Сканирующий интерферометр Советский патент 1990 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может бытц использовано для формирования опорных направлений и плоскостей при контроле прямолинейности и плоскостности обьек- тов.

Цель изобретения - повышение точности путем формированмя интерферограммы повышенной контрастности и исключения из конструкции системы зеркал, требую1ией юстировки,а также повышение экономи ю- сти путем более эффективного использования лазерной возможности.

На фиг. 1 и 2 схематически представлен соответственно в двух проекциях интерфе- рометр (вариант); на фиг, 3 - функциональная схема синтезатора частот (вариант); на фиг, а, б - диаграммы распределения интенсивности светового поля в интерферог- раммах соответственно рассматриваемого и ранее известного устройств; на фиг. 5 - схематический чертеж интерферометра, поясняющий особенности его выполнения в соответствии с вторым вариантом.

Интерферо метр (фиг. 1) содержит лазер 1, например газовый, с параллельным световым пучком на выходе, акустооптический модулятор2(АОМ2),установленный походу светового пучка и выполненный в виде прозрачного звукопровода, имеющего форму параллелепипеда, изготовленного, например, из кристалла ниобата лития, грань которого, параллельная оптической оси лазера 1, является входной, N электроакустических преобразователей Зо,..., 3i3N-1

(ЭАП Зо,.,, 3|,..., Зм-1),где N 1, закрепленных на входной грани АОМ2 в рядна расстояниях di от ЭАП Зо, синтезатор 4 частот, N выходов которого соединены соответст- венно с входами ЭАП Зо,..., 3i,,.., Зм-1, М фотоприемников 51,,..5к,...5м, связанных с контролируемым объектом (не показан) по числу М контролируемых точек, входы которых оптически связаны с выходом АОМ 2, и измеритель 6 задержки, М входов которого соединены, соответственно с выходами фотоприемников 51,..,,5к,..,,5м.

Синтезатор 4 частот может быть выполнен, например (фиг. 2), в виде генератора 7 первой опорной частоты олэ (первого гене-

ратора 7), N-1 смесителей 8i 81 BN-I,

первые входы которых соединены с выходом первого генератора 7, N-2 умножителей Эг,..., 9|9N-1 с коэффициентами умножения, численно равными их порядковому но- меру 1, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами смесителей 828iBN-I генератора 10 второй

опорной частоты Aw (второго генератора

10), выход которого соединен с вторым входом первого смесителя 8i и с входами N-2 умножителей 929i9ы-1, и N-1 полосовых фильтров 11iIll11N-1, настроенных на частоту оь -I- i Дй, входы которых соединены соответственно с выходами N-1

смесителей 8i8i,.,,,8N-i, выходы первого

генератора 7 и N-1 полосовых фильтров 11111i1 IN-I являются N выходами синтезатора 4 частот с порядковыми номерами

соответственно 0,11N-1.

В общем случае частотные сдвиги Ао) могут быть некратными друг другу, однако должны выполняться следующие условия;

Лад « а)о ;(1)

di

const с.

(2)

ЭАП 3o....,3iЗм-1 (фиг. 1) могут быть выполнены, например, в виде пластинок из пьезоэлектрических кристаллов с двумя металлизированными обкладками для подведения сигнала, одна из которых находится в непосредственном контакте с входной гранью АОМ 2, При этом возбужденные ими в АОМ 2 ультразвуковые пучки параллельны и находятся в зоне действия пучка лазера 1. АОМ 2 имеет на противоположной грани скос или поглотитель ультразвука для устранения режима стоячих волн. Фотоприемники 5i5к5м установлены в дальней

зоне дифракционного пучка, выходящего из АОМ 2, в области формируемой интерферограммы. Для наиболее четкого воспроизведения главного максимума интерферограммы апертуры фотоприемников 5i5к,..., 5м должны быть как можно

меньше его ширины.

Начало системы координат на фиг, 1 условно совмещено с центром ЭАП Зо (ЭАП с порядковым номером i 0). Ось Z параллельна оптической оси, ось X - направлению распространения ультразвуковых волн в АОМ 2, а ось Y направлена вдоль ряда, в

котором расположены ЭАП Зо3i3N-1.

При этом координата 1-го ЭАП 3i вдоль оси Y равно У| di; i - порядковый номер ЭАП Зо3iЗм-1, соответствующий порядковому номеру выходов синтезатора 4 частот.

Работа интерферометра может быть условно подразделена на два процесса; фО|эмирование сканирующей интерферограммы; собственно контроль прямолинейности или плоскостности относительно интерферограммы.

Процесс формирования сканирующей интерферограммы осуществляется следующим образом.

