Интерферометрическое устройство для измерения расстояний и изменения расстояний

/00; С 01 В 9/02 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ьффЖ(чВ,;,.йа СВИДЕТЕЛЬСТВАВТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) (57) 1, ИНТЕРфЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯРАССТОЯНИЙ И ИЗМЕНЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, имеющее источник монохроматического света, пучерасще эпементы, один ход измерительных пучей и одинход лучей сравнения со световоэвращатепями и фотоэлектрическим приемником, причем, кроме этого, предусмотрены эп менты дпя модупяции частоты ипи амппитуды исходящего от источника света иэпучения, о т п и ч а ю щ е е с я тем, что в ходе измеритепьных лучей предусмотрены оптические элементы дпя получения расходящегося пучка света в обпасти объекта, а в коде пучей сравнения - отображающие и рассеивающие эпементы дпя попучения пучка сравнения, эквивапентного по апертуре и направлению отраженному от объекта пучку света, предусмотрен состоящий из отдепьных фото- активных эпементов 28 ппоский и подавляющий составляющие постоянного светае фотоэлектрический приемник 1 9.7063 1032. Устройство по и. 1, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что как в ходе лучей сравнения, так и в ходе измерительныхлучей распопожены расширяющие пучки афокапьные оптические системы 12,13 и 14,15 и относящиеся к ним матовые стекла 16 и 17, причем в фокальной плоскости со стороны источника света одна линза проектирует матовое стекпо 1 7 на фотоэпектрический приемник 19, а другая линза проектирует второе мато вое стекпо 16 на световозвращатепь 2, соединенный с объектом.3. Устройство по.пп.1 и 2,о т и ич а ю щ е е с я тем, что в ходе .осве. тительных пучей расположена оптоакустическая ячейка 8 ипи другой электро оптический эпемент дпя расщепления исходящего от источника света 7 пучка света 9 на пучок света 0-го порядка и пучок света 1-го порядка 10 и 11, при с, чем пучок 0-го порядка 10 предусмотрен для хода измеритепьных пучей, а пучок 1-го порядка 11 - для хода пучей срав кения. 4. Устройство ио и. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что световозвращатепь 42 в ходе измеритеньных лучей сфокусирован на измеряемую длину : й.,е 2 причем апертура световозвращатепя 42 имеет такие параметры что непараппель ность интерферированных фронтов не превышает 3/8, а в ходе измерительных пучей расположена амппитуано-модулирующая ячейка 47. 5. Устройство по и, 1, о т и и ч аю щ е е с я тем, что связанный с объектом светоотражатепь 62 имеет выпукпую отражательную поверхность,6. Устройство по пп. 1-5, о т и ич а ю щ е е с я тем, что фотоэлектрический приемник 19 имеет скрещенный растровый фотоактивный спой 26, отдепьные фотоактивные эпементы 28 которого общим емкостным связывающим эпементом 29 соединены с общим проводником 30, причем фотоэлектрический приемник 19 настроен на определенные несущие частоты падающего изпучения.пучение изменяет частоту окопо среднегоэ начения,Интерферометрическое устройство имеет в одной из двух ветвей рефпектор,жестко соединенный с объектом. Излучение попяризовано и, как минимум, в одной иэ ветвей устройство содержит однуЪ/Ф - щщстину,Однако измерения расстояний обьектадо определенного положения возможнотопько в том спучае, если это положеО 1Изобретение относится к интерферометрическим устройствам дпя измерения расстояний или изменения расстояний объекта до точки фиксации, в частности дня точных измерительных приборов.