Способ и устройство для измерения длин интерференционным методом Советский патент 1936 года по МПК G01B11/02 

Обычно измерение какой-либо длины при помощи интерференции света „заключается в следуюц1их этапах:

а измерение первичного эталона, .

б)оптическое сравнение первичного эталона с последующим, превыщающим его длину в несколько раз (так называемое „оптическое умножение), повторение этого процесса до тех пор, пока не будет достигнута длина последнего подлежащего определению эталона.

Если первичный эталон был измерен непосредственно в длинах волн, то величина последнего эталона может быть выражена в длинах световых волн.

До настоящего времени „оптическое умножение давало возможность сравнивать какой-либо эталон с другим, превышающим его в 2-8 раз и в исключительных случаях в 10 раз. При этом переход от длины последнего концевого эталона к щтриховой мере осуществляется обычно при помощи вспомогательных плиток, притираемых к зеркалам, в редких случаях пользуются двумя сторонами зеркала, учитывая толщину последнего.

В отличие от методов, применявщихся до сих пор, предлагаемый диференциальный метод дает возможность перехода от длинь одного эталона к длине следующего, превышающего его в 30, 50 и более раз, причем этот метод обладает, кроме того, еще некоторыми преимуществами, например, отсутствием необходимости применения вспомогательных плиток.

На фиг. 1 и 2 чертежа дана схема одного из вариантов применения диференциального метода.

В S установлен точечный источник света, от которого при помощи объектива О получают три параллельных пучка /, // и ///, расположенных один над другим. Средний пучок /// проходит через вырез а в зеркале Т, (фиг. 2), отражается от срВдины зеркала Т и возвращается через второй вырез Ь зеркала Г, проходит через диафрагму В и объектив Оо и дает в фокальной плоскости последнего изображение F источника света. Верхний пучок // проходит несколько выше выреза а, а потому отражается от зеркала Т и верхнего зеркала эталона Е несколько раз, причем в случае, если эти зеркала параллельны друг другу, в результате последнего отражения от зеркала Т пучок // поступает в объектив О параллельно пучку ///. Нижний пучок / отражается многократно между зеркалом и нижним зеркалом эталона и в результате также попадает в точку F.

При условии, что перед объективом Oj пучки поступают через диафрагму В с вырезами для каждого пучка, они могут в точке F дать явление интерференции, если оптические длины пучков равны. Это может иметь место, если длина /I или /2 укладывается несколько раз без остатка в общем расстоянии Z-i -j- li или -соответственно Xj 4 или, другими словами, обозначая кратность увеличения расстояния /i через «i и кратность увеличения /г через Лз, пучки /и/// будут интерферировать при /i .i-|-J-/1, а пучки //И///- ПрИ /2

Практически этого добиться трудно. Допустим, что зеркала установлены так, что /J ,i-f-/i--|-Ai; /г«2 4+4+4. где А и Да - небольшие поправки, измеряемые путем передвижение последнего зеркала Т или при помощи комненсатора. Положим еще, что rti-«а 1; расстояние, между плоскостями зеркал нашего исходного эталона обозначим через Е, тогда имеем следующие соотношения;

ni, : . . .(1)

2)L, ni/,-/i + Aj ..... .(2)

3)L,n,l2--l, + &, ..... .(3)

4)rtj-«3- l.(4)

Отсюда получаем

ij Я «2 («2 - 1) + (, - 4i) «2 + А, . (5)

Зная величину основного эталона Е, кратность увеличения исходного расстояния «2 и измерив величину поправок AI и АЗ, можно получить величину всего расстояния L. Величины поправок А и АЗ будут равны нулю при условиях:

. I (G

2 - oj В этом случае длина основного эталона равна:

«2() Кратность увеличения исходного расстояния равна

г; 1- «2 («2-1) . . .(8)

Так, например, для измерения 3-метрового расстояния при «1 6, /Zg 5 требуется эталон длиной всего в 150 мм по формуле (7); кратность увеличения исходного расстояния равна 20 по формуле (8). Это дает возможность непосредственного измерения исходного эталона в длинах волн и перехода в один прием к 3-метровому расстоянию никакими применявшимися до сего времени способами этого нельзя было достичь. От расстояния L- между отражающими поверхностями зеркал необходимо перейти к расстоянию LZ между штрихами, нанесенными на зеркалах, и к расстоянию LZ между осями микроскопов. Вводя следующие обозначения: X - расстояние между поверхностью

