Способ измерения фазового сдвига световых волн Советский патент 1977 года по МПК G01B11/00 

pCMCinciniii ооъекта излучении опорного п измерительного кана.юг по каждой координате направляют па периодическую структуру светомодулятора, который задают взаимно перпендикулярные перемещения.

На фиг. 1 изображена однокапальная схема измерения фазового сдвига световых волн; на фиг. 2 - двухканальная схема измерения фазового сдвига световых волн; на фиг. 3 - одноканальная схема измерения с двумерной периодической структурой, где V - частота излучений опорного и измерительного каналов; /i и fz - частоты возбуждения структуры во взаимно перпендикулярных направлениях.

Способ осуществляется следующим образом. Л1онохроматические когерентные излучения 1 и 2 опорного и измерительного каналов интерферометра направляют на светомодулятор, в котором возбуждают одну движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру 3. Световые волны излучений 1 и 2 определяются известными формулами. Периодическая структура 3 может быть амплитудной или фазовой.

Рассмотрим предложенный способ на примере амплитудной периодической структуры (рещетки) 3 с произвольным периодическим распределением пропускания. В этом случае функция пропускания рен1етки описывается рядом Фурье

+

Т (х, i) -. У Л,„COS т(, (1) яАg

m 0

где Am - коэффициент разложения;

g - период рещетки.

На выходе из решетки образуется спектр, содержап;ий набор волн, дифракционных порядков, обозначенных на фиг. 1 номерами 0±1, 2... Каждый т-ый дифракционный ноугол т-с направлением

рядок составляет

падения волны EI на решетку 3 и имеет комплексную амплитуду EI (т) EI Л„, ехр 1 - /{2к (v + ml)t + kb,, (2)

где / частота допплеровского сдвига, соg

ответствующая скорости перемещения решетки.

После прохождения решетки световая волна EI разделяется на ряд когерентных световых пучков - дифракционных порядков, оптические частоты которых смещены относительно частоты V световой волны EI на соответствующую величину допплеровского сдвига mf. При этом в каждом из порядков с частотой (v + tnf) содержится информация об оптическом пути bi световой волны 1 в виде фазового члена kbi (2).

На выходе из рещетки 3 световая волна Ец аналогично разделяется на ряд дифракционных порядков 0±1, 2... с допплеровски смещенными оптическими частотами.

Особенность предложенного способа зак.лючается в . что световые волны EI и Ец направляются из интерференционной схемы на дифракционную решетку не произвольно, а под определенными углами.

Направления этих волн осуществляют так, чтобы /71-ый порядок дифракции одной волны совпал с rt-ым порядком дифракции другой волны, причем номера совпадающих порядков . В этом случае в зоне перекрытия дифракционных порядков неравных номеров происходит интерференция разночастотных световых пучков Ei(m) и Eii(n).

Так как интерферирующие пучки имеют различные частоты ()n( + nf), в поле их интерференции содержится переменная составляющая интенсивности с разностной частотой (n-m)f, для преобразования и выделения которой в виде электрического сигнала в поле интерференции порядков Ei(m) и Eii(n) устанавливают фотоприемник 4 с фильтром 5, настроенным на алгебраическую разность частот л/ и mf.

Возникающий на выходе фильтра электрнческий сигнал определяется выражением

вы С) 0 COS {(« m)ft- Мб, (3)

где и - амплитуда.

Величина АЬ входит в фазу сигнала (3),

частота которого равна 2 - .

g

При этом измерение фазы производится нутем сравнения сигнала (3) с сигналом той же частоты и постоянной фазы, который формируется устройством, определяющим параметры движуп.1,ейся периодической структуры. С точки зрения преобразования величины АЬ в фазу электрического сигнала равноправными являются поля интерференции совпадающих порядков, номера которых имеют разность (п-т). В каждом из этих полей может устанавливаться фотоприемник 4 с фильтром 5, настроенным на частоту (п- , и выделяться электрический сигнал

(3).

Предложенный способ осуществляет многоканальное, и в частности двухканальное преобразование контролируемого перемещения в фазу, что повыщает стабильность и

разрешающую способность измерений и увеличивает чувствительность интерференционных преобразователей.

Формула изобретения

1. Способ измерения фазового сдвига световых волн, например при измерении угловых или линейных перемещений объекта, заключающийся в том, что монохроматические

когерентные излучения опорного и измерительного каналов интерферометра направляют на светомодулятор, в котором создают одну движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру, регистрируют результаты интерференции двух дифрагированиых излучении и определяют разность фаз интерферирующих потоков излучеиий, по которой судят о значении перемещения объекта, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и его аппаратурной реализации, повышения точности и разрещающей способности измерений, излучения опорного и измерительного каналов направляют на светомодулятор так, что они пересекаются в плоскости периодической структуры светомодулятора под углом, обеспечивающим многопорядковую дифракцию от каждого нзлучення, а интерферирующие порядки дифрагированных излучений преобразуют в электрические сигналы, частота которых определяется алгебраической разностью номеров интерферирующих порядков. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем.

что одно из изл ченин до светомод -лятора формируют так, чтобы оно представляло собой два потока, симметрично располоЛСенных относительно другого излучения.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью измерения пространственных перемещений объекта, излучения опорного и измерительного каналов по каждой координате направляют на периодическую структуру светомодулятора, которой задают взаимно перпендикулярные перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3458259, кл. 356-106, 29.07.69.

2.Авторское свидетельство № 399722, кл. G 01В 9/02, 1971.

, 1-2}

f,-jf

4 (П

f т

Г J

,

V ,

r,-f,