CZ33046U1 - Integrovaný laserový snímač délky pro kontaktní měření - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká integrovaného laserového snímače délky pro kontaktní měření na bázi interferometru.

Dosavadní stav techniky

Při současném stavu techniky jsou pro kontaktní délkové snímání využívány zpravidla následující kategorie technik:

A) Indukčnostní snímače

B) Optická pravítka

C) Laserové interferometry

Principem indukčnostních snímačů je převod hodnoty magnetické indukce na vzdálenost. Výhodou je kompaktní a cenově efektivní provedení a dále okamžité absolutní odvození pozice. Nevýhodou je nižší přesnost, citlivost na elektromagnetické rušení a teplotu prostředí, velká relativní chyba a nutnost kalibrace.

Optická pravítka odvozují měřenou vzdálenost od integrovaného mechanického pravítka, jehož stupnice je opticky snímána. Výhodou je robustnost vůči vlivům prostředí a lepší přesnost než např. u indukčnostních snímačů. Nevýhodou je nákladnější a objemnější konstrukce, relativní rozlišení polohy, které vyžaduje přítomnost referenčních značek a pro přesná měření nutnost kalibrace.

Laserové interferometry představují nejpřesnější techniky měření, jejichž výhodou je vysoké rozlišení, malá relativní chyba v závislosti na měřené délce a možnost přímé metrologické návaznosti na definici jednotky jeden metr dle prováděcích doporučení SI. Nevýhodou je potřeba složitého optického uspořádání, které je velmi citlivé na mechanické a teplotní vlivy okolí.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky jsou do značné míry eliminovány integrovaným laserovým snímačem délky, který obsahuje

- tělo opatřené vstupem pro připojení optického vlákna,

- dělič svazku paprsků, který je uspořádaný v těle a který obsahuje dělicí plochu pro dělení svazku paprsků přiváděného ze vstupu na měřicí část svazku a referenční část svazku,

- nosič, který je svým proximálním koncem suvně uložený v těle,

- zpětný odražeč, a je upevněný v nosiči, a

- odraznou plochu, která je uspořádána v těle, přičemž vstup pro připojení optického vlákna, dělič, zpětný odražeč, odrazná plocha jsou uspořádány

- 1 CZ 33046 U1

- pro vedení měřicí části svazku paprsků do zpětného odražeče a její odražení zpět na dělicí plochu a pro vedení alespoň první části této odražené měřicí části do vstupu pro připojení optického vlákna,

- pro vedení referenční část svazku paprsků na odraznou plochu a její odražení zpět na dělicí plochu a pro odražení alespoň první části této odražené referenční části do vstupu pro připojení optického vlákna, a

- pro vytváření prvního rekombinovaného svazku paprsků z první části měřicí části svazku a první části referenční části svazku.

V přednostním provedení integrovaný laserový snímač dále obsahuje kolimační čočku, která je uspořádaná v těle mezi vstupem pro připojení optického vlákna a děličem svazku paprsků, přičemž je uspořádána pro kolimaci svazku paprsků přiváděných ze vstupu do děliče svazku paprsků a pro kolimaci prvního rekombinovaného svazku paprsků před jeho vstupem do vstupu pro připojení optického vlákna.

S výhodou je děličem dělicí hranol a/nebo je odrazná plocha tvořena odraznou optickou vrstvou deponovanou na boční ploše děliče.

Rovněž j e výhodné, když j e nosič na distálním konci opatřený kontaktním hrotem.

Přednostně je zpětný odražeč kulový zpětný odražeč a/nebo je vyroben z materiálu, jehož index lomu je roven 2 (± 0,05).

Ve zvlášť výhodném provedení je zpětným odražečem kulová čočka, která je na straně přivrácené k děliči opatřená antireflexní vrstvou a/nebo je na straně odvrácené od děliče opatřená odrazným povlakem.

Kolimační čočkou je nejlépe gradientní čočka.

Tělo je s výhodou vyrobeno z vrstveného kevlaru.

