ФАЗОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Советский патент 1972 года по МПК G01B9/02 

Предлагаемый интерферометр относится к области измерительной техники, в частности к фотоэлектрическим интерферометрам, пред«азначенным для измерения и контроля линейных перемещений подвижных органрв в прецизионных металлорежущих станках,%змерительных машинах и приборах, в устройствах автоматического управления.

Известен фазовый |фотоэлектричеокий интерферометр для измерения линейных перемещений подвижных органов станков, содержащий М0нохром.атический источник €вета, например лазбр, оптическую систему для расширения светового потока, разделительную пластину, делящую световой поток на пучка, призму полного внутревнего отражения, закрепляемую на подвижном органе стайка и отражающую один из световых лучков, полупрозрачное зеркало, собирающее оба световых пучка, модулятор, выполненный в виде прозрачного тела с плоскопараллельными гранями и установленный по ходу одного из пучков между Разделительной пластиной и полупрозрачным зеркалом, электронный генератор стабильной частоты, возбуждающий в модуляторе бегущую ультразвуковую волну, линзу, устанозленную за полупрозрачным зеркалом, фотоприемник, преобразующий поле интерференции световых пучков в электрический сигнал, с щелевой диафрагмой, установленной в фокалькой плоскости линзы в области одного из максимумов первого порядка картины дифракции света на ультразвуковой волне, резонансный электронный усилитель, настроенный на частоту ультразвуковой волны в модуляторе и присоединенный к выходу фотонрие.мника, цифровой фазометра, присоединенный к выходу резонансного усилителя, с реверсивным счетчиком целого числа фазовых циклов. Фаза сигнала сравнивается на цифровом фазометре с гарлшничеоким сигналом ультразвукового генератора.

Однако известные устройства обладают недостатками: выбор сигнала ультразвукового генератора в качестве опорного при измерении фазы сигнального пучка оставляет нескомпенсированным влияние на показания н итерферометра оптических неоднородностей атмосферы (турбулентности, температурных и других

флуктуации показателя преломления воздуха и т. п.), так как в фотосмешении участвует только один мак1СИ1мум (-|-1-ый) дифр акционного спектра в опорном пучке, а остальные порядки спектра практически не используются.

Это ограничивает снижение интенсивности опорного пучка и мощности источника света, а следовательно, повышение стабильности измерения; расширение светового потока осуществляется сразу после выхода его из источника

Широкий сигнальный пучок более подвержен влняНИю указанных выше оптических неоднородностей атмосферы, вследствие чего возможно нарушение его поперечной когерентноCTii (плоского волнового фронта), что отражается на стабильности фазы сигнала разностной частоты при фотосмешеннн.

Предлагаемый интерферометр отличается от известных тем, что он снабжен дот10лн((тельным фотоприемником с гцелевой диафрагмой, установленным за фокальной плоскостью в области интерференции световых волн максимумов нулевого и первого .порядков карТНИ дифракции, догголи-ительиым резонансным электронным уснлителем, настроенным на частоту ультразвуковой волны в модуляторе н присоединенным к выходу дог10Л ительного фотоприемнпка; дополнительный резона)1С1Ный усилитель присоединен к одному из входов цифрового фазометра, а оптическая система расширения светового потока установлена но ходу одного из световых пучков между разделительной пластиной и модулятором. Это повышает стабильность измерения интерферометра.

На чертеже изображена нриндипиальная схема фазового фотоэлектрического интерферометра.

Предла1гаемый интерферометр содержит монохромат 1ческнй источннк коллимироваиного светового нотока, например лазер. Световой поток лазера / раси;епляется разделительной пластиной 2 на два пучка, один «з которых 3 является сигнальным (закрашен черным), другой 4-опорным. Сигнальный пучок 5, распространяясь в атмосфере на заданное расстояние, отражается от призмы 5 иолного виутреннего отражения, возвращается обратно в оптическую Схему 6 интерферометра. Призма 5 устаИавливается на коитролируемом подвижном органе ста-нка или машины и перемещается вместе с этим органом относительно схемы 6.

