Двусторонний интерферометр для измерения концевых мер длины

Двусторонний интерферометр для измерения концевых мер длины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к интерферометрам для измерения длины концевых мер длины. Известны интерферометры для измерения длины концевых мер, основанные на интерференции волны, отраженной от одной измерительной поверхности меры и волны, отраженной от поверхности вспомогательной пластины, к которой концевая мера притерта другой измерительной поверхностью /1, 2/. К данному виду интерферометров относится широко используемый интерферометр Кестерса /3/.

Недостаток этого вида интерферометров состоит в образовании притирочного слоя между притираемыми поверхностями концевой меры и вспомогательной пластины. Длина концевой меры, измеренная интерферометром данного типа, включает в себя толщину притирочного слоя, разброс значений которой составляет десятки нанометров /4/ и изменяется случайным образом при повторной притирке одной и той же концевой меры к одной и той же вспомогательной пластине. Операция притирки выполняется вручную, что снижает производительность процесса измерения и при многократном повторении приводит к повреждению измерительных поверхностей концевой меры.

Данные недостатки отсутствуют у двустороннего интерферометра, у которого световые волны отражаются от двух измерительных поверхностей меры.

Известны различные виды двусторонних интерферометров: интерферометр содержащий трехзеркальный кольцевой интерферометр и лазер со стабилизированной частотой излучения /5, 6/, интерферометр содержащий четырехзеркальный кольцевой интерферометр и два лазера со стабилизированной частотой излучения /7/, интерферометр содержащий трехзеркальный кольцевой интерферометр и низкокогерентный источник излучения /8/, интерферометр, содержащий трехзеркальный кольцевой интерферометр, в котором источником излучения служит лазер с перестраиваемой частотой излучения /9/.

Общий недостаток всех рассмотренных выше двусторонних интерферометров состоит в погрешности измерения, возникающей из-за искажений волновых фронтов интерферирующих световых волн, обусловленных погрешностями изготовления оптических элементов интерферометров, например, зеркал. Для устранения данной погрешности измерения предложено измерять искажения интерференционной картины, вызванные дефектами оптических элементов интерферометра /5/, выполнять двукратное измерение концевой меры при разных положениях меры в интерферометре /7, 9/.

Данный недостаток отсутствует у интерферометра рассмотренного в работе /10/, содержащего трехзеркальный кольцевой интерферометр и два лазера со стабилизированной частотой излучения. Излучение лазеров поступает в устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка, которое обеспечивает сведение световых пучков двух лазеров в один пучок, поступающий в расширитель пучка. Световой пучок, вышедший из расширителя пучка, поступает в трехзеркальный кольцевой интерферометр, в котором установлена измеряемая концевая мера. Формируются интерференционные картины, возникающие при интерференции двух опорных волн с измерительными волнами, отражающимися от двух измерительных поверхностей концевой меры и проходящими вблизи боковых поверхностей концевой меры. Длина концевой меры определяется по фазам измерительных волн, которые находятся по интерференционным картинам, полученным при различных сдвигах фаз опорных волн. Для сдвига фаз опорных волн используются устройства сдвига фазы, представляющие собой зеркало, перемещаемое пьезоактюатором. Оптическая система данного интерферометра формирует световые пучки большого диаметра, превышающего размер измерительных поверхностей концевых мер, что требует большого диаметра оптических элементов интерферометра и тем самым увеличивает его габариты, вес и стоимость. Цель настоящего изобретения состоит в создании двустороннего интерферометра небольших габаритов. Указанная цель достигается тем, что интерферометр наряду с элементами и узлами интерферометра /10/ содержит две наложенные голограммы, одна из которых записана излучением одного лазера, другая - излучением другого лазера, устройство освещения голограмм, светоделительное устройство, устройство измерения интенсивности излучения лазеров.

