Интерферометр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) Интерферометр, содержащий лазерный активный элемент с системой накачки, три зеркала, разделитель луча и фотоприемник, причем лазерный активный элемент расположен между первым зеркалом и разделителем луча, а второе зеркало - за разделителем луча, отличающийся тем, что в него введены зеркало связи,поворотное зеркало, дополнительный фотоприемник, экстремальная система регулирования и система обработки информации, причем зеркало связи размещено между лазерным активным элементом и разделителем луча, поворотное зеркало размещено между разделителем луча и третьим зеркалом, второе и третье зеркала выполнены с приводами, фотоприемник расположен за вторым зеркалом, а дополнительный фотоприемник за третьим, первый и второй входы экстремальной системы регулирования соединены с фотоприемниками, а первый и второй выходы - с приводами второго и третьего зеркал, третий вход и третий выход экстремальной системы регулирования соединены соответственно с выходом и входом системы обработки информации.(56)3462127, 1969. Застрогин Ю.Ф. и др. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. - М. Машиностроение, 1995. - С. 243. Абрамова Л.Ю. и др. Лазерный интерферометр с высокоразрешающим оптическим микроскопом для измерения длины малых мер // Измерительная техника. - 1997. -9. - С. 27-29. 4269 1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для двухкоординатного позиционирования в робототехнике, а также аттестации мер малой длины. Для аттестации мер малой длины в диапазоне 1-200 мкм используют лазерный двухкоординатный интерферометр (ЛДИ) Абрамова Л.Ю. и др. Лазерный интерферометр с высокоразрешающим оптическим микроскопом для измерения длины малых мер. Измерительная техника, 1997,9, с. 27-29 Интерферометр состоит из двух идентичных интерферометров, построенных по схеме Майкельсона и расположенных под прямым углом друг к другу. Каждый из них используется для измерения по соответствующей координате. Оптическая часть двухкоординатного интерферометра содержит лазер, поляроид, модулятор, расширитель пучка, три светоделителя, четыре уголковых отражателя, зеркало и две четвертьволновые пластинки. В каждом измерительном канале сигналы от интерферометров поступают на фотоприемники и затем на блок регистрации интерференционных полос. Блок регистрации интерференционных полос включает в себя 11 узлов,в том числе 2 счетчика, один из которых осуществляет реверсивный счет полос /2, а другой измеряет дробную часть порядка интерференции с дискретностью /200. Однако дискретность /200 при аттестации мер малой длины в диапазоне 1-200 мкм не является достаточной, да и сам диапазон измерений весьма узок, что ограничивает область применения данного интерферометра. К тому же его сложность (только оптическая часть содержит 13 различных оптических элементов) приводит к высокой стоимости и большим габаритным размерам. В робототехнических системах применяется двухкоординатный интерферометр Застрогин Ю.Ф. и др. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. -М. Машиностроение, 1995, с. 243.,содержащий двухчастотный лазер, два светоделительных элемента, четвертьволновую пластинку, семь поляризаторов, два уголковых отражателя, два расщепителя, два двусторонних отражающих зеркала, три фотоприемника, реверсивный счетчик. Двухчастотное излучение лазера с помощью двух светоделительных элементов расщепляется на три составляющие, одна из которых является опорной, а две другие используются для измерения по соответствующим координатам. Информация о величинах линейного перемещения содержится в разности фаз опорного сигнала и сигналов соответствующих измерительных каналов. Направление перемещения определяется знаком приращения разностной частоты. Данное устройство имеет ряд существенных недостатков. Сами авторы указывают, что анализ работы отсчетного устройства, используемого в этом интерферометре, показывает, что дрейфы порога срабатывания формирующих устройств, а также конечное значение времени нарастания и спада преобразованных и сформированных импульсов наряду с неопределенностью порога срабатывания логических схем вносят неопределенность в фазу следования отсчетных импульсов, тем самым создается погрешность измерения длины в пределе достигающая 1/2 периода счетных импульсов. Кроме того, оптическая часть устройства содержит 15 оптических элементов, что ведет к большим габаритным размерам и высокой стоимости интерферометра, а также повышает его чувствительность к помехам. Наиболее близким к предлагаемому является квантовый интерферометр для измерения перемещений объектов 3462127, 1969, содержащий лазерный активный элемент, с одной стороны которого расположено первое зеркало, а с другой - второе и третье зеркала, систему накачки лазерного активного элемента,разделитель луча, анализатор, фотоприемник и регистрирующее устройство. Работа данного интерферометра осуществляется следующим образом. Лазерный активный элемент помещен между первым зеркалом и разделителем луча, после которого составляющие излучения с взаимно ортогональными поляризациями направляются на второе и третье зеркала. Третье зеркало связано с объектом, перемещение которого необходимо измерять. С другой стороны первого зеркала установлен анализатор для получения биений лучей с взаимно ортогональными поляризациями. Частота биений является функцией разности длин оптических путей расщепленных плоскополяризованных лазерных лучей. Данный интерферометр имеет ряд существенных недостатков. Так как для - лазеров обычно используют конфокальные и полуконфокальные резонаторы, имеющие оптимальные параметры для определенной длины резонатора, то ее изменение при постоянных радиусах кривизны зеркал приведт к увеличению дифракционных потерь вплоть до срыва генерации. Для такой схемы интерферометра в принципе невозможно измерение больших длин, так как межмодовое расстояние