RU2742694C1 - Two-wave laser displacement meter - Google Patents

Two-wave laser displacement meter Download PDF

Info

Publication number
RU2742694C1
RU2742694C1 RU2020119854A RU2020119854A RU2742694C1 RU 2742694 C1 RU2742694 C1 RU 2742694C1 RU 2020119854 A RU2020119854 A RU 2020119854A RU 2020119854 A RU2020119854 A RU 2020119854A RU 2742694 C1 RU2742694 C1 RU 2742694C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beam splitter
receiving device
laser
polarizing beam
displacement meter
Prior art date
Application number
RU2020119854A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Александрович Лавров
Михаил Михайлович Мазур
Владимир Николаевич Шорин
Юрий Александрович СУДДЕНОК
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт)
Priority to RU2020119854A priority Critical patent/RU2742694C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2742694C1 publication Critical patent/RU2742694C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02007—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02056—Passive reduction of errors
    • G01B9/02058—Passive reduction of errors by particular optical compensation or alignment elements, e.g. dispersion compensation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to measurement technology and namely to laser interferometry. The invention can be used to measure the linear displacements of objects with an unknown temperature profile with high accuracy. The laser displacement meter consists of an optically connected and sequentially located unit for the formation of laser radiation, a non-polarizing beam splitter, two corner reflectors of the reference and measuring arms, a receiving device and an electronic computing unit. The device uses a radiation source with two wavelengths, a piezo actuator with pseudo-random excitation is additionally installed on the corner reflector of the reference arm, and a spectral beam splitter is installed in front of the receiving device. The receiving device is made in the form of two nodes, each of which consists of a polarizing beam splitter and two photodetectors.
EFFECT: invention provides possibility of simplifying the measurement and reduces requirements for conditions of their conduct.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерения с высокой точностью линейных перемещений объектов при неизвестном профиле температуры.The invention relates to measuring technology, namely to laser interferometry and can be used to measure with high accuracy linear displacements of objects with an unknown temperature profile.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является лазерный измеритель перемещений, состоящий из оптически связанных и расположенных последовательно блока формирования лазерного одночастотного излучения, неполяризационного светоделителя, двух уголковых отражателей опорного и измерительного плечей, приемного устройства и электронно-вычислительного блока (Транспортируемый лазерный интерферометр. В.М. Епихин, Е.А. Лавров, М.М. Мазур, Ю.А. Судденок, В.Н. Шорин. - Альманах современной метрологии, Менделеево, 2015, №4, с. 54-66). Данный вариант интерферометра принят за прототип.The closest to the proposed device is a laser displacement meter, consisting of an optically coupled and sequentially located unit for the formation of laser single-frequency radiation, a non-polarizing beam splitter, two corner reflectors of the reference and measuring arms, a receiving device and an electronic computing unit (Transportable laser interferometer. V.M. Epikhin, EA Lavrov, MM Mazur, YA Suddenok, VN Shorin. - Almanac of modern metrology, Mendeleevo, 2015, No. 4, pp. 54-66). This version of the interferometer is taken as a prototype.

Недостаток такого лазерного измерителя перемещений заключается в том, что необходимо измерять метеопараметры вдоль всей трассы с высокой точностью.The disadvantage of such a laser displacement meter is that it is necessary to measure meteorological parameters along the entire route with high accuracy.

Целью изобретения является разработка лазерного измерителя перемещений для измерений при неизвестном профиле температуры на трассе измерения.The aim of the invention is to develop a laser displacement meter for measurements with an unknown temperature profile on the measurement path.

Технический результат состоит в упрощении проведения и условий измерений.The technical result consists in simplifying the conduct and conditions of measurements.

Указанный технический результат достигается тем, что в лазерном измерителе перемещений применяется двухволновый дисперсионный метод определения показателя преломления воздуха [1, 2]. The specified technical result is achieved by the fact that a two-wave dispersion method for determining the refractive index of air is used in the laser displacement meter [1, 2].

В известном лазерном измерителе перемещений, состоящем из оптически связанных и расположенных последовательно блока формирования лазерного излучения, неполяризационного светоделителя, двух уголковых отражателей опорного и измерительного плечей, приемного устройства, электронно-вычислительного блока, в устройстве используется источник излучения с двумя длинами волн, на уголковом отражателе опорного плеча дополнительно установлен пьезоактюатор с псевдослучайным возбуждением, а также перед приемным устройством установлен спектральный делитель пучков, причем приемное устройство выполнено в виде двух узлов, каждый из которых состоит из поляризационного светоделителя и двух фотоприемников.In the known laser displacement meter, consisting of an optically coupled and sequentially located unit for the formation of laser radiation, a non-polarizing beam splitter, two corner reflectors of the reference and measuring arms, a receiving device, an electronic computing unit, the device uses a radiation source with two wavelengths, on a corner reflector the supporting arm is additionally equipped with a piezo actuator with pseudo-random excitation, and a spectral beam splitter is installed in front of the receiving device, and the receiving device is made in the form of two units, each of which consists of a polarizing beam splitter and two photodetectors.

