Устройство для отсчета линейных перемещений объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности отсчета перемещения, расширение пределов измерений и функциональных возможностей за счет обеспечения сопряжения дифракционных решеток на расстояниях, превышающих их длину, и изменения оптической длины хода рабочих пучков. Луч из лазера 1, пройдя коллиматор 2, дифрагирует на решетке 3. Пучки, дифрагировавшие в ± 1-й порядок дифракции, преобразуются первой бипризмой 5 в параллельные пучки. По ходу одного из пучков расположены первая и вторая прямоугольные призмы 6 и 7, а по ходу другого - первый и второй уголковые отражатели 10 и 11, один из которых установлен с возможностью перемещения. Дифрагированные пучки совмещаются второй бипризмой 8 на дополнительной дифракционной решетке 9, образуя интерференционно-муаровую картину, которая регистрируется фотоэлементом 13. 1 ил.

СОЮЗ ЯОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51.)5 G 01 В 11/00

ВОЕСОВ8ЙЯЯ

6ИЕ П Ю Е161ЧВИ1 ьиьл>ло. ккрм

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbtTHAM

flPH ГННТ. СССР

1 (21) 4277853/24-28 (22) 28.05.87 (46) 07.06,90. Бюл. Р. 21 (71) Институт электроники АН БССР .(72) В.Н.Ильин (53) 531.715.1 (088.8) (56) Лазерные интерферометры: Сб. научных статей./ Под. ред. В.Н.Корониевича.--- Новосибирск:- Институт автоматики и электроники СО АН СССР.

1978, с; 1 t 1-116. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности отсчета перемещения, расширение пределов измерений и функциональных возможностей

„.Я0„„1569529 А 1

2 эа счет обеспечения сопряжения дифракционных решеток на расстояниях, превышающих их длину, и изменения оптической длины хода рабочих пучков.

Луч из лазера 1, пройдя коллиматор

2, дифрагирует на решетке 3. Пучки, дифрагировавшие в + 1-й порядок дифракции, преобразуются первой бипризмой 5 в параллельные пучки. По ходу одного из пучков расположены первая и вторая прямоугольные призмы 6 и 7, а по ходу другого — первый и второй уголковые отражатели 10 и 11, один из которых установлен с воэможностью перемещения. Дифрагировапные пучки совмещаются второй биприэмой 8 на дополнительной дифракционной решетке

9, образуя интерференционно-муаровую картину, которая регистрируется фотоэлементом 13, 1 ил.

1569529

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах с дифракционными решетками, -использующими муаровые интерферепционные полосы. Целью изобретения является повышение точности отсчета величины перемещения, расширение пределов измерений и функциональных возможностей за счет 1О обеспечения сопряжения дифракционных решеток на расстояниях, в несколько раз больших, чем длина решеток, и.из,менения оптической длины хода рабо1 . чих пучков, 5

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства, Устройство состоит из оптически связанных лазера 1, телескопической системы (коллиматора) 2, дифракционной решетки 3, экрана 4 и первой бипризмы 5, после которой образуются

: две ветви: опорная ветвь, в которой последовательно расположены первая 6 ,и вторая 7 прямоугольные призмы, вто- 2 рая биприэма 8 и дополнительная дифракциоцная решетка 9, и измерительная ветвь, содержащая оптически свя занные первый 10 и второй 11 уголко"

; вые отражатели. За второй дифракционной решеткой размещены диафрагма

12 и фотоэлемент 13, соединенный с, усилителем-формирователем 14, связан: ным. со счетчиком 15.

- Устройство работает следующим об, разом.

35 .Луч от лазера 1 преобразуют в нерасходящийся пучок А большего диаметра посредством коллиматора 2 (телескопической системы) и освещают им дифракционную решетку 3, Прошедший решетку пучок дифрагирует с образованием трех пучков: -1-го В, 0-го и

+1-го С порядков дифракции. Нулевой порядок дифракции направляют на экран

4 с матированной поверхностью и исключают из дальнейших операций. Пучки В и С направляют на бипризму 5, которая преобразует их из расходящихся в параллельные. Угол преломления бипризмы выбирают иэ соотношения

9 = g /(n-1), где (p„, — угол -дифракции и n . — показатель преломления материала бипризмы.:Пучок В посредством первой 6 и второй 7 прямоугольных призм, а также второй бипризмы 8 меняет свое направление и освещает дополнительную дифракционную решетку 9 под углом, равным углу дифракции света на этой решетке. Второй пучок С после бипрнэмы 5 направляется на первый уголковый отражатель 10, который имеет возможность перемещаться вдоль пучка в измерительной зоне $ . Длина измерительной зоны S ограничивается либо энергетическими параметрами лазерного пучка и может составлять десятки метров, либо конструктивными особенностями оборудования, в которое встраивается данный преобразователь.

