Интерферометр для измерения линейных перемещений объектов Советский патент 1989 года по МПК G01B9/02 G01B11/02 

.

4

СО

vl

4 СП

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности в качестве датчика обратной связи в прецизионном оборудовании. Цель изобретения - повышение точности измерения при расширении диапазона скорости перемещения объекта за счет уменьшения поверхности взаимодействия светового луча с вибрирующими частями опорного зеркала и уменьшения массы вибрирующих частей опорного зеркала. Интерферометр содержит источник 1 когерентного излучения, оптически связанный со светоделителем 2, подвижный отражатель 3, опорное зеркало 4, фокусирующий элемент, например, в виде линзы 5, пьезоэлектрический вибратор 6, рабочая поверхность которого расположена в фокальной плоскости линзы фотоприемник 7, электрически соединенный с входом блока 8 обработки сигнала. В качестве зеркала 4 может быть использована мембрана, расположенная в фокальной плоскости линзы 5 и соединенная с вибратором 6 так, что последний вызывает колебания отражающей поверхности мембраны. В качестве светоделителя 2 может быть использован светоделительный куб, рабочая поверхность которого выполнена в виде сферического зеркала. Светоделительный куб закреплен на корпусе, к которому присоединены мембрана с вибратором 6. Светоделительное покрытие имеет прозрачную зону, через которую проходит сфокусированное излучение. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

га

рабочая поверхность которого выполнена в виле сферического зеркала. Светоделительный куб закреплен на корпусе, к которому присоединены

Изобретение относится к измери- тельной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности, для измерения перемещений подвижных органов прецизионного оп- тико-механического оборудования, а также в качестве датчика обратной связи в системах управления указан- laiM оборудованием.

Цель изобретения - повышение точ- нести измерения и обеспечение возможности измерения при расширении /диапазона скорости перемещения объекта за счет уменьшения поверхности взаимодействия светового луча с виб- рирующими частями опорного зеркала и уменьшения массы вибрируюш 1Х частей опорного зеркала.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема интерферометра для измере- ния линейных перемещений объектов; на фиг. 2 и 3 - варианты выполнения интерферометра.

Интерферометр содержит источник 1 когерентного излучения, например ла- зер, оптически связанный со светоделителем 2, расположенным под углом 45° к направлению светового излучения, подвижньй отражатель 3, опорное зеркало 4, фокусирующий элемент, на- пример, в виде линзы 5, и пьезоэлектрический вибратор 6, рабочая поверхность которого расположена в фокальной плоскости линзы 5, фотоприемкик 7, который электрически соединен с входом блока 8 обработки сигнала. Пьезоэлектрический вибратор 6 электрически соединен с выходом генератора 9, который электрически соединен с входом блока 8 обработки сигн.ала

На фиг. 2 показан вариант использования в качестве зеркала 4 мембраны 10, расположенной в фокальной плоскости линзы 5 и механически соединенной с вибратором 6 так, что пос ледний вызывает колебания отражающей поверхности мембраны 10.

На фиг. 3 показан вариант использования в качестве светоделителя 2

мембрана с вибратором, Светоделитепь- ное покрытие имеет прозрачну о зону, через которую проходит сфокусированное излучение, 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

светоделительного куба 11, у которого рабочая поверхность 12 образована сферическим зеркалом 13. Светодели-. тельный куб 11 закреплен на корпусе 14, к которому механически присоединены мембрана 10 с вибратором 6. Светоделительное покрытие 15 имеет прозрачную зону 16, через которую проходит сфокусированное излучение.

Интерферометр работает следующим образом.

Световой луч от источника 1 когерентного излучения делится светоделителем 2 на два луча с равными амплитудами, один из которых попадае на подвижный отражатель 3, предназначенный для связи с контролируемым объектом и имеющий возможность смещаться в направлении X отражается от него и вновь приходит на свето делитель 2, Другой луч фокусируется линзой 5 на поверхность вибратора 6, отражается от нее, вновь восстанавливается линзой 5 и также возвращается на светоделитель 2 таким образом, что оба луча создают на поверхности фотоприемника 7 интерференционную картину, смещающуюся при смещении подвижного отражателя 3.

е

При подзче модулирующего напряжения от генератора 9 на пьезокерами ческий вибратор 6 последшсй вибрируе и вызывает изменение фазы опорного светового луча с частотой f,, равной частоте модуляции, что в свою очередь вызывает вибрац1во интерференционной картины с той же частотой. Смещение рштерференционной картины регистрируется фотоприенником 7 в виде электрического сигнала

IT - п - TI 2. . 21Г ифп и + U sinC--- + --- sin -где IJo постоянная составляющая выходного напряжения бютопри- емника 7;

и - амплитуда полезной составляющей выходного напряжения X - смещение подвижного отражателя 3;

Z - амплитуда вибрации; Л - длина волны света; Ц) - угол падения светового луча на поверхность вибратора 6, Электрический сигнал с выхода фотоприемника 7 поступает в блок 8 обработки сигнала, где усиливается, смешивается с опорным сигналом генератора 9 и фильтруется.

Выходной сигнал блока 8 обработки сигнала

1,,т,

UBIIX --- ,

где К - коэффициент передачи блока 8

обработки сигнала. Смещение отражающей поверхности по отношению к фокальной плоскост линзы 5 вызывает отклонение от параллельности входящего и выходящего лучей и увеличение угловой расходимости последнего, которые могут быть определены как

+ ZR - f

j Zd Ло/ ± -

где R - радиус точки пересечения светового луча с главной плоскостью линзы;

d - диаметр входного луча; f - фокусное расстояние линзы; u(f - отклонение от параллельности входящего и выходящего лучей; &oi угловая расходимость выходящего луча.

Так как величина фокусного рас-г стояния составляет f , дополнительная угловая расходиь4ость лучей при работе модулятора не превышает , что пренебрежимо мало с . реальной угловой расходимостью лазерного излучения и не может сказаться на точности интерферометра.

Для уменьшения погрешности измерения, связанной с тепловым расширением пьезокерамики в процессе работы, в качестве зеркала :4 используется поверхность тонкой мембраны 10, а вибратор 6 закрепляется на ней так что при подаче сигнала от генератора 9 вы зьшает в мембране 10 изгибные колебания. Так как вибратор 6 непосредственно не взаимодействует со сте- товым лучом, его тепловое расширение не сказывается на точности измерений

Повышение термостабильности и жесткости конструкции обеспечивается использованием фокусирующего элемента

выполненного на одной из рабочих поверхностей светоделительного куба 11. При этом световой луч попадает на светоделительную поверхность 15 и расщепляется на два луча, один из которых, отражаясь от отражающего покрытия сферического зеркала 13, фокусируется на поверхности мембраны

0 10 через прозрачную зону 16, вновь проходит через нее, отразившись от мембраны 10, восстанавливается сферическим зеркалом 13 и рекомбинирует на светоделительном покрытии 15 со

5 вторым , отраженным от подвижного отражателя 3. Дальнейшая обработка сигнала не отличается от описанной.

0 Формула изобретения

0 2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве фокусирующего элемента использована линза.

g мембраной, соединенной с вибратором и используемой в качестве зеркала.

зуемым в качестве фокусирующего эле

мептя, а на светоделительном покрытии куба выполнена прозрачная зона

Фиг. 2

для прохода сфокус;лров,-чног о излучения.

Фиг.З