Устройство для измерения малых перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повьгление точности и расширение функциональных возможностей путем измерения знакопеременных перемещений , а также повьшение надежности работы устройства. Источник 1 когерентного света освещает две состав ные дифракционные решетки, состоящие из фазовых 2,3 и амплитудных 4,5 субрещеток с одинаковым периодом, сме 5 щенных относительно друг друга на часть периода. Фотоприемники 6,7,8 регистрируют интенсивность излучения в О, -И и - д ||ракционных порядках . Измерение перемещения осуществляют с помощью того фотоприемника, производная сигнала которого больще, переключение фотоприемников осущег; г ствляется с помощью блока обработки. Соотношение между дифракционной эффективностью 1j фазовый субрешетки 2, дифракционной эффективностью амплитудной субрешетки 3 и их относительным сдвигом Vc, а также дифракционными эффективностями 1j t фазовой и амплитудной субрешеток 4,5 соответственно и их сдвигом „ имеет вид arctgC2f ; cos fc,, ) -arctg:2/ cosye« / L -,)y/4+ns где п - целое число. 1 з.п, ф-лы 3 ил. (Л СП iNd

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

И"СПУБЛИН

А1

1594С 01 В 1) 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИ:НОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ! !О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ДРИ ГКНТ СССР .. (21) 4278730/24-28 (22) 20.05.87 (46) 15.03.89. Вюл. !! 10 (72) В. А. Миронос, Л.А. Филимонова

; и. А.П. Якимович (53) 531 . 71: 531 . 14 {088, 8) (56) Квантовая электроника. 1985, т. 12, У 5, с. 901-944, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЯХ

НЕ РЕМЕЩЕНЙЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей путем измерения знакопеременных перемещений, а также повышение надежности работы устройства. Источник I когерентного света освещает две составные дифракционные решетки, состоящие из фазовых 2,3 и амплитудных 4,5 субрешеток с одинаковым периодом, смещенных относительно друг друга на часть периода, Фотоприемники 6,7,8

У регистрируют интенсивность излучения в "0", +1" и "-1" дифракционных порядках. Измерение перемещения осуществляют с помощью того фотоприемника, производная сигнала которого больше, переключение фотоприемников осущес.. ствляется с помощью блока обработки.

Соотношение между дифракционной эффективностью !, фазовый субрешетки 2, дифракционной эффективностью ам1 плитудной субрешетки 3 н их относи- . тельным сдвигом V ;„, а также дифрак" сн, ционными эффективностями Ч, фазовой и амплитудной субрешеток 4,5 со- ф ответственно и их сдвигом V име" се ет вид arete!2lq cos y „, /q,-q, )- (/)

-агсг8 2 q совi „, /q - ) p/4+òË, где n — целое число. 1 з,й, ф-лы, 3 ил.

1465692 (Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано для измерения малых перемещений.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей путем измерения энакопеременных перемещений, На фиг. представлена б.пок-схема ( предлагаемого устройства для измерения малых перемещений; на фиг. 2 выходные сигналы фотоприемников; на фиг. 3 — векторная диаграмма комплексных амплитуд световых сигналов, поступающих на фотоприемник.. f5

Устройство для измерения малых пе1 . ремещений состоит из последовательно расположенных и оптически связан( ных источника l когерентно го света, фазовой субрешетки 2 и амплитудной 20 субрешетки 3, второй фаэавай субре шетки 4 и второй амплитудной субре,шетки 5, причем субрешетки 2,3 и 4,5 имеют одинаковый период и скреплены попарно со смещением на часть перио- 25 да, пара субрешетак 2 и 3 закрепле, на неподвижно, а пара субрешеток 4 и

5 имеет воэможность перемещаться в своей плоскости перпендикулярно направлению штрихов. Далее устройство 30 содержит фотоприемники 6-8, установленные в направлении распространения

+1,0-1 порядков дифракции соответственно и блок 9 обработки сигналов фо топриемникав 6-8.

Устройство работает следующим образомм.

Пучок света когерентнаго истачни— ка 1 направляют на дифракционные субрешетки 2-5. Фотоприемники 6 и 7 ре- 4р ( гистрируют интенсивность света в +1 и -1 порядках дифракции.

При перемещении объекта 10, связаннога с субрешеткачй 4 и 5, выходные сигналы I< и I2 фотоприемников

6 и 7 изменяются по гармоническому закону со смещениеч друг относительно друга по фазе Ь Ч,фиг,2). Величина перемещения объекта 10 определяется по сигналу одного из фотоприемников 6-8, у которого производная сиг.нала имеет большую величину. Переключение фотоприемников 6-8 осуществляется при помощи блока 9 обработки сигналов.

