SU1132147A1 - Laser displacement interferometer - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к инте ферометрам, предназначенным дл  измерени  таких физических величин как длина, скорость, углы поворотов показатель преломлени  вещества и т.п. путем сравнени  измер емой длины с длиной волны стабилизирован ного по частоте лазера, и может ыть использовано дл  решени  задач контрольно-измерительной техники на производстве ив научном экспери менте, например дл  из1№рени  угловых перемещений дифракционной решет ки спектрометра. Известен лазерный интерферометр перемещений, например, инте1)ферометр ФОУ-1, который содержит послед вательно расположенные осветитель, светоделитель, вьтолненный в виде двух плоскопараллельных пластин, установленных с возможностью регулировки взаимного расположени  и об разующих пр мой двугранный угол, биссекторна  плоскость которого параллельна.оси осветител  и направ лению измер емого перемещени , подвижиый уголковый отражатель и прием но-регистрирукнцее устройство ij . Точностные возможности такого инте1 ферометра полностью реализуютс при достижении бесконечной вшрины полосы интерференционных картин (ровное световое поле), дл  чего, полный отражающий угол уголкового отражател  8Сг)должен быть точно вдвое больше угла между светоделите ными поверхност ми (9СР). Дл  реализа ции этого равенства снетоделительны пластины установлены с возможностью взаимных юстировочных перемещений, причем достаточной  вл етс  регулировка по одной угловой степени своб ды. Однако вследствие нежесткости конструкции светоделител  в интерферометре возможны неконтролируемые /в процессе измерений перемещени  его элементов еще по шести степен м свободы, св занные с по влением дополнительной разности кода интерферирующих , пучков, т.е. привод щие к ошибкам в измерени х. Кроме того, дополнительные отражени  света от граней пластин, пара лельных светоделительным сло м, привод т к образованию дополнительных интерференционных картин, наложенных на основные,что уменьшает глубину модул ции информационных сигналов и нарушает их фазировку. И 7 чем обусловлена необходимость применени  диафрагм или светорассеивающих фильтров, внос щих, в свою очередь, значительные потери света, что, в конечном счете, значительно ухудшает точность измерений. Наиболее близким к изобретению по те хнической сущности  вл етс  лазерньй интерферометр перемещений, содержащий осветитель и расположенные по ходу его лучей светоделитель, две светоделительные поверхности которого образуют пр мой двугранный угол, биссекторна  плоскость которого параллельна направлению измер емого перемещени , уголковый отражатель , св зываемый с объектом, и приемно-рёгистрирующее устройство 2. В этом интерферометре светоделитель выполнен в виде параллелепипеда с встроенными в него двум  еветоделительными поверхност ми, образующими пр мой двугранный угол, биссекторна  плоскость которого совпадает с плоскостью симметрии параллелепипеда и параллельна оси осветител  и направлению измер емого перемещени . Основной недостаток интерферометра заключаетс  в невозможности регуглировки ширины интерференционных полос, вследствие чего отсутствует возможность исключени  вли ни  погрешности изготовлени  пр мых углов призм отражател , св зьшаемого с объектом, светоделител  и его частей на точность измерени . Таким образом, точность измерений-зтим интерферометром ограничена погрешностью изготовлени  призм и не может быть улучшена путем юстировки интерферометра . Кроме того, наличие светопреломл ющих граней, параллельных волновому фронту проход щего через них излучени , обуславливает дополнительные отражени  и интерференцию света, привод щие к образованию дополнительных интерференционных картин, наложенных на основные, что ухудшаетфункцию видимости интерференционной картины и, следовательно, приводит к заметному снижению точности измерений . Наличие узла визуального контрол , на который посто нно/включа  и врем  измерени ) отводитс  значительна  дол  энергии исходного лазерного луча, также уменьшает уровень сигналов фотоприемников и защищенностьThe invention relates to a measurement technique, in particular, to an interferometer, designed to measure such physical quantities as length, speed, angle of rotation, the refractive index of a substance, and the like. by comparing the measured length with the wavelength of a frequency-stabilized laser, and can be used to solve problems of instrumentation technology in production and in a scientific experiment, for example, to measure the angular displacements of the diffraction grating of the spectrometer. A laser interferometer of displacements is known, for example, an inter1 ferometer FOU-1, which contains successively arranged illuminator, beam splitter, made in the form of two plane-parallel plates, installed with the possibility of adjusting the mutual arrangement and forming a right dihedral angle, the bisector plane of which is parallel. the illuminator and the direction of the measured movement, the moving corner reflector and the recording and recording unit ij. The accuracy capabilities of such an interferometer are fully realized when the band of interference patterns reaches an infinite width (level light field), for which the total reflecting angle of the corner reflector 8Cg) must be exactly twice the angle between the beam-splitting surfaces (9СР). To realize this equality, the splitting plates are installed with the possibility of mutual adjustment movements, and adjustment of one angular degree of freedom is sufficient. However, due to the non-rigidity of the beam splitter design in the interferometer, uncontrolled (during the measurement process) displacements of its elements in another six degrees of freedom are possible due to the appearance of an additional difference in the code of the interfering beams, i.e. leading to measurement errors. In addition, additional reflections of light from the faces of the plates parallel to the beam-splitting layers result in the formation of additional interference patterns superimposed on the main ones, which reduces the modulation depth of the information signals and disrupts their phasing. And 7 what is the reason for the need to use diaphragms or light-scattering filters, which, in turn, introduce significant losses of light, which, ultimately, significantly degrades the accuracy of measurements. The closest to the invention in terms of its technical nature is a laser interferometer of displacements containing a illuminator and a beam splitter along its rays, two beam-splitting surfaces of which form a right dihedral angle, the bisector plane of which is parallel to the direction of the measured displacement, an angular reflector associated with the object and receiving and registering device 2. In this interferometer, the beam splitter is made in the form of a parallelepiped with two branching points built into it constituting the right dihedral angle, the bisector plane of which coincides with the plane of symmetry of the parallelepiped and parallel to the axis of the illuminator and the direction of the measured displacement. The main disadvantage of the interferometer lies in the impossibility of adjusting the width of the interference fringes, as a result of which there is no possibility of eliminating the influence of the error in the manufacture of the right angles of the prism of the reflector associated with the object, the beam splitter and its parts on the measurement accuracy. Thus, the accuracy of measurements with this interferometer is limited by the error in the manufacture of prisms and cannot be improved by adjusting the interferometer. In addition, the presence of light refracting faces parallel to the wave front of the transmitted radiation causes additional reflections and interference of light, leading to the formation of additional interference patterns superimposed on the main ones, which impairs the visibility of the interference pattern and, consequently, leads to a noticeable decrease in accuracy measurements. The presence of a visual control unit, to which constant / on and measurement time) a significant portion of the energy of the original laser beam is given, also reduces the level of the photodetector signals and the security

