PL213771B1 - Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych.

Znany jest interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych, w którym źródło światła emituje wiązkę światła o wysokiej koherencji, która pada na element światłodzielący, rozdzielający tę wiązkę na dwie części o polaryzacji wzajemnie prostopadłej. Wiązki te biegną w kierunku reflektorów: referencyjnego i pomiarowego i odbijają się wstecznie od nich, a następnie są ponownie ze sobą połączone elementem światłodzielącym i nieznacznie odchylone względem siebie przy pomocy jednej z powierzchni odbijających światło lub przy pomocy specjalnego elementu dwójłomnego, Następnie, obie wiązki przechodzą przez polaryzator po uzyskaniu tego samego stanu polaryzacji interferują tworząc pole periodycznie naprzemiennych jasnych i ciemnych prążków interferencyjnych o ustalonym okresie. Ruch prążków interferencyjnych przetwarzany jest w fotodetektorze składającym się z co najmniej dwóch fotoelementów.

Okres prążków interferencyjnych ustalony jest ściśle przy pomocy kąta interferencji miedzy wiązkami tak, by stanowił odpowiednią wartość w stosunku do odległości pomiędzy elementami światłoczułymi fotodetektora, istnieje również zależność błędów interpolacji, a więc i pomiaru przemieszczenia, od niedopasowania okresu prążków do stałej fotodetektora. Niedopasowanie to bierze się z niedokładności adjustacji interferometru przez użytkownika, z niedokładności wykonania reflektorów interferometru oraz z niedokładności prowadzenia reflektora pomiarowego.

Celem wynalazku jest zmniejszenie czułości zmian okresu prążków w płaszczyźnie fotodetektora na zakłócające zmiany kąta interferencji miedzy wiązkami, a w rezultacie zmniejszenie błędów pomiaru przemieszczeń przy pomocy interferometru.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że na drodze obu odchylonych względem siebie wiązek, między elementem światłoczułym i fotodetektorem, składającym się z co najmniej dwóch fotoelementów, znajduje się układ optyczny powiększający.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schematycznie interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych.

Interferometr ten zawiera laser 2, laser He-Ne, który znajdujące się wewnątrz głowicy laserowej LH. Wiązka emitowana przez laser 2 rozdzielana jest na dwie wzajemnie koherentne wiązki 3 i 4 przy użyciu polaryzacyjnego elementu światłodzielącego 5. Wiązki 3 i 4 mają wzajemnie prostopadłe polaryzacje liniowe i biegną we wzajemnie prostopadłych kierunkach. Wiązka 3 odbijana jest równolegle do kierunku padania przez nieruchomy referencyjny reflektor 6, a wiązka 4 odbijana jest przez ruchomy reflektor pomiarowy 7, którego przemieszczenia są mierzone. Następnie, wiązki 3 i 4 są ponownie łączone ze sobą przy pomocy elementu światłodzielącego 5 i biegną w przybliżeniu współosiowo w kierunku głowicy LH. Obie powracające z układu pomiarowego wiązki po wejściu do głowicy laserowej LH przechodzą przez element odchylający wiązkę 8 w postaci klina optycznego wykonanego z materiału dwójłomnego, np. kalcytu, który odchyla je o kąt zależny od stanu polaryzacji światła, także w postaci pryzmatu Wollastona składającego się z odpowiednio ze sobą sklejonych dwóch pryzmatów z materiału dwójłomnego. Możliwe jest również odchylenie wzajemne interferujących wiązek przy pomocy jednego z elementów optycznych układu pomiarowego interferometru zgodnie z opisem patentowym nr WO 023 432. Element 8 odchyla wiązki 3 i 4 o kąt zależny od stanu polaryzacji światła. W związku z tym, że obie wiązki 3 i 4 są spolaryzowane wzajemnie prostopadle, przy pomocy polaryzacyjnego elementu światłodzielącego 5, za elementem odchylającym wiązkę 8 obie te wiązki nie biegną już równolegle do siebie, lecz są wzajemnie odchylone o niewielki kąt. Następnie, obie te wiązki przechodzą przez polaryzator 9, który doprowadza ich polaryzacje do postaci wzajemnie równoległej umożliwiając interferencje tych wiązek. Ze względu na istniejący niezerowy kąt pomiędzy wiązkami 3 i 4 w płaszczyźnie fotodetektora 10 tworzą się biegnące do siebie równolegle periodyczne na przemian jasne i ciemne prążki interferencyjne. W trakcie przemieszczeń reflektora pomiarowego 7 prążki interferencyjne przemieszczają się w kierunku prostopadłym do ich osi.