Через первый уголковый отражатель 10 пучок проходит на второй уголковый отражатель 11 и далее на вторую биприэму 8, меняет свое направление и так же, как и пучок В, под .углом дифракции освещает дополнительную решетку 9 на том же участке, что и пучок В. На решетке 9 оба пучка взаимодействуют с образованием интерфе- ренционно-муаровой картины, которая движется при линейном смещении уголковога отражателя 10 (или решеток) и считывается через диафрагму 12 фотоэлементом 13. Последний связан с входом усилителя-формирователя 14, нагруженным на счетчик 15.

3а счет введения первой бипризмы осуществляется преобразование расходящихся дифрагированных на первой дифракционпой решетке пучков +1-го и -1-го порядков дифракции в парал,лельные, обеспечивается. возможность измерения перемещения анализируемого объекта вдоль распространения пучков, что расширяет пределы измерения и облегчает последующую коррекцию пуч— ков и совмещение их в плоскости взаимодействия под заданным углом. При параллельном распространешш пучков они, располагаясь в непосредственной близости друг от друга, находятся в одинаковых атмосферных условиях и испытывают, следовательно, одинаковые турбулентные воздействия воздушных масс в отличие от интерферометров, где опорное плечо находится в неравных условиях с измерительным. Кроме того, параллельное размещение пучков легко обеспечивает построение преобразователей перемещения с рабочими длинами в десятки метров, т.е. превышающих рабочую длину дифракционных решеток, что также расширяет функциональные возможности устройства.

Для того, чтобы параллельные пучки наложились друг на друга с получением интерференционно-муаровых полос, неКорректор М.Максимипптнец анич

Заказ 1435 Тираж 492 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

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

5 156 обходимо направить их друг к другу под углом, равным двойному углу дифракции, что достигается введением второй бипризмы. 11ля известного устройства цела интерференционной полосы определяется параметрами дифракцион- ной решетки или ее шагом, что естественно ограничивает точность измерения величины перемещения ° В указанном случае дополнительно изменяется оптическая длина хода одного из пучков с помощью подвижного уголкового отражателя. При этом второй пучок выполняет роль опорного. Здесь цена интерференционно-муаровой полосы и точность измерения определяются как длиной волны применяемого излучения, так и шагом решетки.

Предлагаемое устройство имеет точность отсчета как минимум в 3 раза выше в сравнении с известным, исполь-. зующим дифракционные решетки фактически с предельно мелким шагом в

1 мкм, и значительное расширение пределов измеряемых перемещений, которые могут достигать десятки метров.

Кроме того, повторное взаимодействие пучков осуществляют также на дифракционной решетке, что дает возможность при соблюдении условий растрового сопряжения получать муаровые полосы.

Принципиально сохраняется возможность измерения перемещений объектов за счет дифракционных решеток (первой или второй) нормально своим штрихам (как и в известном устройств),- т.е, по координате, направление которой перпендикулярно основной. В этом случае отражатель может также перемещаться, что вызывает дополнительное изменение фазы сигнала и повышение точности отсчета. Поэтому в общем случае в плоскости анализа наблюдаются комбинационные полосы, обладающие в полной мере как свойствами муаровых полос, так и свойствами интерференционных полос, так как модуляция светового потока наблюдается как в случае перемещения решетки (муаровой эффект), так и в случае перемещения уголкового отражателя (иптерСоставитель

Редактор И.Горная Темред M.Xop, 9529 6 ференционный эффект). Это обстоятельство существенно расширяет функциональные воэможности устройства, так как позволяет измерять величину перемещения объекта, связанного и/или с отражателем и/или в решеткой, одним устройством по двум, например, взаимно перпендикулярным направлениям (координатам), где на одной координате движется дифракционная решетка (первая или вторая или обе вместе) нормально штрихам, а по другой — уголковый отражатель.

Формула изобретения

Устройство для отсчета линейных перемещений объектов, содержащее лазер, последовательно установленные по ходу йзлучения телескопическую систему, дифракционную решетку, предназначенную для формирования опорной и измерительной. ветвей, экран, диафрагму и фотоэлемент, усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходом фотоэлемента, и счетчик, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения пределов измерений и функциональных возможностей за счет обеспечения Bos можности отсчета перемещений по двум координатам, оно снабжено дополнительной дифракционной решеткой, ус35 тановленной перед диафрагмой, первой и второй бипризмами, выполненными с углом 9 преломления бипризм, удовлетворяющим соотношению 6 =

= (p /(и — 1), где у — угол дифрак-

40 ции дифракционной решетки; n — показатель преломления материала биприэм, первой и второй прямоугольными призмами, установленными в опорной ветви, и размешенными в измерительной ветви

45 первым и вторым отражателями, один иэ которых установлен с возможностью перемещения между первой и второй бипризмами, размещенными соответственно за дифракционной решеткой и перед

50 дополнительной дифракционной решеткой °

В.Бахтин