Интерферометрическое устройство для измерения расстояний и изменения расстояний Советский патент 1983 года по МПК G01B11/00 G01B9/02 

2.Устройство по п. 1, о т п и ч а - ю щ в е с я тем, что как в ходе пучей сравнения, так и в хоае измерительных пучей расположены расигаряюшие пучки афокапьные оптические системы 12,13

.14,15 и относящиеся к ним матовые стекла 16 и 17, причем в фокапьной плоскости со стороны источника света одна пинэа проектирует матовое стекло 17 на фотоэлектрический приемник 19, а другая линза проектирует второе матовое стекло 1б на световоэвращатепь 2, соединенный с объектом.

3.Устройство по ПП.1 и 2, т л и чающееся тем, что в ходе осв&титепьных лучей расположена оптоакуст ческая ячейка 8 или другой эпектрооптический элемент для расщепления исходящего от источника света 7 пучка света 9 на пучок света О-го порядка и пучок света 1-го порядка 10 и 11, при . чем пучок 0-го порядка 10 предусмотрен для хода измерительных пучей, а пучок 1-го порядка 11 - для хода лучей сравнения.

4.Устройство поп. l,oтпичaю щ е е с я тем, что световозврашатепь 42 в ходе измерительны к лучей сфокусирован на измеряемую длину f . , причем апертура световозвращателя 42 имеет такие параметры, что непараллел ность интерферированных фронтов не превыщает /8 , а в ходе измерительных пучей расположена амплитудно-модулирукьщая ячейка 47.

5.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что связанный с объектом светоотражатель 62 имеет выпуклую отражательную поверхность.

6.Устройство по пп. 1-5, о т л и - чающееся тем, что фотоэлектрический приемник 19 имеет скрещенный растровый фотоактивный слой 26, отдельные фотоактивныё элементы 28 которого общим емкостным связывающим элементом 29 соединены с общим проводником 30, причем фотоэлектрический приемник 19 настроен на определенные несущие частоты падающего излучения.

1. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ И ИЗМЕНЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, имеющее источник монохрсыат. ческого света, пучерасшеппяюшие эпементы, один ход измерительных пучей и один ход пучей сравнения со световозврашатепями и фотоэпектрическщу приемником, причем, кроме этого, предусмотрены элементы для модуляции частоты или амплитуды исходящего от источника света нэпучения, отличающееся тем, что в ходе измерительных пучей предусмотрены оптические эпементы для полу чения расходящегося пучка света в области объекта, а в ходе лучей сравнения отображающие и рассеивающие элементы для получения пучка сравнения, эквивалентного по апертуре и направлению отраженному от объекта пучку света, предусмотрен состоящий из отдельных фотоактивных элементов 28 плоский и подавляющий составляющие постоянного света фотоэлектрический приемник 19. (Л

Изобретение относится к интерферометрическим устройствам для измерения расстояний или изменения расстояний объекта до точки фиксации, в частности дпя точных измерительных приборов.

Известно интерферометрическое устройство дпя определения расстояния объекта до определенного положения (описано в BEOS 20.12.946), основанное на использовании излучения, испускаемого от источника света, которое после взаимодействия с объектом вместе с излучением проходящим ход пучей сравнения, направляется к фотоэлектрическому приек нику. Испускаемое источником света излучение изменяет частоту около среднего значения.

Интерферометрическое устройство имеет в одной из двух ветвей рефлектор, жестко соединенный с объектом. Излучение поляризовано и, как минимум, в одной из ветвей устройство содержит одну Л/4 - ппастину.

Однако измеретш расстояний объекта до определенного положения возможно

только в том случае, если это положение лежит на оптической оси или в непосредственной близости от рычага, обхватывающей ход измерительных лучей. Если определенное положение лежит вне оптической оси, что, как правило, имеет место при такого рода измерениях, то -эти интерферометрические измерения провести невозможно.

Целью изобретения является расщирение возможностей устройств для интерферометрических. измерений расстояний и изменений расстояний.

