SU1095034A1

SU1095034A1 - Device for measuring linear displacements

Info

Publication number: SU1095034A1
Application number: SU833542292A
Authority: SU
Inventors: Виталий Федорович Поздняков; Сергей Сергеевич Сергеев; Николай Васильевич Кудинов; Олег Михайлович Воробьев
Original assignee: Могилевский Машиностроительный Институт
Priority date: 1983-01-26
Filing date: 1983-01-26
Publication date: 1984-05-30

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее лазер , двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели, образующие измерительный канал, и светоделительньй интерференционный элемент, фотопреобразователи и схему счета, отличающеес тем, что, с целью расширени диапазона измерени , оно снабжено дополнительным референтным отражателем -и интерференционным элементом , образунщими в совокупности с информационным отражателем второй измерительный канал, волоконно-оптическим преобразователем, оптически св зывающим оба измерительных канала, интерференционный элемент выполнен в виде призмы с трем светоделительными поверхност ми, а длина резонатора лазера се зана с разностью ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах следушцим соотношением . , U , где L , I 2 - разности ходов лучей (О в первом и во втором измерительных каналах соответственно; L п -длина резонатора лазера, д -целое число.A DEVICE FOR MEASURING LINEAR DISPLACEMENTS containing a laser, a two-beam interferometer including a reference and information reflectors forming the measuring channel, and a beam-splitting interference element, photo-transducers and a counting circuit, characterized in that, for the purpose of extending the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measuring range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that, in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized by the fact that in order to extend the measurement range, it is equipped with an additional reference meter, characterized in that in interference element, forming together with the information reflector a second measuring channel, a fiber-optic converter, optically linking both measuring channels, the interference element is made in the form of a prism with three beam-splitting surfaces, and the laser resonator length is cored with the path difference in the first and second measuring channels with the following relation. , U, where L, I 2 - the difference of the rays of the rays (O in the first and second measuring channels, respectively; L p is the length of the laser resonator, d is an integer.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может найти применение при измерении линейных перемещений объектов. Преимущественно изобретение может быть использовано при создании высок точных измерительных систем, координатно-измерительных машин, инструментальных микроскопов и прецизионны металлорежущих станков, а также дл научных исследований. Известно устройство дл измерени линейных перемещений, содержащее лазер, двухлучевой интерферометр с интерференционным светоделительным элементом, референтньм отражателем, информационным отражателем и светоделительным элементом, фотопреобразователи и схему счета полос lj . Недостатком известного устройства вл етс узкий (малый) диапазон изме рений при использовании в качестве и точника когерентного оптического излучени нестабилизированного по част те одномодового лазера. Этот недостаток обусловлен тем, что в указанны услови х диапазон измерений ограниче половиной длины резонатора используе мого лазера. Наиболее близким к изобретению вл етс устройство дл измерени ли нейных перемещений, содержащее лазер двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели, образзтощие измерительный канал, и светоделительный интерференционный элемент, фотопреобразователи и схему счета 2J . Недостатком известного устройства вл етс ограниченный диапазон измерени в случае использовани в схеме нестабилизированного одномодового лазера, поскольку при разности плеч интерферометра, равной длине резонатора лазера, контрастность интерфере ционной картины равна нулю, что и ог раничивает диапазон измерений. Цель изобретени - расширение диапазона измерени . Поставленна цель достигаетс тем что устройство дл измерени линейных перемещений, содержащее лазер, двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели , образующие измерительный канал, и светоделительный интерфе .ренционный элемент, фотопреобразователи и схему счета, снабжено дополнительными референтным отражателем и интерференционным элементом, образующими в совокупности с информационным отражателем второй измерительный канал, волоконно-оптическим преобразователем , оптически св зывающим оба измерительных канала, интерференционньм элемент выполнен в виде призмы с трем светоделительными поверхност ми , а длина резонатора лазера св зана с разностью ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах следующим соотношением L,-l-2) где L, Lg разности ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах соответственноi Ь - длина резонатора лазера; h - целое число. На фиг.1 показана оптическа схема устройства дл измерени линейных перемещений, на фиг.2 - зависимость контраста интерференционной картины пт разности хода лучей с основным референтным отражателем, на фиг.З то же, с дополнительным референтным отражателем; на фиг.