Электрические сигналы с различными частотами поступают от синтезатора 4 частот на ЭАП Зо3i,,.,,3N-i, которые преобразуют эти сигналы в акустические волны, распространяющиеся в АОМ 2 в виде параллельных пучков.

Световой пучок от лазера 1 дифрагирует на ультразвуковых пучках АОМ 2. В результате в дифракционном пучке появляется N лучей с одинаковыми апертурными функциями а(х, у), определяемыми окнами каналов АОМ 2. В силу соотношения (1) N световых лучей формируются параллельными друг другу. Суммарное световое поле в дифрак- ционно м луче имеет вид

. j(v+uJb+Aft;i)t

El a(y-di) е ,(3)

где V-частота света;

t - время,

и представляет собой поле решетки из N излучателей. Поскольку дифракция Фраун- гофера описывается интегралом Фурье для определения поля Е2 в дальней зоне, воспользуемся Фурье-анализом

-j-GV-y

Е2 /El е

dy

(4)

где

7

- пространственная (5)

27Г

yFT частота;

A - длина волны света;

7 - ось интерферограммы, параллельная оси Y.

Выражение для интерферограммы в дальней зоне может быть получено путем подстановки (3) в (4) и возведением в квадрат модуля:

где

|A(ftjy)t tGKf,

А()7а(у)

dy - огибаю-

щая интерферограммы;

о/ X -j(diWyGK) 2e

Дсй)

о

житель решетки.

Подставив (5) в (6), получим

ад 2 е- - ( --)

(7)

«« -TF- скорости, с которыми сканируют вдоль оси rj все компоненты суммы (7).

Если выполняется условие (2), эти скорости равны между собой, т.е.

V, V 0

Вследствие этого интерферограмма не рассыпается, сохраняет свою структуру и сканирует вдоль оси tj со скоростью V.

(7rG(;-Vt)l2

Если ЭАП Зо3i3N-1 установлены эквидистантно с интервалом d, то

di i d; Aoii I Ла ;

sinN-j|-(;7-V -t)

G(;7-V-t)sin

TrC / V-t)

- .(8)

15

20

25

30

35

40

45

50

55

На фиг. За приведен график распределения интенсивности в интерферограмме, описываемой выражением (8) при N 5. Для сравнения на фиг. 36 приведен график интерферограммы известного устройства (прототипа). Он эквивалентен графику для решетки из двух излучателей N 2. При этом число N в известном устройстве не может быть увеличено, в то время как в рассматриваемом интерферометре принципиальных ограничений на значение величины N нет.

В результате интерферометр (фиг. 1) формирует сканирующую в направлении TJ интерферограмму повышенного контраста, нули и максимумы которой пересекают плоскость XOZ в одни и те же моменты.

Контроль прямолинейности или плоскостности осуществляется следующим образом.

Один из фотоприемников, например 5i, устанавливается неподвижно в плоскости XOZ. Его сигнал служит отсчетом для измерения задержки. Другой фотоприемник, например 5 м, устанавливается в контрольную точку или передвигается по контро- лируемой поверхности объекта (не показан), которая должна быть предварительно выставлена параллельно плоскости XOZ. Пока фотоприемник 5м находится в плоскости XOZ, сигнал на его выходе приходит одновременно с сигналом фотоприемника 5i. При отклонении от плоскости XOZ в ту или иную сторону, сигнал получит задержку (или опережение), пропорциональную величине отклонений. Эта задержка измеряется измерителем 6 задержки. При этом фотоприемники 5i. 5м необходимо располагать так, чтобы они не перекрывали друг друга, например в шахматном порядке. Аналогично устанавливаются и функционируют остальные фотоприемники 5i5к5м при наличии М точек контроля.

Согласно фиг. 5 в отличие от варианта по схеме фиг. 1 АОМ 2 повернут в плоскости

YOZ на 90° так, что все ЭАП Зо3i,...,3N-i

расположены в ряд вдоль светового пучка. Световой пучок от лазера 1 проходит последовательно все ультразвуковые пучки. Поеле дифракции образуются N дифракционных лучей с соответствующими частстн ыми сдвигами аналогично выражению (3). .Ha- ко интервал между ними несколько меньше и имеет величину

,(9)

где Л-длина волны ультразвука.

Т ак же, как и в первом варианте, формируется сканирующая интерферограмма, подобная (8). Она имеет распределение и сканирование вдоль оси , наклонной к оси X под небольшим углом в Л/Л . Чтг N лучей в дифракционном пучке не пв; ;iipbi- вались, расстояние между соседними ЭАП Зо,...,3|3N-1 должно удовлетворять неравенству

(10)

где в- угол дифракции, рад ( 1).

