Интерферометр для измерения перемещений

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскмкСоциалмстмческмкРеспублик 1111934212по делам изобретений н открытнХ,1(088.83 1"А.Л.Старков ".4Институт электроники АН Белорусскои ССР, "-",;.р ;-;11с,(72) Автор изобретения(511) ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Изобретение относится к измерительной технике, а именно к Фотоэлектрическим устройствам для измерения линейных и угловых величин, преимущественно к системам прецизионного отсчета перемещающихся объектов.Известен интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник монохроматицеского излучения - гелий-неоновый лазер щельФ Ф разделительный блок, относительное зеркало, подвижный блок сФерических зеркал, неподвижные уголковое и плоское зеркала, Повышение чувствительности осуществляется путем многократного15 прохондения света между подвижным блоком сферицеских зеркал и неподвижными зеркалами 11 1.Цедостатком такого интерферометра является невысокая точность измерения, громоздкость конструкции и значительные потери света.Точность измерения снижается нестабильностью интерференционной картины вследствие чувствительности к разъюстировке плоских зеркал и самого блока сферических зеркал при незначительных вибрациях и атмосферных изменениях, а также нестабильностью работы лазера иэ-за возврата пучка света в лазер. Громоздкость конструкции заключается в изготовлении блока сферических зеркал и значительной номенк" латуре оптицеских 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, диафраг" му, два неподвижных автоколлимационных зеркала и Фотоприемник. Светоделитель выполнен в виде плоскопарал 3 93421 лельной пластины с полупрозрачным отражающим покрытием, а отражатель- в виде триппель-призмы 2 .Недостатком интерферометра является недостаточно высокая точность из- з мерения, так как стабильность интерференционной картины снижается вследствие чувствительности к разъюстировке автоколлимационных зеркал и светоделительной пластины, а также не о стабильности работы источника моно- хроматического измерения - лазера. Известно, что ширина.интерференционных полос й зависит от длины волны 3 и угла сходимости 6 интерферирую щих пучков таким образомАЧувствительность к раэъюстировке влечет к изменению угла сходимос- рв ти интерферирующих пучков о, а нестабильность работы лазера проявляется в изменении длины волны излучения и длины когерентности из-за возврата пучка в него. Кроме этого, р стабильность интерференционной картины 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 интерференционных полос и надежность работы устройства при больших перемещениях отражателя.Цель изобретения - повышение точности измерения путем стабилизации интерференционной картины интерферометра с Поставленная цель достигается тем, что в интерферометре для измере ния перемещений, содержащем последовательно расположенные источник моно- хроматического излучения, телескопическую систему, светоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, светоделитель выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с углом при вершинеэ 1 п 1с=агс ып55игде 1 - угол между нормалью к светоделительной поверхности инаправлением перемещения; и - показатель преломления приз-,мы,а гипотенуэная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90 , входнаякатетная грань имеет частичное полупрозрачное покрытие на половине поверхности, а отражатель представляет собой двухгранное зеркало с углом 90На фиг.1 изображена принципиальная схема интерферометра для измерения перемещений; на фиг.2 - видА на фиг.1.Интерферометр содержит последовательно расположенные источник 1монохроматического излучения, например гелии-неоновый лазер, телескопическую систему 2, светоделитель3 связываемый с контролируемымобъектомна чертеже не показан 1,отражатель 4 диафрагму 5 и фотопри/емник 6.Светоделитель 3 выполнен в видепрямоугольной усеченной призмы с полупрозрачным отражающим покрытием(на фиг.1 обозначено пунктиром ) наполовине поверхности входной катетной грани, а гипотенуэная граньпризмы выполнена в виде крыши с углом 90 . Входная катетная грань призмы расположена под углом 45 ок направлению перемещения объекта, чтодает угол призмы при вершине с =28при показателе преломления с 1 еклап=1,5 эВ качестве отражателя 4 используется двухгранное зеркало с углом90, которое жестко связано с перемещающимся объектом. Ребра двухгранного зеркала и крыши расположены взаимно перпендикулярно, Гипотенуэнаягрань или ребро крыши (фиг. 1) образует угол о с катетной светоделительной поверхностью.