Фазовый фотоэлектрический интерферометр
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
33977!
Юсвз Советских
Соцналистических республик
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 18.XII.1970 (№ 1606566/25-28)
I с присоединением заявки ¹
Приоритет
Опубликовано 24Х.1972. Бюллетень ¹ 17
Дата опубликования описания 28Х|.1972
М. Кл. С 01Ь 9/02
Комитет по делам иаооретений и открытиЯ при Совете Министров
СССР
УДК 531.71. .1.(088,8) Автор изобретения
В. И. Телешевский
Московский станкоинструментальный институт
Заявитель
ФАЗОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
ПОДВИЖНЫХ ОРГАНОВ МАШИН
Предлагаемый интерферометр относится к области измерительной техники, в частности к фотоэлектрическим интерферометрам, пред назначенным для измерения и контроля линейных перемещений подвижных органов в прецизионных металлорежущих станках,-йзмерительных машинах и приборах, в устройствах автоматического управления.
Известен фазовый фотоэлектрический интерферометр для измерения линейных перемещений подвижных органов станков, содержащий монохроматический,источник света, напр имер лазер, оптическую систему для расширения светового потока, разделительную пластину, делящую световой поток на два пучка, призму полного внутреннего отражения, закрепляемую íà подвижном органе ста нка и отражающую один из световых пучков, полупрозрачное зеркало, собирающее оба световых пучка, модулятор, выполненный в в|иде прозрачного тела с плоскопараллельными гранями и установленный по ходу одного из пучков между разделительной пластиной и полупрозрачным зеркалом, электронный генератор стабильной частоты, возбуждающий в модуляторе бегущую ультраз|вуковую волну, линзу, установленную за полупрозрачным зеркалом, фотоприемник, преобразующий поле интерференции световых пучков в электрический си|гнал, с щелевой диафрагмой, установленной в фокальной плоскости линзы в области одного из максимумов, первого порядка картины дифракции света на ультразвуковой волне, резонансный электронный усилитель, настроенный на частоту ультразвуковой волны в модуляторе и присоединенный к выходу фотоприемника, цифровой фазометра, присоединенный к выходу резонансного усилителя, с реверсивным счетчиком целого числа фазовых циклов. Фаза сигнала сравнивается на цифровом фазометре с гармоническим сигналом ультразвукового генератора.
Однако известные устройства обладают недостатками: выбор сигнала ультразвукового генератора в качестве опорного при измерении фазы сигнального пучка оставляеч нескомпенсированным влияние на показания иитерферометра оптических неоднородностей атмосферы (турбулентности, температурных и других флуктуаций показателя преломления воздуха и т. и.), так как в фотосмешенин участвует толь ко один максимум (+.1-ый) дифракционного спектра в опорном пучке, а остальные порядки спектра практически не используются.
25 Это ограничивает снижение интенсивности опорного пучка и мощности источника света, а следовательно, повышение стабильности измерения; расширение светового потока осуществляется сразу после выхода его из источника
30 света (лазера) до расщепления на два пучка, 339771
1 (2;. — « ) (<)) сигналье1ая
И Oil)OP;!all (4) Широкий сигнальный пучок более подвержеи влиянию указанных выше оптических неоднородностей атмосферы, вследствие чего возможно нарушение его поперечной когерентносгн (плос 010 волнового фронта), что Olра>касзся на стабильности фазы сигнала разностной частоты прп фотосмешении.
Предлагаемы!1 интерферометр отличается от известных тем, что он снабжен дополнительным фотоприемником с щелсвой диафрагмой, установленным за фокаль(!ой плоскостью л гизы в области интерференции световых волн максимумов нулевого и первого порядковкарTill! дифракц!!1!7 допол!и!т льны 7! резон!1нсным электронным усилителем, н.:!строен!!ыч на IilC ОтУ УЛЬтРаэ(777ГКОВой I)0 III!71 В . 7!ОД Л !тоРЕ II присоединенным к выходу допол(штельного фотоприемника; дополнительный резо!(ансный усилитель присоединен к одному из входов цифрОВОГО фазометра7 а оптическая система расширения светового потока уста(ивле IH Iio ходу одного из световых пучков между разделительной пластиной и модулятором. Это повышает стабильность измерения !1!Iòcðôåðîметра.
