Устройство для измерения линейных перемещений

Устройство для измерения линейных перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучения. Плоская волна лазера 1 падает на линейку 2, а дифрагировавшая в выбранный положительный порядок волна, отражаясь от зеркала 3, направляется на линейку 2 для повторной дифракции. Аналогично зеркало 4 осуществляет повторную дифракцию волны, дифрагировавшей в выбранный отрицательный порядок. Среди волн, испытавших двукратную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве две волны вновь выбранных дифракционных порядков, а полученная картина интерференционных полос регистрируется фотоприемником 5. При линейном перемещении линейки 2 разность фаз повторно дифрагировавших волн будет пропорциональна удвоенному произведению величины перемещения ΔХ линейки 2 на выбранные порядки дифракции. Размещение зеркал 3, 4 на касательных к эллипсу, фокусы которого расположены на поверхности линейки так, что первый по ходу излучения от источника фокус каждого эллипса находится в точке дифракции волн излучения на линейке, а второй - в точке схождения продифрагировавших волн, обеспечивает равенство оптических путей двух интерферирующих волн, а вследствие того, что совмещение производится той же самой линейкой 2, поперечные смещения линейки 2 не влияют на стабильность интерферанционных полос при симметричном расположении зеркал 3, 4. Размещение зеркал на эллипсе позволяет одновременно значительно уменьшить разность оптических путей интерферирующих волн и тем самым уменьшить требуемую длину когерентности излучения источника. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

f53) 5 G 01 В 9/02 I 1 /00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ,. :;ф1ЯЦ т ца- 11т,, д (Lb йф 1 .11 (: Ы

g,,", .-, -1 0:.

Фиг 7

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 448 1648/24 — 28 (22) 21.07.88 (46) 07 ° 05.90. Бюл. № 17 (72) С.А.Шойдин, Е.А.Сандер, Ю.Ц.Батомункуев, В.С.Куминов, Б.Н.Чуличкин, Ю.И.Ямщиков и В.П.Майоров (53) 531.715.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 721666, кл. G 01 В 9/02, t980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙHblX ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения— повьппение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучения. Плоская волна лазера 1 падает на линейку 2, а дифрагировавшая

1 в выбранный положительный порядок волна, отражаясь от зеркала 3, направляется на линейку 2 для повторной дифракции. Аналогично зеркало 4 осуществляет повторную дифракцию волны, дифрагировавшей в выбранный отрицательный порядок. Среди волн, испытавших двукратную дифракцию, выделя ются и совмещаются в пространстве

„„SU„„1562686 A 1

2 две волны вновь выбранных дифракционных порядков, а полученная картина интерференционных полос регистрируется фотоприемником 5. При линейном перемещении линейки 2 разность фаз повторно дифрагировавших волн будет пропорциональна удвоенному произведению величины перемещения д Х линейки .2 на выбранные порядки дифракции. Размещение зеркал 3, 4 на касательных к эллипсу, фокусы которого расположены на поверхности линейки так, что первый по ходу излучения от источника фокус каждого эллипса находился в точке дифракции волн излучения на линейке, а второй — в точке схождения продифрагировавших волн, обеспечивает равенство оптических путей двух интерферирующих волн, а вследствие того, что совмещение производится С: той же самой линейкой 2, поперечные смещения линейки 2 не влияют на стабильность интерферанционных полос при симметричнос расположении зеркал р

3, 4. Размещение зеркал на эллипсе позволяет одновременно значительно, уменьшить разность оптических путей интерферирующих волн и тем самым уменьиить требуемую длину когерент- . 00 ности излучения источника. 4 ил. ФЪ

1562686

Изобретение относится к измери-тельной технике и может быть исполь-! зовано для прецизионного измерения перемещений, например в измерительной микроскопии, станкостроении и др.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при . одновременном снижении требований к 1р длине,когерентности излучения.

На фиг.1 показана схема устройства для измерения линейных перемещений на фиг.2 — ход лучей в оптической схеме устройства при смещении линейки 15 в поперечном направлении на LlY, где пунктирной линией обозначен ход лучей в схеме до смещения линейки; на фиг.3схема устройства с малыми углами падения и дифракции волн на линейке, 2р на фиг.4 — то же, с тремя парами отражающих элементов.

Устройство с одной парой отражательных элементов содержит лазер 1, динейку 2, представляющую собой про- 25 пускающую дифракционную решетку с положительными и отрицательными порядками дифракции, зеркала 3 и 4, расположенные касательно к эллипсу с фокусами:в точке дифракции падающей вол- 3О ны на линейку 2 и в точке схождения этих волн, после отражения от зеркал

3 и 4, фотоприемник 5.

Устройство работает следующим образом. 35

Плоская волна лазера 1 падает на линейку 2, а дифрагировавшая в выбранный положительный порядок волна, отражаясь от зеркала 3, направляется на линейку для повторной дифракции, 4р аналогично зеркало 4 осуществляет повторную дифракцию волны, дифрагировавшей в выбранный отрицательный порядок.