Опорпый пучок 4 расширяется оптической систе мой 7, выполненной в виде зрительной Т1рубы, и в форм.е параллельно гопучка нанра-вляется на ультразвуковой дифракционный модулятор света 8, Модулятор света 8 выполнен в виде о;птИческн «рОЗрачиОГО тела с плосконараллельнымп гранямп, папример, из кварца, в которо.м возбуждена бегущая ультразвуковая волна. Возбуждение бегущей ультразвуковой волны в модуляторе 8 осуществляется посредство.м электронного генератора 9 гармо1П1ческих колебагшй.

Световой поток опорпого пучка 4, прощедщий модулятор В, испытывает дифракцию, в результате чего в фокальной илоскости лиизы 10 образуется дифракционный спектр, содер/кащий макси.чум нулевого и ± Ь:го пор ядков. В месте дифракционного максимума + 1-ого порядка расположена щелевая диафрагма // с фотоприемником 12, регистрирующим поле интерференции ситиального лучка 3 с дифракционным максимумом + 1-аго порядка опориого цучка. С этой целью между модулятором 8 и лИНзой 10 установлено полупрозрачное зеркало 13, отъюстированное так, чтобы сигнальный пучОК после возрата в схе.му 6 иакладывался ,в фокальной нлоскости лиизы 10 на максимум + 1-ого порядка.

Световые волны двух других максимумов дифр.акционной картины-нулевого и -1-ого ничем ие диафрагмируются и перекрываются

за фокальиой плоскостью линзы 10, образуя второе иитер|ференц1ионное поле. В месте перекрытия этих ВОЛ1И устанавливается щель 14 с фотонриемииком 15, регистрирующим это интерференционное поле.

Сигналы с фотоприемников 12 и 15 поступают в электронную часть устройства. Она состоит из резоиансных усилителей 16 и 17, настроенных иа частоту ультразвуковой волиы и присоедииенных соответственно К фотоприемИикам 12 и 15. Усиленные сигналы с фотоприемпиков далее сравниваются по фазе в цифровом фазометре 18, для чего оба резонансных усилителя 16 и 17 присоединены ко входам фазометра. Величина линейного перемещения

подвижного отражателя 5, пропорциональная разности фаз этих снгиалов, представляется в цифровой форме в блоке цифровой индикации 19.

Предлагаемое устройство действует сле-дующим образом.

Световой 1ПОТОК, .выходящий из лазера /, представляет собой плоскую световую волну

г. п- ,1Ч-,-.1/..

/:(,/ ,(1)

где /Г(,-амплитуда волны,

Ко-оптическая частота.

Из разделительной пластнны 2 -выходят две световые волны:

сигнальная Е, (2)

и опорная

D i (2-V,t-kZ)

F - F . /

(3) -2 - /.-с

где EC, ЕОП-амплитуды сигнальной и опорной

волн соответственно,

„ 2г. 1 оптическое волновое число,

v-длина волны света, X, Z-иаправления распространения сигиальиой и опорной волн соответственно.

Сигнальная волна отточки выхода (пластина 2) из оитической схемы иитерферометра дэ точки Обратного входа в схему (зеркало 13) проходит путь, равный 2L+L, изменяющийся при перемещении отражающей призмы 5, где L-постоянный путь волны в призме. Следовательно сигнальная волна 2 «а входе оптической схемы интерферометр.а выражается в виде:

р р ,( (2 :Ko/-2ft -2fti)

(4)

