Измерительный преобразователь перемещений

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (II) (51)5 С 01 В 11

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (46) 30.05 . 91. Бюл. М 20 (21) 4044652/28 (22) 28.03.86 (72) М. А. Ананяи, M. И. Ермохин и В. А. В!иряев (53) 53!.7:531.14(088.8) (56) Коломийцев Ю. В. Интерферометры, — М.: Машиностроение, !976, с. 185-187.

Преснухин Л. Н. и др. Фотоэлектрические преобразователи информации, — М.; Машиностроение, 1974, с. 148-151. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к иэмери" тельной технике и может быть использовано для-прецизионных измерений перемещений в микроэлектронике, злектронографии и т.д. Цель изобретенияповышение разрешающей способности и упрощение конструкции преобразователя за счет использования эффекта двулучепреломления для создания разности фаз интерферирующих волн световых пучков. Излучение источника проходит модулятор, выполненный в виде последовательно установленных поляризатора 2 и двух одинаковых по форме клиньев 3, 4, один из которых связан с контролируемым объектом.

Клинья 3, 4 изготовлен из оптически анизотропного материала. Входная грань клина 3 и выходная грань клина 4 расположены перпендикулярно световому пучку, оптические оси материалов клииье 3, 4 перпендикулярны световому пучку и ребрам острых yrлов клиньев. Прилежание грани клиньев 3, 4 параллельны между собой.

На выходе поляризатора 2 излучение становится плоскополяриэованным под о углом 45 к оптическим осям клиньев

3, 4. На выходе клиньев образуются две составляющие, взаимно сдвинутые по фазе на угол F, пропорциональный суммарной толщине d в просвечиваемом участке. Часть излучения, прошедшая через разделительную призму 5; поступает сквозь анализатор 6 и линзу 9 на торец световода 11 вторая ветвь излучения сквозь четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 7, второй анализатор 8 и вторую линзу 10 поступает на торец световода 12. С выходов световодов 11 и 12 световые пучки поступают соответственно на фотоприемники 13 и 14, сигналы с которых подаются на блоки 15,.16 вычитания.

При движении связанного с контролируемым объектом клина 3 меняются величины d и, следовательно, h что приводит к изменению фототоков, снимаемых с фотоприемников 13, 14, пропорционально соз t/2 для излучения, отклоненного призмой 5, и пропорционально сов (В+а/2)/2 для излучения, не отклоненного призмой 5.и прошедшего через фаэосдвигающую пластинку 7.

В блоках 15 16 из значений фототоков вычитаются постоянные составляющие. Полученные значения фототоков подаются на вход квадратурного сумматора 15, сигнал на выходе которого линейно связан с контролируемым перемещением клина 3. 2 нл..

1389391

Изобретение относится к измери-. тельной технике и может быть испол.ь" эовано для прецизионных измерений перемещений в микроэлектронике, злектронографии и т.д.

Пель изобретения — повышение разрешающей способности и упрощение конструкции преобразователя за счет использования эффекта двулучепреломления для создания разности фаз интерферирующих волн световых пучков.

На фиг. 1 представлена функциональная схема измерительного преобразователя перемещений; на фиг., 2 — 15 графики изменения фототоков на выходах фотоприемников.

Устройство содержит источник 1 излучения,- Модулятор, выполненный в виде поляризатора 2 и оптических 20 клиньев 3 4, изготовленных из оптически анизотропного.материала. Далее в ходе излучения установлена .разделительная призма 5, перекрывающая часть излучения и отклоняющая ее на некото- 25 рый угол Р в одной из ветвей разделенного излучения установлен первый анализатор 6, в другой ветви - четвертьволновая фазосдвигающая пластинка 7 и второй анализатор 8. За анализаторами 6,8 в каждой иэ ветвей излучения последовательно установлено но линзе 9 10 световоду 11 12 н фотоприемнику 13,14, Схема обработки сигналов содержит подключенные к выходам фотоприемников 1 3, 14 блока

)5, 16 вычитания и квадратурный сумматор 17,-,подключенный к выходам блоков 15,16 вычитания.

В качестве источника 1 используется одномодовый лазер. Клинья 3 и 4 40 изготовлены из оптически анизотропно" го материала, например иэ исландского шпата. Входная грань клина 3 и выходная грань клина: 4 расположены перпендикулярно световому пучку. Оп - 45 тические оси 0-0 материала клиньев

3 и 4 перпендикулярны световому пуч. ку и ребрам острых углов клиньев.

Прилежащие грани клиньев 3 н 4 параллельны между собой. Направление 50 движения перемещаемого клина параллельно взаимно прилежащим граням клиньев 3 н 4 н перпендикулярно реб рам углов клиньев. Указанные взаимное . расположение светового пучка и клиньев и направление движения перемещаемого клина обеспечивают неизменность положения светового пучка в пространстве прн движении клина 3.