3 П3 P

интерферометра, например, от световых помех, т.е. .снижает помехозащищенность , а в конечном счете и точность измерени .interferometer, for example, from light interference, i.e. Reduces noise immunity, and ultimately, measurement accuracy.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени .The aim of the invention is to improve the measurement accuracy.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в лазерном интерферометре перемещений, содержащем осветитель и расположеньше по ходу его лучей светоделитель, две светоделительные поверхности которого образуют пр мой двугранный угол, биссекторна  плоскость которого параллельна направлению измер емого перемещени , уголковый отражатель, св зываемый с объектом , и приемно-регистрирующее ycTpofhcTBO, светоделитель выполнен в виде равнобедренной трехгранной призмы на катетных гран х которой выполнены светоделительные поверхности , осветитель расположен так, что его оптическа  ось перпендикул рна к биссекторной плоскости пр мог о двугранного угла, а осветитель и светоделитель установлены с возможностью юстировки взаимного расположени .This goal is achieved by the fact that in a laser interferometer of displacements containing an illuminator and along its rays a beam splitter whose two beam-splitting surfaces form a right dihedral angle, the bisector plane of which is parallel to the direction of the measured displacement, is an angular reflector associated with the object and a receiving -registering ycTpofhcTBO, the beam splitter is made in the form of an isosceles trihedral prism on whose catheter faces are beam splitting surfaces, the illuminator is located The optical axis is perpendicular to the bisector plane of the dihedral angle, and the illuminator and the beam splitter are installed with the possibility of aligning the relative position.