Излучение лазеров поступает в устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка, которое обеспечивает сведение световых пучков двух лазеров в один пучок, поступающий в расширитель пучка. Устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка может иметь несколько вариантов выполнения. В одном из вариантов оно может содержать зеркало, от которого отражается световой пучок одного лазера, и светоделительное зеркало или светоделительную призму, через которое проходит пучок, отраженный зеркалом и от которого отражается световой пучок другого лазера. В другом варианте выполнения устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка содержит оптическое волокно, в которое вводится излучение двух лазеров. Выходной торец волокна расположен в передней фокальной плоскости объектива расширителя пучка. Световой пучок, вышедший из расширителя пучка, имеет диаметр, не превосходящий ширину измерительной поверхности концевой меры. Этот пучок падает на светоделительное зеркало, делящее световой пучок на два параллельных пучка, распространяющихся на небольшом расстоянии друг от друга, которые поступают в светоделительное устройство. Светоделительное устройство направляет световые пучки, в кольцевой трехзеркальный интерферометр, в устройство освещения голограмм, на фотоприемник, служащий устройством измерения интенсивности излучения лазеров

В процессе измерения длины концевой меры концевая мера находится в двух положениях. В первом положении концевая мера не установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре и световые пучки в кольцевом трехзеркальном интерферометре распространяются навстречу друг другу. Во втором положении концевая мера установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре и световые пучки падают по нормали на две измерительные поверхности концевой меры, отражаясь от них. В любом случае, установлена концевая мера в кольцевом трехзеркальном интерферометре или нет, из кольцевого трехзеркального интерферометра выходят световые пучки, распространяющиеся в обратном направлении по отношению к световым пучкам, входящим в кольцевой трехзеркального интерферометр.

Распространяясь в обратном направлении, световые пучки, вышедшие из кольцевого трехзеркального интерферометра, поступают в светоделительное устройство. Из светоделительного устройства в устройство освещения голограмм поступает два световых пучка, из которых устройство освещения голограмм формирует два световых пучка освещающих наложенные голограммы. Световые пучки, освещающие голограмму, записанную излучением того лазера, излучение которого используется для освещения голограмм, в первых порядках дифракции голограммы восстанавливают друг друга. Восстановление одного светового пучка другим пучком обеспечивается условием записи голограмм: каждая наложенная голограмма получена путем экспонирования регистрирующей среды двумя световыми пучками, выходящими из устройства освещения голограмм.

При освещении одной из наложенных голограмм одним из двух световых пучков, выходящим из устройства освещения голограмм, с использованием того лазера, излучением которого была записана данная наложенная голограмма, голограмма восстанавливает световую волну другого пучка. В результате при освещении голограммы двумя световыми пучками за голограммой возникают два световых пучка в каждом из которых интерферируют две волны. Одна волна - волна нулевого порядка дифракции голограммы, возникающая от одного из световых пучков, освещающих голограмму, другая волна - волна восстановленная в первом порядке дифракции голограммы, возникающая от второго светового пучка освещающего голограмму.

Световой пучок нулевого порядка дифракции наложенных голограмм, возникающий при освещении голограмм световым пучком, отражающимся от измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры в кольцевом трехзеркальном интерферометре, поступает в устройство измерения интенсивности интерференционной картины. Устройство измерения интенсивности интерференционной картины измеряет интенсивность картины интерференции между волной нулевого порядка дифракции голограммы и волной, восстановленной в первом порядке дифракции голограммы, возникающей при освещении голограммы вторым световым пучком.

