соединен с корпусом интерферометра, и подвижный уголковый отражатель, который жестко соединен с объектом измерения и перемещается вместе с ним.