Интерференционное устройство для измерения малых перемещений

Интерференционное устройство для измерения малых перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения перемещений и индикации положения объекта. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения нулевого положения объектов. Отраженное от поверхности объекта излучение совмещается светоделителем с. опорным ;пучком и формируются линзой в сходящийся гомоцентрический пучок, кото- i рый после второго светоделителя поступает на два фотоприемника, свето чувствительная поверхность одного из которых оптически сопряжена.с центром гомоцентрического пучка, a другого смещена относительно него. Изза наличия участков фазовой аномалии вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн и,, следовательно, результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси. При перемещении объекта происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн, что приводит к модуляции интенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке. Величина перемещения объекта и его положение определяются по показателям блока регистрации . 8 рш. с ( (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (ll) (5ц 4 G 01 В 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пучком и формируются линзои в сходя щийся гомоцентрический пучок, который после второго .светоделителя поступает на два фотоприемника, свето чувствительная поверхность одного из которых оптически сопряжена.с центром гомоцентрического пучка, à другого смещена относительно него. Изза наличия участков фазовой аномалии вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн и, следовательно, результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси, При перемещении объекта происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн, что приводит к модуляции интенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке. Величина перемещения объекта и его положение определяются по показателям блока регистрации. 8 ил ° (21) 4245942/24-28 (22) 18.05.87 (46) 30,11.88. Бюл. 9 44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт средств измерения в машиностроении (72) В.И.Гладырь и А.В.Степанов (53) 531.71.531.714 (088.8) (56) Коломийцев Ю.В. Интерферометры.

Л.: Машиностроение, 1976, с. 186. (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения перемещений и индикации положения объекта. Цель изобретения— расширение функциональных возможностей за счет определения нулевого положения объектов. Отраженное от поверхности объекта излучение совмещается светоделителем с опорным

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1441190 2 пульс с выхода индентификатора фазы) .

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения малых линейных перемещений, индикации положения и координатного позиционирования поверхности контролируемого объекта относительно измерительных баэ и может быть использовано для бесконтактного размерного контроля.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей за счет определения нулевого положения объектов путем использования аномалии фаз электромагнитной волны вблизи центра гомоц ентр ич ес кого луч к а.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства; на фиг.2 — ва20 риант схемы оптоэлектрическои части устройства (Sð — центр входного гомоцентрического пучка); на фиг.3— то же, с двумя общими линзами; на фиг.4 — то же, с.одной общей линзой; .на фиг.5 — схема, поясняющая принцип действия устройства {S †.положение контролируемой поверхности по координате, Б - положение центра гомоцентрического измерительного пуска — I 30 в пространстве объекта, S — положение центра гомоцентрического опорного пучка в пространстве приемников излучения, Б — положение центра гомоцентрического измерительного пучка в пространстве приемников излучения., S — положение светочувствительной площадки приемника по коор-, динате Z ); на фиг.б — распределение фазы волн вблизи центров гомоцентри40 ческих опорного и измерительного пучков вдоль координаты Z (, — фаза

l опорной волны, V — фаза измерительной волны, А В, — участок фазовой аномалии опорного гомоцентрического 45 пучка, A B — участок фазовой аномалии измерительного гомоцентрического пучка); на фиг.7 — изменение фазового сдвига 4.Ч опорной и измерительной волн в плоскости светочувствительной площадки приемника (точка Бр) в зави50 симости от положения центра Бр. изме" (° рительного пучка по координате Z на фиг. 8 — диаграмма электрических сигналов (U и Uë — сигналы с приемников излучения, U, и U - импульсы

; с.двух каналов формирователя импульсов, U - сигнал совпадения с выи хода схемы совпадения, U — 0 -имУстройство (фиг. 1) содержит последовательно установленные лазерный источник l излучения, оптическую систему 2 формирования гомоцентрического пучка, светоделитель 3 входного пучка, проекционные оптические системы

4 и 5 формирования соответственно опорной и измерительной волн, светоделитель 6, два приемника 7 и 8 излучения, индентификатор 9 фазы и блок

10 регистрации.