Do przetwarzania ruchu prążków interferencyjnych stosowany jest fotodetektor 10 z trzynastoma fotoelementami, ale może być też fotodetektor zwany elektrosiatką (electrograting) przedstawiony w opisie patentowym nr EP 0 543 513 B1 lub fotodetektory zaproponowane w polskich opisach patentowych nr 153 557 oraz nr 165 797, w którym fotodetektor składa się z pięciu fotoelementów usytuowanych w szeregu w jednakowej odległości od siebie. Zasadniczo, fotodetektor 10 powinien składać się z co najmniej dwóch fotoelementów. Odległość między środkami kolejnych fotoelementów mierzona w kierunku największych zmian rozkładu intensywności pola prążkowego jest równa 1/4 stałej

PL 213 771 B1 prążka. W tym rozwiązaniu jeden z dwu niezbędnych do wykrycia kierunku ruchu sygnałów wyjściowych tworzy się przez odjęcie od sygnału fotoelementu środkowego sygnału będącego połową sumy sygnałów z fotoelementów skrajnych. Drugi sygnał utworzony jest z różnicy sygnałów fotoelementów usytuowanych po obu stronach fotoelementu środkowego. Oba sygnały wyjściowe opisanego fotodetektora są sygnałami sinusoidalnymi przesuniętymi nominalnie w fazie o ± 90°, przy czym znak przesunięcia informuje o kierunku przemieszczenia. Oba sygnały są wykorzystywane do zliczania przesuwających się w wyniku ruchu reflektora 7 prążków interferencyjnych oraz do interpolacji sygnału pozwalającej na wykrycie i zmierzenie przesuwu prążka o wartości znacznie mniejszej niż jego okres.

Okres prążków interferencyjnych ustalony jest ściśle przy pomocy kąta interferencji miedzy wiązkami 3 i 4 tak, by stanowił odpowiednią wartość w stosunku do odległości pomiędzy elementami światłoczułymi fotodetektora. W fotodetektorze istnieje zależność błędów interpolacji, a więc i pomiaru przemieszczenia od niedopasowania okresu prążków do stałej fotodetektora. Niedopasowanie to bierze się z niedokładności adjustacji interferometru przez użytkownika, z niedokładności wykonania reflektorów interferometru oraz z niedokładności prowadzenia reflektora pomiarowego. Pierwotny kąt między wiązkami 3, 4 jest zwiększony, korzystnie przez zmianę parametrów elementu odchylającego wiązkę 8, co generuje pierwotne prążki interferencyjne o istotnie mniejszym okresie niż wynika to z koniecznego dopasowania do struktury fotodetektora 8. Następnie, na drodze odchylonych względem siebie wiązek 3, 4 wprowadzony jest układ optyczny powiększający 11 w postaci soczewki, która powiększa okres prążków interferencyjnych dopasowując go ponownie do odległości pomiędzy elementami światłoczułymi fotodetektora. Tak powiększone prążki interferencyjne o okresie dopasowanym do tego samego fotodetektora 10 charakteryzują się tym, że ich okres jest znacznie mniej czuły na zmiany kąta między wiązkami 3, 4 niż okres prążków, który powstałby bezpośrednio z interferencji tych wiązek. W efekcie uzyskuje się mniejszą czułość interferometru na błędy wykonania, adjustacji i prowadzenia jego elementów i w rezultacie osiąga się zmniejszenie błędów pomiaru przemieszczeń.

Claims (1)

1. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych zawierający źródło światła o wysokiej koherencji, które pada na element światłodzielący, rozdzielający wiązkę na dwie części o polaryzacji wzajemnie prostopadłej, które dochodzą do reflektorów: referencyjnego i pomiarowego i dalej ma kolejno element odchylający wiązkę, polaryzator i fotodetektor składający się z co najmniej dwóch fotoelementów, znamienny tym, że na drodze obu odchylonych względem siebie wiązek (3, 4), między elementem światłoczułym (5) i fotodetektorem (10), składającym się z co najmniej dwóch fotoelementów, znajduje się układ optyczny powiększający (11).