CZ304317B6

CZ304317B6 - Interferometrická sestava pro diferenční měření vzdálenosti

Info

Publication number: CZ304317B6
Application number: CZ2012-912A
Authority: CZ
Inventors: Josef Lazar; Ondřej Číp; Jan Hrabina
Original assignee: Ústav přístrojové techniky Akademie věd ČR, v.v.i.
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-02-26
Also published as: CZ2012912A3

Abstract

Interferometrická sestava pro diferenční měření vzdálenosti obsahuje první a druhý hranol (1 a 2), jejichž průřezy rovnoběžné se základnami prvního a druhého hranolu (1 a 2) jsou pravoúhlé trojúhelníky. První a druhý hranol (1 a 2) přiléhají k sobě svými prvními stěnami (3, 4), které jsou protilehlé hranám, v nichž se sbíhají druhá a třetí stěna (9, 14 a 6, 12) prvního a druhého hranolu (1 a 2) pod pravým úhlem, v dělicí polarizační vrstvě (5). Interferometrická sestava dále obsahuje zdroj (19) záření vstupujícího do prvního hranolu (1) pod úhlem 45.degree. vůči dělicí polarizační vrstvě (5), první koutový odražeč (18) přiléhající k druhé stěně (6) druhého hranolu (2) v rovině rovnoběžné se vstupujícím zářením (7) a první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou (8) přiléhající k třetí stěně (9) prvního hranolu (1), která je protilehlá k druhé stěně (6) druhého hranolu (2) a je s ní rovnoběžná a je rovnoběžná s první a druhou měřenou plochou (10, 11), jejichž vzdálenost se měří. Podstatou řešení je, že ke třetí stěně (12) druhého hranolu (2), která je kolmá jak na druhou stěnu (6) druhého hranolu (2), tak i na třetí stěnu (14) prvního hranolu, přiléhají vedle sebe uspořádané druhý a třetí koutový odražeč (13 a 17), zatímco ke středové části druhé stěny (9) prvního hranolu (1) přiléhá druhá čtvrtvlnná zpožďovací deska (15), překrytá rovinným zrcadlem (16).

Description

Interferometrická sestava pro diferenční měření vzdálenosti

Oblast techniky

Vynález se týká interferometrické sestavy pro diferenční měření vzdálenosti.

Dosavadní stav techniky

Diferenční měření vzdáleností má v laserové interferometru své místo, měřením rozdílu polohy dvou objektů lze eliminovat zcela, nebo alespoň částečně, řadu parazitních vlivů, jako je vliv prostředí nebo teplotní dilatace materiálů. Pro diferenční měření bylo navrženo několik řešení, včetně toho nejprostšího, které představuje použití dvou nezávislých jednotlivých interferometrů.

Tento koncept je prezentován v návrhu WO 97/33205, kde jde o systém pro diferenční měření se dvěma jednotkami pro měření od rovinné plochy. Tyto jednotky jsou tradičního uspořádání. Návrh zahrnuje i variace pro vícenásobný průchod zvyšujíc í rozlišení v jedné z větví. Je tam také rozbor chyb pro úhlové natočení.

Obdobné řešení je v EP 1258781, kde je uvedeno diferenční měření a měření náklonu také prostřednictvím samostatných interferometrů. Není to kompaktní systém.

Specifický diferenční interferometrický systém je v EP 0104322, kde se jedná o diferenční interferometr v uspořádání pro měření rovinnosti povrchu. Měření probíhá ve dvou bodech, a to v ohniskách objektivu mikroskopu.

Další návrhy diferenčních interferometrů jsou uvedeny v WO 2003019110 a WO 2003019112. V prvním případě jde o diferenční měření ve dvou na sebe kolmých osách, případně diferenční měření v ose s pomocí přídavného zrcadla. Není zde kompenzace vlivu náklonu měřicí, resp. referenční, plochy. WO 2003019112 je totéž, s ještě více variantami uspořádání, citlivost na náklon měřených ploch je kompenzována koutovými odrážecí místo rovinných ploch. To je nepoužitelné pro souřadnicové odměřování, pokud se měřený objekt pohybuje kolmo na měřicí osu. Tím je využití velmi omezeno.