и штрихом зеркала Т у - расстояние между поверхностью

иштрихом зеркала Т iHi - отсчет на штрих зеркала TI по

микроскопу MI т - отсчет на штрих зеркала TZ по

микроскопу MZ имеем:

LZ 1 -{х -у}, з LZ - (/«1 - Отг) отсюда:

АЗ Zj (к-у} - (mi - Отз) . . (9) Величина х -у является постоянной для данной установки и может быть определена с большой точностью интерференционных путей (без вспомогательных плиток), но можно эту величину и не определять, а сделать два приема измерений, переставив зеркала 7 и 7 взаимно. Тогда второе измерение дает для Z.3 величину

А/- (у-х} (/«,- т,). . (10) из формул (9) и (10) получают: L,,+L,-(m-mz)() . (И)

В последней формуле символы обозначают:

/-У - расстояние между осями микроскоповLI - расстояние между поверхностями зеркал TI и Г, согласно формул,е (5), полученное при первом приеме, Z-i - TO же, но при втором приеме

с переставленными зеркалами nii, iHz- отсчеты на штрихи зеркал по первому и второму микроскопу при первом приеме

iHi , же, при втором приеме с переставленными зеркалами. Отсюда видно, что переход от концевой меры (поверхности зеркал) к линейной мере или, что то же самое,- к осям микроскопов осуществляется без вспомогательных плиток, притираемых к зеркалам, т. е. устраняется один из источников ошибок, присущих большийству применявшихся до сего времени способов. Вместе с этим совершенно отпадает необходимость измерения толщины серебряного слоя на зеркалах.

Поэтому предлагаемый метод может быть применен с успехом для измерения в длинах волн образцовых мер различной длины (1-3-4 м), а также для компарирования инварных 24-48 метровых проволок, отличаясь простотой технологического процесса при сохранении точности, присущей интерференционным методам. Возможно, что метод удается применить также для точных базисных измерений, преимущественно для контрольных базисов, ибо при помощи 2-метрового концевого жезла с зеркалами (в свою очередь измеренного в длинах волн)-за один прием можно измерить расстояние в 60 метров.

fta фиг. 3 чертежа дано несколько вариантов, отличающихся от первого варианта лишь взаимным расположением зеркал.. В соответствии с этим несколько изменяются формулы (1)-(11); методика измерений для всех вариантов, одинакова.

На фиг. б чертежа дано видоизменение устройства, в котором применены два ступенчатых эталона Е и 2 различных длин.

Концевой эталон Е может быть изготовлен пибо в виде бруска из достаточно стабильного материала, либо в виде кварцевого, стеклянного или металлического жезла, к которому притерто на молекулярный контакт (или приварено) два зеркала.

Предмет изобретения.

1.Способ измерения длин интерференционным методом, основанный на сличении между собою двух длин, ограниченных взаимно параллельными отражающими плоскостями, путем использования многократных отражений между ними нескольких световых пучков, исходящих от общего источника света, отличающийся тем, что, с целью получения возможно большего коэфициента кратности между эталонным расстоянием и измеряемым, на основе измерения дифе- ренциальной разности хода трех или более световых пучков, приближенно различной кратности, определяют искомую длину как функцию исходного расстояния,/Г.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из четырех взаимно параллельных зеркал, отличающееся тем, что в качестве исходного расстояния Е применен известный ступенчатый эталон.

3.Видоизменение устройства по п. 2, отличающееся применением двух ступенчатых эталонов EI и 2 различных длин. к авторскому свидетельству У. О. Шварц N« 49371

-

.-pjQ:

-й- ULHl

- 7f- -

--1

JJJL --- - --i

™ 4 фиг.о

L:

фиг. 4

.фиг

м,

м.

fe V

аЬ

а.Ь

-6,

Т,

фиг.2

///

-ff

HI

T,

фиг 5

-- L,

игО

.1,

RЧ

W

ЩЙ

г