Интерферометр для контроля прямолинейности объекта Советский патент 1990 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля прямолинейности объекта, а также для определения линейных смещений объекта относительно опорного направления.

Целью изобретения чявляется повьш1е- ние чувствительности путем увеличения разности хода между интерферирующими пучками прк смещении углового отражателя.

На фиг. 1 приведена схема интерферометра; на фиг. 2 и 3 - схемы хода лучей иерез нелинейный умножитель и плоскопараллельную пластину.

Интерферометр содержит лазер 1, угловой отражатель 2, зеркало 3, установленное в обратном ходе от углового отражателя, два выпуклых цилиндрических зеркала 4, образующих оптический нелинейный умножитель, светоделитель 5, формирун1щий два канала интерферометра, первьпЧ концевой отражатель 6, плс скопараллельную пластинку 8, второй концевой отражатель 7, нанесенный на грань плоскопараллельной пластин- ки, и регистратор 9, установленньш в обратном ходе от концевых отражателей Угловой отражатель 2 предназначен для расположения его на контролируемом объекте.

На фиг. 1-3 обозначены: Ь з - линейное смещение отражателя; Ь; - линейно смещение пучка света после отражения его от углового отражателя; (- уг

-,

ловое смещение пучка света на выходе оптического нелинейного умножителя; , у - угол преломления пучка света в плоскопараллельной пластинке; R - радиус цилиндрического зеркала; L 5

30

,г

40

50

55

наикратчайшее расстояние между выпуклыми цилиндрическими зеркалами 4; h, - линейное смещение пучка света на входе в не;п1нейный умножитель; 1)2 - смещение точки падения света после первого отражения от цилиндрического зеркала; bj - смещение точки падения пучка света после отражения от второго цилиндрического зеркала; j - угол падения пучка света на первое цилиндрическое зеркало; угловое смещение пучка света после первого отражения; (j- угловое смеп;ение пучка света после второго отражения; Cj,- угловое смещение пучка света после третьего отражения; угловое смещение пучка света на выходе нелинейного умно-, жителя после п переотражений; и- угол преломления пучка в плоскопараллельной пластинке 8; А - длина свето- вого канала без плоскопараллельной пластинки; В - геометрическая длина плоскопараллельной пластинки; С - половинное расстояние между точками входа и выхода пучка света в плоскопа- f раллельной пластинке.

Интерферометр работает следующим образом.

Направляют пучок света от лазера 1 на угловой отражатель 2. Отраженный от него пучок перехватывают зеркалом 3 и посылают пучок после его отраже- |ния от зеркала 3 на цилиндрические зеркала 4 нелинейного умножителя. Переотразившись несколько раз между цилиндрическими зеркалами 4 умножителя, пучок падает на .светоделитель 5, ко- |торый формирует два направления излучения, каждое из которых является одЕ«1М из двух ветвей двухканального.

51597528

интерферометра, в одной из которых пучок света проходит через плоскопараллельную пластинку 8. Расщепленные пучки света переотражают отражателями 6 и 7 и совмещают их на светоделите- ле 5, в результате чего пучки света интерферируют между собой. Результи- рующую интерференционную картину перехватывают регистратором 9, который ,о осуществляет счет интерференционных полос, проходящих через фиксированною точку в плоскости регистратора, например щелевую диафрагму.

При наличии линейного смещения уг- |5 лового отражателя 2 от оси распространения пучка света лазера , например, вверх на величину h, переотраженный пучок света от отражателя 2 также смещается вверх на величину 2h 20 (на фиг. 1 показано.пунктиром). В выпуклых щишндрических зеркалах 4 точки падения и отражения луча смещаются вправо.-Наличие кривизны в выпуклых зеркалах 4 приводит к изменению угла 25 падения луча на светоделитель 5 на величину cf . Пучок света при этом в канале Оез плоскопараллельной пластинки 8 также падает под углом Cf к отражателю 6 и отражается от него также ЗО под углом Ц7, а в канале с плоскопараллельной пластинкой 8 отражается от отражателя 7 под углом v. При этом оптический путь , в канале, где установлена пластинка, увеличивается.на большую величину, чем оптический путь другом канале интерферометра без нее, вследствие этого возникает изменение оптической разности хода лучей в каналах интерферометра, что приводит .п к сдвигу интерференционных полос.

Параллельное поперечное линейное смещение углового отражателя 2 на величину Ьд приводит к поперечному ли- нейному смещению (параллельному переносу) луча на расстояние h, от точки, на которую падал пучок света до смещения углового отражателя 2 (фиг.2), при этом луч вначале отражается от первого цилиндрического зеркала под углом -у,. Поскольку угол падения раен углу отражения, а нормаль в точке адения луча есть продолжение радиуса о полный угол отклонения qi, 2 г ричем sin .у, h,/R. Поскольку угол -у, очень мал (ввиду того, что h «-R), о приближенное выражение для углово- о отклонения после первого отражения пределяется зависимостъю.i

35

м л п

45

т т ли

см

а

IДл

то оп

50

55

ти мо

све

4-,

2h R

и для последующих отражений 2h2

где

где

для п-го отражения

- 2Ь„

/rt ,-, П Ч п R

П-1

п-. LM-..:

где h „ h

или с учетом пренебрежения малых порядков последнее в может быть записано в виде

п-

f.,r

Из данного вьфажения следует, что угловое смещение t/ на выходе нелинейного умножителя относительно метров L и R зависит нелинейно от количества переотражений п. Например, при L 4R.

