Интерферометр для измерения перемещений Советский патент 1982 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к измери тельной технике, а именно к фотоэлектрическим устройствам для измере ния линейных и угловых величин, преи мущественно к системам прецизионного отсчета перемещающихся объектов. Известен интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник монохроматического излу чения - гелий-неоновый лазер, щель, разделительный блок, относительное зеркало, подвижный блок сферических зеркал, неподвижные уголковое и плоск зеркала. Повышение чувствительности осуществляется путем многократного прохождения света между подвик ным блоком сферических зеркал и неподвиж ными зеркалами 1 . Недостатком такого интерферометра является невысокая точность измерения, громоздкость конструкции и значительные потери света. Точность измерения снижается нестабильностью интерференционной карти ны вследствие чувствительности к : разъюстировке плоских зеркал и самого блока сферических зеркал при незначительных вибрациях и атмосферных изменениях, а также нестабильностью работы лазера из-за возврата пучка света в лазер. Громоздкость конструкции заключается s изготовлении блока сферических зеркал и значительной номенклатуре оптических деталей. Потери ; света на оптических поверхностях деталей и частичный возврат пучка в лазер составляют также более 50. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно расположенные источник монохроматического излучения, телескопическую систему, све тоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму, два неподвижных автоколлимационных зеркала и фотоприемник. Светоделитель выполнен в виде плоскопарал39лельной пластины с полупрозрачным от ражающим покрытием, а отражатель 8 виде триппель-призмы 2 . Недостатком интерферометра являет ся недостаточно высокая точность измерения, так как стабильность интерференционной картины снижается вслед ствие чувствительности к разъюстиров ке автоколлимационных зеркал и светоделительной пластины, а также нестабильности работы источника монохроматического измерения - лазера. Известно, что ширина.интерференционных полос t зависит от длины волны и угла сходимости в интерферирующих пучков таким образом Чувствительность к разъюстировке влечет к изменению угла сходимости интерферирукяцих пучков О, а .нестабильность работы лазера проявляется в изменении длины волны излучения и длины когерентности из-за возврата пучка в него. Кроме этого, стабильность интерференционной карти ны снижается вследствие термической неустойчивости интерферометра, т,е из-за неидентичного прохождения пучков в плечах интерферометра. Неидентичность плеч также ухудшает и контрастность интерференционной картины. Потери света составляют более пятидесяти процентов, что в итоге ухудшает контрастность интер ференционных полос и надежность рабо ты устройства при больших перемещениях отражателя. Цель изобретения - повышение точности измерения путем стабилизации интерференционной картины интерферометра . Поставленная цель дос гигается тем, что а интерферометре для измере ния перемещений, содержащем последовательно расположенные источник моно хроматического излучения, телескопичебкую систему, светоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, светоделитель выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с углом пр аершине оС агс Siп угол между нормалью к светоделительной поверхности и направлением перемещения; 4 п - показатель преломления приз-, а гипотенузная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90°, входная катетная грань имеет частичное полупрозрачное покры.тие на половине поверхности, а отражатель представляет собой двухгранное зеркало с углом 90°. На фиг.1 изображена принципиальная схема интерферометра для измерения перемещений; на фиг.2 - вид А на фиг.1. Интерферометр содержит последовательно расположенные источник 1 монохроматического излучения, например гелий-неоновый лазер, телескопическую систему 2, светоделитель 3, связываемый с контролируемым объектом (на чертеже не показан), отражатель 4 диафрагму 5 и фотоприемник 6. Светоделитель 3 выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с полупрозрачным отражающим покрытием (на фиг.1 обозначено пунктиром) на половине поверхности входной катетной грани, а гипотенузная грань призмы выполнена в виде крыши с углом УО. Входная катетная грань приз /1ы расположена под углом напpaвлeнию перемещения объекта, что угол призмы при вершине а 28 при показателе преломления стекла ,5. В качестве отражателя 4 используется двухгранное зеркало с углом 90°, которое жестко связано с перемещающимся объектом. Ребра двухгранного зеркала и крыши расположены взаимно перпендикулярно. Гипотенузная грань или ребро крыши (фиг.1) образует угол oLc катетной светоделительной поверхностью. Угол I показан на чертеже между нормалью к светоделительной поверхности и направлением хода рабочего пучка или то же самое направлением перемещения отражателя , Направление измеряемого перемещения на фиг.1 указано двойной стрелкой около отражателя , Входная катетная грань, она же выходная, обозначена на фиг.2 соответственно индексами 7 и 8. Сплошной линией со стрелками (фигЛ) показан ход лучей эталонного и рабочего пучков от покрытия до крыши светоделителя 3. 