Схема предлагаемого лазерного измерителя перемещений изображена на фиг. 1.The scheme of the proposed laser displacement meter is shown in Fig. one.

Лазерный измеритель перемещений состоит блока формирования лазерного излучения (на чертеже не оцифрован) содержащего высокостабильный лазерный излучатель 1 на основе Nd:YVO4/KTP лазера, излучающий на двух длинах волн 532 нм и 1064 нм, у которого частота генерации на длине волны 532 нм стабилизирована йодной ячейкой [3]. Поляризация на длине волны 532 нм - линейная, вертикальная, а на длине волны 1064 нм - линейная, под углом 45°. Далее расположена призма 2, четвертьволновая фазовая пластина 3 (532 нм), расширитель пучка 4, поляризационный куб 5 (532 нм), неполяризационный светоделитель 6.The laser displacement meter consists of a laser radiation formation unit (not digitized in the drawing) containing a highly stable laser emitter 1 based on an Nd: YVO4 / KTP laser, emitting at two wavelengths 532 nm and 1064 nm, in which the generation frequency at a wavelength of 532 nm is stabilized by iodine cell [3]. The polarization at a wavelength of 532 nm is linear, vertical, and at a wavelength of 1064 nm, it is linear, at an angle of 45 °. Next is prism 2, quarter-wave phase plate 3 (532 nm), beam expander 4, polarization cube 5 (532 nm), non-polarizing beam splitter 6.

С левой стороны от неполяризационного светоделителя расположен уголковый отражатель опорного плеча интерферометра (малый ретроотражатель) 7, в торце которого установлен пьезоактюатор 8 с псевдослучайным возбуждением. После неполяризационного светоделителя установлена фазовая пластина λ/4 (532 нм и 1064 нм) 9 и перископ 10. Уголковый отражатель измерительного плеча интерферометра (большой ретроотражатель) 11 размещается на измерительной трассе (передвижной каретке). С правой стороны от неполяризационного светоделителя расположен спектральный делитель пучков 12 и приемное устройство, включающее в себя поляризационные светоделители 13,14 и четыре фотодиода ФД1-ФД4. Сигналы, полученные от фотодиодов, обрабатываются электронно-вычислительным блоком (на чертеже не показан). Устройство работает следующим образом.On the left side of the non-polarizing beam splitter there is a corner reflector of the interferometer support arm (small retroreflector) 7, at the end of which a piezo actuator 8 with pseudo-random excitation is installed. After the non-polarizing beam splitter, a λ / 4 phase plate (532 nm and 1064 nm) 9 and a periscope 10 are installed. The angular reflector of the measuring arm of the interferometer (large retroreflector) 11 is placed on the measuring track (mobile carriage). On the right side of the non-polarizing beam splitter there is a spectral beam splitter 12 and a receiving device that includes polarizing beam splitters 13, 14 and four photodiodes PD1-PD4. The signals received from the photodiodes are processed by an electronic computing unit (not shown in the drawing). The device works as follows.

