Сканирующий интерферометр

Сканирующий интерферометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет формирования интерферограммы повышенной контрастности и исключения из конструкции системы зеркал, требующей юстировки, а также повышение экономичности за счет более эффективного использования лазерной мощности. Световой пучок от лазера 1 дифрагирует на ультразвуковых пучках, формируемых электроакустическими преобразователями (ЭАП) 3<SB POS="POST">о</SB>,...3<SB POS="POST">I</SB>,...,3<SB POS="POST">N-1</SB>, где N≥1, закрепленными в ряд на определенных расстояниях друг от друга на входной грани акустооптического модулятора (АОМ) 2, параллельной оптической оси лазера 1, и питаемыми от синтезатора 4 частот, выходы которого когерентны и имеют постоянные частотные сдвиги, пропорциональные расстояниям между соответствующими ЭАП. В дальней зоне дифракционного пучка, выходящего из АОМ 2, формируется интерферограмма, сканирующая вдоль оси *98N с постоянной скоростью. M фотоприемников 5<SB POS="POST">1</SB>,....,5<SB POS="POST">K</SB>,...,5<SB POS="POST">M</SB> (по числу контрольных точек) связаны с контролируемым объектом и установлены в области формируемой интерферограммы. Задержка сигнала с одного из фотоприемников относительно сигнала с другого, выбранного в качестве опорного, пропорциональна, с учетом занка, величине отклонения в соответствующей контрольной точке. Сформированная таким образом интерферограмма обладает повышенным контрастом (тем большим, чем больше величина N). ЭАП 3 могут быть расположены в ряд вдоль светового пучка, а интерферограмма может формироваться вдоль оси ξ<SP POS="POST">1</SP>, наклоненной к оси X под малым углом. Лазерный пучок проходит последовательно все ультразвуковые пучки от ЭАП 3 и, полностью участвуя во взаимодействии, обеспечивает полное использование лазерной мощности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1606855 А1 (!9) (! i) ГИЕН:. 96

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

s G 01 В 21/О ., кч: г. V lt

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМ / СВИДЕТЕЛЬСтау (21) 4450223/24-28 (22) 28.06,88 (46) 15.11.90. Бюл. М 42 (71) Научно-исследовательский институт прикладной геодезии (72} В.И. Юрлов (53) 571.8(088.8) (56) Патент США N 4259009,,кл. G 01 С 3/00, 1981.

{54) СКАНИРУЮЩИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, Цель изобретения — повышение точности за счет формирования интерферограммы повышенной контрастности и исключения из.конструкции системы зеркал, требующей юстировки, а также повышение. экономичности за счет более эффективного использования лазерной мощности. Световой пучок от лазера 1 дифрагирует на ультразвуковых пучках, формируемых электроакустическими преобразователями (ЭАП) 30,, Зь..., Зи-1, где N» 1, закрепленными в ряд на определенных расстояниях друг от друга на входной грани акустооптического модулятора (АОМ) 2, параллельной оптической оси лазера 1, и питаемыми от синтезатора 4 частот, выходы которого когерентны и имеют постоянные частотные сдвиги, пропорциональные расстояниям между соответствующими ЭАП. В дальней зоне дифракционного пуска, выходящего из АОМ

2, формируется интерферограмма, сканирующая вдоль оси д с постоянной скоростью

M фотоприемников 5i...., 5к,..., 5М (по числу контрольных точек) связаны с контролируемым объектом и установлены в области формируемой интерферограммы. Задержка сигнала с одного из фотоприемников относительно сигнала с другого, выбранного в качестве опорного, пропорциональна с учетом знака величине отклонения в соответствующей контрол ьной точке.

Сформированная таким обазом интерферограмма обладает повышенным контрастом (тем большим, чем больше величина N).

ЭАП 3 могут быть расположены в ряд вдольсветового пучка, а интерферограмма может

1 формироваться вдоль оси, наклоненной к оси Х под малым углом. Лазерный пучок проходит последовательно все ультразвуковые пучки от ЭАП 3 и, полностью участвуя во взаимодействии, обеспечивает полное использование лазерной мощности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1606855

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для формирования опорных направлений и плоскостей при контроле прямолинейности и плоскостности объектов.