Приэва 5 выполнена в виде стеклянного клина, Фаэосдвигающая пластинка 7 создает четвертьволновой (n/2) фазовый сдвиг составляющих второй (неотклоненной) частоты светового пучка. Ось наибольшей скорости фаэосдвигающей пластинки 7 параллельна оптической осям клиньев 3 и 4, Плоскости поляризации поляризатора 2 и анализаторов

6 и 8 составляют с оптическими осями клиньев 3 и 4 угол 45

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 последовательно проходит поляризатор 2, клинья 3,4 и разделительную призму 5.

Часть излучений, прошедшая через призму 5., поступает сквозь анализатор 6 и линзу 9 на торец световода

11, а вторая ветвь излучения сквозь четвертьволновую фаэосдвигающую пластинку 7, второй анализатор 8 и вторую линзу 10 поступает на торец световода., 12, С выходов световодов 11 и 12 световые пучки поступают сост« ветственно на фотоприемники 13 и 14, сигналы с выходов которых подаются на входы блоков 1 5 и 16- вычитания.

Световой пучок, ставший на выходе поляризатора 2 плоскополяризованным под углом 45 к оптическим осям клиньев 3 и 4, распадается в клиньях на две составляющие, которые на выходе клина 4 взаимно сдвинуты по фазе на угол 8, пропорциональный суммарной. толщине 1 клиньев в просвечиваемом участке.

В связи с изменением d, а следовательно, н 3 при движении перемещаемого клина 3, связываемого с контролируемям объектом, величина Ф, излучения, отклоненного призмой 5, на выходе иэ анализатора 6 изменяется по формуле

ft (1) а величина Ф излучения, не прошедmего сквозь йриэму 5, изменяется по формуле

Я

Ф " Ф соэ (-2- ), (2)

2 где Ф, и Ф - максимальные значения частей Ф, и Ф светового пучка, 1389391

Части Ф, и Ф излучения создают на выходах фотоприемников 13 и 14 соответственно фототоки I и I, выражаемые соотношениями

I< K,Ô, (3) - КФ.» (4) где К, и К - коэффициенты преобразования фотоприемников 13 и 14. Графики изменения значений I u I в зависимости от L, построенные с .учетом .(1) и (4), приведены на фиг. 2.

В блоках 15 и 16 вычитания из значений I, и I вычитаются постоянные составляющие, равные половинам их максимальных значений. С выходов блоков 15 .и !6 вычитания значения

I» и I » косинусоидально связанные с перемещением h Ь перемещаемого. клина

Э и взаимно сдвинутые rro фазе на четверть периода, подают на вход квадратурного сумматора 17. Сигнал на выходе квадратурного сумматора, представляющий из себя векторную сумму двух.косинусоидальных сигналов, взаимно сдвинутых по фазе на э /2, линей.но связан с перемещением ЬЬ клина 3.

Основным преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что при. знаЧительно более простой конструкции он имеет лучшую разрешающую способность по перемещению. .Так, фазовый сдвиг S 2a при клине иэ исландского шпата и -n 0,172, q 6 и длине волны излучения лазера

% 0,63 соответствует перемещению

hL .4 мкм.

Реализуя разрешение по фазовому сдвигу, можно при вышеуказанных пара- 40 метрах получить разрешение по перемещению до 0,04 мкм.

Формула изобретения

: Измерительный преобразователь перемещений, содержащий последователь» но установленные источник излучения, модулятор, фотоприемники и подключенную к ним схему обработки сигналов, о т л и ч.а ю шийся тем, что,-. с целью повышения разрешающей способности и упрощения конструкции преобразователя, он снабжен установленными по ходу излучения между модулятором и фотоприемниками разделительной призмой, предназначенной для деления излучения на две ветви, анализатором, установленным на одной из ветвей pasделенного излучения, четвертьволно»вой фазосдвигающей пластинкой и анализатором, установленными во второй ветви разделенного излучения, модулятор выполнен в виде размещенных по ходу излучения поляризатора и двух клиньев из оптически анизотропного материала, которыеустановлены так, что пучок излучения перпендикулярен входной грани первого по ходу излучения клина и выходной грани второго клина, взаимно прилежащие . грани клиньев параллельных друг другу, клинья ориентированы так, что

I их оптические оси перпендикулярны пучку излучения и ребрам острых углов клиньев, один иэ клиньев установ-. лен с возможностью перемещений в направлении, параллельном взаимно прилежащим граням клиньев, и предназначен,аля связи с контролируемым обьектом, поляризатор и анализаторы установлены так, что плоскости их поляризации составляют с оптическими ося- . о ми клиньев углы 45» четвертьволновая пластинка расположена так, что ось наибольшей скорости фаэосдвигающей пластинки параллельна оптическим осям клиньев, а схема обработки сигналов выполнена в ниде блоков вычитания, входы которых подключены к выходам фотоприемников, и квадратурного сумматора, подключенного к выходам блоков вычитания.

1 389391

ФиИ

Составитель В. Климова

Редактор И. Васияиьева, Текред ИДидьк Корректор Л. Пилипенко

° 4Ю 44 1»

Заказ 2561 . Тираж 391 Подписное вйИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

М3035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 .Т

Призводственно-полигра4ияескае предприя гие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4