А - результирующа зависимость контраста от разности хода с двум референтными отражател ми на выходе волоконно-оптического преобразовател . Устройство содержит лазер 1, светоделительный интерференционный элемент 2 с трем светоделительными поверхност ми (Х, |5 и у , инфор|мационный отражатель 3, закрепл емый на объекте 4, референтный отражатель 5, отражающие элементы 6, дополнительный референтный отражатель 7, интерференционньш элемент 8, волоконно-оптический преобразователь 9, фотопреобразователи 10 и схему 11 счета полос. Призма 12 светоделительного интерференционного элемента 2, информационный отражатель 3 и референтный отражатель 5 образуют первый измерительный канал; призма 12 светоделительного интерференционного элемента 2, отраающие элементы 6, информационный тражатель 3, дополнительный рефеентный отражатель 7 и интерференционный отражатель 8 образуют второй змерительный канал. В месте локализации интерференционой картины обоих измерительных каалов установлены входные торцы бло3 ков волоконно-оптического преобразо вател 9. Измерительное плечо интерферомет первого измерительного канала образ вано ходом луча между точкамиabcjjв референтное плечо образовано ходом луча между точками а h 1 б Разность хода лучей 1ц. двух плеч интерферометра составл ет ... L,4abfgeV(abc(ieV. Измерительное плечо интерферометра параллельного измерительного нала образовано ходом луча между точками о Ь с j Ео , референтное пле чо образовано ходом лучей между точ ками aHkmno. Разность хода лучей Ьл двух пле этого интерферометра составл ет l,-(abkyn по )-(.С1 jcj6o). Основной и Дополнительный референтные отражатели 5 и 7 расположен таким образом, что разность хода лу чей референтного и измерительного плечей в интерферометрах двух измерительных каналов отличаютс на вел чину, кратную половине длины резонатора используемого лазера, т.е. -длина резонатора лазера; -целое число (П 1, 2, 3, ... i ). Устройство работает следующим об разом Луч лазера 1 раздел етс светоде тельной поверхностью об призмы 12 в точке а на два пучка. Один из них направл етс к информационному отражателю 3 в точку b и, отразившись в точках Ьс , возвращаетс к призме 12, где на светоделительной поверхности |3 в точке (J делитс также на две части . Одна часть пучка, отража сь в точке 5 отражающего элемента 6, направл етс в точку О к интерференци- 5 онному элементу 8, а втора часть пучка направл етс в точку С светоделительной поверхности у призмы.12. Часть пучка от лазера 1, прошедша светоделительную поверхность (К приз- 5 мы 12 в точке о , направл етс к светоделительной поверхности р в точку .h призмы 12, где также делитс надвое 344 Одна часть пучка направл етс к референтному отражателю 5 интерферометра первого измерительного канала и отравозвращаетс зившись в точках светоделительной поверхности J призмы 12 в точку е . Втора часть пучка, отразившись от светоделительной поверхности р призмы 2 в точке h , направл етс в точку k отражающего элемента 6 и далее приходит к дополнительному референтному отражателю 7 второго «интерферометра параллельного измерительного канала. Отразившись от него в точках (Т1 h , пучок попадаёт в точку о дополнительного интерференционного элемента 8. В точке е на светоделительной поверхности У призмы 2 и в точке О дополнительного интерференционного элемента 8 информационный пучок и референтные пучки, рекомбиниру между собой, образуют две системы интерференционных полос. Контрастность дан ных интерференционных полос в первом измерительном канале вл етс периодической функцией от разности хода лучей в референтном и информационном плечах интерферометра (фиг.2), (aVifg-eVCabcJe) i(u,); где V - Контрастность; L, - разность хода лучей в первом измерительном канале. Период функции зависит от длины L резонатора лазера 1. В точках, кратных длине резонатора лазера, функци обращаетс в ноль, а в точках, кратных половине длины резонатора, имеем максимум, т.е. функци равна единице . Контрастность интерференционной картины во втором параллельном измерительном канале также имеет вид периодической функции с периодом , равным длине резонатора лазера. но в отличии от первой функции, сдвинутой на величину, равную половине длины L резонатора лазера Ч (фиг.З) |k-i(()-l(L7V Суммарный оптический сигнал на выходе волоконно-оптического преобразовател 9 будет иметь контрастность описываемую периодической функцией, показанной на фиг.4. Она получена путем сложени функций зависимости контраста от пути, пройденного информационным отражателем 3. Эта функци также периодическа с периодом, равным половине длины резонатора лазера . Максимальный контраст будет равен 0,8 и минимальный 0,5, что вполне достаточно дл чувствительности фотоэлектрических фотопреобраэователей 10, На фотопреобразователи 10 поступают оптические сигналы с выходных торцов волоконно-оптического преобразовател 9, сдвинутые по фазе на /4 ширины интерференционной полосы. Далее они преобразуютс в соответствующие электрические сигналы и подаютс в схему 1.1 счета полос.The invention relates to a measurement technique and may find application in measuring linear movements of objects. Advantageously, the invention can be used to create highly accurate measuring systems, coordinate measuring machines, instrumental microscopes and precision metal cutting machines, as well as for scientific research. A device for measuring linear displacements is known, comprising a laser, a two-beam interferometer with an interference beam-splitting element, a reference reflector, an information reflector and a beam-splitting element, photo-transducers, and a band counting circuit lj. A disadvantage of the known device is the narrow (small) measurement range when using unstabilized by part of a single-mode laser as a coherent optical radiation quality and point. This disadvantage is due to the fact that, under these conditions, the measurement range is limited to half the cavity length of the laser used. Closest to the invention is a device for measuring linear displacements, which contains a two-beam laser interferometer, including a reference and information reflectors, forming a measuring channel, and a beam-splitting interference element, photo-transducers and a 2J counting circuit. A disadvantage of the known device is the limited measurement range in the case of using an unstabilized single-mode laser in the scheme, since the difference in the interferometer arms is equal to the length of the laser resonator, the contrast of the interferometric pattern is zero, which limits the measurement range. The purpose of the invention is to expand the measurement range. The goal is achieved by the fact that a device for measuring linear displacements containing a laser, a two-beam interferometer including a reference and information reflectors