Для определения длины концевой меры выполняется три измерения разности фаз волн первого и нулевого порядков дифракции голограммы, при поочередном вводе в оптическую систему интерферометра излучения двух лазеров. Первое измерение разности фаз выполняется при отсутствии концевой меры в кольцевом трехзеркальном интерферометре. Второе и третье измерения выполняются при установке концевой меры в кольцевом трехзеркальном интерферометре, при поочередном отражении световой волны от двух ее измерительных поверхностей. Для пропускания световой волны, отраженной от одной измерительной поверхности концевой меры и блокирования отражения от другой измерительной поверхности используются два затвора, установленных в кольцевом интерферометре на пути световых пучков, падающих на измерительные поверхности концевой меры. Для измерения разности фаз устройством измерения интенсивности интерференционной картины измеряется интенсивность картины интерференции, при различных сдвигах фазы одной из интерферирующих волн. Сдвиг фазы осуществляется устройством сдвига фазы световой волны, представляющим собой, например, подвижную стеклянную пластинку, оптическая толщина которой изменяется дискретно. Два затвора, установленных на путях двух световых пучков, входящих в устройство освещения голограмм, обеспечивают возможность измерение интенсивности каждой из интерферирующих волн, что выполняется при перекрытии затвором одного из световых пучков. Влияние нестабильности интенсивности излучения лазеров на измеряемые интенсивности картины интерференции учитывается путем измерения фотоприемником интенсивности излучения лазеров, отраженного от светоделительного устройства.

Для нахождения фазы световой волны соответствующей длине концевой меры из первой разности фаз вычитается полусумма второй и третьей разностей фаз. На измеренное значение длины концевой меры не влияют искажения волновых фронтов интерферирующих волн, обусловленные несовершенством оптических элементов интерферометра, если искажения волновых фронтов достаточно малы. В этом случае искажения фаз в уменьшаемом равно искажениям фаз в вычитаемом и при вычитании они компенсируют друг друга.

При первом измерении разностей фаз интерференционная картина представляет собой полосу бесконечной ширины, поскольку интерферируют две одинаковые световые волны, одна из которых проходит через голограмму в ее нулевом порядке дифракции, другая восстановлена в первом порядке дифракции голограммы. При двух последующих измерениях разностей фаз вид интерференционной картины зависит от плоскостности и параллельности измерительных поверхностей концевой меры, отклонения от нормали углов падения световых волн на измерительные поверхности концевой меры, искажений плоских волновых фронтов световых волн, обусловленных зеркалами кольцевого трехзеркального интерферометра. Если измерительные поверхности концевой меры плоские и параллельны друг другу, световые волны падают на них по нормали и зеркала трехзеркального кольцевого интерферометра не искажают волнового фронта световых волн, то интерференционная картина представляет собой полосу бесконечной ширины.

В первом варианте выполнения изобретения светоделительное устройство содержит светоделительную поляризационную призму и четвертьволновую пластинку. Два световых пучка, поляризованные линейно в горизонтальной плоскости, поступают в светоделительное устройство, где проходят через светоделительную поляризационную призму, при этом частично, с небольшим коэффициентом отражения, отражаются на фотоприемник измеряющий интенсивности излучения лазеров. Выйдя из светоделительной поляризационной призмы, световые пучки проходят через четвертьволновую пластинку, после чего приобретают циркулярную поляризацию. После выхода из светоделительного устройства, два параллельных световых пучка поступают в кольцевой трехзеркальный интерферометр, из которого выходят в обратном направлении по отношению к световым пучкам, входящим в кольцевой трехзеркальный интерферометр. Распространяясь в обратном направлении, два параллельных световых пучка проходят через четвертьволновую пластинку светоделительного устройства, выйдя из которой приобретают линейную вертикальную поляризацию и отражаются поляризационной светоделительной призмой в устройство освещения голограмм.

Устройство освещения голограмм содержит три объектива и преобразует два входящих в него параллельных световых пучка в два пучка, освещающих наложенные голограммы. У двух объективов, в которые входят два параллельных пучка, параллельные оптические оси и совпадающие задние фокальные плоскости. На оптических осях двух данных объективов, в их задних фокальных плоскостях, установлены две диафрагмы, фильтрующие световые пучки от переотраженного и рассеянного света. Передняя фокальная плоскость третьего объектива совпадает с задними фокальными плоскостями двух данных объективов, оптическая ось третьего объектива совпадает с оптической осью того из двух данных объективов, в который поступает световой пучок, отражающийся от измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры в кольцевой трехзеркальный интерферометр. Третий объектив формирует из двух входящих в него световых пучка два пучка, освещающих наложенные голограммы, установленные в задней фокальной плоскости объектива.