Оптическая система 2 формирования гомоцентрического пучка согласует геометрические параметры пучка излучения лазерного источника 1 с параметрами проекционных оптических систем 4, 5 и может быть выполнена афокальной или проекционной в зависимости от геометрических параметров последующих оптических систем. Про:екционная оптическая система 4 формирует опорный сиодящийся гомоцентричес1 кий пучок с центром, оптически сопря,женным с центром входного гомоцентрического пучка, и состоит из опорного отражателя 11, выполненного в зависимости от типа оптической системы 2 в виде призменного или зеркального отражателя и проекционной линзы 12. Проекционная оптическая система 5 преобразует входной гомоцентрический пучок в сходящийся в пространстве контролируемого объекта

13, формирует отраженное от поверхности объекта 13 излучение в изме рительный сходящейся гомоцентрический пучок с центром, оптически сопряженным с поверхностью контролируемого объекта 13, и состоит иэ линз

14 и 12. Светоделитель 3 разводит входной гомоцентрический пучок по осям опорного и иэмерительногр каналов и совмещает в обратном ходе опорную и измерительную волну. Светоделитель 3 и проекционная линза

12 являются общими элементами оптических систем 4 и 5. Светоделитель б разводит совмещенные опорный и измерительный пучки по осям, на которых установлены приемники 7, 8 излучения, причем так, что светочувствительная площадка приемника 7 совпадает, а приемника 8 — не совпадает с центром опорного гомоцентрического пучка. Приемники 7, 8 излучения преобразуют интерференционный сигнал( 14411 в электрический и своими выходами подключены к входам идентификатора, 9 фазы, регистрирующего момент совпадения фаэ двух электрических.. сиг5 налов и выполненного, например, в виде электронного устройства, состоящего иэ двухканального формирователя 15 импульсов, соединенного со схемой 16 совпадения, выход которой 1ð присоединен к входу одновибратора 17 °

Выходы идентификатора 9 фазы и приемника 8 излучения подключены к входам блока 10 регистрации, осуществляющего счет числа периодов измери- 15 тельного сигнала и выделяющего номер периода, соответствующего моменту совпадения фаз.

На фиг.2 — 4 изображены варианты схемы оптозлектрической части устрой- 2р ства для случая, когда центр Sg входного гомоцентрического пучка находится на конечном расстоянии, а в качестве опорного отражателя )1 используется зеркало, Такое техничес- 25 кое решение целесообразно при использовании полупроводникового лазера.

Общим признаком вариантов устройства является наличие в проекционной системе формирователя опорной волны ° др линзы 18, оптически сопрягающей центр входного гомоцентрического пучка с опорного отражателя 11. На фиг.2 изображена схема устройства, в котором линза 18 формирователя опорной волны расположена между светоделителем 3 и зеркалом опорного отражателя 11. На фиг.3 изображена схема устройства, в котором проекционные оптические системы формирова- 4р ния опорной и измерительной волн содержат две общие линзы 18 и 12, одна из которых (18) установлена между центром входного гомоцентрического пучка и светоделителем 3, а вторая — 45 между светоделителями 3 и .6. На фиг.4 изображена схема устройства, в котором две линзы 18 и 12 объединены в одну 18, а между центром S> входного гомоцентрического пучка и свето- 5р делителем 3 в прямом ходе света, светоделителями 3 и 6 в обратном ходе света установлен дополнительный светоделительный элемент 19.

Принцип действия устройства осно- 55 ван на одновременном использовании интерференционного способа измерения линейных перемещений контролируемого объекта и явления фаэовой аномалии

4 световой волны, распространяющейся в сформированном оптической системой гомоцентрическом сходящемся пучке, которое заключается в постепенном пространственном сдвиге волны на Jl с при переходе через центр гомоцентрического пучка, причем в самом центре

Jl фазовый сдвиг равен —, 2

Устройство работает следующим образом.

Пучок света от источника 1 излучения (фиг. 1 и 5) формируется оптической системой 2 в гомоцентрический пучок, делится светоделителем 3 на два пучка, один из которых возвращается опорным отражателем 11 обратно по тому же направлению, а второй собирается линзой 14 в пространстве контролируемого объекта 13. Отраженное от поверхности объекта излучение собирается линзой 14 в измерительный пучок, ось которого пространственно совмещается светоделителем 3 с осью опорного пучка. Совмещенные опорный и измерительный пучки формируется линзой 12 в сходящийся гомоцентричес- кий пучок, который расцепляется затем светоделителем 6. Совмещенные опорная и измерительная волны интерферируют между собой. Из-за наличия участков фазовой аномалии АВ вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн, а следовательно, и результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси.