При перемещении одной решетки 4 и

5 относительно другой изменение направления движения объекта 10 совпадает с экстремумом одного из фотоприемников, например 6 и 8 (точки

А и В на фиг.2), в сигнале другого фотоприемника 8 наблюдается сбой.

Когда же изменение направления движения объекта 10 не совпадает с экстремумами сигналов точка С, сбой наблюдается в сигналах обоих фотоприемников 6 и 8. Блок 9 обработки сигналов па сигналам сбой изменяет соответствующим образом направление счета величины перемещения.

Относительный сдвиг сигналов фотоприемников 6 и 8 I< и I< определяется величиной сдвига фазовай и амплитудной решеток 4,5 и 2,3. Векторные диаграммы на фиг.3 поясняют это, Пусть амплитудная и фазовая субрешетки 2 и 3 имеют малую дифракцианную эффективность соответственно, и и пусть амплитудная субрешетка 3 смещена относительно фазовой на величину

Известна, что при дифракции све.товой волны на фазовой решетке 2 волны +1 и --.1 дифракционных порядков имеют множитель П/2 относительно фазы прошедшей волны вектора Ф и Ф» (на фиг.3). Прошедшая волна дифрагирует далее на смещенной амплитудной субрешетке 3. При этом световая волна

+1 порядка дифракции имеет фазу +4, а волна первого порядка — фазу Ч щ (а, и а на фиг. 3), Эти четыре волны попарно интерферируют и как следует из фиг. 3, результирующие амплитуды волн +1 и -1 порядков дифракции будут ичеть неравные ачплитуды и фазы, и 1, г и М2, соответственно. Пусть теперь за этой составной. решеткой 2 и 3 установлена подвижная амплитуда или фазовая решетка 4 и 5. Легко показать, что интенсивности световых волн +1 и -1 порядков и соответственно выходные сигналы фотоприемников 6 и 8 11 и т определяются следующими выражениями:

I =r тг +2r rz cos (f, - );

2. з

I =r +r>+2r r>cos (<2+4

2 1. 3 х где r — амплитуда световой волны в

5 дифракцианных порядках подвижной решетки 4 и 5, а 4 — ее фазовый сдвиг, Формулы (1) показывают, что выходные сигналы фо.таприемников 6 и 8 смещены, друг относительно друга на величину 49 q = <+91.

Полагая, что амплитуды дифракцианных волн пропорциональны квадратным (2) 4 << =

) +пл, ! !

3 t46 корням из величины дифракционной эффективности решеток имеем из геометрических соотношений

Г

tgV— ! соя !с !!! < « » з1п! с,ч к = a cos сн

Используя .2 легко получить, что ч., -, Если подвижная решетка состоит из двух аналогичных субрешеток 4 и 5 с суммарным фазовым смещением И = !

= V,+ P<, то аналогично можно показать, что суммарный сдвиг сигналов фотоприемников 6 и 8 будет hV =IV!-4!Р

Устройство работает при любой величине ассиметрии и иэмерительнйх каналов (т.е. величине 8V ) не кратной

П/2.

Наиболее оптимальным для работы устройства является выбор результирующего фазового сдвига4 = ЛЧ -Щ =

=Р/4+ns, где n - целое число. В этом случае минимум производной выходного сигнала одного фотоприемника, например б совпадает с максимумом производной сигнала другого фотоприемника 8, что обеспечивает максимальную точность измерения перемещения и повьппает надежность работы устройства. ,Фо рмула и зо б ре тени я !. Устройство для измерения малых перемещений, содержащее последова-, тельно расположенные источник коге5692

4 рентного излучения, дифракционную решетку, вторую дифракционную решетку; предназначенную для связи с объектом, фотоприемник и электрически связанный с ним блок обработки информации о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и определения направления щ перемещения, оно снабжено двумя фотоприемниками, установленными симметрично относительно нулевого порядка дифракции в направлении распрост- ранения плюс первого и минус первого

tg .порядков дифракции, а каждая дифракцпонная решетка выполнена в виде . совмещенных амплитудной и фазовой субрешеток с одинаковым периодом и смещенных друг относительно друга

2п иа часть периода, 2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что с целью повьппения надежности работы устройства, параметры дифракционных субре25 щеток выбраны так, что дифракционные эффективности < фазовой субрешетки, амплитудной субрешетки первой дифракционной решетки и их относительный сдвиг ем, и дифракционные эффек3Q тивности и g< фазовой и амплитудной субрешеток соответственно, второй дифракционной решетки и их относительный сдвиг ф „ удовлетворяют соо тно шению:

arctg (% " 9< 2Рч е созт

-arctg(1 з где n — целое число.

1465692

Составитель М. Минин

Редактор 10. Середа Техред Л.Сердюкова Корректор М. Васильева

Заказ 932/40

Тираж 683

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

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