Линейно поляризованное излучение лазера 1 проходит через призму 2, используемую для коррекции направления луча. При помощи четвертьволновой фазовой пластины (532 нм) преобразуется в излучение с круговой поляризацией (532 нм). Далее световой пучок при помощи расширителя пучка 4 увеличивается в диаметре для обеспечения необходимой величины дифракционной расходимости пучка. Проходит через поляризационный куб 5 (532 нм), повернутом под углом 45°. Неполяризационный светоделитель 6 разделяет пучок на два пучка, в каждом из которых присутствует компонента излучения с s- и р-поляризацией. Один пучок направляется в малый ретроотражатель 7, другой - в большой ретроотражатель 11. Для обеспечения возможности регистрации счета интерференционных полос для двух длин волн в измерительном плече интерферометра установлена фазовая пластина λ/4 (532 нм и 1064 нм) 9, обеспечивающая фазовый сдвиг π/2 между компонентами излучения с s- и р-поляризацией. Световой пучок, распространяющийся в измерительном плече интерферометра, после отражения от большого ретроотражателя через перископ 10 снова попадает в неполяризационный светоделитель 6, где происходит его интерференция с пучком света, распространяющимся в малом ретроотражателе. Далее при помощи спектрального делителя пучков 12 интерферировавшие пучки разделяются на два пучка - 1064 нм и 532 нм. При поляризационном разделении интерферировавших пучков светоделителями 13,14 четырьмя фотодиодами ФД1-ФД4 регистрируются четыре интерферограммы по две для каждой длины волны, сдвинутые по фазе на π/2. Реверсивный счет интерференционных полос с учетом этих сигналов позволяет учитывать истинное направление движения большого ретроотражателя, а также исключать возможные вибрации и шумы из счета интерференционных полос.Linearly polarized laser radiation 1 passes through a prism 2, which is used to correct the direction of the beam. It is converted to circularly polarized radiation (532 nm) using a quarter-wavelength phase plate (532 nm). Further, the light beam with the help of the beam expander 4 increases in diameter to ensure the required value of the diffraction beam divergence. Passes through polarization cube 5 (532 nm) rotated at an angle of 45 °. Non-polarizing beam splitter 6 divides the beam into two beams, each of which contains a radiation component with s- and p-polarization. One beam is directed into a small retroreflector 7, the other into a large retroreflector 11. To ensure the possibility of recording the counting of interference fringes for two wavelengths, a λ / 4 phase plate (532 nm and 1064 nm) 9 is installed in the measuring arm of the interferometer, which provides a phase shift π / 2 between the components of the s- and p-polarized radiation. The light beam propagating in the measuring arm of the interferometer, after being reflected from the large retroreflector through the periscope 10, again enters the non-polarizing beam splitter 6, where it interferes with the light beam propagating in the small retroreflector. Then, using a spectral beam splitter 12, the interfering beams are divided into two beams - 1064 nm and 532 nm. With polarization separation of interfering beams by beam splitters 13, 14 by four PD1-PD4 photodiodes, four interferograms, two for each wavelength, are recorded, phase-shifted by π / 2. Reverse counting of interference fringes, taking into account these signals, makes it possible to take into account the true direction of movement of the large retroreflector, as well as to exclude possible vibrations and noise from the count of interference fringes.

В торце малого ретроотражателя находится устройство, создающее перемещения на величину деформации пьезоэлемента - пьезоактюатор. Пьезоактюатор используется в полосе частот от 10 до 150 Гц с амплитудой 2-3 длины волны лазерного излучения. Измерения перемещений считываются от 100 до 10000 раз, что позволяет при обработке результатов измерений при накоплении получить величины с дробными значениями от счета интерференционных полос. При псевдослучайном возбуждении это перемещение будет также псевдослучайным. Как следствие, СКО измерений перемещений уменьшается в

Figure 00000001
отсчетов, что позволяет получить разрешение по измерению перемещений до 10-4 λ, а СКО измерений перемещений от 10-2 λ до 2⋅10-1 λ.At the end of the small retroreflector there is a device that creates displacements by the amount of deformation of the piezoelectric element - a piezoactuator. The piezo actuator is used in the frequency range from 10 to 150 Hz with an amplitude of 2-3 wavelengths of laser radiation. Displacement measurements are read from 100 to 10,000 times, which makes it possible to obtain values with fractional values from the counting of interference fringes when processing measurement results during accumulation. With pseudo-random excitation, this movement will also be pseudo-random. As a consequence, the standard deviation of the displacement measurements decreases by
Figure 00000001
counts, which makes it possible to obtain a resolution for measuring displacements up to 10 -4 λ, and the standard deviation of measurements of displacements from 10 -2 λ to 2⋅10 -1 λ.

С помощью предложенного лазерного измерителя перемещений снижаются требования к условиям проведения измерений по сравнению с прототипом.With the help of the proposed laser displacement meter, the requirements for the measurement conditions are reduced in comparison with the prototype.

Этим достигается поставленный технический результат.This achieves the set technical result.

Список используемой литературыBibliography

1. М.Т. Прилепин. Труды ЦНИИГАиК, вып. 114, 1957, стр. 127.1. M.T. Prilepin. Proceedings of TsNIIGAiK, vol. 114, 1957, p. 127.

2. М.Т. Прилепин. Геодезия и аэрофотосъемка. Изв. ВУЗов, 1957, вып. 2.2. M.T. Prilepin. Geodesy and aerial photography. Izv. Universities, 1957, no. 2.

3. М.Н. Скворцов, М.В. Охапкин, А.Ю. Невский, С.Н. Багаев. «Оптический стандарт частоты на основе Nd:YAG - лазера, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с использованием второй гармоники излучения.» КЭ, т. 34, №12, 2004, с. 1101-1106.3. M.N. Skvortsov, M.V. Okhapkin, A. Yu. Nevsky, S.N. Bagaev. "Optical frequency standard based on Nd: YAG - laser stabilized by resonances of saturated absorption in molecular iodine using the second harmonic of radiation." KE, t. 34, No. 12, 2004, p. 1101-1106.