В варианте по схеме фиг. 1 примерно половина светового потока от лазера 1 проходит в промежутках между ультразвуковыми пучками и не участвует в акустооп- тическом взаимодействии, при этом нужен двойной запас мощности лазера для восполнения этих потерь. В варианте по схеме фиг. 5 лазерный пучок проходит последовательно все ультразвуковые пучки и полностью участвует во взаимодействии, что повышает вдвое эффективность использования лазерной мощности и, соответственно, экономичность интерферометра. Измерение отклонений осуществляется от плоскости, проходящей через ось симметрии дифракционного пучка параллельно плоскости YOZ , повернутой на угол дифракции Q. Угол дифракции в показан на фиг. 5 большим для наглядности. Реально он составляет 0,5-5°. В остальном интерферометры по схемам на фиг. 1 и фиг, 5 эквивалентны.

Как видно из фиг. 2 предложенный интерферометр позволяет примерно в N/2 раз повысить контраст интерферограммы. Исходя из реальных конструктивных возможностей, число N может быть оценено величиной порядка 20-40. При этом в 10-20 раз повышается контарст интерферограммы, соответственно повышается и точности измерений. Кроме того, в интерферометре отсутствует высокоточная, требующая юстировки, зеркальная система, формирующая интерферограмму в устройстве-прототипе. В интерферометре интерферограмма формируется таким образом, что на ее параметры оказывает влияние в основном параметр d (интервал между каналами АОМ 2), который в значительно меньшей степени подвержен влиянию дестабилизирующих факторов и практически не расстраивается. Это приводит к дополнительному повышению точности.

Формула изобретения 1. Сканирующий интерферометр, содержащий оптически связанные лазер,

акустооптический модулятор с электроакустическим преобразователем,укрепленным на его грани, параллельной оптической Ьси и фотоприемник, а также источник сигнала, подключенный к электроакустическому преобразователю, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен дополнительно не менее чем одним электроакустическим преобразователем, расположенным в ряд с первым электроакустическим преобразователем на той же грани акустооптического модулятора, не менее чем одним фотоприемником, а также измерителем задержки, при этом фотоггриемни- ки связаны с контролируемым объектом, их

выводы соединены соответственно с входами измерителя задержки, источник сигнала выполнен в виде синтезатора частот, выходы которого когерентны, имеют постоянные частотные сдвиги и соединены соответственно с входами электроакустических преобразователей, а расстояния между двумя любыми электроакустическими преобразователями пропорциональны частотным сдвигам между сигналами на них.

2. Интерферометр по п. 1, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения экономичности путем более эффективного использования лазерной мощности, электроакустические преобразователи установлены на грани акустооптического модулятора в ряд вдоль оптической оси, а расстояния Adi между соседними электроакустическими преобразователями должны удовлетворять соотношению

,

где в- угол дифракции, рад; h - ширина лазерного пучка,

2

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет формирования интерферограммы повышенной контрастности и исключения из конструкции системы зеркал, требующей юстировки, а также повышение экономичности за счет более эффективного использования лазерной мощности. Световой пучок от лазера 1 дифрагирует на ультразвуковых пучках, формируемых электроакустическими преобразователями (ЭАП) 3_о,...3_I,...,3_N-1, где N≥1, закрепленными в ряд на определенных расстояниях друг от друга на входной грани акустооптического модулятора (АОМ) 2, параллельной оптической оси лазера 1, и питаемыми от синтезатора 4 частот, выходы которого когерентны и имеют постоянные частотные сдвиги, пропорциональные расстояниям между соответствующими ЭАП. В дальней зоне дифракционного пучка, выходящего из АОМ 2, формируется интерферограмма, сканирующая вдоль оси *98N с постоянной скоростью. M фотоприемников 5₁,....,5_K,...,5_M (по числу контрольных точек) связаны с контролируемым объектом и установлены в области формируемой интерферограммы. Задержка сигнала с одного из фотоприемников относительно сигнала с другого, выбранного в качестве опорного, пропорциональна, с учетом занка, величине отклонения в соответствующей контрольной точке. Сформированная таким образом интерферограмма обладает повышенным контрастом (тем большим, чем больше величина N). ЭАП 3 могут быть расположены в ряд вдоль светового пучка, а интерферограмма может формироваться вдоль оси ξ¹, наклоненной к оси X под малым углом. Лазерный пучок проходит последовательно все ультразвуковые пучки от ЭАП 3 и, полностью участвуя во взаимодействии, обеспечивает полное использование лазерной мощности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг.З

Фиг.1

УУ--5

ZXc

/V.-

I

/ f/lll

s

Фиг.

4

Ч1иг.5

Зм-1 у

Ч