Известно интерферометрическое устройство для определения расстояния объекта до определенного попожения (описано в РЕОБ 20,12.946), основанное наиспопьзовании изпучения, испускаемого 10от источника света, которое после взаимодействия с объектом вместе с излученчем, проходящим ход пучей сравнзния, направляется к фотоэлектрическому приемнику. Испускаемое источником света из 2ние пежит на оптической оси ипи в непосредственной бпизости от рычага, обхватывающей ход измерительных пучей,Еспи определенное попожение лежит внеоптической оси, что, как правило, имеетместо при такого рода измерениях, тоэти интерферометрические измерения провести невозможно,Цепью изобретения является расширение воэможностей устройств для интерферометрических, измерений расстояний иизменений расстояний,В основу изобретения попожена задачасоздать интерферометрическое устройстводпя измерения расстояний и изменениярасстояний между смещенным в любомнаправлении от оптической оси обьектоми точкой фиксации,Согпасно изобретению эта задача втаком устройстве, вкпючающем в себямонохроматический источник света, раздепяюшие пучи элементы, один ход изме"ритепьных лучей и один ход пучей сравнения, а также фотоэпектрический приемник, решена тем, что в ходе иэмеритепных пучей предусмотрены оптические эпе063 1стояния между обьектом и точкой фиксации и в том спучае, если объект смещен по направлению, т.е. лежит вне оптической оси хода измерительных лучей. Таким образом, отпадает необходимость в напв 3 1037менты для образования расходящего пучка света в обпасти объекта, а в ходелучей сравнения - отображающие и управляющвэ оптические эпементы для образования пучка сравнения, эквивапентногопо адэртуре и наравпению, отраженномуот объекта пучку света, предусмотренсодержащий отдельные фотоактивные эпементы ппоский и подавпяющий составпяющие постоянного света фотоэпектричеокий приемникеПредпочтитепьным явпяется то, чтокак.в ходе измерительных пучей, так ив ходе лучей сравнения предусмотренырасширяющие лучи афокапьные оптические системы и отнесенные к иим матовые стекла, причем эти матовые стекпарасположены со стороны источника светав фокапьной ппоскости линз, одна из которых проектирует одно матовое стекпона фотоэлектрический приемник, а другаяпроектирует второе матовое стекло в направпение .световоэвращатепя, соединенного с объектом,При этом в хоае осветительных пучейраспопожена оптоакустическая ячейка ипиаругой эпектрооптический эпемент днярасщепления исходящего от источникасвета пучка на пучки 0-го и 1-го порядка, причем пучок 0-го порядка предусмотрен дпя хода нзмеритепьных пучей, а30пучок 1-го порядка - для хода пучейсравнения,Световоэвращатель в ходе иэмеритепьных лучей сфокусирован на поповину средней измеряемой длины : И- причем З 5апертура световозвращателя имеет такиепараметры, что непараппепьность интерферирующих фронтов волн не превышаетЛ(8, а в ходе измерительных лучей раоположена амппитуан.модулирующая ячейка.Соединенный с объектом световозвращатепь имеет выпуклую отражательнуюповерхность.Дпя регистрации аналогичных расстояниям и изменениям расстояний сагналовфотоэлектрический приемник имеет фотоактивный слой (в виде растра с перекрещивающими линиями), отдепьные фотоактивные элементы которого посредством 50общего емкостного связывающего элемента соедпнеюа с общим проводником, причем фотоэпектрический приемник настроениа опредепенные частоты падакхцего излучения. 55Такое интерферометрнческое устройство обпадает тем преимуществом, что онообеспечивает проведение измерений расчии механических и регулировочных средств, с помощью которых необходимо быпо бы произвоаить ориентировку хода измеритепьных пучей на объект при внеосевом попожении. Кроме того, расширяется область применения такого рода устройств,На фиг. 1 показан ход пучей интер ферометрического устройства, выпопненного в виде допперовского двухпучевого интерферометра с оптическим квантовым генератором; на фиг. 2 - принципиапьная схема фотоэнектрического приемника; на фиг. 3 - конструкция приемника; на фиг, 4 - схема прохождения сигнапа при обработке; на фиг. 5 - малогабаритное исполнение устройства, на фиг, 6 - устройство с выпуклым световоэвращатепем,Интерферомет рическое устройство (фиг.1) состоит из неподвижного базиса 1 авухнучевого интерферометра и соединенного с объектом (не показан) световозвращатепя 2, основными эпементами которого являются вогнутое эеркапо и линза, ( й - измеряемое расстояние мех- ду главными точками 3 и 4 пинэ о и 6).