Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений объекта Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

И юГфетение относится к измеритель н 1 технике и может быть использовано при точных измерениях линейных перемещений объектов

Циль изобретения - повышение точности измерений за счет изменения фазы опорного луча интерферометра в зависимости от длины волны излучения лазера

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства: на фиг. 2 - структурная схема анализатора изменения длины волны лазера, на фиг. 3 -структурная Сдрма формирователя; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу уст- ройс ва

Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений объекта со- дерК|П л.)зеп 1 светоделитель 2, ryCi-npiuMv 3, псферем гный уюлковый от- t ожатель Л, измерительный уголковый от- рч .атель 5, пьгзогрпоод 6, фотоприемники 7 -1, сзегодолшель 12 зеркала 13-15. оп- гг ,есмшблок 10 каскадного интерферомет- t , анализа юр 17 изменения длины .золны мазера, орглировагель 18. Причем луч лазера 1 расщепляется светоделителем 2 на диа потока а и а. Поток а направлен на куб-мризму, где, расщепляясь и рекомби- нируя, iiecet информацию о перемещении cupa-Kaionq 5, которая фиксируется фото- приемником 7 Поток в расщепляется свето- д лителем 12 на два пучка, направляемых в оптический блоь 1C каскадного интерферометра, причем зеркалами 13-15 создается постоянная разносль длин оптических путей, величина которой обеспечивает изменение разности пучков на входе в оптический блок 1Ь /декадного интерферометра на 360°, при изменении длины волны лазерного излучения на расчетную величину ЛЯ На 1ыходе оптического блока 16 юкадного интерферометра образуются /ч.е пары потоков максимумы ин генсивно- сти которых сдвинуты относительно друг дру:э о парах ш АР/2 а между парами на ЛЛ74. Потоки фиксируются фотоприемниками 8-11, оды которых соединены соответственно с I IV входами анализатора 17, выход которого через формирователь 18 соединен с, мьеэоприводом.

Лн лшаюр 17 (фиг. 2) состоит из RS- тр лггерое 1 i 22 схемы 4 ИЛИ 23 регистра 24 2Ь сравнения, инвертора 26, схемы 2 И 27 реверсивного счетчика.28 схем 29 и 30 «J Причем первый вход анализатор а 1 7 о динен с R входом триггера 1, S пх «дпм триггррэ 22 и первым входом схсны второй Р-ОД анализатора 17 соединен г R тр тгера 20 S входом

триггера 19 и вторым входом схемы 23, тр тий вход анализатора 17 соединен с R-вхо дом триггера 21 S-входом триггера 20 и третьим входом схемы 23,четвертый вход

анализатора 17 соединен с R-входом триггера 22 S-входом триггера 21 и четвертым входом схемы 23. Прямой выход триггера 19 соединен с входом D1 регистра 24 и входом В 1 схемы 25 сравнения. Прямой

выход триггера 20 соединен с входом D2 регистра 24 и входом В 2 схемы 25 сравнения Прямой выход триггера 21 соединен с входом D3 регистра 24 и входом В 3 схемы 25 сравнения. Прямой выход

триггера 22 соединен с входом D4 регистра 24 и входом В4 схемы 25 сравнения. Выходы Q1-Q4 регистра 24 подключены соответственно к входам А1-А4 схемы 25 сравнения. Выход схемы 25 сравнения соединен с входом для счета на уменьшение реверсивного счетчика 28. Выход схемы 25 сравнения соединен с входом для счета на увеличение реверсивного счетчика 28. Выход схемы 25 сравнения

соединен через инвертор 26 с первым входом схемы 27, выход которой подключен к тактовому входу реверсивного счетчика 28. Выход схемы 23 через схему 29 задержки соединен с вторым входом схемы 27 и через

схему 30 задержки с тактовым входом регистра 24,

Формирователь 18 (фиг. 3) содержит соединенные последовательно цифроанало- говый преобразователь 31 и усилитель 32.

Интерференционное устройство работает следующим образом.

Луч света от лазера 1 расщепляется светоделителем 2 на потоки айв. Поток а направлен в интерферометр и делится

0 куб-призмой 3 на два луча. Опорный луч падает на референтный отражатель 4, измерительный - на уголковый отражатель 5 закрепленный на перемещающемся обь- екте (не показан). В точку рекомбинации

5 опорный луч приходит с фазой, зависящей от положения референтного отражателя 4 и являющейся при определенном положении референтного отражателя 4 постоянной при неизменной длине волны

0 излучения лазера 1. Фаза измерительного луча в точке рекомбинации при неизменной длине волны лазерного излучения является функцией, зависящей от положения отражателя 5. В результате рекомбинации

5 опорного и измерительного лучей образуется поток, падающий на фотоприемник 7 интенсивность которого зависит от положения отражателя 5, Количество зафиксированных фотоприемником 7 интерференционных

полос является информацией о перемещении отражателя 5.