Integrovaný laserový snímač s výhodou obsahuje optického vlákno připojené ke vstupu pro přivádění svazku paprsků do děliče a pro odvádění rekombinovaného svazku.

Integrovaný laserový snímač podle tohoto technického řešení s výhodou obsahuje pomocný výstup, přičemž kolimační čočka, dělič, zpětný odražeč a odrazná plocha jsou vzhledem k pomocnému výstupu uspořádány

- pro odražení druhé části měřicí části svazku paprsků, která byla odražena od zpětného odražeče na dělicí plochu, do pomocného výstupu, a

- pro průchod druhé části referenční části svazku paprsků, která byla odražena od odrazné plochy na dělicí plochu, do pomocného výstupu, a

- pro vytváření druhého rekombinovaného svazku paprsků z druhé části měřicí části svazku a druhé části referenční části svazku.

Předkládané řešení kombinuje dílčí výhody jednotlivých metod: jednoduché, kompaktní, robustní a cenově efektivní optické uspořádání, které poskytuje velmi přesné rozlišení a metrologickou návaznost.

-2CZ 33046 U1

Objasnění výkresů

Technické řešení je dále podrobněji popsáno pomocí příkladného provedení, které je schematicky znázorněno na výkrese.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladné provedení integrovaného laserového snímače délky pro kontaktní měření podle tohoto technického řešení obsahuje tělo 1 integrovaného laserového snímače, na jehož jednom konci je vstup pro připojení optického vlákna 8 a na druhém konci je kontaktní hrot 3.

Tělo 1 integrovaného laserového snímače délky je přednostně vyrobeno z vrstveného kevlaru, nejlépe z kevlaru vrstveného tak, že má koeficient tepelné roztažnosti menší než ΙΟ’⁶ K¹. Případně může být z jiného materiálu s nízkou hodnotou koeficientu teplotní roztažnosti.

Kontaktní hrot 3 je uspořádán na nosiči 4, který je suvně pomocí lineárního vedení 2 uložen v těle 1 integrovaného laserového snímače délky tak, že ho lze částečně vysouvat z těla 1 integrovaného laserového snímače a alespoň částečně zasouvat do těla 1 integrovaného laserového snímače délky.

Lineární vedení 2 je přednostně ve formě kuličkového lineárního vedení. Přednostně jsou rovněž tělo 1 a/nebo nosič 4 opatřeny neznázoměnými dorazy pro vymezení maximálního a/nebo minimálního vysunutí/zasunutí nosiče 4 z/do těla 1 integrovaného laserového snímače. Dále může být integrovaný laserový snímač opatřen neznázoměným předpínacím prvkem pro předepnutí nosiče 4 do maximální vysunuté polohy nebo maximální zasunuté polohy.

V nosiči 4 je upevněn zpětný odražeč 5 ve formě kulové čočky. Ve znázorněném příkladném provedení je zpětný odražeč 5 vyroben z dopovaného skla, které má index lomu prostředí blízký hodnotě 2, například ze skla dopovaného lanthanoidy. Na straně přivrácené ke kontaktnímu hrotu 3 je odražeč 5 ve formě kulové čočky povrstvený odraznou optickou vrstvou, což zvyšuje efektivitu odrazu, na druhé straně, tedy na straně přivrácené k přiváděnému svazků paprsků, je povrstvený antireflexní vrstvou, což eliminuje optické etalonové efekty uvnitř čočky.

V těle 1 integrovaného laserového snímače je dále mezi zpětným odražečem 5 a vstupem pro přivádění svazku paprsků, respektive pro připojení optického vlákna 8, uspořádán dělič 6 svazku paprsků a kolimační čočka 7.

Jako dělič 6 svazkuje přednostně použit nepolarizující dělící hranol, u kterého není dělící poměr ovlivněn změnou polarizace (ke které může docházet primárně tím, že přívod svazku je realizován optickým vláknem).