Устройство измерения интенсивности интерференционной картины содержит объектив, диафрагму и фотоприемник. Объектив, для которого обеспечена возможность перемещения вдоль оптической оси, формирует на фотоприемнике изображения измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры в кольцевой трехзеркальный интерферометр. В задней фокальной плоскости объектива, на его оптической оси, установлена диафрагма, пропускающая световые пучки порядков дифракции наложенных голограмм, распространяющихся вдоль оптической оси объектива и перекрывающая световые пучки, распространяющихся под углом к оптической оси.

Устройство сдвига фазы световой волны может иметь три варианта выполнения.

В первом варианте выполнения устройство сдвига фазы световой волны установлено на оптическом пути одного из световых пучков, входящих в устройство освещения голограмм, и представляет собой подвижную пластинку, оптическая толщина которой изменяется дискретно или подвижный оптический клин или плоскопараллельную пластинку, для которой обеспечен поворот.

Во втором варианте выполнения устройством сдвига фазы световой волны служат наложенные голограммы, перемещаемые пьезоактюатором в направлении линии пересечения плоскости падения двух световых пучков на голограммы с плоскостью голограмм. При перемещении голограмм фаза волн их первого порядка дифракции изменяется пропорционально величине перемещения, фаза волны нулевого порядка дифракции не изменяется.

В третьем варианте выполнения устройством сдвига фазы световой волны служит одно из зеркал трехзеркального кольцевого интерферометра, выполненное в виде составного зеркала, состоящего из двух зеркал, одно из которых перемещается пьезоактюатором. От одного зеркала составного зеркала отражается один световой пучок, от другого зеркала - другой световой пучок. Пьезоактюатором перемещается то зеркало составного зеркала, от которого отражается световой пучок, проходящий кольцевой трехзеркальный интерферометр, не отражаясь от измерительных поверхностей концевой меры.

Циркулярная поляризации световых волн, распространяющихся в кольцевом трехзеркальном интерферометре, должна сохранятся при всех изменениях оптического пути. В противном случае изменяются фазы интерферирующих волн. Фаза волны первого порядка дифракции наложенных голограмм во время всех трех измерений разностей фаз одна и та же, поскольку оптический путь этой волны не изменяется. Изменение фазы, обусловленное изменением поляризации при изменении оптического пути, имеет место для волны нулевого порядка дифракции голограмм, в силу несколько разных фазовых сдвигов вертикально и горизонтально поляризованных компонент циркулярно поляризованного света при отражении или прохождении света через зеркала кольцевого трехзеркального интерферометра, что приводит к систематической погрешности измерения длины концевых мер. Эта систематическая погрешность должна быть измерена и учитываться при измерениях.

Данная систематическая погрешность отсутствует во втором варианте выполнения изобретения. В этом варианте светоделительное устройство содержит светоделительную поляризационную призму и четвертьволновую пластинку, установленные в световом пучке, проходящим кольцевой трехзеркальный интерферометр, не отражаясь от концевой меры. Светоделительное устройство также содержит светоделительную призму и полуволновую пластинку, через которые проходит световой пучок, отражающийся от измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры в кольцевом трехзеркальном интерферометре. Полуволновая пластинка, расположена в световом пучке, выходящем из светоделительной призмы и поступающем в устройство освещения голограмм. Полуволновая пластинка преобразует горизонтальную поляризацию в вертикальную. В данном световом пучке поляризация горизонтальна на всем оптическом пути от лазеров до полуволновой пластинки, независимо от изменения оптического пути.

Второй вариант изобретения отличается от первого только другим вариантом светоделительного устройства. В остальном оптическая система второго варианта совпадает с оптической системой первого варианта изобретения.

