Интерференционное устройство для измерения перемещений объектов Советский патент 1991 года по МПК G01B11/16 

1

(21)4718474/28

(22) 13.07.89

(46) 15.07.91. Бюл. №26

(71)Новосибирский электротехнический институт

(72)В. И. Гужов, И. В. Кузнецова и Ю. Н. Со- лодкин

(53)531.781.2(088.8)

(56)Коронкович В.П. и Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры, Новосибирск, Наука, 1986, с. 13-14.

Feingeratetechnlk, 1976, Bd 25, № 6, S. 246-248

(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ

(57)Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению перемещений объектов интерференционными методами. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения перемещений с

большим ускорением посредством осуществления процесса измерения, независящего от скорости перемещения объекта. Для этого устройство снабжено вторым источником монохроматического излучения, двумя дисперсионными призмами и телескопической системой и двумя отражателями, а второй отражатель выполнен в виде многоступенчатого зеркала. При работе устройства пучки света от источников направляются на дисперсионную призму, после прохождения которой сходятся в один луч, который расщепляется телескопической системой в плоский пучок. Далее пучок делится светоделителем на два, которые, отразившись от зеркала и отражателя, расщепляются по длинам волн дисперсионной призмой на два пучка и формируют интерференционные картины в виде полос с различной интенсивностью, г регистрируемой матрицей фотоприемников. 1 ил.

(S

С

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению перемещений объектов интерференционными методами. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения перемещений с большим ускорением посредством осуществления процесса измерения, не зависящего от скорости перемещения объекта. Для этого устройство снабжено вторым источником монохроматического излучения, двумя дисперсионными призмами и телескопической системой и двумя отражателями, а второй отражатель выполнен в виде многоступенчатого зеркала. При работе устройства пучки света от источников направляются на дисперсионную призму, после прохождения которой сходятся в один луч, который расщепляется телескопической системой в плоский пучок. Далее пучок делится светоделителем на два, которые, отразившись от зеркала отражателя, расщепляются по длинам волн дисперсионной призмой на два пучка и формируют интерференционные картины в виде полос с различной интенсивностью, регистрируемой матрицей фотоприемников. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению перемещений объектов интерференционными методами.

Цель изобретения - обеспечение возможности измерения перемещений с большим ускорением посредством осуществления процесса измерения, не зависящего от скорости перемещения объекта.

На чертеже изображена функциональная схема интерференционного устройства для измерения перемещений объектов.

Интерференционное устройство для измерения перемещений содержит источники 1 и 2 монохроматического излучения, дисперсионную призму 3, телескопическую систему 4, светоделитель 5, отражатель 6,

связанный с контролируемым объектом, отражатель 7, дисперсионную призму 8, матрицу 9 фотоприемников, блок 10 регистрации.

Последовательно по ходу лучей за источниками 1 и 2 расположены оптически связанные дисперсионная призма 3, телескопическая система 4, светоделитель 5, отражатель б, располагаемый на общем основании с контролируемым объектом. Второй отражатель 7 выполнен в виде многоступенчатого зеркала. Напротив него, оптически связанного со светоделителем, расположена вторая дисперсионная призма, и за ней по ходу лучей расположена матрица фотоприемников.

Источники 1 и 2 монохроматического излучения представляют собой лазеры, нао о со

.&

.«а

о

пример аргоновый (А 0,513 мкм), и гелий- неоновый (А 0.628 мкм).

Дисперсионные призмы 3 и 8, телескопическая система 4, светоделитель 5, отра- жатель 6 - стандартные оптические элементы, из которых собран интерферометр. Отражатель 7 выполнен в виде многоступенчатого зеркала, у которого ширина ступеньки превышает длины А волн источников 1 и 2.

Стандартные матрицы 9 фотоприемников, например ЛФ-1024, подключены к блоку 10 регистрации, например типа С1-64.

Работа устройства основана на свойствах целых чисел.

Каждому целому числу отвечает определенный остаток от деления его на целое положительное L, которое назовем модулем. Если двум целым а и Ь отвечает один и тот же остаток г, то они называются равно- остаточными, а сравнимость чисел а и b по модулю L записывается а b(modL).

Рассмотрим систему сравнений с одним неизвестным, но с разными и притом попарно простыми модулями:

X bi(modLi)

х bk(mod Lk).

Решить систему можно, применяя теорему.