Jako odrazná plocha je s výhodou použita odrazná optická vrstva 10, která je přednostně nanesená přímo na stěně děliče 6 svazku paprsků ve formě dělícího hranolu, což eliminuje nutnost prostorového sesouhlasení děliče 6 svazku paprsků a odrazné optické vrstvy 10 a snižuje prostorové nároky.

Jako kolimační čočka 7 je s výhodou použita gradientní čočka (čočka s proměnným indexem lomu, resp. čočka typu GRIN).

Dělič 6 svazku a/nebo kolimační čočka 7 mohou být uspořádány v těle 1 integrovaného laserového snímače fixně, nebo mohou být přestavitelné, čímž je umožněno pozdější doladění prostorového uspořádání.

-3 CZ 33046 U1

Znázorněný integrovaný laserový snímač pracuje následovně:

Laserový svazek paprsků je přiváděn optickým vláknem 8 do integrovaného laserového snímače, konkrétně do kolimační čočky 7. Svazek vystupující z kolimační čočky 7 je přiváděn na dělič 6 svazku, ve kterém je svazek rozdělen tak, že se referenční část RB svazku odrazí od dělicí plochy 9 na odraznou optickou vrstvu 10, ze které se odrazí zpět na dělicí plochu 9 a z ní je první část referenční části RB svazku odražena zpět do kolimační čočky 7, zatímco druhá část referenční části RB svazku projde dělicí plochou 9 do pomocného výstupu 11. Měřicí část MB svazku projde dělicí plochou 9 děliče 6 svazku a dopadá na zpětný odražeč 5, ze kterého se odrazí zpět do děliče 6 svazku, resp. na dělicí rovinu děliče 6 svazku, ze kterého dále pokračuje první část měřicí části MB svazku do kolimační čočky 7 a druhá část do pomocného výstupu 11.

První část odražené měřicí části MB a první část odražené referenční části RB svazku, které dopadají na dělící plochu 9, se v místě dopadu rekombinují (znovu spojují) a dochází zde k interferenci těchto částí MB, RB, tj. vzniká první rekombinovaný/interferenční svazek, který je přiváděn do kolimační čočky 7. První rekombinovaný svazek představuje interferenční signál, který nese informaci o vzájemné fázi referenční části RB svazku a měřicího části MB svazku, ze které lze odvodit relativní polohu lineárního vedení 2 a potažmo kontaktního hrotu 3 vzhledem k děliči 6 svazku.

Druhá část odražené měřicí části MB svazku a druhá část odražené referenční části RB svazku, které dopadají na dělící plochu 9, se v místě dopadu rovněž rekombinují (znovu spojují) a dochází zde k interferenci těchto částí MB. RB. tj. vzniká druhý rekombinovaný/interferenční svazek, který je přiváděn do pomocného výstupu 11.

Druhý rekombinovaný svazek je využitelný zejména při mechanické kompletaci, resp. seřizování optické sestavy integrovaného laserového snímače.

Díky výše popsanému uspořádání představuje jediné rozhraní mezi integrovaný laserovým snímačem, zdrojem laserového svazku a systém pro vyhodnocení interferenční fáze jedno optické vlákno, což eliminuje vliv elektromagnetického rušení, neboť přenos informace se děje plně fotonicky (bez přítomnosti elektroniky).

Díky použití kolimační čočky 7 ve formě gradientní čočky je umožněno generování vhodného profilu svazku přiváděného do děliče 6 a zároveň je umožněno s vysokou účinností zpětně navázat interferenční signály zpět do optického vlákna 8.

Díky tomu, že je jako zpětný odražeč 5 použita kulová čočka z dopovaného skla, odráží zpětný odražeč 5 svazek tak, že osy dopadajícího a odraženého svazku jsou rovnoběžně, čímž se v kombinaci s kolimační čočkou 7 ve formě gradientní čočky kompenzuje případná úhlová chyba lineárního vedení. Díky kulovitému tvaru zpětného odražeče 5 je na rozdíl od běžných odražečů možné odrážet svazek paprsků tak, že osy dopadajícího a odraženého svazku jsou identické, což umožňuje využít jedno optické vlákno 8 a jednu kolimační čočku 7 jak pro přívod svazku laserových paprsků, tak pro výstup zpětně odraženého, rekombinovaného interferenčního signálu.