На чертеже изображена принциппальна1! схема фазового фотоэлектрического и нтерферометр.
Предлагаемый питер феромстр содержит монохроматический нсточнспк колл.!мпрованпого светового потока, например лазер. Св (ово!1 поток лазера 1 расщепчяется разделительной пластиной 2 на два пучка, один пз «оторых 8 является сигнальным (закрашен черным), другой 4 — онори !7! м, 7HI II3,2171117111 11> lol< 8, р ICIlpoстраняясь в атмосфере II;l заданное pllccT021нне, отражается от призмы 5 полного впутр -инего отражения, возвращается обратно в оптическую схему б интерферометра. Призма 5 устанавливается на контролируемом подвижном органе станка или машины и перемещается вместе с этим органом относительно cxi .мы 6.
Опорный пучок 4 расширяется оптической системой 7, выполненной в виде зритель!1ой з!рубы, и в <))орме параллельного пучка направляется на ультразвуковой д1!фракциз!!!!ы1! модулятор света 8. Модулятор света 8 выполнен в виде оптически и!розрачного тела с плоскопараллсльными гранями, например, из кварца, в I
10 образуется дифраксционпый спектр, содержащий ма!1<симум нулевого и 4- 1-го порядт<ов.
В месте дсифракционного максимума + 1-ого порядка расположена щелевая диафрагма 11 с фотоприемником 12, регистрирующим поле интерференции сигнального пучка 3 с дифракционным максимумом -+- 1-ого порядка опор5
65 ного пучка, С этой целью между модулятором
8 и линзой 10 установлено полупрозрачное зеркало 18, отъюстированное так, чтобы ск<гнальный пучок после возрата в схему б накладывался в фокальной плоскости линзы 10 на ма!ксимум -1- 1-oro порядка.
Световые волны двух д ру!гих максимумов дифр,акционной картины †нулево и — 1-ого ничем не диафрагмируются и перекрываются за фокальной плоскостью линзы 10, образуя второе пнтерференционное поле. В месте пере7крытия этих вол!н устанавливается щель 14 с фотоприемником 15,,регистрирующим это интерферснщионное поле.
Сигналы с фотоприемпит<ов 12 и 15 поступают в электронную часть устройства. Она состоит из резонансных усилителей 16 и 17, настроенных на частоту ультразвуковой волны и присоединенных соответственно к фотоприемн<икам 12 и 15. Усиленные сигналы с фотоприемников далее сравниваются 110 фазе в цифровом фазометре 18, для чего оба резонансных усилителя 1б и 17 присоединены ко входам фазометра. Величина линейного перемещения подвижного отражателя 5, пропорциональная разности фа этих сигналов, представляется в цифровой форме в блоке цифровой индикации 19.
Предлагаемое устройство действует след)ющпм образом.
Световой лоток,,выходящий из лазера 1, представляет собой плоскую световую волну
Ео 1 (1) где Е!! — ампл.итуда волны, 1 Π— оптическая частота.
Из разделительной пластины 2 выходят две световые волны:
Е 1l (2 v„f «z) (3) где Е,, Е,„ †амплиту сигнальной и опорной волн соответственно, 2 -.
1(= — — оптическое волновое число, /, Х вЂ” длина волны света, х, Z — направления распространения сигнальной и опорной волн соответственно.
Сигнальная волна от точки выхода (пластина
2) из оптической схемы интерферометра до точки обратного входа в схему (зеркало 18) проходит путь, равный 2L+L, изменяющийся при перемещении отражающей призмы 5, где 1 — постоянный путь волны в призме. Следовательно сигнальная волна (2) сна входе оптической схемы интерфе рометра выражается в виде:
71 (2 V7f — 2«Е — 2«L )
1: с
7 а в фокальной плоскости линзы 10
i (27:Vîf- —" L — б, 1
Е1 — Е, 1
339771
5 где 6 — фазовые .набеги сигнальной волны ч ,промежутке от зеркала 18 до фокальной плоскости линзы 10 (плоскости щели 11) и в пр изме 5, имеющие постоянную величину.