На чертеже изображена оптическа  схема лазерного интерферометра перемещений .The drawing shows an optical scheme of a laser interferometer displacement.

Интерферометр содержит осветитель 1, светоделитель 2, выполненный в виде равнобедренной трехгранной призйы, на катетные грани 5, и 62 которой нанесен полупрозрачный зеркальньш слой, с гипотенузной гранью 5 и биссекторной плоскостью пр мого двугранного угла А - А , расположенной перпендикул рно к оси осветител  О-О и параллельно направлению измер емого перемещени  Х-X , уголковый отражатель 3, устанавливаемый на объекте(не показан), величина и направление перемещений которого измер ютс , приемно-регистрирующее устройство из четвертьволнвой пластинки 4, пол ризационных фильтров 5, установленных перед фотоприемниками 6, подключенными к блоку 7 электроники, исходный лучThe interferometer contains an illuminator 1, a beam splitter 2, made in the form of an isosceles trihedral prism, on the leg faces 5, and 62 of which are applied a translucent mirror layer, with a hypotenuse face 5 and a bisector plane of the right dihedral angle A - A, perpendicular to the axis of the illuminant -O and parallel to the direction of the measured movement X-X, a corner reflector 3 mounted on an object (not shown), the size and direction of which movements are measured, a quarter-wave receiving and recording device plates 4, polarization filters 5, installed in front of the photodetectors 6, connected to the electronics unit 7, the source beam

Интерферометр работает следующим образом.The interferometer works as follows.

Исходный луч IQ формируетс  осветтелем I. Вследствие того, что светоделитель 2, В1 шолненный в виде равнобедренной трехгранной призмы, установлен перпендикул рно к оси ,0-0 осветител  1 своей биссекторнойThe original beam IQ is formed by the illuminator I. Due to the fact that the beam splitter 2, B1 is filled with an isosceles trihedral prism, is set perpendicular to the axis, 0-0 illuminator 1 with its bisector

2147 . А2147. BUT

плоскостью Д-Д пр мого двугранного угла, образованного гран ми Sj и 5 исходный луч 10 расщепл етс  гранью на преломленный i, и отра5 женный ti компоненты. Оптическа  длина пути луча i, отраженного гранью 5 на ее середине (полное внутре 1нее отражение) , образует длину опорного канала интерферометраby the D – D plane of the direct dihedral angle formed by the faces Sj and 5, the source beam 10 is split by the face on the refracted i, and the reflected ti components. The optical path length of the beam i, reflected by the face 5 at its middle (total reflection inside), forms the length of the reference channel of the interferometer

O На светоделительной грани 5- луч 1 опорного канала расщепл етс  на преломленный j и отраженный i „ компоненты, которые интерферируют соответственно с отраженным i , иO On the beam-splitting face 5-beam 1 of the reference channel is split into refracted j and reflected i components, which interfere with the reflected i, respectively, and

«; преломленным t j, компонентами луча iij измерительного канала, направленного на грань 52уголковым отражателем 3. Интерферирующие лучи (один из которых выводитс  через“; by the deflected tj, by the components of the beam iij of the measuring channel directed to the edge 52 of the corner reflector 3. The interfering rays (one of which is output through