В основу изобретения положена задача создать интерферометрическое устройство для измерения расстояний и изменения расстояний между смещенным в любом направлении от оптической оси объектом .и точкой фиксации.

Согласно изобретению эта задача в таком устройстве, включающем в себя монохроматический источник света, раздёляющие пучи элементы, один ход изме.рительных лучей и один ход лучей сравнения, а также фотоэлектрический приек ник, решена тем, что в ходе измерительных пучей предусмотрены оптические эле310менты Д71Я образования расходящего пучка света в обпасти объекта, а в ходе лучей сравнения - отображающие и управляющие оптические эпементы для образования пучка сравнения, эквиваленткого по апертуре и направлению, отраженному от объекта пучку света, предусмотрен содержащий отдельные фотоактивные эл&менты П1ЮСКИЙ и подавляющий составляющие постоянного света фотоэлектрический приемник. Предпочтительным является то, что как в ходе измерительных лучей, так и в ходе лучей сравнения предусмотрены расширяющие лучи афокальные оптичеокие системы и отнесенные к иим матовые стекла, причем эти матовые стекла расположены со стороны источника света в фокальной плоскости линз, одна из которых проектирует одно матовое стекло на фотоэлектршеский приемник, а другая проектирует второе матовое стекло в направление светоэсэврашагеля, соединеннее го с объектом. При этом в ходе осветительных лучей расположена оптоакустическая ячейка или другой электрооптический элемент для расщепления исходящего от источника света пучка на пучки 0-го и 1-го порядка, причем пучок 0-го порядка предусмотрен для хода измерительных луче а пучок 1-го порядка - для хода лучей сравнения. Световозвращатель в ходе измерительных лучей сфокусирован на половину средней измеряемой длины 1Ш- , причем апертура световозвращателя имеет такие параметры, что непара л лепьность интерферирующих фронтов волн не превышает Л/8, а в ходе измерительных лучей расположена амппитудно-модулирующая ячейСоединенный с объектом световозвращатель имеет вь1пуклую отражательную поверхность. Для регистрации аналогичных расстоянням и изменениям расстояний сигналов фотоэлектрический приемник имеет фотоактивный слой (в виде растра с перекрещивающими линиями) I отдельные фотоактивные элементы которого посредством общего емкостного связывающего элеме{ь та соединены с общим проводником, npi чем фотоэлектрический приемник настроен на определенные частоты падающего излучения. Такое Интерферометрическое устройство обладает тем преимуществом, что оно обеспечивает проведение измерений рас634стоятш между объектом и точкой фиксации и в том случае, если объект смещен по направлению, т.е. лежит вне оптичеокой оси хода измерительных лучей. Таким образом, отпадает необходимость в наличии механических и регулировочных средств, с помощью которых необходимо было бы производить ориентировку хода измер тельных лучей на объект при внеосевом положении. Кроме того, расширяется область применения такого рода устройств. На фиг. 1 показан ход лучей ферометрического устройства, выпрлне HOIX) в виде допперовского двухпучевого интерферометра с оптическим квантовым генераторе ; на фиг. 2 - принципиальная схема фотоэлектрического приемника; на фиг. 3 - конструкция приемника; на фиг. 4 - схема прохождения сигнала при обработке; на фиг. 5 - малогабаритное иополвение устройства; на фиг., 6 - устройн ство с выпуклым световозвращателем. Интерферометрическое устройство (фиг. 1) состоит из неподвижного базиса 1 двухлучевого интерферометра и соединенн мго с объектом (не показан) световозвращателя 2, основными элементами которого являются вогнутое зеркало и линза. (С - измеряемое расстояние между главными точками 3 и 4 линз 5 и 6). В таком устройстве источник 7 света, выполненный в виде оптического квантового генератора, освещает оптоакустичеокую ячейку 8, которая пучок 9 света дифрагирует в определенное число дифрак дионных пучков, из