Samotný princip měření, při kterém se měřená délka odvozuje od optické frekvence laserového svazku, umožňuje přímou metrologickou návaznost najeden metr dle definice SI.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.

Claims (10)

1. Integrovaný laserový snímač délky pro kontaktní měření, vyznačující se tím, že obsahuje

- tělo (1) opatřené vstupem pro připojení optického vlákna (8),

- dělič (6) svazku paprsků, který je uspořádaný v těle (1) a který obsahuje dělicí plochu (9) pro dělení svazku paprsků přiváděného ze vstupu na měřicí část (MB) svazku a referenční část (RB) svazku,

- nosič (4), který je svým proximálním koncem suvně uložený v těle (1),

- zpětný odražeč (5), který je upevněný v nosiči (4), a

- odraznou plochu, která je uspořádána v těle (1), přičemž vstup pro připojení optického vlákna (8), dělič (6), zpětný odražeč (5), a odrazná plocha jsou uspořádány

- pro vedení měřicí části (MB) svazku paprsků do zpětného odražeče (5) a její odražení zpět na dělicí plochu (9) a pro vedení alespoň první části této odražené měřicí části (MB) do vstupu pro připojení optického vlákna (8),

- pro vedení referenční část (RB) svazku paprsků na odraznou plochu a její odražení zpět na dělicí plochu (9) a pro odražení alespoň první části této odražené referenční části (RB) do vstupu pro připojení optického vlákna (8), a pro vytváření prvního rekombinovaného svazku paprsků z první části měřicí části (MB) svazku a první části referenční části (RB) svazku.

2. Integrovaný laserový snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje kolimační čočku (7), která je uspořádaná v těle (1) mezi vstupem pro připojení optického vlákna (8) a děličem (6) svazku paprsků, přičemž je uspořádána pro kolimaci svazku paprsků přiváděných ze vstupu do děliče (6) svazku paprsků a pro kolimaci prvního rekombinovaného svazku paprsků před jeho vstupem do vstupu pro připojení optického vlákna (8).

3. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dělič (6) je dělicí hranol a/nebo odrazná plocha je tvořena odraznou optickou vrstvou (10) deponovanou na boční ploše děliče (6).

4. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nosič (4) je na distálním konci opatřený kontaktním hrotem (3).

-5 CZ 33046 U1 opatřená antireflexní vrstvou a/nebo je na straně odvrácené od děliče (6) opatřená odrazným povlakem.

5. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zpětný odražeč (5) je kulový zpětný odražeč a/nebo je vyroben z materiálu, jehož index lomu je roven 2 (± 0,05).

6. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zpětný odražeč (5) je kulová čočka, která je na straně přivrácené k děliči (6)

7. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že kolimační čočka (7) je gradientní čočka.

8. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že tělo (1) je vyrobeno z vrstveného kevlaru.

9. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje optického vlákno (8) připojené ke vstupu pro přivádění svazku paprsků do děliče (6) a odvádění rekombinovaného svazku.

10. Integrovaný laserový snímač podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje pomocný výstup (11), přičemž kolimační čočka (7), dělič (6), zpětný odražeč (5) a odrazná plocha jsou vzhledem k pomocnému výstupu (11) uspořádány

- pro odražení druhé části měřicí části (MB) svazku paprsků, která byla odražena od zpětného odražeče (6) na dělicí plochu (9), do pomocného výstupu (11), a

- pro průchod druhé části referenční části (RB) svazku paprsků, která byla odražena od odrazné plochy na dělicí plochu (9), do pomocného výstupu (11), a

- pro vytváření druhého rekombinovaného svazku paprsků z druhé části měřicí části (MB) svazku a druhé části referenční části (RB) svazku.