Пусть числа Ms и Ms определены из условий

UU ... U MsU Ms Ms s 1(modLs)

и пусть

bi+M2M2 b2+...+MkMkbk.

Тогда совокупность значений X определяется сравнением

(modLil 2...Lk).

Определить разность фаз в пределах одного периода ее изменения - это значит определить остаток отделения полной разности фаз на длину волны.

Пусть X niAi+rs.

-Если существует возможность определить г с достаточно большой точностью, можно поставить в соответствие вещественным значениям длины волны и фазы, определенной с точностью до In, целые числа с определенным количеством значащих цифр и перейти к рассмотрению системы сравнений.

Устройство работает следующим образом.

Пучки света от источников 1 и 2 направляются на дисперсионную призму 3, после прохождения которой сходятся в один луч, который затем расщепляется телескопической системой 4 в плоский пучок. Далее пучок делится светоделителем 5 на два, которые, отразившись от отражателей 6 и 7,

расщепляются по длинам волн дисперсионной призмой 8 на два пучка и формируют интерференционные картины в виде полос с различной интенсивностью, регистрируемой матрицей 9 фотоприемников.

Второй отражатель имеет ступенчатую форму для того, чтобы получить три значения интенсивности И, 1а, 1з на каждой длине волны для трех заданных перепадом высот ступенек значений фазового сдвига р, р2 , рз. Причем толщина d стеклянных пластин, из которых собирается отражатель, должна быть больше любой из длин волн:

,

чтобы ступеньки работали на отражение, а не на дифракцию.

По значениям интенсивности, полученным для двух длин волн, вычисляется разность фаз р в пределах одного периода изменения фазы по формуле

(з - l2) + (h - з) cosjft + р2 - li) cosffa

p-arctg

(l3 - l2) Slnpl + (11 - 1з) SlnyJZ + (12 - I1) SinyJS

Затем по значениям разности фаз, определенных в пределах одного периода изменения фазы для двух длин волн, определяется полная разность фаз световых волн.

При перемещении объекта происходит смещение расположенного с ним на общем основании отражателя 6, и разность длин плеч измерительного канала интерферометра меняется. По показаниям матрицы 9 будет определена полная разность фаз для нового положения отражателя 6 и соответствующее двум известным значениям разности фаз. световой волны перемещение Объекта.

Преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом состоит в том, что можно определять полную разность фаз, а следовательно, и перемещение объекта по значениям интенсивности, зарегистрированным фотоприемниками, причем не имеет значения положение объекта во время, предшествующее регистрации, так как не производят счет фазовых циклов. Кроме того, определяется абсолютное положение объекта, а не относительное, как это происходит в прототипе.

Измерение перемещений объекта в прототипе производится посредством счета полос, из чего следует необходимость проведения непрерывного процесса регистрации фотоприемниками периодов изменения яркости оптического сигнала, причем допустимая скорость измеряемых перемещений ограничивается предельной частотой работы счетчика, который в блоке регистрации служит для отсчета полос по квадратурным сигналам фотоприемников.

В предлагаемом решении время одного измерения определяется только инерционностью фотоприемника.

Рассчитаем допустимую скорость перемещения V для инерционности т 10 с, которую имеет, матрица;. ЛФ-1024, и длины волны Я 0,6 мкм:

V | 6-103M/MHH.

Существующие измерители перемещений Tak же, как и прототип, имеют этот параметр м/мин.

Формула изобретения Интерференционное устройство для измерения перемещений объектов, содержащее источник монохроматического излучения и расположенные вдоль пучка излучения светоделитель, делящий пучок излучения на

измерительный и опорный пучки, отражатель, установленный в измерительном пучке, отражатель, установленный в опорном пучке, метрицу фотоприемников, оасположенную в опорном пучке и оптически связанную через светоделитель с обоими отражателями, и блок регистрации, соединенный с выходом матрицы фотоприемников, отличающееся тем, что, с целью

обеспечения возможности измерения пере- мещенийс большим ускорением, оноснабже- но вторым источником монохроматического излучения, расположенным в одной плоскости с первым источником, дисперсионной

призмой, расположенной между источниками монохроматического излучения в точке пересечения пучков излучения, телескопической системой, расположенной между дисперсионной призмой и светоделителем,

второй дисперсионной призмой, расположенной между светоделителем и матрицей фотоприемников, а второй отражатель выполнен в виде многоступенчатого зеркала.