Рассмотренная систематическая погрешность отсутствует также в третьем варианте выполнения изобретения. Третий вариант обеспечивает меньшие габариты интерферометра, чем второй за счет того, что световой пучок, не отражающийся от концевой меры, поступает в устройство освещения голограмм из светоделительного устройства, минуя трехзеркальный кольцевой интерферометр. В третьем варианте изобретения светоделительное устройство содержит зеркало и светоделительную призму или светоделительное зеркало. Устройство сдвига фазы световой волны в третьем варианте оптической системы имеет три варианта выполнения. Первый и второй варианты совпадают с рассмотренными выше первым и третьим вариантами выполнения устройства сдвига фазы. В третьем варианте выполнения устройством сдвига фазы световой волны служит зеркало светоделительного устройства, перемещаемое пьезоактюатором.

Фиг.1 - структура оптической системы двустороннего интерферометра для измерения концевых мер длины.

Фиг.2 - схема записи голограммы 13 световыми пучками Р и Q.

Фиг.3 - световые пучки трех порядков дифракции, возникающие при освещении голограммы 13 световым пучком Q.

Фиг.4 - световые пучки трех порядков дифракции, возникающие при освещении голограммы 13 световым пучком Р.

Фиг.5 - устройство сдвига фазы световой волны в виде наложенных голограмм, перемещаемых пьезоактюатором.

Фиг.6 - первый вариант выполнения оптической системы двустороннего интерферометра для измерения концевых мер длины, в котором светоделительное устройство содержит светоделительную поляризационную призму и четвертьволновую пластинку установленные в двух световых пучках.

Фиг.7 - устройство сдвига фазы световой волны в виде составного зеркала, состоящего из двух зеркал, одно из которых перемещается пьезоактюатором.

Фиг.8 - второй вариант выполнения оптической системы двустороннего интерферометра для измерения концевых мер длины, в котором светоделительное устройство содержит светоделительную поляризационную призму и четвертьволновую пластинку, установленные в одном световом пучке, светоделительную призму и полуволновую пластинку, установленные в другом световом пучке.

Фиг.9 - третий вариант выполнения оптической системы двустороннего интерферометра для измерения концевых мер длины, в котором светоделительное устройство содержит зеркало и светоделительную призму или светоделительное зеркало.

На фиг.1 представлена структура оптической системы двустороннего интерферометра для измерения концевых мер длины. Излучение двух лазеров со стабилизированной частотой излучения 1 и 2 поступает в устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка 3, которое обеспечивает сведение световых пучков двух лазеров в один пучок, поступающий в расширитель пучка 4. Устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка в одном варианте своего выполнения содержит зеркало, от которого отражается световой пучок одного лазера и светоделительное зеркало, через которое проходит пучок, отраженный зеркалом и от которого отражается световой пучок другого лазера. В другом варианте выполнения устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка содержит оптическое волокно, в которое вводится излучение двух лазеров. Выходной торец волокна расположен в передней фокальной плоскости объектива расширителя пучка. Световой пучок, вышедший из расширителя пучка 4, падает на светоделительное зеркало 5, делящее световой пучок на два параллельных пучка, которые поступают в светоделительное устройство 6.

Светоделительное устройство 6 пропускает световые пучки в кольцевой трехзеркальный интерферометр, состоящий из светоделительного зеркала 7 и зеркал 8 и 9. Светоделительное устройство отражает световые пучки, с небольшим коэффициентом отражения, на фотоприемник 10, измеряющий интенсивности излучения лазеров. В процессе измерения длины концевой меры концевая мера находится в двух положениях. В первом положении концевая мера 11 не установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре и световые волны в световых пучках распространяются навстречу друг другу. Во втором положении концевая мера 11 установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре, в световом пучке, падающем по нормали на две измерительные поверхности концевой меры, отражаясь от них. В любом случае установлена концевая мера 11 в кольцевом трехзеркальном интерферометре или нет, из кольцевого трехзеркального интерферометра выходят световые пучки, распространяющиеся в обратном направлении по отношению к пучкам, входящим в кольцевой трехзеркальный интерферометр.

