Интерференционное устройство для дистанционного измерения малых перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХЧилапнюдежРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯИ АВТОРСКОМУ СВИДДПЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРпв Лили аанана н Овнла(54)(57) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХПЕРЕМЕЩЕНИЙ,содержащее лазер,светоделитель,делящий световой пучок 801138642 А 4(51) С 01 В 9/02; С 01 В 11/00 на опорную и рабочую ветви,отражатель, выполненный в виде плоскогозеркала и установленный в опорной .:ветви, отражатель, установленный врабочей ветви, и блок фоторегистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности измерения, отражатель, установленныйв рабочей ветви, выполнен в виде, вогнутого сферического зеркала с фокусным расстоянием, равным половинеминимального. расстояния между светоделителем и отражателем рабочейветви,1138642Изобретение относится к измери=тельной технике, в частности к дистанционному измерению малых перемещений, и может быть использовано впроизводстве высокочастотных измерительных систем координатно-измери тельных машин, инструментальных имикроскопов и прецизионных станков.Известно интерференционное устройство для измерения перемещений, 10содержащее лазер, светоделитель,деля-щий световой. поток на две ветви,двауголковых отражателя, установленныйв этих ветвях,светосоединитель, трилинзы и блок фоторегистрации, и позволяющее выравнивать площади поперечных сечений интерферируюцих пучков вплоскости блока Фоторегистрации, чтоповышает контрастность результирующей интерференционной картины и сни-. 20жает влияние на точность измеренияшумов электронного тракта Г 3 ,Однако особенности геометрии оптической схемы такого устройства непозволяют испольэовать его для дистанционных измерений перемещений,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяинтерференционное устройство длядистанционного измерения малых пере- З 0мещений,содержащее лазер,светоделитель, делящий световой пучок на опорную и рабочую ветви, отражатель,выполненный в виде плоского зеркала иустановленный в опорной ветви,отра 35жатель,установленный в рабочей ветви и выполненный в виде плоскогозеркала, и блок фоторегистрации 2,Однако известное устройство не обладает высокой точностью измерений так как из-эа существенного различия длин ;"леч могут резко отличаться кривизны фронтов интерферирующих пучков, что при конечных размерах 45 апертуры фотоприемника блока фото- регистрации приводит к большим фазовым погрешностям измерения, Кроме того вследствие различия длин плеч могут существенно отличаться площади поперечных сечений интерферирую щих пучков, приводя к снижению контрастности результирующей интерференционной картины н возрастанию влияния на результат измерения шумов элект;Б 5 ронного тракта,Цель изобретения - повышение точности измерения. 2Поставленная цель достигается тем,что в интерференционном устройстведля дистанционного измерения малыхперемещений, содержащем лазер, светоделитель, делящий световой пучок наопорную и рабочую ветви, отражатель,выполненный в виде плоского зеркалаи установленньй в опорной ветви, отражатель,установленный в рабочей .ветви, и блок фоторегистрации, отражатель,установленный в рабочей ветви,выполнен в виде вогнутого сферического зеркала с фокусным расстоянием,равным половине минимальногорасстояния между светоделителем иотражателем рабочей ветви,На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого интерференци"онного устройства для дистанционногоизмерения малых перемещений.Устройство содержит лазер 1,формирующий когерентный слаборасходящийся световой пучок,светоделитель 2,делящий световой пучок на опорную ирабочую ветви, отражатель З,выполненный в виде плоского зеркала иустановленный в опорной ветви, отражатель 4,установленный в рабочейветви и выполненный в виде вогнуто"го сферического зеркала с фокуснымрасстоянием Р - Фокус этого зеркала),равным половине минимального расстояния между светоделителем 2 иотражателем; 4 рабочей ветви, иблок 5 .