Je známo i řešení, popsané v EP 0227554 ajsou známy i variace na toto téma. Zde je diferenční interferometrický systém, který měří dvěma svazky vzdálenost mezi referenční plochou a měřicí plochou. Vyžaduje oddělenou dělicí desku pro rozvod vstupního svazku do hlavního hranolu, není to stabilní a kompaktní systém. Podobná řešení jsou např. EP0239506, kde místo jedné dělicí desky jsou dvě pomocné soustavy hranolů.

EP 0249564 představuje velmi podobné řešení, WO 1999042785 také, je zde ještě jiná varianta dělicí soustavy na vstupu, jsou zde jen naznačena polopropustná zrcadla. Totéž řešení je součástí i WO 1999042786. Obdobné řešení je WO 2010030179, opět se samostatnou dělicí soustavou na vstupu, sestávající z ještě více hranolů a optických komponentů.

Konečně pak WO 2003044598 navrhuje diferenční měření podle EP 0227554 a jemu podobných konceptů aplikované na refraktometrii, což je diferenční měření hodnoty indexu lomu vzduchu ve dvou optických drahách, ve vzduchu a ve vakuu.

Obecně lze říci, že u známých řešení je nutnou součástí sestavy oddělená soustava hranolů, rozdělujících vstupní svazek do dvou tras a pak opět spojující dva výstupní svazky do jednoho. Základní nevýhodu těchto známých řešení je, že v důsledku možných dilatací a omezené tuhosti celé sestavy dochází k chybám měření.

- 1 CZ 304317 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje interferometrická sestava pro diferenční měření vzdálenosti, obsahující první a druhý pravoúhlý hranol, to jest hranoly, jejichž průřezy rovnoběžné se základnami prvního a druhého hranolu jsou pravoúhlé trojúhelníky. První a druhý hranol přiléhají k sobě svými prvními stěnami v dělicí polarizační vrstvě. První stěny prvního a druhého hranolu jsou protilehlé hranám, v nichž se sbíhají druhá a třetí stěna prvního a druhého hranolu pod pravým úhlem. Dále tato interferometrická sestava obsahuje zdroj záření vstupujícího do prvního hranolu pod úhlem 45° vůči dělicí polarizační vrstvě, první kotoučový odražeč přiléhající k druhé stěně druhého hranolu v rovině rovnoběžné se vstupujícím zářením a první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou přiléhající ktřetí stěně prvního hranolu, kteráje protilehlá k druhé stěně druhého hranolu a je s ní rovnoběžná a je rovnoběžná s první a druhou měřenou plochou, jejichž vzdálenost se měří. Podstata vynálezu spočívá vtom, že ke třetí stěně druhého hranolu, kteráje kolmá jak na druhou stěnu druhého hranolu, tak i na třetí stěnu prvního hranolu, přiléhají vedle sebe uspořádané druhý a třetí koutový odražeč, zatímco ke středové části druhé stěny prvního hranolu přiléhá druhá čtvrtvlnná zpožďovací deska, překrytá rovinným zrcadlem.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn axonometrický pohled na příkladné provedení interferometrické sestavy pro diferenční měření vzdáleností podle vynálezu a na obr. 2 jsou schematicky znázorněny dráhy měřicího a referenčního svazku v interferometrické sestavě z obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněn axonometrický pohled na interferometrickou sestavu pro diferenční měření vzdáleností podle vynálezu. Tato interferometrická sestava obsahuje první hranol I, přiléhající svou první stěnou 3 k první stěně 4 druhého hranolu 2. První a druhý hranol i a 2 jsou pravoúhlé hranoly, takže jejich přiložením k sobě jejich prvními stěnami 3, 4 vzniká kvádr. K. těm stěnám tohoto kvádru, kterými neprobíhá dělicí hrana prvního a druhého hranolu i a 2, jsou pak přiloženy: ke druhé stěně 6 druhého hranolu 2 první koutový odražeč 18, ke druhé stěně 9 prvního hranolu 1 druhá čtvrtvlnná zpožďovací deska 15, ke třetí stěně 14 prvního hranolu 1 první čtvrtvlnná zpožďovací deska 8 a ke třetí stěně 12 druhého hranolu 2 druhý koutový odražeč 13 a třetí koutový odražeč 17. Středy průmětů koutových odražečů 18, 13 a 17 a středy průmětů čtvrtvlnných zpožďovacích desek 8 a 15 jsou v tomto příkladném provedení uspořádány v rovině kolmé na první stěny 3 a 4 prvního a druhého hranolu 1 a 2 a současně kolmé na druhé a třetí stěny 9, 6 a 14, 12 prvního a druhého hranolu 1 a 2.