обратно пропорционально длине резонатора, что приведт к возникновению многомодовой генерации при увеличении длины резонатора. При перемещении измеряемого объекта возникает также сложность сохранения юстировки зеркала. К тому же данная схема интерферометра не позволяет осуществлять измерения линейных перемещений одновременно по двум координатам. Задача, решаемая изобретением, заключается в расширении диапазона измеряемых линейных перемещений и осуществлении возможности измерения линейных перемещений одновременно по двум координатам. Для решения этой задачи в интерферометр, содержащий лазерный активный элемент с системой накачки,три зеркала, разделитель луча и фотоприемник, причем лазерный активный элемент расположен между пер 2 4269 1 вым зеркалом и разделителем луча, а второе зеркало - за разделителем луча, введены зеркало связи, поворотное зеркало, дополнительный фотоприемник, экстремальная система регулирования и система обработки информации, причем зеркало связи размещено между лазерным активным элементом и разделителем луча,поворотное зеркало размещено между разделителем луча и третьим зеркалом, второе и третье зеркала выполнены с приводами, фотоприемник расположен за вторым зеркалом, а дополнительный фотоприемник - за третьим, первый и второй входы экстремальной системы регулирования соединены с фотоприемниками, а первый и второй выходы - с приводами второго и третьего зеркал, третий вход и третий выход экстремальной системы регулирования соединены соответственно с выходом и входом системы обработки информации. Перемещение в каждом канале определяют по формуле где- компенсирующий сигнал на приводе зеркала- компенсирующий сигнал, соответствующий перемещению на /2- длина волны излучения лазера. Из уравнения (1) следует, что точность измерения перемещения зависит от точности измерения напряжения на приводе зеркала. Ошибка определения перемещения, обусловленная неточностью определения величины напряжения на приводе отражателя, равна 2 Для цифровых приборов, используемых при измерении постоянных напряжений, погрешность измерений согласно Основы метрологии и электрические измерения Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк,Е.М. Душин и др. Под ред. Е.М. Душина. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1987, с. 393 равна 2,510-5. (4) Заявляемое изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов. Приведенные выше расчеты свидетельствуют о повышении точности измерения перемещений по сравнению с аналогами. Расширяются функциональные возможности интерферометра, т.е. можно проводить измерения линейных перемещений одновременно по двум координатам. Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой интерферометра. Интерферометр содержит первое зеркало 1, лазерный активный элемент 2 с системой накачки 3, зеркало связи 4, разделитель луча 5, второе зеркало 6 с приводом 7, связанное с первым объектом, линейные перемещения которого необходимо измерять, третье зеркало 6 с приводом 7, связанное со вторым объектом,линейные перемещения которого необходимо измерять, поворотное зеркало 8, фотоприемник 9, дополнительный фотоприемник 9, экстремальную систему регулирования (ЭСР) 10, систему обработки информации(СОИ) 11. Первый и второй входы ЭСР 10 соединены соответственно с фотоприемником 9 и дополнительным фотоприемником 9, первый и второй выходы ЭСР 10 соединены соответственно с приводом 7 второго зеркала 6 и приводом 7 третьего зеркала 6, третий вход и третий выход ЭСР 10 соединены соответственно с выходом и входом СОИ 11. Работа интерферометра осуществляется следующим образом. Разделитель луча 5 пространственно разделяет излучение на две составляющие с ортогональными поляризациями. Поворотное зеркало 8 служит для изменения направления распространения одной из составляющих излучения. Для каждой из двух составляющих излучения первое зеркало 1, зеркало связи 4, второе зеркало 6 и первое зеркало 1, зеркало связи 4,третье зеркало 6 в соответствующем канале образуют свой связанный резонатор. Изменение длины оптического пути в каждом из двух каналов за счет перемещения соответственно второго зеркала 6 и третьего зеркала 6 приводит к модуляции интенсивности лазерного излучения в соответствующем канале, причем полный цикл модуляции происходит при смещении зеркала на /2 Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л. Машиностроение, 1978, с. 234 При измерении линейного перемещения по соответствующей координате второе зеркало 6 и третье зеркало 6 с помощью ЭСР 10 удерживается в положении, соответствующем сигналу минимальной интенсивности на фотоприемнике 9 и дополнительном фотоприемнике 9 соответственно. В качестве ЭСР может быть использована любая, известная в настоящее время. Второе зеркало 6 и третье зеркало 6 должны быть сферическими, так как плоские зеркала чувствительны к разъюстировке. При перемещениях второго зеркала 6 и третьего зеркала 6 ЭСР 10 компенсирует эти перемещения путем изменения напряжений на приводе 7 и 3 4269 1 приводе 7 соответственно. В качестве привода обычно используется пьезокерамика. Однако диапазон перемещений пьезокерамики ограничен, поэтому необходимо использовать следующий алгоритм измерений. Когда напряжение на приводе зеркала изменяется на , соответствующее перемещению зеркала на /2, СОИ 11 вырабатывает сигнал для ЭСР 10 для ступенчатого изменения напряжения на приводе зеркала на величину , зеркало перемещается на /2, ЭСР 10 автоматически привязывается к соответствующему соседнему минимуму интенсивности излучения лазера и одновременно в СОИ 11 вырабатывается декрементный или инкрементный импульс в зависимости от знака изменения напряжения. Число импульсов соответствует перемещению измеряемого объекта на такое же число /2, а дробная часть перемещения определяется по формуле (1). Напряжениена приводе 7 и приводе 7 принимает значения в интервале 0. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4