О порная волна 3 претерпевает дифракцию на ультразвуковом модуляторе 8. В модуляторе 8 распространяется бегущая ультразвуковая волна: р(1х) = р, cos(2 ft — Ах), (6) где pp — амплитуда звукового давления в .волне, t — частота ультразвука, 2;, Й = акустичеокое волновое число
).
Х вЂ” длина ультразвуковой волны, Как известно, звуковая волна небольшой интенсивности создает в прозрачной среде распределение показателя оптического преломлен ия, пропорциональное звуковому давлен ию 5, Таким образом, показатель преломления среды модулятора 8 описывается выражением:
n (xt) = и, + An, cos (2 ft — kx), (7) где np — показатель преломления среды, не возмущен ной ультразвуком;
Anp — амплитуда переменной составляющей показателя преломления, Плоская опорная световая волна 8 на выходе из модулятора 8 имеет ванд:
1) (2;. (/ю/ — At-I Ы (8) оп т где ЛΠ— фазовая модуляция волны, обусловленная переменным показателем преломления (7); б — постоянный фазовый набег в оптических элементах схемы.
Так как ультразвуковая волна в модуляторе 8 плоская, то
ЛО =- 1т,l+LAn, 1.cos(2-,.ft — йх), (9) где 1- — глубина звукового поля (размер модулятора в направлении света) . Величина
a=A An l является амплитудой фазовой модуляции световой волны. Тогда в выходной плоскости модулятора 8 опорная световая волна выра>кается в виде: д /. lt (2;.Vot — kttol — а oos (2rft — /х) — бг) (10)
Дифракция света на ультразвуке заключается в том, что на выходе из акустического
I модулятора световое поле Е распадается на ряд параллельных пучков — дифракционных максимумов, распространяющихся под соответствующими углами. Пренебрегая дифракционными максимумами +- 2-oro и более высоких порядков .в силу пх малости, ограничиваются упрощенной картиной дифракции за выходной плоскостью модулятора 8. Тогда ди фракцию можно представить как разделен не параллель ного опорного пучка на три параллельных пучка: нулевого и + 1-ого порядков. Пучок нулевого порядка направлен вдоль оси Z, т. е. совпадает по направлению с опор5
65 ным пучком до модулятора 8. Пучки первых порядков направлены на разные стороны оси
Z под углами +- — к ней. Пространственное
Л разделение дифракционных пучков происходит в фокальной плоскости линзы 10. В этой плоскости образуется три точечных изображения максимумов: нулево го порядка — на оси Z и + 1-ого порядков по обе стороны оси Z на
/, расстоянии d= — F, где F — фокусное расЛ стояние линзы.
Амплитуда световой волны в максимуме
+ 1-oro порядка равна
E(+ 1) = E lt (///t"r — б,) 1 (a) l/2 (% о+.1), (1 1) амплитуда световой волны в максимуме — 1-ого порядка
Е(1) E 1/(k/t r б) 1 () 1/ (о У) (12)
Амплитуда световой,волчины в максимуме нулевого порядка
Е(0) =Е, I " ") .1,(а) 1 " . (13)
Как видно из выражений (11 — 13), являющихся результатом дифракции световой волны (12), оптические частоты в дифракционных порядках различны; в нулевом — Vp, в + 1-ом— (Vp+ f), в — 1-ом — (V — f).
Сигнальный пучок 4 с оптической частотой пнтерферирует с волной (13); так как фотоприемник 12 работает в режиме фотосмешения, на нем выделяется смнусоидальное напряжение U,(t), частота которого равна разности оптических частот световых волн (4) и (13):
Ucl(t) =-тЕ,Е, l,(à) cos ><
>(27 ft — — L — б, — б,+An,1 + — ", (14)
/. где т — постоянная фотопреобразованпя.