Na obr. 2 je schematicky znázorněn pohled na interferometrickou sestavu pro diferenční měření vzdáleností podle vynálezu se schematicky znázorněnými drahami dráhy měřicího a referenčního svazku. Tato interferometrická sestava obsahuje první hranol 1, přiléhající svou první stěnou 3 k první stěně 4 druhého hranolu 2, přičemž na tomto styku první stěny 3 prvního hranolu 1 a první stěny 4 druhého hranolu 2 je polarizační dělicí vrstva 5, která může být např. napařená vakuovým naparováním na první stěnu 3 prvního hranolu 1 nebo na první stěnu 4 druhého hranolu 2, ale může být vytvořena i jiným, zde nepopsaným známým způsobem. Sestava obou k sobě přiložených hranolů i, 2 má tvar kvádru, přičemž polarizační dělicí vrstva 5 mezi nimi, prochází dvěma protilehlými hranami tohoto kvádru. Průřez prvním hranolem I kolmý na první stěnu 3 prvního hranolu ije tak pravoúhlý rovnoramenný trojúhelník, jehož přepona je průsečíkem první stěny 3_prvního hranolu i a roviny průřezu prvním hranolem i kolmým na první stěnu 3 prvního hranolu I. Odvěsny tohoto trojúhelníka jsou tvořeny průsečíkem roviny průřezu prvním hranolem I kolmým na první stěnu 3 prvního hranolu i s obvodovým pláštěm prvního hranolu i, to jest . 2 CZ 304317 B6 s druhou a třetí stěnou 9 a J_4 prvního hranolu i. Stejně tak průřez druhým hranolem 2 kolmý na první stěnu 4 druhého hranolu 2 je tak .pravoúhlý rovnoiramenný trojúhelník, jehož přepona je průsečíkem první stěny 4 druhého hranolu 2 a roviny průřezu druhým hranolem 2 kolmým na první stěnu 4 druhého hranolu 2. Odvěsny tohoto trojúhelníka jsou tvořeny průsečíkem roviny průřezu druhým hranolem 2 kolmým na první stěnu 4 druhého hranolu 2 s obvodovým pláštěm hranolu 2, to jest s druhou a třetí stěnou 6 a 12 druhého hranolu 2. Ke druhé stěně 6 druhého hranolu 2 přiléhá svou kruhovou základnou první koutový odražeč 18, zatímco ke třetí stěně 12 druhého hranolu 2, kteráje kolmá na druhou stěnu 6 druhého hranolu 2, přiléhají svými kruhovými základnami druhý koutový odražeč 13. a třetí koutový odražeč 17. Ke středové části třetí stěny 14 prvního hranolu I, která je kolmá na druhou stěnu 6 druhého hranolu 2 a rovnoběžná s třetí stěnou 12 druhého hranolu 2, přiléhá druhá čtvrtvlnná zpožďovací deska 15, kteráje zvnějšku překrytá rovinným zrcadlem 16. Ke třetí stěně 14 prvního hranolu 1, kteráje protilehlá k druhé stěně 6 druhého hranolu 2 a je s ní rovnoběžná, přiléhá první čtvrtvlnná zpožďovací deska 8. V odstupu od čtvrtvlnné zpožďovací desky 8 a rovnoběžně s ní jsou pak uspořádány první a druhá měřená plocha 10, 11, jejichž vzdálenost se měří. V odstupu od okrajové části druhé stěny 9 prvního hranolu 1 je uspořádán zdroj 19 záření, které vstupuje do prvního hranolu 1 kolmo na druhou stěnu 9 prvního hranolu i a tím pod úhlem 45° vůči první stěně 3 druhého hranolu 2 a tedy i vůči polarizační dělicí vrstvě 5 tohoto záření.