Цель изобретения — повышение точности путем формирования интерферограммы повышенной контрастности и исключения из конструкции системы зеркал, требующей юстировки,а также повышение эконом ;ости путем более эффективного использования лазерной возможности.

На фиг, 1 и 2 схематически предстaâëeí соответственно в двух проекциях интерферометр (вариант); на фиг, 3 — функциональная схема синтезатора частот (вариант); на фиг, 4а, б — диаграммы распределения интенсивности светового поля в интерферограммах соответственно рассматриваемого и ранее известного устройств; на фиг. 5— схематический чертеж интерферометра, поясняющий особенности его выполнения в соответствии с вторым вариантом.

И нтерферометр (фиг. 1) содержит лазер

1, например газовый, с параллельным световым пучком на выходе, акустооптический модулятор 2 (AOM 2), установленный по.ходу светового пучка и выполненный в виде прозрачного звукопровода, имеющего форму параллелепипеда, изготовленного, например, из кристалла ниобата лития, грань которого, параллельная оптической оси лазера 1, является входной, N электроакустических преобразователей Зо, .„Зь..., Зи-1 (ЭАП 3< 3i,..., Зи-i),где N 1, закрепленныхх на входной грани АОМ2 в ряд на расстояниях dl от ЭАП Зо, синтезатор 4 частот, N выходов которого соединены соответственно с входами ЭАП ЗО,.„ЗК..., Зи-1, M фотоприемников 51„„5к...,5M, связанных с контролируемым объектом (не показан) по числу M контролируемых точек, входы которых оптически связаны с выходом АОМ 2, и измеритель 6 задержки, М входов которого соединены, соответственно с выходами фотоприемников 5>,.Д,5К...„5к;, Синтезатор 4 частот может быть выполнен, например (фиг. 2), в виде генератора 7 первой опорной частоты алло (первого генератора 7), N-1 смесителей Si„... 8ь..., 8м-1, первые входы которых соединены с выходом первого генератора 7, N-2 умножителей

9z„„, 9I...„9N-1 с коэффициентами умножения, численно равными их порядковому номеру i, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами смесителей Sz„„, 8ь,... SN> генератора 10 второй опорной частоты Лo) (второго генератора

15

10), выход которого соединен с вторым входом первого смесителя Si и с входами N-2 умножителей 92„,.,9К...,9N-1, и N-1 полосовых фильтров 111„„,11ь...,11p->, настроенных на частоту аЪ + i Лв, входы которых соединены соответственно с выходами N-1 смесителей 81,...,8ь,„,8и-1, выходы первого генератора 7 и N-1 полосовых фильтров

11 „.„11;Д...11 -1являются N выходами синтезатора 4 частот с порядковыми номерами соответственно 0,1,...,i„„,N-1

В общем случае частотные сдвиги

h,à могут быть некратными друг другу, однако должны выполняться следующие условия (2) Работа интерферометра может быть условно подразделена на два процесса: формирование сканирующей интерферограммы; собственно контроль прямолинейности или плоскостности относительно интерферограммы.

Процесс формирования сканирующей интерферограммы осуществляется следующим образом, Лв << w>, di — ч — — COAST C

ЕЪ М(ЭАП 3>....,ЗК...,ÇN-1(фиг. 1) могут быть выпол20 нень1, "например, в виде пластинок из пьезоэлектрических кристаллов с двумя металлизированными обкладками для подведения сигнала, одна из которых находится в непосредственном контакте с входной гранью AOM 2, При этом возбужденные ими в АОМ 2 ультразвуковые пучки параллельны и находятся в зоне действия пучка лазера 1. АОМ 2 имеет на противоположной грани скос или поглотитель ультразвука для

30 устранения режима стоячих волн, Фотоприемники 5>,...,5х„...5м установлены в дальней зоне дифракционного пучка, выходящего из АОМ 2, в области формируемой интерферограммы. Для наиболее четкого восп35 роизведения главного максимума интерферограммы апертуры фотоприемников 51„...5х,...,5м должны быть как можно меньше его ширины.