которых пучок 1О 0-го порядка предусмотрен для хода измерительных лучей, а пучок 11 1нгх) порядка - для хода лучей сравнения. Так как пучок 0-го порядка обладает наибольгшей долей энергии, то он служит для освещенш области объекта и имеет частоту колебаний V , генерируемую источником 7 света. Частота пучка 11 1-го порядка модулируется посредством наводимой в оптоакустическую ячейку звуковой энергии (несущая частота -fy). Она соотавляет таким образом V -Ну. Две афокальные оптические системы 12, 13 и 14,15 представленные линзами, расши ряют пучки 10 и 11. Включенные за афокальнъ1ми системами рассеивак щие свет элементы в форме матоа 1х стекол 16 и 17 придают пучкам 10 и 11 необходимую для последующей {Езмерятельной оптики расходимость. Для лучшего понимания матовые стекла 16 и 17 расположены позади афокальных систем 12,13 и ,15. Если онр расшэложены перед афокапьными системами, то их дейстБие является более уревновеше кым. Расщепитель пучков 18 направляет пучок 10 0-го порядка к служащей в качестве измерительной линзы линзе 5, которая при отображешш элемента поверхности матового стекла 16 в бесконечность рассеивает свет в области объекта. Собранный световозвращателем 2 пучок 10 направляется в себе самом обратно и с помощью линзы 5 - к фотоэлектрическому приемнику 19.. В ходе лучей сравнения с пучком 11 1-го поряд ка линза 2 и расщепитель пучка 21 проектируют свет на фотоэлектрический приемник 19, причем свет пучка 11 по апертуре и направлению совпадает с отображенным световозвращателем 2 светом. Оба пучка 10 и 11 интерферирую. В месте изображения интерференционной картины фотоэлектрический приемник 19 принимает наведенную несущую частоту у и пропорциональную смещению объект доплеровскую частоту д . Приемник 19 нечувствителен по отношению к соста ляк щим постоянного света (фиг.2 и З). Фотоэлектрический приемник 19 (фиг. 2) имеет на подложке 25 фотоактивный спой 26, который посредством зон 27 в виде растра с перекрещивающимися л ниями разделен на множество отдельных элементов 28, которые с помощыо емкостных связывающих элементов 29 соединены с общим щюводником 30. Ввиду емкостного сопротивления связывающих элементов 29 подавляются составляющие постоянного света, сигналы же 1юреме{ ного света, на частоту которых настроен емкость, направляются к выходу проводника 30, причем и Втом случае, если они происходят только от отдельных элементов 28 фотоактивного слоя 26 приемника 19. Элементы 28, на которые воздействуют составляющие постоянного света, в противопопожЕЮСть. этому, не подают электрический сигнал к проводш ку 30. В приемнике 19 (фиг.З) в качестве проводника ЗО предусмотрена, например, покрытая проходящим металлическим слоем стеклянная пластина. Пластина имеет нанесенный слой диэлектрика 31, толщин которого согласована с требуодой емкостью, определяемой величиной отдельных элементов 28 и несущей частотой f у . Элементы приемника могут быть построены на базе интегральных схем с применением согласованных колебательны контуров Схема прохождения сигналов 10 636 (фиг.4) схематически показывает обработку связанной с несущей частотой f. дрплеровской частоты - , результатом которой является получение обрабатываемого далее сигнала. На ней также пока..заны генератор 35 синусоидальных колебаний и смеситель 36. Здесь производится отделение допперовской частоты f д от несущей частоты у. Освобожденный от несущей частоты сигнал с доплеровской частотой .