Распространяясь в обратном направлении, световые пучки поступают в светоделительное устройство 6. Светоделительное устройство 6 направляет два световых пучка в устройство освещения голограмм 12. Устройство освещения голограмм формирует из двух входящих в него световых пучков два пучка, освещающие наложенные голограммы 13 и 14. Одна голограмма предварительно записана излучением одного лазера, другая излучением другого лазера. В процессе измерения две наложенные голограммы поочередно освещаются излучением двух лазеров. Для пропускания излучения одного лазера и перекрытия излучения другого лазера используются затворы 15, 16. Световые пучки, освещающие голограммы 13, 14, в первых порядках дифракции голограмм восстанавливают друг друга. Восстановление одного светового пучка другим пучком обеспечивается условием записи голограмм: каждая из наложенных голограмм 13 и 14 получена путем экспонирования регистрирующей среды двумя световыми пучками, выходящими из устройства освещения голограмм 12. Одна голограмма излучением одного лазера, другая излучением другого лазера.

На фиг.2 представлена схема записи любой из голограмм 13 или 14, например, голограммы 13, двумя световыми пучками Р и Q, выходящими из устройства освещения голограмм 12 (фиг.1). При освещении голограммы световым пучком Q возникают световые пучки трех порядков дифракции голограммы - 1, 0, 1 (фиг.3). В первом порядке дифракции голограммы восстанавливается световая волна пучка Р (фиг.3). При освещении голограммы световым пучком Р в первом порядке дифракции голограммы восстанавливается световая волна пучка Q (фиг.4.). При освещении голограммы двумя световыми пучками Р и Q за голограммой возникают два световых пучка, в каждом из которых интерферируют две волны. В одном пучке интерферируют волна нулевого порядка дифракции, возникающая при освещении голограммы волной Q и волна первого порядка дифракции голограммы, возникающая при освещении голограммы волной Р. В другом пучке интерферируют волна нулевого порядка дифракции, возникающая при освещении голограммы волной Р и волна первого порядка дифракции голограммы, возникающая при освещении голограммы волной Q.

Измеряется интенсивность интерференционной картины в том световом пучке, в котором распространяется волна нулевого порядка дифракции голограмм возникающая от световой волны, отражающейся от измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры 11 в кольцевом трехзеркальном интерферометре (фиг.1). В данном случае это световой пучок Q на фиг.2, 3 и пучок, падающий на наложенные голограммы 13, 14 по нормали на фиг.1. В этом световом пучке, за голограммами 13, 14, расположено устройство измерения интенсивности интерференционной картины 17. Устройство измерения интенсивности интерференционной картины 17 измеряет интенсивность картины интерференции между волной, восстановленной в первом порядке дифракции голограммы, возникающей при освещении голограммы световым пучком не отражающимся от концевой меры и волной нулевого порядка дифракции голограммы, возникающей при освещении голограммы световым пучком, отражающимся от измерительных поверхностей концевой меры, при установке концевой меры 11 в кольцевом трехзеркальном интерферометре.

Для определения длины концевой меры выполняется три измерения разности фаз интерферирующих волн при поочередном вводе в оптическую систему интерферометра излучения двух лазеров путем использования затворов 15, 16 перекрывающих излучение лазеров.

Первое измерение выполняется при отсутствии концевой меры в интерферометре. Второе и третье измерения выполняются при установке концевой меры 11 в интерферометре, при поочередном отражении световой волны от двух ее измерительных поверхностей. Для пропускания световой волны, отраженной от одной измерительной поверхности концевой меры и блокирования отражения от другой измерительной поверхности используются два затвора 18, 19, установленных в кольцевом трехзеркальном интерферометре на пути световых пучков, падающих на измерительные поверхности концевой меры. Для нахождения разности фаз интенсивность интерференционной картины измеряется при различных сдвигах фазы одной из интерферирующих волн. Сдвиг фазы световой волны выполняется устройством сдвига фазы, которое имеет различные варианты выполнения. На фиг.1 показан первый вариант выполнения устройства сдвига фазы, когда устройство сдвига фазы 20, установлено на пути одного из световых пучков, входящих в устройство освещения голограмм и содержит подвижную пластинку, оптическая толщина которой изменяется дискретно или подвижный оптический клин или плоскопараллельную пластинку, для которой обеспечен поворот.