5 Пунктиром со стрелкой показан ход лучей эталонного и рабочего пуч ков после отражения их от крыши. Интерферометр работает следующим образом. Пучок света от источника 1 монохроматического излучения расширяется телескопической системой 2 и падает на светоделитель 3. На входе светоделителя 3, на его полупрозрачной поверхности, пучок делится по амплитуде на рабочий отраженный и эталонный - проходящий внутрь стекла. Рабочий пучок па дает на отражатель k и возвращается параллельно самому себе вновь на катетную грань светоделителя 3, на участок, где нет полупрозрачного покрытия. На катетной грани рабочий пучок преломляется, отражается на гранях крыши, смещается и вторично направляется на отражатель 4, где, отразившись от него, возвращается вновь на светоделитель 3, на участок с полупрозрачным покрытием. Эталонный пучок также отражается на гранях крыши и вновь возвращается на светоделительную поверхность, где смешивается с рабочим пучком. Обе частиделятся еще раз, интерферируют и направляются частично на фотоприемник 6 через диафрагму 5. Второй интерференционный поток повторяет путь первоначального луча и усиливает яркость первой интерференционной картины и т.д Таким образом, возврат пучка к исто нику 1 монохроматического излучения отсутствует, в основном весь поток падает на фотоприемник 6. Наложение интерферирующих пучков достигается поперечным смещением светоделителя 3 относительно отражателя , а требуемый угол между ними создается благодаря тому, что углы между отражающими гранями сделаны отличными от ЭО. При перемещении объекта совместно с отражателем 4 изменяется разность хода интерферирующих пучков и на выходе.интерферометра перед фотоприемником 6 проходят интерференционные полосы. Так как рабочий пучок дважды отражается от отражате ля t, то чувствительность инtepфepo метра к перемещениям повышается вдвое. Например, при перемещении отражателя на Х/2 разность хода ме 26 ду эталонным и (5абочим пучком составит 2/L , Фотоприемник 6 выдает электрические сигналы, близкие к синусоидальным, что позволяет осуществлять, счет интерференционных полос. Число полос N связано с измеряемой длиной L соотношение где Л - длина волны в воздухе. Иногда необходимо осуществлять реверсивный счет полос, тогда достаточно в поле интерференционной картины поставить рядом два фотоприемника с входными диафрагмами, сдвинутыми в четверть полосы. Предлагаемое устройство позволяет повысить точность путем стабилизации интерференционной картины. В предлагаемом интерферометре устранены причины, вызывание изменение ширины и ориентации полос, а именно: чувствительные к разъюстировке оптические элементы выполнены нечувствительными, улучшена стабильность работы лазера и повышена термическая устойчивость. В устройстве светоделитель выполняет роль расщепителя, светосоединителя и двух автоколлимационных эер- кад. Роль двух автоколлимационных зеркал выполняет крыша светоделителя, а катетная грань с частичным полупрозрачным покрытием - расщепителя и светосоединитбля. Взаимно перпендикулярное расположение ребер подвижного двухгранного зеркала и крыши светоделителя позволяет стабилизировать рабочий пучок в двух координатах. Так как эталонный и измерительный пучки отражаются на общих гранях крыши, то небольшие наклоны и поперечные смещения светоделителя и отражателя не изменяют угол сходимости двух интерферирующих пучков и не нарушается соответствие взаимодействующих лучей. Таким образом, интерферометр, сохраняя повышенную чувствительность, не чувствителен к разъюстировке. Кроме этого, отражаясь на гранях крыши, пучок- смещается и не возвращается обратно в лазер, что является положительным для стабильной его работы. Повысилась термическая устойчивость устройства, так как путь в стекле интерферирующих пучков почти одинаков. Предлагаемое выполнение светоделителя и отражателя уменьшает колимест 7 Ёо оптических поверхностей и самих деталей, что значительно упрощает устройство в целом и технологию его изготовления. Благодаря тому, что количество оптических поверхностей уменьшилось, а частичный возврат пучка в источник монохроматического излучения исключен, увеличился световой поток и контрастность интерференционной картины на фотоприемнике. Контрастность интерференционных полос повышается благодаря почти идентичному прохождению интерферирующих .пучков в стекле, причем без нанесения зеркального покрытия на отражающие грани светоделителя. Положительным эффектом интерферометра является также простота его юстировки. Таким образом, повышение точноети измерения при одновременном упрощении позволило уменьшить номенклатуру применяемых оптических деталей и упростить технологию изготовления интерферометра в целом. , Формула изобретения Интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательнорасположенные источник монохрома28тического излучения, телескопическую систему, светоделитель, отрах(атель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения то чности измерения, светоделитель выполнен в виде пря -юугольной усеченной призмы с углом при вершине oL csrc«iin где 1 - угол между нормалью к светоделительной поверхности и направлением перемещения, И - показателе прелоАлления призмы, а гипотенузная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90°, входная катетная грань имеет полупрозрачное покрытие на половине поверхности, а отражатель гГредставляет собой двухгранное зеркало с углом 90 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР Г 2ПЗУ72, кл. G 01 В 9/02J 19б7. 2,Коломийцов Ю.В. Интерферометры. М., Машиностроение, 1976, с, 193, 275 (прототип).