Среди волн," испытавших двукратную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве две волны вновь выбранных дифракционных порядков, а полученная картина интерференционных 5р в полос регистрируется приемником 5 излучения.

При линейном перемещении линейки

2 первоначально дифрагировавшие волны набирают разность фаз Щ. Прямо пропорциональную произведению величины перемещения clX линейки на выбранные порядки дифракции, положительный m< и отрицательный m<

l!ó (mf m2) }Х

X„=BY (tgQ -tgQ ). cosQ (2) i<=BY .(tgQ -tgQ ) cosQ

При этом гаются и на такое же расстояние сдвиотраженные от плоских зерсоответственно Х1 положии Х отрицательного порядкал лучи тельного ков

X =DY (tgQ -tgQ ) cosQ, Х =АУ} (tgQ С () cosQ (3) I где DY — расстояние от первоначального положения линейки до точки схождения дифрагировавших лучей.

В симметричной схеме О =Ц2, 2=(, и из (2) и (3) следует, что аУ =ДУ, т.е. точка схождения вновь находится на линейке. Из симметрии схемы следует равенство оптических лучей этих дифрагировавших лучей, следовательно, зеркала расположены касательно к новому эллипсу, имеющему фокусы в »оПри повторной дифракции этих волн на линейке и выборе в качестве интерферирующих двух волн, положительного и отрицательного порядков тех же, что и при первой дифракции, разность д1 будет удвоена, следовательно, точность измерений перемещений удвоена.

Размещение зеркал 3 и 4 на касательных к эллипсу обеспечивает равенство оптическиз путей (эйконалов) двух интерферирующих волн, а вследствие того, что совмещение производится той же самой линейкой, поперечные смещения линейки не влияют на стабильность интерференционных полос при симметричном расположении зеркал 3 и

4. Так, при смещении линейки в поперечном направлении на любую величину

jIY (фиг.2) угол падения Q волны лазера на линейку не изменяется, поэтому не изменяются углы дифракции Q,, и углы схОждения ВОлн Q Q IIpH

1 2 чем дифрагировавшие лучи от центрального луча, проходящего через фокус эллипса, сдвигаются от первоначального направления на расстояние Х, для положительного порядка, Х2 для отрицательного порядка

1562686 ния.

25 (6) дущего, а отражающие элементы установлены зеркально-симметрично относительно перпендикуляра к линейке, расположенного посередине между первым фокусом первого эллипса и вторым фокусом последнего. вых точках дифракцип и схождения волн на линейке.

Разность оптических путем Ж для лучей отстоящих на расстоянии r от

У

5 центрального луча (фиг.3), равна

ДИ = ††-(sinQ -cosQ tgQ -sinQ +

1 со. .

+cosQ tgQ ) (4) и не зависит от поперечных смещении линейки, т.е. разность оптических путей и направления волн не изменяются, что и приводит к стабильности интерференционных полос.

Для случая, близкого к нормальному паделью (Qz ((1) и линейки с относительно невысокой частотой "штри- 20 хов" (Л/d 1 1, Л вЂ” длина волны, d период линейки), учитывая условие дифракции на линейке !

d(sinQ< здпЯ ) =+тпЛ, где m — порядок дифракции, имеется из (4) Д1 еч — — — (Q -Я ) = -(Q . — +(-} )

0 Л Лз 30

6cosQ 1 3 o d где D — ширина фронта волны.

Задавая D=1 мм, Q =0,1 рад, Я/d=

=0,1, получают dW=0,7 мкм. Следовательно, размещение зеркал на эллипсе позволяет одновременно значительно уменьшить разность оптических путей 40 интерферирующих волн, которая определяется величиной dW и тем самым уменьшить требуемую длину когерентности излучения источников.

На фиг.4 показана схема устройства с тремя парами зеркал, расположенными касательно своих эллипсов. В нем, за счет четырехкратной дифракции

50 волн, точность измерения может быть улучшена в четыре раза. .Предлагаемое расположение отража- ющих элементов обеспечивает повышение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучеФормула изобретения

Устройство для измерения линейных

Ф перемещений, содержащее последовательно установленные источник когерентного излучения и линейку с периодической структурой, связываемую с контролируемым объектом, и оптически связанные совокупность объединяющих и четного числа отражающих элементов и фотоприемный блок, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучения, отражающие элементы объединены в пары, каждая пара отражающих элементов установлена так, что их отражающие поверхности обращены в сторону линейки и расположены по касательной к траектории, образованной эллипсом, фокусы которого расположены на поверхности линейки так, что первый по ходу излучения от источника фокус каждого эллипса находится в точке дифракции волн излучения на линейке, а второй — в точке схождения продифрагировавших волн, для нескольких пар отражательных элементов первый фокус каждого последующего эллипса совпадает с вторым фокусом преды1562686

Â1

Составитель С.Грачев

Техред Л.Олийнык Корректop Ì.Шароши

Редактор Г.Гербер

Заказ 1054 Тираж 50 I Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

11 11

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