Фоторегистрации,осуществлякщий регистрацию интенсивности светового потока в результирующей интерференционной картине,Кроме того, устройство содержитпреобразователь 6 перемещений отражателя З,предназначенный для организации процесса интерференционной модуляции, блок 7 управленияпреобразователем 6 перемещений,выход которого соединен с входомпреобразователя 6 перемещений, иблок 8 обработки информации, первыйвход которого соединен с выходомблока 5 фоторегистрации, а второйвход соединен с выходом блока 7управления. Отражатель 3 жесткоскреплен с преобразователем 6 перемещений, а отражатель 4 жестко крепится на перемещающемся объекте 9,Устройство работает следующимобразом, Когерентный слаборасходящнйсясветовой пучок,формируемьй лазе1(11.,)14 где 1 - расстояние от плоскости1перетяжки лазера 1 до светоделителя 2;0 - расстояние от светоделителя до отражателя 4.Следовательно, эквивалентное расстояйие 8 от этой точки до плоскости регистрации инерференцион ной картины составляет Я20 Дпя того, чтобы кривизны волновыхфронтов интерферирующих пучков быпиприблизительно,одинаковы,необходимо чтобы аж 651 Подписноеод, ул.Проектная,4 3 1138ром 1,поступает.на светоделитель 2,разделяющий его на два пучка с приблизительно равными интенсивностями,Световой пучок, поступающий в "опорную ветвь, отражается от отражателя 3 и возвращается к светоделителю 2. В результате периодическогоперемещения отражателя 3, создаваемого при помощи преобразователя 6перемещения и блока 7 управления,фаза этого пучка также изменяетсяпо периодическому закону, Световойпучок, поступающий в рабочую ветвь,отражается от отражателя 4,укрепленного на перемещающемся объек- те 9, и также возвращается к светоделителю 2, Далее оба пучка интерферируют с Образованием реэультирукищей интерференционной картины вплоскости регистрации блока 5 фоторегистрации. В результате модуляции фазы пуска в опорной ветвипериодически изменяется уровень интенсивности светового потока вцентре интерференционной картины, дфокусное расстояние для отражателяв виде вогнутого сферического зеркала выбирается таким образом, чтокривизны волновых фронтов интерферирующих пучков слабо отличаются одна от другой и площади поперечныхсечений интерферирующих пучков вобласти регистрации приблизительносовпадают. Таким условиям соответствует выполнение вогнутого сфери 35ческого зеркала с фокусным расстоянием, равным половине минималь-,ного расстояния междусветоделите-.лем 2 и отражателем 4.Блок 5 фоторегистрации преобра зует световой поток ийтерференционной картины в электрический сигнал, в фазе которого заложена информация о перемещении контролируемого объек та 9. Измерение фазы электрического 45 сигнала осуществляется методами цифровой информации. В качестве опорного электрического сигнала может использоваться сигнал с выхода блока 7 управления. 50С целью повышения точности измере- ний в рабочей ветви устанавливается вогнутое сферическое зеркало с фокусным расстоянием Е . При этом эквивалентное иэображение лазера для рабочей ветви переходит в точку, от"Заказ 10674 30 ТирФааиад таит, г, Уагор 642 4 стоящую от вогнутого сферического зеркала на расстоянии Х, равном Е 1.,1+,4= гь.:кВ 1 г 5 1 1+ -141 где 1. - расстояние от светоделите-3ля 2 до плоскости регистра"ции;1 - ра стояние от светоделителя 2 до отражателя 3. При 1. )1, имеем Е = в " , Сле"ф 1довательно,фокусное расстояние отражателя 4 должно выбираться равным половине минимального расстояния от светоделителя 2 до отражателя 4 рабочей ветви. При выборе Е = 1. 12 в предлагаемом интерференционном устройстве площади поперечных сечений интерферирующих пучков приблизительно одинаковы, что позволяет полу чить высококонтрастные изображения интерференционной картины и существенно снизить влияние шумов электронного тракта. Таким образом,в предлагаемом интерференционномустройстве для дистанционного измерения малых перемещений обеспечивается измерение необходимого параметра с высокой точностью измерения, которая может быть доведена до 0,002 интерференционной полосы.