0 грань воспринимаютс  приемно-0 face perceived acceptance

регистрирующим устройством, на фотоприемниках 6 которого формируютс  интерференционные картины с взаимным фазовым сдвигом на 90 дл  обеспече5 ни  автоматического измерени a recording device, on whose photodetectors 6 of which interference patterns are formed with a mutual phase shift of 90 to ensure 5 automatic measurement

реверсивных перемещений. Регулировкой угла падени  луча fg на грань . 5( измен ют щирину интерференционных полос до достижени  равномерно освещенного пол  интерференции (бес0 конечной ширины полоски фиксируют расположение элементов интерферометра на все последующее врем  эксплуатации интерферометра.reverse movements. By adjusting the angle of incidence fg on the face. 5 (change the width of the interference fringes until a uniformly illuminated interference field is reached (an infinite width of the strip fixes the arrangement of the elements of the interferometer for the next period of operation of the interferometer.

Новое конструктивное выполнениеNew constructive implementation

5 светоделител  2 и новое взаимное расположение элементов позволило использовать преломл ющие свойства равнобедренной трехгранной призмы, что привело к образованию новых5 beam splitter 2 and the new mutual arrangement of the elements allowed the use of the refractive properties of an isosceles trihedral prism, which led to the formation of new

0 зависимостей между угловыми размерами призмы и углом отклонени  осевого луча осветител  1 призмой. Это в свою очередь позволило скомпенсировать ошибки изготовлени  пр мого0 dependences between the angular dimensions of the prism and the angle of deflection of the axial ray of the illuminator 1 by the prism. This in turn made it possible to compensate for errors in the manufacture of direct

5 угла призмы регулировкой взаимного расположени  элементов.5 prism angle adjustment of the relative position of elements.

Таким образом, в предлагаемом интерферометре реализованы как. жесткость конструкции, так и возможностьThus, in the proposed interferometer are implemented as. stiffness of the structure and the possibility

0 регулировки ширины полос, чем обеспечен более высокий предел точности измерений.0 adjustment of the width of the bands, than provided a higher limit of measurement accuracy.

Вследствие нового конструктивного выполнени  светоделител  и новогоDue to the new constructive implementation of the beam splitter and the new

5 расположени  элементов в интерферометре отсутствуют дополнительные интерференционные картины и их суперпозици  с основными, чем5 arrangements of elements in the interferometer there are no additional interference patterns and their superposition with the main ones than

S11321476S11321476

уменьшены энергетические потери, . более высокое качество измерительной улучшена функци  видимости интерферен информации, определ кнцее и лучшие ционной картины, т.е. получено точностные характеристики.reduced energy losses,. The higher quality of the measurement improved the function of visibility of the interferon information, defining a better and better picture, i.e. obtained accuracy characteristics.

Claims (1)

ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий осветитель и расположенные по ходу его лучей светоделитель, две светдделительные поверхности которого образуют прямой двугранный угол, бнссекторная плоскость которого параллельна направлению измеряемого перемещения, уголковый отражатель, связываемый с объектом, и приемно-регистрирующее устройство, о_т л и ч ающийс.я тем, что, с целью повышения точности измерения, светоделитель выполнен в виде равнобедренной трехгранной призмы, на катетных гранях которой выполнены светоделительные поверхности, осветитель расположен так, что его оптическая ось перпендикулярна к биссекторной плоскости прямого двугранного угла, а осветитель и светоделитель установлены с возможностью юстировки взаимного расположения .A LASER MOVEMENT INTERFEROMETER containing a illuminator and a beam splitter located along its rays, two light-separating surfaces of which form a right dihedral angle, the plane of which is parallel to the direction of the measured movement, an angular reflector connected to the object, and a receiving and recording device that is free of radiation. I mean that, in order to improve the accuracy of measurement, the beam splitter is made in the form of an isosceles trihedral prism, on the cathete faces of which a beam splitter is made -surface, the illuminator is arranged so that its optical axis is perpendicular to the bisector plane of the dihedron direct and illuminator and a beam splitter mounted for adjusting the mutual arrangement. GO Ю мGO Yu m >>