Начало системы координат на фиг, 1 ус40 ловно совмещено с центром ЭАП Зо (ЭАП с порядковым номером = О), Ось Z параллельна оптической оси, ось Х вЂ” направлению распространения ультразвуковых волн в АОМ 2, а ось Y направлена вдоль ряда, в котором расположены ЭАП ЗО,...,З,...,Зм-1.

При этом координата I-ro ЭАП 3i вдоль оси

Y равно yi = di; i — порядковый номер ЭАП

3<Ä,.,3ь...3 -1, соответствующий порядковому номеру выходов синтезатора 4 частот, 50

1606855 (4) 2л где ву — --т — — — r — пространственная астота; (5) 30 ч

il — длина волны света; д — ось интерферограммы, параллельная оси Y.

Выражение для интерферограммы в дальней зоне может быть получено путем подстановки (3) в (4) и возведением в квадрат модуля:

1 =! Е! = ) А(жу ) f 6(ву Я, i1Ny v где А (ау) = f а(у) 8 Ду — огибаю- 40

-СО щая интерферограммы; — (d>+ — A ñ)

G (соу) =,")„е — мноо 45 житель решетки. (6)

Подставив (5) в (6), получим ч — — -(d; (у-v < (Д = Z ° г ) (7) о

ilZ AN где Vi = ., — скорости, с которы-! ми сканируют вдоль оси r все компоненты суммы (7).

Если выполняется условие (2), эти скорости равны между собой, т.е.

RZ

Vl = V =

2 лС

Электрические сигналы с различными частотами поступают от синтезатора 4 частот на ЭАП 3o,...,3i„...3ы-<, которые преобразуют эти сигналы в акустические волны, распространяющиеся в АОМ 2 в виде парал- 5 лельных пучков.

Световой пучок от лазера 1 дифрагирует на ультразвуковых пучках AOM 2. В результате в дифракционном пучке появляется N лучей с одинаковыми апертурными функци- 10 ями а(х, у), определяемыми окнами каналов

АОМ 2. В силу соотношения (1) N световых лучей формируются параллельными друг другу. Суммарное световое поле в дифракционном луче имеет вид 15

j (v+c0p+ Ac+) t е1 =, а(у — cf>) е,(3) где ю — частота света;

t — время, 20 и представляет собой поле решетки иэ N излучателей, Поскольку дифракция Фраунгофера описывается интегралом Фурье для определения поля Е в дальней зоне, воспользуемся Фурье-анализом — 1 ©у v

Ег= f Åt е dy, Вследствие этого интерферограмма не

"рассыпается", сохраняет свою структуру и сканирует вдоль оси g со скоростью V, i = A()) G((< — ЧтИ

Если ЭАП 3,...,3ь,.„3и-1установлены эквидистантно с интервалом d, то

dl = i d; ЛИЛ = i ЛШ;

sinN Ë-2-(у7-V t) ,тг б

G (у7 V t) .(8)

sin — (- V t)

На фиг, За приведен график распределения интенсивности в интерферограмме, описываемой выражением (8) при И = 5, Для сравнения на фиг, Зб приведен график интерферограммы известного устройства (прототипа). Он эквивалентен графику для решетки из двух излучателей N = 2. При этом число N в известном устройстве не может быть увеличено, в то время как в рассматриваемом интерферометре принципиальных ограничений на значение величины N нет.

В результате интерферометр (фиг. 1) формирует сканирующую в направлении д интерферограмму повышенного контраста, нули и максимумы которой пересекают плоскость XOZ в одни и те же моменты, Контроль прямолинейности или плоскостности осуществляется следующим образом.

Один из фотоприемников, например 5>, устанавливается неподвижно в плоскости

XOZ. Его сигнал служит отсчетом для измерения задержки. Другой фотоприемник, например 5 м, устанавливается в контрольную точку или передвигается по контролируемой поверхности объекта (не показан), которая должна быть предварительно выставлена параллельно плоскости XOZ. Пока фотоприемник 5М находится в плоскости

XOZ, сигнал на его выходе приходит одновременно с сигналом фотоприемника 5i.

При отклонении от плоскости XOZ в ту или иную сторону, сигнал получит задержку(или опережение), пропорциональную величине отклонений. Эта задержка измеряется измерителем 6 задержки. При этом фотоприемники 5, 5м необходимо располагать так, чтобы они не перекрывали друг друга, например в шахматном порядке. Аналогично устанавливаются и функционируют остальные фотоприемники 51„...5к,...,5М при наличии М точек контроля.