ZZl - ,(, (. где 6i-фазовые .набеги сигнальной волны в промежутке от зеркала 13 до фокальной плоскости линзы JO (ллоскост и щели 11) и в призме 5, имеющие постоянную велйЩину. Ошорная волна 3 претерпевает дифракцию на ультразвуковом модуляторе 8. В модуляторе 8 раапростр.аняется бегущая ультразвуковая волна: р (tx) ро cos (2тг/ - kx). Ро-амплитуда звукового давления в волне, t-частота ультразвука, k - - -акустическое волновое число, Я-длина ультразвуковой волны. Как известно, звуковая вол1на небольшойи«тенсивности создает в прозрачной среде распределение показателя оптического лреломленйя, проиорЦиональное звуковому давлению 5. Таким образом, показатель преломления среды модулятора 5 описывается выражением: п (xf) . rtp + Дйо cos (27Г// - kx), (7) где По-показатель преломления среды, не возмущенной ультразвуком; А«о-амелитуда переменной составляющей показателя преломления. Плоская опорная световая волна 3 на выходе «3 модулятора 8 имеет вид: Я2- оп-/ - (8) где АО-фазовая модуляция волны, обусловленная переменным показателем шреломлениЯ (7); б.)-постоянный фазовый набег в оптических элементах схемы. Так как ультразвуковая волна в модуляторе 8 плоская, то де : + М«о / cos (2-// - kx), (9) где /-глубина звукового поля ( размер модулятора в направлении света). Величина a k Д/г / Является амплитудой фазовой модуляции световой волны. Тотда в выходной плоскости модулятора 8 опорная световая вол«а выражается в виде: 1 p-.l,t-kii,l-a.ms(2r.ft-kx)-6, ДИфракция света на ультразвуке заключается в том, что па выходе ИЗ Якустического модулятора световое поле 2 распадается на ряд параллельных пучков-дифракционных максимумов, распространяющихся под соответствующими углами. Пренебрегая дифракционными, максимумами ± 2-ого и более высоких порядков в снлу их малости, ограничиваются упрощенной картиной дифракции за выходной плоскостью Модулятора 8. Тогда дифракцию можно представить как разделение параллелыного опорного пучка иа три параллельных пучка: нулево-го и ± 1-ого порядков. Пучок нулевого порядка направлен вдоль оси Z, т. е. совпадает по направлению с апорым пучком до модулятора 8. Пучки первых орядков наП|р;авлены «а раз-ные стороны оси иод углами ± - к ней. Пространственное А азделение дифракционных пучков происхэит в фокальной плоокостп линзы 10. В этой лоскости образуется трп точечных соображеия максимумов: нулевого порядка-на ocnZ ± 1-ого порядков по обе стороны оси Z на асстоянии uf - F, тде F-фокусное стояние линзы. Амплитуда световой волны в максимуме -f- 1-ого порядка равна .г (AnaZ-бг) 2()/ /JJ4 E(+l) -lE,-l /,(«)./ амплитуда световой максимуме волны - 1-ого порядка (-1)./ «- ./, (й) (12) Амплитуда световой волеы в максимуме нулевого порядка (0) Е, / . /о (а) (13) Как видно из выражений (11 -13), являющихся результатом дифракции световой волны (12), оптические частоты в дифракционных порядкахразлнчны: в нулевом-Vo, в + 1-ом - (Vo+/),B-l-OM-(l/o-/J. Сигнальный пучок 4 с Оптической частотой интерферирует с волной (13); таК как фотоприемник 12 работает в режиме фотосмещения, «а нем выделяется синусоидальное напряжение Uc(t), Частота которого равна разности оптических частот световых волн (4) и (13): Ucl (t) z I, (а) cos X 2ф-.1-б,6 -{-knJ + где m-постоянная фотопреобразования. Обозначая фо все постоянные фазовые сдвиги i/c(0. получаем Uc (t) , I, (а) cos 2г.Ц - L-. Выражение (17) означает, что на выходе усилителя 16 измерительный сигнал имеет частоту ультразвука f, а фаза его периоднчески изменяется при перемещении L подвилшого отражателя 5. Нетрудно определить чувствительность интерферометра; прн измерении L на -, т. е. на половину длины световой вол1ны, фаза сигнала Uc(t) изменяется на . Для He-iNe газового лазера АжО.б мк.м. Если предположить, что фазометр имеет разрешающую способность 1°, то чувствительность фазового фотоэлектрического интерферометра составит 0,003 мкм на один электрический градус фазы.. Опорный электрический сигнал Uon(t), с которым сравнивается по фазе сиппал Uc(t), об