SU339771A1 - Фазовый фотоэлектрический интерферометр - Google Patents

Description

Предлагаемый интерферометр относитс  к области измерительной техники, в частности к фотоэлектрическим интерферометрам, пред«азначенным дл  измерени  и контрол  линейных перемещений подвижных органрв в прецизионных металлорежущих станках,%змерительных машинах и приборах, в устройствах автоматического управлени .

Известен фазовый |фотоэлектричеокий интерферометр дл  измерени  линейных перемещений подвижных органов станков, содержащий М0нохром.атический источник €вета, например лазбр, оптическую систему дл  расширени  светового потока, разделительную пластину, дел щую световой поток на пучка, призму полного внутревнего отражени , закрепл емую на подвижном органе стайка и отражающую один из световых лучков, полупрозрачное зеркало, собирающее оба световых пучка, модул тор, выполненный в виде прозрачного тела с плоскопараллельными гран ми и установленный по ходу одного из пучков между Разделительной пластиной и полупрозрачным зеркалом, электронный генератор стабильной частоты, возбуждающий в модул торе бегущую ультразвуковую волну, линзу, устанозленную за полупрозрачным зеркалом, фотоприемник , преобразующий поле интерференции световых пучков в электрический сигнал, с щелевой диафрагмой, установленной в фокалькой плоскости линзы в области одного из максимумов первого пор дка картины дифракции света на ультразвуковой волне, резонансный электронный усилитель, настроенный на частоту ультразвуковой волны в модул торе и присоединенный к выходу фотонрие.мника, цифровой фазометра, присоединенный к выходу резонансного усилител , с реверсивным счетчиком целого числа фазовых циклов. Фаза сигнала сравниваетс  на цифровом фазометре с гарлшничеоким сигналом ультразвукового генератора.

Однако известные устройства обладают недостатками: выбор сигнала ультразвукового генератора в качестве опорного при измерении фазы сигнального пучка оставл ет нескомпенсированным вли ние на показани  н итерферометра оптических неоднородностей атмосферы (турбулентности, температурных и других

флуктуации показател  преломлени  воздуха и т. п.), так как в фотосмешении участвует только один мак1СИ1мум (-|-1-ый) дифр акционного спектра в опорном пучке, а остальные пор дки спектра практически не используютс .

Это ограничивает снижение интенсивности опорного пучка и мощности источника света, а следовательно, повышение стабильности измерени ; расширение светового потока осуществл етс  сразу после выхода его из источника

Широкий сигнальный пучок более подвержен влн НИю указанных выше оптических неоднородностей атмосферы, вследствие чего возможно нарушение его поперечной когерентноCTii (плоского волнового фронта), что отражаетс  на стабильности фазы сигнала разностной частоты при фотосмешеннн.

Предлагаемый интерферометр отличаетс  от известных тем, что он снабжен дот10лн((тельным фотоприемником с гцелевой диафрагмой, установленным за фокальной плоскостью в области интерференции световых волн максимумов нулевого и первого .пор дков карТНИ дифракции, догголи-ительиым резонансным электронным уснлителем, настроенным на частоту ультразвуковой волны в модул торе н присоединенным к выходу дог10Л ительного фотоприемнпка; дополнительный резона)1С1Ный усилитель присоединен к одному из входов цифрового фазометра, а оптическа  система расширени  светового потока установлена но ходу одного из световых пучков между разделительной пластиной и модул тором. Это повышает стабильность измерени  интерферометра .

На чертеже изображена нриндипиальна  схема фазового фотоэлектрического интерферометра .

Предла1гаемый интерферометр содержит монохромат 1ческнй источннк коллимироваиного светового нотока, например лазер. Световой поток лазера / раси;епл етс  разделительной пластиной 2 на два пучка, один «з которых 3  вл етс  сигнальным (закрашен черным), другой 4-опорным. Сигнальный пучок 5, распростран  сь в атмосфере на заданное рассто ние , отражаетс  от призмы 5 иолного виутреннего отражени , возвращаетс  обратно в оптическую Схему 6 интерферометра. Призма 5 устаИавливаетс  на коитролируемом подвижном органе ста-нка или машины и перемещаетс  вместе с этим органом относительно схемы 6.