Согласно фиг. 5 в отличие от варианта по схеме фиг. 1 AOM 2 повернут в плоскости

YOZ на 90 так, что все ЭАП 3<,...,3i,...,Зм-i расположены в ряд вдоль светового пучка.

Световой пучок от лазера 1 проходит последовательно все ультразвуковые пучки. По1606855

10

20

50 сле дифракции образуются N дифракционных лучей с соответствующими частотными сдвигами аналогично выражению (3), Однако интервал между ними несколько меньше и имеет величину

d =-,,;-о, А (9) где Л- длина волны ультразвука.

Также, как и в первом варианте, формируется сканирующая интерферограмма, подобная (8). Она имеет распределение и сканирование вдоль оси (, наклонной к".си

Х под небольшим углом О = /Л, Чт-. N лучей в дифракционном пучке не пе ...:;рывались, расстояние между соседни -:.и ЭАП

Зо„.,3,...,3 -> должно удовлетворять неравенству

d >2- (10) где 0- угол дифракции, рад (0«1).

В варианте по схеме фиг. 1 примерно половина светового потока от лазера 1 проходит в промежутках между ультразвуковыми пучками и не участвует в акустооптическом взаимодействии, при этом нужен двойной запас мощности лазера для восполнения этих потерь. В варианте по схеме фиг. 5 лазерный пучок проходит последовательно все ультразвуковые пучки и полностью участвует во взаимодействии, что повышает вдвое эффективность использования лазерной мощности и, соответственно, экономичность интерферометра.

Измерение отклонений осуществляется от плоскости, проходящей через ось симмЕтрии дифракционного пучка параллельно плоскости Y0Z, повернутой на угол дифракции 0. Угол дифракции 0 показан на фиг. 5 большим для наглядности. Реально он составляет 0,5 — 5 . В остальном интерферометры по схемам на фиг. 1 и фиг, 5 эквивалентны.

Как видно из фиг, 2 предложенный интерферометр позволяет примерно в N/2 раз повысить контраст интерферограммы. Исходя из реальных конструктивных возможностей, число N может быть оценено величиной порядка 20 — 40. При этом в 10-20 раз повышается контарст интерферограммы, соответственно повышается и точности измерений. Кроме того, в интерферометре отсутствует высокоточная, требующая юстировки, зеркальная система, формирующая интерферограмму в устройстве-и рототипе. В интерферометре интерферограмма формируется таким образом, что на ее параметры оказывает влияние в основном параметр d (интервал между каналами AOM 2), который в значительно меньшей степени подвержен влиянию дестабилизирующих факторов и практически не расстраивается.

Это приводит к дополнительному повышению точности.

Формула изобретения

1. Сканирующий интерферометр, содержащий оптически связанные лазер, акустооптический модулятор с электроакустическим преобразователем, укрепленным на его грани, параллельной оптической оси и фотоприемник, а также источник сигнала, подключенный к электроакустическому преобразователю, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен дополнительно не менее чем одним электроакустическим преобразователем, расположенным в ряд с первым электроакустическим преобразователем на той же грани акустооптического модулятора, не менее чем одним фотоприемником, а также измерителем задержки, при этом фотоприемники связаны с контролируемым объектом, их выводы соединены соответственно с входами измерителя задержки, источник сигнала выполнен в виде синтезатора частот, выходы которого когерентны, имеют постоянные частотные сдвиги и соединены соответственно с входами электроакустических преобразователей, а расстояния между двумя любыми электроакустическими преобразователями пропорциональны частотным сдвигам между сигналами на них.

2, Интерферометр по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения экономичности путем более эффективного использования лазерной мощности, электроакустические преобразователи установлены на грани акустооптического модулятора в ряд вдоль оптической оси, а расстояния h, di между соседними электроакустическими преобразователями должны удовлетворять соотношению

Лб >2-y-, h где 6 - угол дифракции, рад;

h — ширина лазерного пучка, 1606855

1606855

Nvz.4

9uz5

Составитель О. Смирнов

Редактор М. Келемеш Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Заказ 3544 Тираж 483 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101