V činnosti může tato optická soustava pracovat jak v režimu homodynní, tak heterodynní detekce.

V prvním případě je jednofrekvenční laserový svazek na vstupu 7 do optické soustavy polarizován lineárně, orientován v rovině přibližně 45° vůči hlavním rovinám hranolů. Světlo se dělí rovnoměrně do obou polarizačních vrstev, horizontální a vertikální.

Ve druhém případě vstupní svazek obsahuje dvě optické frekvence ve dvou polarizačních vrstvách, přičemž jedna z nich prochází referenční větví interferometru a druhá měřicí větví. V obou případech dochází k dělení na měřicí a referenční větev na polarizační dělicí vrstvě 5 na styku první stěny 4 druhého hranolu 2 a první stěny 3 prvního hranolu J_. Dále se bude svazek dělit na měřicí svazek, to jest svazek odrážející se od zrcadla, kteráje první měřenou plochou 10, a na referenční svazek, to jest svazek odrážející se od zrcadla, které je druhou měřenou plochou 11. Principiálně nezáleží na tom, který svazek bude nazýván referenčním a který měřicím, neboť diferenční měření je měřením rozdílu mezi nimi. Dráhy svazků lze dobře sledovat na obr. 1, neboť se nacházejí ve skutečnosti v jedné rovině.

Referenční svazek, který se oddělí od měřicího na polarizační dělicí vrstvě 5 se od ní odráží, prochází první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8, kde se jeho polarizace mění na kruhovou a dopadá na zrcadlo, které je druhou měřenou plochou ii· Odrazem od druhé měřené plochy ii se mění smysl rotace kruhové polarizace na opačný a po druhém průchodu první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8 se jeho polarizace mění opět na lineární, otočenou vůči původní o 90°. Po dopadu na polarizační dělicí vrstvu 5 tedy prochází a neodráží se. Projde celým prvním hranolem i a prvním koutovým odražečem j_8, kde se stranově posune a ve směru rovnoběžném se směrem dopadu od prvního koutového odrážeče 18 se vrací do prvního hranolu i. Opět prochází první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8, mění polarizaci na kruhovou, odráží se od druhé měřené plochy 11 a prochází zpět, opět mění polarizaci z kruhové zpět na lineární, ale otočenou o 90° a po dopadu na polarizační dělicí vrstvu 5 vystupuje z optické soustavy ven.