для дальнейшей обу работки может быть подан к счетчику импульсов (не показан) с целью определения положения объекта. Доплеровский двухлучевой интерферометр с оптическим квантовым генератором (фиг. 5) имеет базис 41 и световозвращатель 42, который соединен с объектом. Пучок света, исходящий от источника света (не показан) проходит диафрагму 43 и посредством расщепителя 44 пучка делится на ход измерительных пучей и на ход лучей сравнения« Луч сравнения падает на слабо отразкающее аеркатю 45 сравнения и посредством расщепителя пучка 44 направляется на фотоэлектрический приемник 46. Измерительный плуч проходит амплитудно-модулирующую ячейку 47 и посредством измерительной линзы 48 в форме сферических волнврассеивается в область объекта. В устройстве свет в ходе измерительных лучей и ходе лучей сра&нения имеет одну и ту же частоту1Г, Одна часть рассеянного света в ходе измерительных лучей падает на несфокус рованный на- бесконечность световозвращатель 42. Он фокусирован на фокусное расстояние -т/2 , причем ff - средняя измеряемая длина. Апертура световозвращателя 42 имеет такие параметры, что непараллельность интерферирующих фронтов волн не тфевышает Л/8 , где - длина волны света. Измерительный луч возвращается в самом себе обратно и за счет движения световозвращатель приобретает доплеровское смещение V - р . После повто{ ного прохождения ячейки 47 достигается полная модуляция амплитуды. Частота не изменяется. На поверхности расщепителя пучка 44 происходит интерференция пучков измерительных лучей и лучей сравнения. Приемник 46 принимает в месте попадания объединенного HHTejxj рированного пучка амплитудно-модулированное с частотой Доплера .± jj излучение несущей частоты у. Сигнал, формируемый приемником 46, подается на устройство обработки сигналов дпя получения аналогичной величины, соответс вующей измеряемому расстоянию в , Измеряемое расстояние . (фиг. 5) - это расстояние между фокусом 49 измеритель ной пивзы 48 и вссешней главной точкой 50 световоэвращатепя 42. Измерение расстояний с помощью световозврашатепей зависит от шралтюльности смещения в пространстве. Однако имеются движения подачи, которые производятся при вращении вокруг одной итга нескольких осей и исключающие применение этих световозвращателей. При этом предпочтительным является применение сферических.тадеющих выпуклую отражающую поверхность рефлекторов (фиг v6).Наряду с нечувствительностью к вращению они обладают тем преимуществом, чт путем выбора радиуса отражающей поверхности измертемая точка может быть перенесена в желаемые плоскости, оси И точки, так что уменьшается влияние погрешностей 1юложения вращения системы обьект - рефлектор. Кроме того, такого рода устройства применены в технике измерения расхода. Главными уэгшми устройства (фиг. 6) являются базис 61 и сферический рефпек тор 62.-Ис1 скаюп1ий- монохроматический свет источник 7 света образует с помощью слабо отражающего расщепителя 63 излучения ход измерительных лучей и ход лучей 64 и 65 срав нения. Электрооптический элемент 66 смещает частоту излучения хода измерительных лучей 64 до V + у . Посредством линзы 67 свет хода измерительных лучей 64 рассеивается и отклоняется призмой 68 так, что мнимое начало сферических волн лежит в главной точке 3 линзы 5 со стороны объекта. Одна часть отраженного от рефлектора 62 света отображается линзой 5 в виде кружка рассеяния на приемник 19. Свет хода измерительных лучей 64 в связи со смещением объекта имеет в этой точке частоту .у + fy ± fj). В ходе лучей 65 сравнения линза 69 и призма 70 раосеивают свет так, что создается впечатление, как будто свет исходит от главюй точки 4 ливзы 71. Задачей линзы 72 и рефлектора 73 является формирование пучков сравнения, которые во всех положениях объекта совпадают с ходом измерите львы х лучей 64 по направлению, виду изображения и по апертуре. Свет хода измерительшлх лучей и хода лучей . 64 и 65 сравнения интерферируют на раощепителе 63. Приемник 19 npHtffiMaeT частоту биений у + f jj . Получение сшнала с частотой i т я™ определения направлений и скоростей производится (фиг.4) с помощью смесителя. Изобретение позволяет расширить возможности устройств для интерферометр -} ческих измерений расстояний и взме нений расстояЕшй. Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной Ведомством по изобретательству Германской Демократической Республики.

Фие.2

Фиг.З

ift

f

.5

V V 55

72 70 69 it

4 Фиг. 6