Опорпый пучок 4 расшир етс  оптической систе мой 7, выполненной в виде зрительной Т1рубы, и в форм.е параллельно гопучка нанра-вл етс  на ультразвуковой дифракционный модул тор света 8, Модул тор света 8 выполнен в виде о;птИческн «рОЗрачиОГО тела с плосконараллельнымп гран мп, папример, из кварца, в которо.м возбуждена бегуща  ультразвукова  волна. Возбуждение бегущей ультразвуковой волны в модул торе 8 осуществл етс  посредство.м электронного генератора 9 гармо1П1ческих колебагшй.

Световой поток опорпого пучка 4, прощедщий модул тор В, испытывает дифракцию, в результате чего в фокальной илоскости лиизы 10 образуетс  дифракционный спектр, содер/кащий макси.чум нулевого и ± Ь:го пор  дков. В месте дифракционного максимума + 1-ого пор дка расположена щелева  диафрагма // с фотоприемником 12, регистрирующим поле интерференции ситиального лучка 3 с дифракционным максимумом + 1-аго пор дка опориого цучка. С этой целью между модул тором 8 и лИНзой 10 установлено полупрозрачное зеркало 13, отъюстированное так, чтобы сигнальный пучОК после возрата в схе.му 6 иакладывалс  ,в фокальной нлоскости лиизы 10 на максимум + 1-ого пор дка.

Световые волны двух других максимумов дифр.акционной картины-нулевого и -1-ого ничем ие диафрагмируютс  и перекрываютс 

за фокальиой плоскостью линзы 10, образу  второе иитер|ференц1ионное поле. В месте перекрыти  этих ВОЛ1И устанавливаетс  щель 14 с фотонриемииком 15, регистрирующим это интерференционное поле.

Сигналы с фотоприемников 12 и 15 поступают в электронную часть устройства. Она состоит из резоиансных усилителей 16 и 17, настроенных иа частоту ультразвуковой волиы и присоедииенных соответственно К фотоприемИикам 12 и 15. Усиленные сигналы с фотоприемпиков далее сравниваютс  по фазе в цифровом фазометре 18, дл  чего оба резонансных усилител  16 и 17 присоединены ко входам фазометра . Величина линейного перемещени 

подвижного отражател  5, пропорциональна  разности фаз этих снгиалов, представл етс  в цифровой форме в блоке цифровой индикации 19.

Предлагаемое устройство действует сле-дующим образом.

Световой 1ПОТОК, .выход щий из лазера /, представл ет собой плоскую световую волну

г. п- ,1Ч-,-.1/..

/:(,/ ,(1)

где /Г(,-амплитуда волны,

Ко-оптическа  частота.

Из разделительной пластнны 2 -выход т две световые волны:

сигнальна  Е, (2)

и опорна 

D i (2-V,t-kZ)

F - F . /

(3) -2 - /.-с

где EC, ЕОП-амплитуды сигнальной и опорной

волн соответственно,

„ 2г. 1 оптическое волновое число,

v-длина волны света, X, Z-иаправлени  распространени  сигиальиой и опорной волн соответственно .

Сигнальна  волна отточки выхода (пластина 2) из оитической схемы иитерферометра дэ точки Обратного входа в схему (зеркало 13) проходит путь, равный 2L+L, измен ющийс  при перемещении отражающей призмы 5, где L-посто нный путь волны в призме. Следовательно сигнальна  волна 2 «а входе оптической схемы интерферометр.а выражаетс  в виде:

р р ,( (2 :Ko/-2ft -2fti)

(4)