forming the measuring channel and a beam-splitting interference element, photo-transducers and a counting circuit is equipped with an additional reference reflector and an interference element forming together with the information reflector a second measuring channel, a fiber optic converter that optically binds both of the measuring channel, the interference element is made in the form of a prism with three beam-splitting surfaces, and the laser resonator length is related to the difference of the light paths in the first and second measuring channels by the following ratio L, -l-2) where L, Lg the difference of the light paths in the first and in the second measuring channels, respectively, i L is the laser cavity length; h is an integer. Fig. 1 shows an optical diagram of a device for measuring linear displacements; Fig. 2 shows the dependence of the contrast of the interference pattern of a path difference between the rays with the main reference reflector; in Fig. 3, the same with an additional reference reflector; fig. A shows the resulting dependence of contrast on the path difference with two reference reflectors at the output of the fiber-optic converter. The device contains a laser 1, a beam-splitting interference element 2 with three beam-splitting surfaces (X, | 5 and y, an information reflector 3 attached to object 4, a reference reflector 5, reflecting elements 6, an additional reference reflector 7, an interference element 8 , fiber optic converter 9, photo converters 10 and strip counting circuit 11. Prism 12 of the beam-splitting interference element 2, information reflector 3 and reference reflector 5 form the first measurement channel; The 12 of the beam-splitting interference element 2, the reflecting elements 6, the information cracker 3, the additional reference reflector 7 and the interference reflector 8 form the second measurement channel. the interferometer of the first measuring channel is formed by the course of the beam between the points abcjj in the reference arm formed by the course of the beam between the points a h 1 b The difference x rays and 1C. the two arms of the interferometer are ... L, 4abfgeV (abc (ieV. The measuring arm of the interferometer of the parallel measuring beam is formed by the beam path between the points о Ь с j Ео, the reference beam is formed by the beam path between the points aHkmno. This interferometer is l, - (abkyn by) - (. C1 jcj6o). The primary and secondary reference reflectors 5 and 7 are positioned in such a way that the path difference of the reference and measuring arms in the interferometers of the two measuring channels differ by the order multiple half day the resonator of the laser used, i.e. is the length of the laser resonator; is an integer (P 1, 2, 3, ... i). The device works as follows: The laser beam 1 is separated by a light-throwing surface about the prism 12 at point a into two beams. One of them is directed to the information reflector 3 at point b and, reflected at points bc, returns to the prism 12, where on the beam-splitting surface | 3 at the point (J is also divided into two parts). One part of the beam, reflected at point 5 of the reflecting element 6, is directed to point O toward the interference element 8, and the second part of the beam is directed to point C of the beam-splitting surface at the prism. The part of the beam from laser 1 that passes the beam-splitting surface (K of prism 5 at point o, is directed to the beam-splitting surface p to point .h of prism 12, which also divides in two 344 One part of the beam is directed to the reference reflector 5 of the first channel and is reflected back at the points of the beam-splitting surface J of the prism 12 to point e. The second part of the beam, reflected from the beam-splitting surface p of the prism 2 at point h, is sent to point k of the reflecting element 6 and then comes to an additional The reflector 7 of the second "interferometer is parallel to the measuring channel. Reflected from it at points (T1 h, the beam hits a point about the additional interference element 8. At point e on the beam-splitting surface At prism 2 and at point O of the additional interference element 8 information beam and reference The beams, recombining with each other, form two systems of interference fringes. The contrast of these interference fringes in the first measurement channel is a periodic function of the difference the course of the rays in the reference and informational arms of the interferometer (Fig. 2), (aVifg-eVCabcJe) i (u,); where V is Contrast; L, is the path difference of the rays in the first measuring channel. The period of the function depends on the length L of the cavity of the laser 1. At points multiple of the length of the laser resonator, the function vanishes, and at points multiple of half the length of the resonator, we have a maximum, i.e. the function is equal to one. The contrast of the interference pattern in the second parallel measuring channel also has the form of a periodic function with a period equal to the length of the laser resonator. but unlike the first function, shifted by an amount equal to half the length L of the laser resonator атора (FIG. 3) | ki (() - l (L7V The total optical signal at the output of the fiber-optic converter 9 will have the contrast described by the periodic function shown in Fig. 4. It is obtained by adding the contrast dependence functions to the path traveled by the information reflector 3. This function is also periodic with a period equal to half the length of the laser resonator. The maximum contrast is 0.8 and the minimum 0.5, which is quite enough internally for 10 fotopreobraeovateley photoelectric sensitivity, in photoconverters 10 receives optical signals from the output ends of the fiber optic transducer 9, which are shifted in phase by / 4, the width of the interference fringe. Further, they are converted into corresponding electrical signals and supplied to the circuit 1.1 lanes account.