В таком устройстве источник 7 света, выпопненный в виде оптического квантового генератора, освещает оптоакустичеокую ячейку 8, которая пучок 8 света дифрагирует в оцредепенное чиспо дифракционных пучков, из которых пучок 10 О-го порядка предусмотрен дпя хода измеритепьных лучей, а пучок 11 1 го по рядка - дня хода пучей сравнения. Так , как пучок 0-го порядка обпадает наибоп шей допей энергии, то он спужит дпя освещения обпасти обьекта и имеет частоту колебаний Ч, генерируемую источником 7 света. Частота пучка 11 1-гопорядка модупируется посредством наводимой в оптоакустическую ячейку звуковой энергии (несущая частота), Она соотавляет таким образом Ч +1. Двеафокальные оптические системы 12, 13и 14,15 представленные пинзами, расширяют пучки 10 и 11. Вкпюченные эа этими афокальными системами рассеивающие свет эпементы в форме матовых стекол 16 и 17 придают пучкам 10 и 11необходимую для последующей измерительной оптики расходимость. Для пучшего понимания матовые стекла 16 и 17распопожени цоэади афокапьных систем12,13 и 14, 15. Еспи они распопожееа310370 перед афокальными системами, то их действие явпяется более фуревновешенным. Расщепитепь пучков 18 направляет пучок 10 0-го порядка к служащей в качестве измеритепьной пинэы пинэе 5 которая при отображении эпвмента поверхности матового стекла 16 в бесконвчюсть рассеивает свет, в области обьекта. Собранюй световозвращатепем 2 пучок 10 направляется в себе самом 1 О обратно и с помощью линзы 5 к фото электрическому приемнику 19. В ходе лучей сравнения с пучком 11 1-го поряд ка линза 2 и расщепитепь пучка 21 про- ектируют свет на фотоэпектрический приемник 19, причем свет пучка 11 по апертуре и направлению совпадает с ото-, браженным световоэвращатепвм 2 светом. Оба пучка 10 и 11 интерферируют. В месте иэображения интерференционной картины фотоэлектрический приемник 19 принимает наведенную несущую частотуи пропорционапьную смещению объекта допперовскую частоту Е . Приемник 19 нечувствитепен по отношению к состав д 5 ляющим постоянного света (фиг.2 и 3) .фотоэнектрический приемник 19 (фиг.2) имеет на подложке 25 фотоактивный спой 26, который посредством эон 27 в виде растра с перекрещивающимися пи- З ниями раздепен на множество отдельных элементов 28, которые с помощью емкостных связывающих элементов 29 сое-динены с общим проводником 30. Ввиду емкостного сопротивления связывающих элементов 29 подавляются составляющие35 постоянного света, сигналы же переменного света, на частоту которых настроена емкость, направляются к выходу провод ника 30, причем и в том случае, еспи . они происходят только от отдельных эпементов 28 фотоактивного споя 26 приемника 19. Эпементы 28, на которые воздействуют составляющие постоянного света, в противоположность, этому, не подают электрический сигнап к проводни- ку 30.В приемнике 19 (фиг.3) в качестве проводника 30 предусмотрена, например, покрытая проходящим метаппическим слоем стеклянная пластина. Пластина имеет нанесенный слой диэпектрика 31, толщина которого согпасована с требуемой ем костью, опредепяемой величиной отдельных эпементов 28 и несущей частотой ЕЧ, Элементы приемника могут быть построены иа базе интегральных схем с применением согласованных копебатепьных контуров. Схема прохождения сигюпов 63 Ф(фиг.4) схематически показывает обрабогку свяэаюной с несущей частотойдрпперовской частоты , реэупьтатомкоторой является попучвние обрабатываемого далее сигнала. На ней также пока,.заны генератор 35синусоидапьных кодебаний и смеситепь 36 Здесь производится отдепение допперовской частотыот несущей частоты ЕЧ. Освобожценныйот несущей частоты Есигнал с допперовской частотой У .дпя дапьнейшей обработки может быть подан к счетчикуимпульсов (не показан) с целью определения попожвния объекта.Доплеровский цвухпучввой интерфе рометр с оптическим квантовым генератором (фиг.