Měřicí svazek se oddělí od vstupního svazku na polarizační dělicí vrstvě 5, je polarizován lineárně, ale v rovině o 90°C otočené vůči svazku referenčnímu. Prochází tedy polarizační dělicí vrstvou 5 a následně druhým koutovým odražečem 13. Ten jej vrátí rovnoběžně s vstupujícím svazkem, ale stranově posunutý blíže ke středu prvního hranolu i. Měřicí svazek dále projde celým prvním hranolem i a druhou čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 15, jejíž zadní odrazná strana je současně rovinným zrcadlem 16. Vrací se zpět, opět dojde ke změně polarizace z rovinné na kruhovou, ke změně smyslu rotace a změně zpět na rovinnou polarizaci stočenou o 90° vůči před-3 CZ 304317 B6 chozí. Měřicí svazek, nyní v opačné rovině polarizace dopadá na polarizační dělicí vrstvu 5, odráží se od ní, prochází první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8 a dopadá na první měřenou plochu 10. Při dvojitém průchodu první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8 se opět mění rovinná polarizace o 90°. Měřicí svazek vstupuje do prvního hranolu i, polarizační dělicí vrstvou 5 prochází a vstupuje do prvního koutového odražeče 18. Po průchodu prvním koutovým odražečem 18 se v opačném, ale rovnoběžném směru, stranově posunutý vrací do prvního hranolu i, ještě jednou prochází dvakrát první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8 a odráží se od první měřené plochy 10. Po druhém průchodu první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 8 se opět mění jeho rovina polarizace o 90°, takže na polarizační dělicí vrstvě 5 se nyní odrazí a směřuje do druhé čtvrtvlnné zpožďo10 vací desky 15 s rovinným zrcadlem 16. Opět po dvojitém průchodu druhou čtvrtvlnnou zpožďovací deskou 15 a odrazu od rovinného zrcadla 16 se změní rovina polarizace o 90 °C, takže nyní , polarizační dělicí vrstvou 5 prochází. Vstupuje do třetího koutového odražeče 17, vrací se rovnoběžně zpět se stranovou výchylkou, polarizační dělicí vrstvou 5 opět prochází a rovnoběžně a souhlasně s referenčním svazkem vystupuje z optické soustavy ven.

Na výstupu jsou měřicí a referenční svazek souběžné, vůči sobě polarizované v na sebe kolmých, polarizačních rovinách.

Na výstupu pak je připojené neznázorněné detekční zařízení, které podle počtu interferenčních 20 proužků určí hodnotu naměřené vzdálenosti.

Průmyslová využitelnost

Interferometrickou sestavu podle vynálezu lze s výhodou použít pro diferenční měření vzdálenosti tam, kde se vyžaduje extrémní přesnost.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Interferometrická sestava pro diferenční měření vzdálenosti, obsahující

- první a druhý hranol (1, 2), jejichž průřezy rovnoběžné se základnami prvního a druhého hrano30 lu (1 a 2)jsou pravoúhlé trojúhelníky, přičemž první a druhý hranol (1 a 2) přiléhají k sobě svými prvními stěnami (3, 4), které jsou protilehlé hranám, v nichž se sbíhají druhá a třetí stěna (9, 14 a 6, 12) prvního a druhého hranolu (1 a 2) pod pravým úhlem, v dělicí polarizační vrstvě (5),

- zdroj (19) záření vstupujícího do prvního hranolu (1) pod úhlem 45° vůči dělicí polarizační vrstvě (5),

35 - první koutový odražeč (18) přiléhající k druhé stěně (6) druhého hranolu (2) v rovině rovnoběžné s měřicím svazkem na vstupu (7) záření a první čtvrtvlnnou zpožďovací deskou (8) přiléhající k třetí stěně (14) prvního hranolu (1), která je protilehlá k druhé stěně (6) druhého hranolu (2) a je s ní rovnoběžná aje rovnoběžná s první a druhou měřenou plochou (10, 11), jejichž vzájemná vzdálenost se měří,

40 vyznačující se tím, že ke třetí stěně (12) druhého hranolu (2), která je kolmá jak na druhou stěnu (6) druhého hranolu (2), tak i na třetí stěnu (14) prvního hranolu (1), přiléhají vedle sebe uspořádané druhý a třetí koutový odražeč (13 a 17), zatímco ke středové části druhé stěny (9) prvního hranolu (1) přiléhá druhá čtvrtvlnná zpožďovací deska (15), překrytá rovinným zrcadlem (16).