Дпя выявления разницы в характере изменения освещенности интерференционного поля вдоль оптической оси приемника 7, 8 излучения установлены так, что светочувствительная площадка приемника 7 излучения совпадает с центром S опорного гомоцентрического пучка (центром участка фазовой аномалии А В ), а светочувствительная площадка приемника 8 вынесена вдоль оптической оси за пределы участка фаэовой аномалии опорного

I I пучка (точки S, и Й на фиг.5) .

При перемещении контролируемого объекта вдоль оптической оси устройства происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн по закону а Ч = 2 kZ, где k — волновое число, Š— величина осевого смещения объекта, что приводит к модуляции интенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке.

1441190 6 рой на измерительной оси устройства определена "0" -импульсом и подается на вход блока 10 регистрации.

Для счета числа периодов интерфе5 ренционного сигнала и определения, тем самым, величины перемещения объекта вдоль измерительной оси сигнал с выхода приемника 8 излучения подает10 ся на второй вход блока 10 регистрации.

Таким образом, техническое решение позволяет помимо измерения малых линейных перемещений регистрировать

15 совпадение поверхности контролируемого объекта с определенной точкой на оптической оси, а само устройство

) ° совмещает функции измерения и руль индикации.

Формула изобретения

Одновременно осевое смещение оптичес ки сопряженного с поверхностью объек та центра S измерительного пучка

I относительно центра S опорного пуч ка приводит к смещению участка А В,„ фазовой аномалии измерительной волнь относительно участка А В, фазовой аномалии опорной волны. При этом при перемещении участка фазовой аномалии измерительного пучка через центр опорного пучка разность фаз

d9 (фиг.6) опорной и измерительной волн в точке S постепенно меняется

Ji Л от — — + 2kZ до + — + 2kZ а в точке

2 2

Э

SI, остается равной обычной для интер ферометров величине, т.е. 2kZ (фиг.6

Соответствующий дайным фазовым соотношениям интерференционный сигнал регистрируется приемниками 7, 8 излу чения, на выходах которых образуются электрические сигналы, меняющиеся по гармоническому закону и имеющие в общем случае разные фазы. Сигналы с выходов приемников 7, 8 излучения подаются на идентификатор 9 фазы, выполненный, например, в виде электронного устройства (фиг.I). Действие устройства поясняется диаграммой напряжений на фиг.7, на которой показан характер сигналов вблизи момента совпадения фаз. Формирователь

15 импульсов вырабатывает импульсы в момент перехода напряжений U+ уф, снимаемых с приемников 7, 1 излучения, через нуль. В общем случае (2 импульсы U@- и U с выходов формирователя 15 приходят на входы схемы 36 совпадения в разные моменты времени. При их совпадении схема 16 изменяет свое состояние (U ) и на выходе обновибратора 17 появляется сигнал 33р в виде "0"-импульса, свидетельствующего о совпадении фаз электрических и интерференционных сигналов, совмещении центров S u (Э 0

Я,„ опорного и измерительного пучков и, наконец, поверхности контролируемого объекта 13 с точкой S (фиг.5) на измерительной оси, оптически сопряженной с центром входного гомоцентрического пучка, координата котоИнтерференционное устройство для измерения малых перемещений, содер25 жащее последовательно установленные источник излучения, оптическую систе,му формирования гомоцентрического пучка, светоделитель, делящий световой поток на измерительный и опорный, ч0 отражатель, установленный в опорном пучке, фотоприемник, размещенный в области формирователя интерференционной картины, и блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 35 с ц пью р ирения функ он ьнь возможностей за счет определения нулевого положения объекта, оно снабжено вторым светоделителем, установленным между первым светоделителем и фото40 приемником, ориентированным так, что его чувствительная площадка оптически сопряжена с центром гомоцентрического пучка, вторым фотоприемником, размещенным в ходе излучения, отраженного

45 от второго светоделителя, и электрически соединенным с блоком регистрации, и идентификатором фазы, подключенным входами к выходам фотоприемников и выходом — к входу блока регистрации, а второй фотоприемник ориентирован так, что его фоточувст-. вительная площадка смещена относитепьно центра гомоцентрического пучка.

1441190

1441190 !441190

Ллсскосаа усаанобки приеннико8 излучения

1441190

Составитель В. Климова

Корректор С.Черни

Редактор M.Êåëåìåø Техред М.Ходанич

Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6275/42

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4.