Обозначая сто все постоянные фазовые сдвиги U,(t), получаем
Uc(t) = т Е, Е,.1,(а) cos 2-ft — — L — ;, (15)
Выражение (17) означает, что на выходе усилителя 1б измерительный сигнал имеет частоту ультразвука f, а фаза его периодически изменяется при перемещении 1. подвижного отражателя 5. Нетрудно определить чувствительность интерферометра; прп измерении L
/i на —, т. е. на половину длины световой волны, фаза сигнала U,(t) изменяется на 360 .
Для Не-,Ne газового лазера 1=0,6 л(кль Если предположить, что фазометр имеет разрешающую способность 1, то чувствительность фазового фотоэлектрического интерферометра составит 0,003 л(кл(на один электрический градус фазы, Опорный электрический сигнал Uop(t), с которым сравнивается по,фазе сипнал Uo(t), образуется согласно предлагаемому изобретению
339771 (16) Составитель Н. Лобзова
Редактор В. Новоселова
Техред E. Борисова
Корректор T. Гревцова в результате фотоэлектрической регистрации поля интерферен ци41 световых волн (12) и (13). Так как в фокальной плоскости линзы10 волны пространственно разделены, их интерференция наблго дается за фокальной плоскостью. Оптические частоты волн Е (0) и Е (— 1) также отличаются на ), сами же волны пме;от неизменный фазовый сдвиг. Поэтому фотоприемник 15 с щелевой диафрагмой 14, расположенный в поле интерференции волн F. (0) и
Е (— 1), образует на выходе сигнал
U,„ (t) = mE (0) Е (— 1). 7, (а). 1, (а) ><
X cos
Как видно из выражения 16 частота сигнала U, (t) равна частоте ультразвука J, а фаза си пцала постоянна во времени. После соответствующего усиления в усилителях 1б и 17сигналы U,(t) и U«(i) сравниваются по фазе на фазометре 18, а перемещение L, пропорц гональное разности фаз сигналов Uc(t) и У,„(), представляется в цифровой форме в блоке цифровой индикациями 19, Предмет изобретения
Фазовый фотоэлектрический интерферомегр для измерения линейных перемещений подвижных органов машин, содержащий мо IOxpoматический источник света, например лазер, оптическую систему расширения светового потока, разделительную пластину, делящую световой поток на два пучка, призму полного внутреннего отражения, закрепляемую на подвижном о рга не машины и отража;ощую один из световых пучков, полупрозрачное зеркало, собирающее оба световых пучка, модулятор, выполненный в виде прозрачного тела с,плоскопараллельными гранями и установленный по ходу одного из пучков между разделительной
5 пластиной и полу прозрачным зеркалом, электронный ге нератор стабильной частоты, возбуждающий в модуляторе бегущую ультразвуковую волну, линзу, установлегпгую з l полупрозрачным зеркалом, фотоприемннк,,пр 10 образующий поле интерференции световых пучков в электрический сигнал, с щелевой диафрагмой, установленной в фокальной плоскости линзы в области одного из максимумов первого порядка картины дифракцчи света на ультразвуковой волне, резонансный электронный усилитель, настроенный на частоту ультразвуковой волны в модуляторе и присоединенный к выходу фотояг риемника, цифровой фазометр, присоединенный к выходу резонансного
2О усилителя с реверсивным счетчиком целого числа фазовых циклов, от гичагощийся тем, что, с целью повышения стабильности измерения, он снабжен дополнительным фогопрнемн;гком с щелевой диафрагмой, установленным за фокальной плоскостью линзы в обласги интерференции световых волн максимумов нулевого и первого порядков картины дифракции, дополнительным резонансным электронным усилителем, настроенным на частоту ультразвуко30 вой волны в мо дуляторе и присоединенным к выходу дополнительного фотоприемника; дополнительный резонансный усилитель присоединен к одному из входов цифрового фазометра, а оптическая система расширения светового потока установлена по ходу одного из сгетовых пучков между разделительной пластиной и модулятором.
Заказ 1833)1 Изд. № 716
Тираж 448 Подписное
ЦНИИПИ Когиитета по делам изобретений и открытий при Совете
Министров СССР
Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Типография, пр. Сапунова, 3