Во втором варианте выполнения устройством сдвига фазы световой волны служат наложенные голограммы 13, 14, перемещаемые пьезоактюатором 24 в направлении линии пересечения плоскости падения двух световых пучков на голограммы с плоскостью голограмм (фиг.5.) При перемещении голограмм фаза волн их первых порядков дифракции изменяется пропорционально величине перемещения, фаза волн нулевых порядков дифракции не изменяется.

В третьем варианте выполнения устройством сдвига фазы световой волны служит одно из зеркал интерферометра, перемещаемое пьезоактюатором.

Затворы 25, 26 (фиг.1.) установленные на путях двух световых пучков входящих в устройство освещения голограмм 12, обеспечивают возможность измерения интенсивности каждой из интерферирующих волн, что выполняется при перекрытии затвором одного из световых пучков. Влияние нестабильности интенсивности излучения лазеров на интенсивность интерференционной картины учитывается путем измерения интенсивности излучения лазеров фотоприемником 10.

Введем следующие обозначения для длин различных участков оптического пути от плоскости СС до плоскости DD (фиг.1), проходимого световой волной, распространяющейся в световом пучке, отражающемся от концевой меры 11, при установке концевой меры в кольцевом трехзеркальном интерферометре:

l_CC,7 - длина оптического пути от плоскости СС до светоделительного зеркала 7;

l_7,8 - длина оптического пути от светоделительного зеркала 7 до зеркала 8;

l_8,9 - длина оптического пути от зеркала 8 до зеркала 9;

l_9,7 - длина оптического пути от зеркала 9 до светоделительного зеркала 7;

l_7,DD - длина оптического пути от светоделительного зеркала 7 до плоскости DD;

l_8,A - длина оптического пути от зеркала 8 до измерительной поверхности А концевой меры, при установке концевой меры 11 в кольцевой трехзеркальный интерферометр;

l_9,B - длина оптического пути от зеркала 9 до измерительной поверхности В, при установке концевой меры 11 в кольцевой трехзеркальный интерферометр.

Длина оптического пути l₁ от плоскости СС до плоскости DD при первом измерении разности фаз, когда концевая мера 11 отсутствует в кольцевом трехзеркальном интерферометре

Длина оптического пути l₂ от плоскости СС до плоскости DD при втором измерении разности фаз, когда концевая мера 11 установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре и световая волна отражается от измерительной поверхности А концевой меры

Длина оптического пути l₃ от плоскости СС до плоскости DD при третьем измерении разности фаз, когда концевая мера 11 установлена в кольцевом трехзеркальном интерферометре и световая волна отражается от измерительной поверхности В концевой меры

Длина L концевой меры определяется выражением

Действительно, подставив в (4) равенства (1)-(3), получим

В соответствии с соотношением (4) длина концевой меры выражается через первую φ₁, вторую φ₂ и третью φ₃ измеренные разности фаз равенством

где: λ - длина волны излучения лазера;

n - целое число.

Плоский волновой фронт световой волны, распространяющейся в интерферометре, искажается в силу несовершенства оптических элементов интерферометра, например, не плоскостности поверхностей зеркал, оптической неоднородности стекла. Введем следующие обозначения для искажений фазы плоских световых волн, проходящих оптические пути l₁, l₂, l₃, возникающих в плоскости DD (фиг.1):

ε_6,R, ε_6,T - искажения фазы, возникающие при прохождении световой волны через светоделительное устройство 6 и отражении от светоделительного устройства 6;

ε_7,R, ε_7,T - искажения фазы, возникающие при отражении и прохождении световой волны через светоделительное зеркало 7;

ε₈, ε₉ - искажения фазы, возникающие при отражении световой волны от зеркал 8, 9;

ε₁₂, ε_13,14 - искажения фазы, возникающие при прохождении световой волны через устройство освещений голограмм 12 и наложенные голограммы 13, 14.