ZZl - ,(, (. где 6i-фазовые .набеги сигнальной волны в промежутке от зеркала 13 до фокальной плоскости линзы JO (ллоскост и щели 11) и в призме 5, имеющие посто нную велйЩину. Ошорна  волна 3 претерпевает дифракцию на ультразвуковом модул торе 8. В модул торе 8 раапростр.ан етс  бегуща  ультразвукова  волна: р (tx) ро cos (2тг/ - kx). Ро-амплитуда звукового давлени  в волне, t-частота ультразвука, k - - -акустическое волновое число, Я-длина ультразвуковой волны. Как известно, звукова  вол1на небольшойи«тенсивности создает в прозрачной среде распределение показател  оптического лреломленй , проиорЦиональное звуковому давлению 5. Таким образом, показатель преломлени  среды модул тора 5 описываетс  выражением: п (xf) . rtp + Дйо cos (27Г// - kx), (7) где По-показатель преломлени  среды, не возмущенной ультразвуком; А«о-амелитуда переменной составл ющей показател  преломлени . Плоска  опорна  светова  волна 3 на выходе «3 модул тора 8 имеет вид: Я2- оп-/ - (8) где АО-фазова  модул ци  волны, обусловленна  переменным показателем шреломлениЯ (7); б.)-посто нный фазовый набег в оптических элементах схемы. Так как ультразвукова  волна в модул торе 8 плоска , то де : + М«о / cos (2-// - kx), (9) где /-глубина звукового пол  ( размер модул тора в направлении света). Величина a k Д/г / Явл етс  амплитудой фазовой модул ции световой волны. Тотда в выходной плоскости модул тора 8 опорна  светова  вол«а выражаетс  в виде: 1 p-.l,t-kii,l-a.ms(2r.ft-kx)-6, ДИфракци  света на ультразвуке заключаетс  в том, что па выходе ИЗ Якустического модул тора световое поле 2 распадаетс  на р д параллельных пучков-дифракционных максимумов, распростран ющихс  под соответствующими углами. Пренебрега  дифракционными , максимумами ± 2-ого и более высоких пор дков в снлу их малости, ограничиваютс  упрощенной картиной дифракции за выходной плоскостью Модул тора 8. Тогда дифракцию можно представить как разделение параллелыного опорного пучка иа три параллельных пучка: нулево-го и ± 1-ого пор дков . Пучок нулевого пор дка направлен вдоль оси Z, т. е. совпадает по направлению с апорым пучком до модул тора 8. Пучки первых ор дков наП|р;авлены «а раз-ные стороны оси иод углами ± - к ней. Пространственное А азделение дифракционных пучков происхэит в фокальной плоокостп линзы 10. В этой лоскости образуетс  трп точечных соображеи  максимумов: нулевого пор дка-на ocnZ ± 1-ого пор дков по обе стороны оси Z на ассто нии uf - F, тде F-фокусное сто ние линзы. Амплитуда световой волны в максимуме -f- 1-ого пор дка равна . г (AnaZ-бг) 2()/ /JJ4 E(+l) -lE,-l /,(«)./ амплитуда световой максимуме волны - 1-ого пор дка (-1)./ «- ./, (й) (12) Амплитуда световой волеы в максимуме нулевого пор дка (0) Е, / . /о (а) (13) Как видно из выражений (11 -13),  вл ющихс  результатом дифракции световой волны (12), оптические частоты в дифракционных пор дкахразлнчны: в нулевом-Vo, в + 1-ом - ( Vo+/),B-l-OM-(l/o-/J. Сигнальный пучок 4 с Оптической частотой интерферирует с волной (13); таК как фотоприемник 12 работает в режиме фотосмещени , «а нем выдел етс  синусоидальное напр жение Uc(t), Частота которого равна разности оптических частот световых волн (4) и (13): Ucl (t) z I, (а) cos X 2ф-.1-б,6 -{-knJ + где m-посто нна  фотопреобразовани . Обознача  фо все посто нные фазовые сдвиги i/c(0. получаем Uc (t) , I, (а) cos 2г.Ц - L-. Выражение (17) означает, что на выходе усилител  16 измерительный сигнал имеет частоту ультразвука f, а фаза его периоднчески измен етс  при перемещении L подвилшого отражател  5. Нетрудно определить чувствительность интерферометра; прн измерении L на -, т. е. на половину длины световой вол1 ны, фаза сигнала Uc(t) измен етс  на . Дл  He-iNe газового лазера АжО.б мк.м. Если предположить, что фазометр имеет разрешающую способность 1°, то чувствительность фазового фотоэлектрического интерферометра составит 0,003 мкм на один электрический градус фазы.. Опорный электрический сигнал Uon(t), с которым сравниваетс  по фазе сиппал Uc(t), об