Claims (1)

Лазерный измеритель перемещений, состоящий из оптически связанных и расположенных последовательно блока формирования лазерного излучения, неполяризационного светоделителя, двух уголковых отражателей опорного и измерительного плечей, приемного устройства, электронно-вычислительного блока, отличающийся тем, что в устройстве используется источник излучения с двумя длинами волн, на уголковом отражателе опорного плеча дополнительно установлен пьезоактюатор с псевдослучайным возбуждением, а также перед приемным устройством установлен спектральный делитель пучков, причем приемное устройство выполнено в виде двух узлов, каждый из которых состоит из поляризационного светоделителя и двух фотоприемников.A laser displacement meter, consisting of an optically coupled and sequentially located unit for the formation of laser radiation, a non-polarizing beam splitter, two corner reflectors of the reference and measuring arms, a receiving device, an electronic computing unit, characterized in that the device uses a radiation source with two wavelengths, on The corner reflector of the support arm is additionally equipped with a piezo actuator with pseudo-random excitation, and a spectral beam splitter is installed in front of the receiving device, and the receiving device is made in the form of two units, each of which consists of a polarizing beam splitter and two photodetectors.
RU2020119854A 2020-06-08 2020-06-08 Two-wave laser displacement meter RU2742694C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119854A RU2742694C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Two-wave laser displacement meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119854A RU2742694C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Two-wave laser displacement meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2742694C1 true RU2742694C1 (en) 2021-02-09

Family

ID=74554753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020119854A RU2742694C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Two-wave laser displacement meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2742694C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1017915A1 (en) * 1981-05-19 1983-05-15 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Метрологической Службы Device for measuring displacement
SU938660A1 (en) * 1980-05-05 1985-03-15 Московский Институт Инженеров Геодезии,Аэрофотосъемки И Картографии Device for remote measuring of distances
JP3037949B1 (en) * 1999-06-14 2000-05-08 財団法人韓国科学技術研究院 High precision ring laser interferometer and optical sensing device using external resonator type ring laser

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU938660A1 (en) * 1980-05-05 1985-03-15 Московский Институт Инженеров Геодезии,Аэрофотосъемки И Картографии Device for remote measuring of distances
SU1017915A1 (en) * 1981-05-19 1983-05-15 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Метрологической Службы Device for measuring displacement
JP3037949B1 (en) * 1999-06-14 2000-05-08 財団法人韓国科学技術研究院 High precision ring laser interferometer and optical sensing device using external resonator type ring laser

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
V.M. Epikhin et al. "TRANSPORTABLE LASER INTERFEROMETER", Almanac of modern metrology, Mendeleevo, 2015, N4, pp. 54-66. *
В.М. Епихин и др. "ТРАНСПОРТИРУЕМЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР", Альманах современной метрологии, Менделеево, 2015, N4, стр. 54-66. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kimbrough et al. Low-coherence vibration insensitive Fizeau interferometer
CN102364298A (en) Displacement detecting device
CN106768280B (en) Multi-wavelength lens-free Fourier transform digital holography-based vibration detection device
JPH05500712A (en) optical measuring device
CN101324421A (en) Synchronous phase-shift fiso interferometer
WO2022105533A1 (en) Interferometer displacement measurement system and method
US20160223317A1 (en) Displacement detection apparatus
CN102003935A (en) Environment compensation method for measurement employing laser tracker
EP0244275A2 (en) Angle measuring interferometer
CN102252764B (en) Laser wavelength real-time measurement device
Czarske et al. Birefringent Nd: YAG microchip laser used in heterodyne vibrometry
CN110319939A (en) Polarize the short-coherence light source system and experimental method of phase shift combination PZT phase shift
RU2742694C1 (en) Two-wave laser displacement meter
CN108627084B (en) Laser instrument wavelength calibration system based on static michelson interferometer
CN111562002B (en) High-flux high-resolution high-contrast polarization interference spectrum imaging device and method
JP2006064451A (en) Interferometer
JP3410802B2 (en) Interferometer device
CN110966939B (en) Interferometric measuring device, measuring method and photoetching equipment
JP2555726Y2 (en) Air refractive index measuring device
Lazar et al. Interferometry with direct compensation of fluctuations of refractive index of air
JP4613310B2 (en) Surface shape measuring device
JP2019132859A (en) Displacement detector
JP3499044B2 (en) Micro displacement measurement method and device
RU2329524C2 (en) Laser seismometer
JP2592254B2 (en) Measuring device for displacement and displacement speed