Угол 1 показан на чертеже междунормалью к светоделительной поверхности и направлением хода рабочегопучка или то же самое между направлением перемещения отражателя 4. Направление измеряемого перемещенияна Фиг.1 указано двойной стрелкойоколо отражателя 4.Входная катетная грань, она жевыходная, обозначена на Фиг.2 соответственно индексамии 8.Сплошной линией со стрелками(фиг.1) показан ход лучей эталонного и рабочего пучков от покрытиядо крыши светоделителя 3.5 93Пунктиром со стрелкой показан ход лучей эталонного и рабочего пучков после отражения их от крыши.Интерферометр работает следующим образом.Пучок света от источника 1 моно- хроматического 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 4 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 учас" ток с полупрозрачным покрытием.. Эталонный пучок также отражается на гранях крыши и вновь возвращается на светоделительную поверхность, где смешивается с рабочим пучком. Обе частиделятся еще раэ, 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 источнику 1 монохроматического излучения отсутствует, в основном весь поток падает на фотоприемник 6.Наложение интерферирующих пучков достигается поперечным смещением светоделителя 3 относительно отражателя 4, а требуемый угол междуними создается благодаря тому, что углы между отражающими гранями сделаны отличными от 90оПри 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 отражателя 4, то чувствительность интерферометра к перемещениям повышается вдвое. Например, при перемещении отражателя на/ 2 разность хода меи 4212 6 5 10 15 зо Ъ 5 30 Э 5 ао 45 50 55 ду эталонным и рабочим пучком составит 2,Х . Фотоприемник 6 выдает элект-.рические сигналы, близкие к синусоидальным, что позволяет осуществлять,счет интерференционных полос. Числополос й связано с измеряемой длиной1. соотношение 5 =И Д где А - длина1 4волны в воздухе.Иногда необходимо осуществлять реверсивный счет полос, тогда достаточно в поле интерференционной картиныпоставить рядом два фотоприемникас входными диафрагмами, сдвинутымив четверть полосы.Предлагаемое устройство позволяет повысить точность путем стабилизации интерференционньй картины. Впредлагаемом интерферометре устра"нены причины, вызывающие изменениеширины 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".кал Роль двух автоколлимационныхзеркал выполняет крыша светоделителя, а катетная грань с частйчным полупрозрачным покрытием - расщепителяи светосоединителя. Взаимно перпендикулярное расположение ребер под"вииного двухгранного зеркала икрыши светоделителя позволяет стабилизировать рабочий пучок е двухкоординатах.Так как эталонный и измерительный пучки отражаются на общих гранях крыши, то небольшие наклоны ипоперечные смещения светоделителяи отраиателя не изменяют угол сходимости двух интерферирующих пучков и не нарушается соответствиевзаимодействующих лучей. Таким образом, интерферометр, сохраняя повышенную чувствительность, не чувст"вителен к раэъюстировке. Кроме этого, отражаясь на гранях крыши,пучок смещается и не возвращаетсяобратно в лазер, что является положительным для стабильной его работы.Повысилась термическая устойчивостьустройства, так как путь в стеклеинтерферирующих пучков почти одинаков.Предлагаемое выполнение светоделителя и отражателя уменьшает количестФормула изобретения ВНИИПИ Заказ 396/32 Тираж 614 Подп Филиал ППП Патент г.ужгород, ул.Проектная,4 во оптических поверхностей и самихдеталей, 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 точности измерения при одновременном упрощении позволило уменьшить номенклатуру применяемых оптических деталей и упростить технологию изготовления интерферометра в целом. Интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно расположенные источник монохрома 34212 8тического излучения, телескопическую систему, светоделитель, отражатель, связываемый с контролируемым объектом, диафрагму и фотоприемник, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, светоделитель выполнен в виде прямоугольной усеченной призмы с углом при вершинеММа = а.сюи -игде 1 - угол между нормалью к светоделительной поверхности инаправлением перемещения,15 И - показатель, преломления призмы,а гипотенузная грань призмы выполнена в виде крыши с углом 90 , входоная катетная грань имеет полупрозрачное покрытие на половине поверхнос.гти, а отражатель представляет собойодвухгранное зеркало с углом 90 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Г 203972, клС 01 В 9/02, 1967.