При изменении длины волны излучения лазера 1 фаза оперного и измерительного лучей в точке рекомбинации на полупрозрачной грани куб-призмы 3 меняется, но меняется на разную величину из-за разности путей, проходимых лучами, вследствие чего интенсиэность потока после их рекомбинации зависит дополнительно от величины изменения длины волны лазерного излучения ДА. Однако при изменении длины волны лазерного излучения происходит изменение освещенности фотоприемников 8-11, которая является функцией только изменения длины волны лазерного излучения. При изменении длины волны лазерного излучения на величин/ ДА максимум освещенности поочередно появляется на каждом из фотоприемников 8-11. Появление максимума на каждом из фотоприемников фиксируется анализатором 17. При этом появление каждого последующего максимума является информацией об изменении длины волны лазерного излучения на величину ДА /А. Очередность появления максимумов в виде импульсов с фотоприемников, являющаяся информацией о направлении изменения длины волны излучения лазера 1. преобразуется анализатором 17 в код.

Анализатор 17 (фиг. 2) работает следующим образом.

RS-триггеры 19-22 фиксируют появление импульсов по входам I-IV анализатора 17, причем каждый из импульсов, поступающих на входы анализатора 17, является синхронизирующим для работы всего анализатора 17, формируемого схемой 23 объединения 4 ИЛИ, схемами 29 и 30 задержки. В регистр 24 записано предыдущее состояние триггеров 19-22. С приходом очередного импульса схемы 25 сравнивает новое состояние триггеров 19-22 и предыдущее хранящееся в регистре 24. Если состояния одинаковые, то на счетчик 28 тактовый импульс через схему 27 не проходит, так как на пыходе схемы 25 Лог. 1, инвертируемая схемой 25, устанавливает Лог, 0 на вХоде схемы 27 и состояние реверсивного счетчика 28 не изменяется. В других случаях с инвертора 26 поступает Лог. Г и тактовый импульс записывает (вычитчет) Лог. 1 в зависимости от того, больше (или меньше ) новое состояние триггеров в сравнении с предыдущим хранящемся в регистре 24. Реверсивн ый счетчик 23 изменяет свое состояние и ци t-рознглоговнй преобразователь 31 преобразует цифровой код счетчика 2Я в напряжение, которое через усилитель 32 подается на пьезопривод 6. Время задержки т (фиг. 4) рассчитывают из условия 5 окончания переходных процессов в схемах 19-22, 25 и 26 Время задержки г выбирают из условия окончания переходных процессов в реверсивном счетчике. В зависимости от подаваемого на пьезопри10 вод 6 напряжения изменяется положение референтного отражателя 4.

Таким образом, при изменении длины волны излучения лазера на величину ДА /4 происходит уменьшение пли увеличение (в

5 зависимости от направления изменения длины волны лазерного излучения) подаваемого на пьезопривод 6 напряжения U, вспедствие референтный отражатель 4 приближается или удаляется от куб-призмы 3.

0 При этом происходит изменение фазы опорного луча в точке рекомбинации. Параметры элементов схемы рассчитаны так, что различие изменения фаз опорного и измерительного лучей в точке рекомбина5 ции оказывается много меньшим, чем при неподвижном референтном отражателе. Таким образом, неучитываемое изменение длины волны излучателя лазера 1 ДА не превышает величины ДА /4.

0

Формула изобретения Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений объекта, содержащее оптически связанные лазер и

5 светоделитель, разделяющий излучение лазера на опорный и измерительный потоки, два трехгранных уголковых отражателя, референтный и измерительный, фотоприемник, светоделитель выполнен в виде куба0 призмы, а измерительный отражатель установлен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном излучению лазера, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, уст5 ройство снабжено пьеэоприводом. вторым светоделителем, оптическим блоком каскадного интерферометра, вторым, третьим, четвертым и пятым фотоприемниками, анализатором изменения длины волны из0 лучения лазера, формирователем, второй светоделитель установлен по ходу излучения между лазером и первым светоделителем и делит излучение на два потока с постоянной разностью хода, направляе5 мые в оптический блок каскадного интерферометра, у четырех выходов которого установлены соответственно второй, третий, четвертый и пятый фотоприемники, выходы которых соединены с перьым. вторым,

третьим и четвертым входами анализатора изменения дпины волны излучения лазера соответственно, выход анализатора соединен через формирователь с пьезоприводом, связывающим первый светоделитель с референтным отражателем.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при точных измерениях линейных перемещений объектов. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет изменения фазы опорного луча интерферометра в зависимости от длины волны излучения лазера. Луч лазера 1 разделяется светоделителем 2 на опорный и измерительный потоки, которые, отражаясь от отражателей 4, 5, рекомбинируют в светоделителе 2 и фиксируются фотоприемником 7. Часть излучения лазера 1 направляется в оптический блок 16 каскадного интерферометра, в котором по последовательному изменению максимума сигнала на фотоприемниках 8, 9, 10, 11, поступающего в анализатор 17, судят об изменении длины волны излучения лазера 1. Изменением напряжения, подаваемого на пьезопривод 6, добиваются перемещения отражателя 4, что меняет фазу опорного луча и уменьшает погрешность измерений. 4 ил.

Bxodl

В ход iv

Фиг.3

1

1 4

Сх19

////// z///z

У/////////Л

L

7//////////////А

У/////////Л

УК

V//////,

IL