б) имеет базис 41 и световоэвращатепь 42, который соединен с объектом. Пучок света, исходящий от источника света (не показан) проходит диафрагму 43 и посредством расщепителя44 пучка делится на ход измерительныхлучей и на ход лучей сравнения. Лучсравнения падает на слабо отражающеезеркало 45 сравнения и посредствомрасщепитепя пучка 44 направляется нафотоэлектрический приемник 46. Измерительный ппуч проходит амппитудно-модупирующую ячейку 47 и посредством измерительной линзы 48 в форме сферических вопирассеивается в область объекта. В таком устройстве свет в ходеизмеритепьных кучей и ходе лучей сравнения имеет одну и ту ке частоту 13,Одна часть рассеянного света в ходе измеритвпьных лучей падает на несфокусированный на бесконечность световозвращатель 42, Он фокусирован на фокусноерасстояниеХ=п/2, причем 0 щ средняяизмеряемая длина, Апертура световозвращатепя 42 имеет такие параметры,что непараллельность интерферирующихфронтов волн не превышает 3/8, где- дпина волны света,Измерительный пуч возвращается всамом себе обратно и эа счет движениясветовозвращатель приобретает цопперовское смещение Ч+ Ер . Поспе повторного прохожцения ячейки 47 достигаетсяпопная модуляция амплитуды. Частотане изменяется. На поверхности расшепитепя пучка 44 происходит интерференцияпучков измеритепьных лучей и лучейсравнения, Приемник 46 принимает вместе попадания объединенного интерферирова нного пучка амппитудно-модулированное с частотой Доппера,+ 1 р изпучвние несущей частоты ЕЧ, Сигнап, формируемый приемником 46, подается на7 1037063 8 устройство обработки сигнапов дпя по- мерительных пучей 64 до Ч + ЕПолучения анапогичной вепичины, соответсэ- средством пинзы 67 свет хода нэмернвующей измеряемому расстоянию 0,тельных лучей 64 рассеивается и откпоИзмеряемое расстояние 8. (фиг.5) - это няется призмой 68 так, что мнимое нарасстояние между фокусом 49 измеритель- чапо сферических вопи нежит в главной ной линзы 48 и внешней главной точкой . точке 3 пиизы 5 со стороны объекта.50 световозвращателя 42. ИзмерениеОдна часть отраженного от рефлектора расстояний с помощью световозвращате света отображается пинзой 5 в виде пей зависит от параппепьности смещения кружка рассеяния на приемник 19. Свет в пространстве. 10 хода измеритепьных лучей 64 в связиОднако имеются движения подачи, ко- со смещением обьекта имеет в атой точторые производятся при вращении вокруг ке частоту .Ч + , + Е. В ходе лучей одной инн нескольких осей и исключающие 65 сравнения пннэа 69 и призма 70 расприменение этих световоэвращатепей, сеивают свет так, что создается впечат. Нри этом предпочтительным является, 15 .ление, как будто свет исходит от гпавной "применение сферических, имеющих выпукную, точки 4 линзы 71. Задачей пинзы 72 и отражающую поверхность рефлекторов(фиг. рефлектора 73 явпяется формирование6). Наряду с нечувствитепьиостью к враще- пучков сравнения, которые во всех полонию они обпадают тем преимуществом, что жениях обьекта совпадают с ходом иэпутем выбора радиуса отражающей по- д мерительных пучей 64 по направпению, верхности измеряемая точка может быть виду иэображения и по апертуре. Свет перенесена в жепаемые плоскости, оси .-хода измерительных лучей и хода лучей и точки, так что уменьшается впиякие 64 и 65 сравнения интерферируют на раопогрешностей поиожения вращения систе- щепнтепе 63. Приемник 19 принимает мы объект - рефлектор. Кроме того, тад. частоту биений Е +. ПллучениФ сщ кого рода устройства применены в тех- папа с частотой + К дпя определения нике измерения расхода. направпений и скоростей производитсяГлавными уэпами устройства (фиг,6) (фиг.4) с помощью смеситепя. явпяются базис 61 и. сферический рефпек- Изобретение позволяет расширить воз тор 62.-Испускакийий монохроматичес-: зо можности устройств для интерферометри-) кий свет источник 7 света образует с по- ческих измерений расстояний и йзмемощью слабо отражающего расщепитепя пений расстояний.63 излучения ход измеритепьных Признано изобретением по результатампучей и ход пучей 64 и 65 срав- экспертизы, осуществпенной В едомствомкения. Эпектрооптический элемент 5 по иэобретатепьству Германской Демокра-66 смещает частоту иэпучення хода из- тической Республики.1037063 89/41 Тираж 602 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР но депам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская иаб