Ч и

hj, 5R

10

|5 20 25 ЗО .п

35

+ Ь)

т.е. значение углового отклонения растет в этом случае пропорционально нелинейно показательной функции Ю.

Коэффициент умножения k углового смещения при этомс

S - 2(, а при L 4R

k .

t,

IДля n 4 находим, что ky 10.

При отсутствии углового смещения оптическая разность длин световых путей в каналах интерферометра определяется выражением (фиг. 3)

50

Д, 2ВПв

- 2А.

При длине плоскопараллельной пластинки В п,А последнее выражение можно записать в следующем виде:

/3, 2п2 А - 2А.

При наличии углового смещения луч света падает под углом Ц к одному из

71597528

отражателей интерферометра. Оптическая разность хода лучей в этом случае

К

2/1

Изобретение позволяет контролировать линейные смещения объекта относительно опорного направления и отклонение от прямолинейности объекта. Целью изобретения является повышение чувствительности путем увеличения разности хода между интерферирующими пучками при смещении углового отражателя. Направляют узкий пучок света от лазера 1 на угловой отражатель 2, отраженный от него пучок с помощью зеркала 3 вводят в нелинейный умножитель, выполненный из двух цилиндрических зеркал 4, который преобразует линейные смещения пучка на его входе в угловые на его выходе. Пучок, прошедший нелинейный умножитель, делят светоделителем 5 двухлучевого интерферометра. В одной из двух ветвей интерферометра разделенный пучок света пропускают через плоскопараллельную пластину 8, которая обеспечивает изменение разности хода между разделенными пучками, при наличии углового отклонения пучка на ее входе. Переотраженные пучки от концевых отражателей 6, 7 в обеих ветвях интерферометра складывают на светоделителе 5. Результирующую интерференционную картину проектируют на регистратор 9, который обеспечивает счет количества интерференционных полос, прошедших через его вход, и по количеству интерференционных полос судят о линейном смещении объекта вдоль оси, перпендикулярной направлению лазерного пучка. 3 ил.

4

2BI1

2А со и If.

Поскольку в , а cos if

10

где. С A tgtp , то выражение для оптической разности хода принимает

вид

A,-2r.l А(1 2A(1-sb cfJ- .

о Разлагая в ряд по степеням и пренеб-

регая малыми членами высших порядков, последнее выражение записывают в приближенном виде

Л С12ц2 А( 1

1 ц. 1 t ё 1 tg/c/ н X 2 па 8 lil

-2А(1 + -2 sinUlJ, + g

sin)

Изменение оптической разности ходов лучей гЗ, и i3, составляет 25

Л 4п

видно из этого выражения, при наличии углового смещения луча ф происходит изменение разности ходов лучей в интерферометре, а вследствие этого и сдвиг интерференционных полос

Учитывая малость угла ф, выражение для оптической разности хода можно записать в виде

.

- 4п V - Принимая во внимание выражения для

U) , запишем при L 4R

(fe-io f

4т1

5R

При изменении оптической разности хода лучей Л происходит смещение интерференционных полос. Число смещенных полос К определяется вьфажением

где /I - длина волны излучения света, откуда

г1 к| .

Приравняв два выражения для разности хода, получают следующее равенство:

А(п2, -1) h, n,f

К . Л-.- C- -jv-IU ) ,

которого величина смещения световопучка h, определяется как

If/ 5R 10

- Г

U(ni -о

0

5

0

5

0

Формула изобретения Интерферометр для контроля прямолинейности объекта, содержащий последовательно установленные и оптически связанные лазер и угловой отражатель, предназначенньш для установки на объекте, зеркало, расположенные в обратном ходе излучения светоделитель, два концевых отражателя, интерферометр , каждьв1 из концевых отражателей установлен в соответствующей ветви интерферометра, и регистратор излучения, отлич ающи и с я тем, что, с целью повышения чувствительности путем увеличения разности хода интерферирующими пучками при смещении углового отражателя, он снабжен двумя выпукльп ш зеркалами цилиндрической формы, ориентированными друг к другу отражающими поверхностями и установленными между зеркалом и светоделителем так, что их центры кривизны расположены на одной прямой, проходящей через их край, и плоскопараллельной пластинкой, установленной в одной из двух ветвей интерферометра перпендикулярно к оси лазера и соединенной стороной, противоположной лазеру, с концевым отражателем.

fae.Z

Составитель H. Солоухин Редактор О. Юрковецкая Техред Л.Олийнык Корректор Н, Король

/

Заказ 3039

Тираж 492

ВН1-ШПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CQCP 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

a.f

Подписное