Использование изобретени позвол ет увеличить диапазон измерени устройства при применении в нем в качестве источника когерентного оптического излучени нестабилизированого по частоте одномодового лазера , так как суммарна контрастность интерференционных полос никогда не будет равна нулю. Диапазон измерени ограничиваетс лишь побочными факторами: турбулентностью среды, где распростран етс излучение в измерительном плече интерферометра, чувствительностью Фотопреобразователей , качеством усилителей и т. д.The use of the invention makes it possible to increase the measurement range of the device when using the unstabilized single-mode laser as the source of coherent optical radiation as the source, since the total contrast of the interference fringes will never be equal to zero. The measurement range is limited only by side factors: the turbulence of the medium, where radiation propagates in the measuring arm of the interferometer, the sensitivity of the Photovoltage Transformers, the quality of the amplifiers, etc.

Фиг.FIG.

0.8 0.50.8 0.5

(-г(-y

f L2f L2

7.7

Claims

DEVICE FOR MEASURING LINEAR MOVEMENTS, containing a laser, a two-beam interferometer, including a reference and information reflectors forming a measuring channel, and a beam-splitting interference element, photoconverters and counting circuit, characterized in that, in order to expand the measuring range, it is equipped with an additional reference reflector and an interference element, which together with the information reflector form a second measuring channel, a fiber-optic converter, an optical connecting both measurement channels, the interference element is made in the form of a prism with three beam splitting surfaces, and the length of the laser cavity is related to the difference in the paths of the rays in the first and second measurement channels by the following relation where, ti g are the differences in the paths of the rays in the first and second measurement channels respectively;

B is the length of the laser cavity; 9 is an integer.