Устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра Советский патент 1983 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано в оптической инте ферометрии для измерения малых медленных изменений длины оптического пути, обусловленных как перемещением отражающей поверхности, так и изменением показателя преломления среды внесенной в измерительное плечо интерферометра, в частности, устройст может быть использовано для исследования и измерения скорости роста кристаллов, в зтом случае отражающе поверхностью будет являться растуща грань кристалла. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения м лых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра, содержащее источник излучения, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамическом элементе, установленный на выходе интерферометра фотоприемник, схему обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор l , Однако известное устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины (например, в резуль тате изменения геометрических параметров объекта) обладает недостаточной чувствительностью, что обусловлено самим принципом измерения, осно ванньм на регистрации временных интервалов (минимальная зарегистрированная и устойчиво воспроизводимая величина микронеровностей составляет 50 А) . Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра, содержащем источник излучения, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамичес ком элементе, фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, схе му обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор, схема обработки сигнала выполнена в, виде соединенных последо вательно усилителя переменного напря жения, соединенного с фотоприемником фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьезокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соеди нен с генератором переменного напряжения,, а ввлход - с регистратором. На чертеже приведена схема устройства . Устройство содержит источник 1 излучения, интерферометр, измеритель ное плечо которого образовано расстоянием от делительной полупрозрачной пластины 2 до отражателя 3, а опорное плечо образовано расстоянием от пластины 2 до опорного зеркала 4 (отражатель 3 и зеркало 4 расположены так, что на выходе интерферометра образуется интерференционная картина отражатель 3 представляет собой либо зеркало измерительного плеча, в котором установлена исследуемая среда с переменным показателем преломления, либо является отражающей поверхностью перемещающегося объекта), пьезокерамический элемент 5, генератор 6 переменного напряжения, соединенный с последним, фотоприемник 7, установленный на выходе интерферометра,схему обработки сигнала, выполненную в виде соединенных последовательно усилителя 8 переменного напряжения, фазового детектора 9 и усилителя 10 постоянного тока, соединенного с пьезокерамическим элементом 5, и регистратор 11, соединенный с выходом фазового детектора 9. Устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 (лазера) полупрозрачной пластиной 2 делится на опорное и измерительное, при этом пластина 2 направляет измерительное излучение на отражатель 3, а опорное излучение на зеркало 4. Зеркало 4 под действием напряжения частоты F, подаваемого на пьезокерамический элемент 5, модулирует длину опорного плеча с частотой F. Тем самым с частотой F модулируется фаза колебаний опорного излучения. В то же время изменение оптической длины измерительного плеча приводит к изменению фазы колебаний измерительного излучения. На выходе интерферометра интерферируют два колебания: измерительного с фазой j, линейно зависящей от оптической длины измерительного плеча Е СО5 (оо,-су) , и опорное (cot-Фсоа2 1 Ft)/ „здесь W - оптическйя частота,, а ф-111, где 7( ft. длина волны; 6 - амплитуда колебаний зеркала 4 (порядок величины F« 5-10 кГll:}t| 5-10%). В результате на ВЕлходе фотоприемника 7 содержится сигнал,пропорциональный E4Ei3,(9)s(nt(i cos 2ftPt, где - функция Бесселя первого порядка. Этот сигнал усиливается усилителем 8 и подается на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого поступает опорное напряжение частоты F. На выходе фазового детектора 9 напряжение равно и ), где А - амплитуда, определяемая интенсивностями интерферирующих лучей и коэффициентами усиления и преобразования в схее обработки сигнала. Напряжение U усиливается усилителем 10 псх;тоянног тока и подается на пьеэокерамический элемент 5 зеркала 4 для автоматической подстройки оптической длины опор ного плеча в соответствии с изменяющейся оптической длиной измерительного плеча (с точностью до целого числа длин волн, не влияющего на результат интерференции). Выравнивание оптических длин плеч приводит к значительному уменьшению разности фаз 9 между интерферирующими колебаниями в результате чего ((( заменится на (f-ktcU, где к - коэффициент усиления усилителя Юг о - коэффициент, харак теризующий чувствительность пьезркерамического элемента 5. При этом напряжение и на выходе фазового детектора 9, являющееся сигналом ошибки, равно и (Cf-kei-U)«((-ыи), откуда следует . , .Таким образом, устройство позволяет при выборе параметров Д,к и оС в соответствии с соотношением AkoC 1 получить линейную зависимость между изменением фазы измерительного излучения и сигналом ошибки и на выходе фазового детектора. Поскольку изме нение фазы ср линейно зависит от изменения оптической длины измерительного плеча, то при соответствующей калибровке регистратора им регистрируется искомое изменение оптической длины. При наблюдении изменений оптической длины измерительного плеча, происходящих с низкой частотой (20-200 Гц), на лабораторнсм макете , зафиксировано пороговое значение чувствительности устройства порядка сотой доли ангстр а при полосе при ема 6 Гц. При этом даже существенные изменения интенсивности излучения в измерительном плече, вызванные изменением коэффициента отражения от отражателя 3, слабо влияют на результат измеренияг поскольку, как видно из соотношения (1), сигнал ошибки и слабо зависит от величины А, пропорциональной корню квгщратному от интенсивности излучения, отраженного от отражателя 3. Для компенсации флуктуации интенсивности опорного и измерительного излучений интерферометра (например, из-за флуктуации излучения лазера) в устройстве может быть использован второй фотоприемник, при этом, он должен быть оптически связан с вторым выходом интерферометра, а выход фотоприемника должен быть подключен в противофазе с первым фотоприемником к входу усилителя переменного напряжения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ МЕДЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКО ДЛИНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПЛЕЧА ИНТЕРФЕРОМЕТРА, содержащее иаточник излучения, интерферометр, опорное зерка ло которого укреплено на пьезокерамическом элементе, фотоприемник. установленный на выходе интерферометра, схему обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, схема обработки сигнала выполнена в виде соединенных последовательно усилителя переменного напряжения, соединенного с фотоприемником, фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьеэокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соединен с генератором переменного.напряжения, а выход - с регистратором.