Данные искажения фазы являются функциями координат (x, y) в сечении световой волны плоскостью DD (фиг.1): ε_i,j=ε_i,j(x,y) и описывают искажения фазы, обусловленные отдельными оптическими элементами в предположении, что остальные оптические элементы искажений не вносят. Положим, что величины рассмотренных искажений фазы достаточно малы, чтобы можно было считать, что лучи светового пучка в результате этих искажений не меняют направление своего распространения. Тогда искажение фазы световой волны в плоскости DD, возникающее при одновременном наличии рассмотренных искажений фазы, равно сумме отдельных искажений фазы.

При первом измерении разности фаз искажение фазы световой волны в плоскости DD составит

При втором измерении разности фаз искажение фазы световой волны в плоскости DD составит

При третьем измерении разности фаз искажение фазы световой волны в плоскости DD составит

При нахождении значения фазы световой волны пропорциональной длине концевой меры, когда из первой измеренной разности фаз вычитается полусумма второй и третьей измеренных разностей фаз, рассмотренные искажения фаз не влияют на результат измерения поскольку

Также не влияют на результат измерения достаточно малые искажения плоского волнового фронта, которые световая волна может иметь в плоскости СС, обусловленные несовершенством расширителя пучка 4 и светоделительного зеркала 5.

При измерении первой разности фаз волна нулевого порядка дифракции голограммы интерферирует с такой же волной, восстановленной голограммой в первом порядке дифракции, отличающейся только сдвигом фазы. Интерференционная картина представляет собой полосу бесконечной ширины. При измерении второй и третьей разностей фаз вид интерференционной картины зависит от следующих факторов. При измерении второй разности фаз, разность фаз интерферирующих волн, обусловленная искажениями плоских волновых фронтов световых волн оптическими элементами интерферометра, определяется выражением

При измерении третьей разности фаз выражением

Из (11), (12) следует, что вид интерференционной картины зависит от качества зеркал трехзеркального кольцевого интерферометра. Другими факторами определяющим вид интерференционной картины, являются плоскостность и параллельность измерительных поверхностей концевой меры, отклонения от нормали углов падения световых волн на измерительные поверхности концевой меры. Если измерительные поверхности концевой меры плоские и параллельны друг другу, световые волны падают на них по нормали и зеркала трехзеркального кольцевого интерферометра не искажают волнового фронта световых волн, то интерференционная картина при втором и третьем измерениях фазы представляет собой полосу бесконечной ширины.

На фиг.6 представлен первый вариант выполнения изобретения.

Излучение двух лазеров со стабилизированной частотой излучения 1 и 2 поступает в устройство ввода излучения лазеров в расширитель пучка 3, состоящее из зеркала и светоделительного зеркала, которое обеспечивает сведение световых пучков двух лазеров в один пучок, поступающий в расширитель пучка 4, состоящий из двух объективов и микродиафрагмы. Затворы 15 и 16 позволяют перекрыть излучение каждого лазера. Световой пучок, вышедший из расширителя пучка, падает на светоделительное зеркало 5, делящее световой пучок на два параллельных пучка, которые поступают в светоделительное устройство.

Светоделительное устройство состоит из поляризационной светоделительной призмы 27 и четверть волновой пластинки 28. Поляризационная светоделительная призма 27 пропускает горизонтально поляризованное излучение лазеров к четвертьволновой пластинке 28, выйдя из которой излучение лазеров приобретает циркулярную поляризацию и поступает в кольцевой трехзеркальный интерферометр, состоящий из светоделительного зеркала 7 и д