RU176011U1 - Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator - Google Patents
Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator Download PDFInfo
- Publication number
- RU176011U1 RU176011U1 RU2017115350U RU2017115350U RU176011U1 RU 176011 U1 RU176011 U1 RU 176011U1 RU 2017115350 U RU2017115350 U RU 2017115350U RU 2017115350 U RU2017115350 U RU 2017115350U RU 176011 U1 RU176011 U1 RU 176011U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- optical
- grating
- zones
- phase modulator
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 58
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000013461 design Methods 0.000 title description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005262 ferroelectric liquid crystals (FLCs) Substances 0.000 description 1
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
Abstract
Оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений состоит из источника когерентного оптического излучения, коллимирующей системы, пропускающей дифракционной решетки, многосекционного фазового элемента, представляющего собой единый оптический элемент с несколькими зонами, изготовленными встык друг с другом с возможностью внесения этими зонами фазовых сдвигов в дифрагирующие оптические пучки, блока приемников указанных регистрируемых оптических сигналов. При этом многосекционный фазовый элемент выполнен в виде управляемого фазового модулятора с возможностью управляемого изменения фазовых сдвигов.Технический результат заключается в повышении точности датчика за счёт получения в реальном времени максимального приращения сигнала при минимальном изменении контролируемого параметра. 7 ил.The optical scheme of an ultra-precision holographic linear displacement transducer consists of a coherent optical radiation source, a collimating system that transmits a diffraction grating, a multi-section phase element, which is a single optical element with several zones, made end-to-end with each other with the possibility of phase-shifting these zones into diffracting optical beams , a block of receivers of the indicated recorded optical signals. The multi-sectional phase element is made in the form of a controlled phase modulator with the possibility of controlled change of phase shifts. The technical result is to increase the accuracy of the sensor by obtaining in real time the maximum signal increment with a minimum change in the controlled parameter. 7 ill.
Description
Область техникиTechnical field
Полезная модель относится к области прецизионных датчиков линейных перемещений с использованием оптических средств измерения посредством контроля параметров пучков световых лучей, дифрагирующих на различных комбинациях дифракционных решеток, работающих по интерференционному принципу (попарная интерференция дифрагировавших пучков между собой), и окончательно детектируемых фотоэлементами (фотоприемниками).The utility model relates to the field of precision linear displacement sensors using optical measuring instruments by monitoring the parameters of light beams that are diffracted by various combinations of diffraction gratings operating according to the interference principle (pairwise interference of the diffracted beams with each other) and finally detected by photocells (photodetectors).
Уровень техникиState of the art
Известен датчик фирмы Heidenhain (ФРГ), работающий по интерференционному принципу. Принцип действия и оптическая схема данного датчика (фиг. 1) описан в патенте США US 4,776,701 DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS AND METHOD (МПК G01B 11/00; G01D 5/38; (IPC1-7): G01B 9/02, опубл. 1988-10-11) и может быть взят в качестве одного из аналогов предлагаемой полезной модели. У этого патента был также другой патентный аналог - патент СССР SU 1560068 (МПК G01B 11/00; опубл. 23.04.1990) устройство для измерения перемещений. Задача изобретения этого устройства заключалась в повышении разрешающей способности за счет использования дифракционных решеток с шагом 40 мкм. При освещении решеток, одна из которых прозрачная (пропускающая), скрепляется с объектом и выполнена с зубчатым профилем, а другая - отражательная и скрепляется с другим объектом, формируется интерференционная картина, регистрируемая с помощью детекторов, расположенных соответственно в зоне формирования нулевого, положительного и отрицательного первых порядков дифракционного изображения. По электрическим сигналам с детекторов судят о направлении и величине перемещения. Иначе говоря, данный датчик содержит перемещающуюся отражающую решетку и неперемещаемый узел оптической головки, состоящий из источника излучения, оптической системы, пропускающей решетки и четырех приемников (детекторов) излучения. Таким образом,, данная система является многоканальной - с 2 осевыми и 2 наклонными каналами.Known sensor company Heidenhain (Germany), operating on the interference principle. The principle of operation and the optical design of this sensor (Fig. 1) are described in US Pat. No. 4,776,701 DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS AND METHOD (IPC
Недостатком данной оптической схемы датчика являются увеличенные габариты узла оптической головки по длине (вдоль длинной стороны отражающей решетки). Это приводит к тому, что при смещении отражающей решетки таким образом, что производится измерение перемещения на краю отражающей решетки, половина узла оптической головки выступает за пределы отражающей решетки длиной L (фиг. 2, примечания по обозначениям фиг. 2:- для измерения одинаковых перемещений в датчике-аналоге требуется длина перемещающейся отражающей решетки 4 на ΔL больше, чем в предлагаемой оптической схеме датчика; Оптическая головка в датчике-аналоге имеет размер на ΔL1 больше, чем в предлагаемой оптической схеме датчика). Это может усложнить использование датчика на некоторых типах объектов (например, в станках), поскольку требует наличия свободного пространства (по длине) вокруг перемещающейся отражающей решетки. Еще один недостаток - для измерения перемещений величиной L необходимо делать отражающую решетку длиннее, поскольку требуется ее симметричная подсветка относительно оси оптической головки (фиг. 1, 2).The disadvantage of this optical sensor circuit is the increased dimensions of the optical head assembly along the length (along the long side of the reflective array). This leads to the fact that when the reflective grating is displaced in such a way that displacement is measured at the edge of the reflective grating, half of the optical head assembly extends beyond the reflective grating of length L (Fig. 2, notes on the notation of Fig. 2: - for measuring the same displacements in the analog sensor, the length of the moving
Этот же недостаток увеличенных габаритов также присущ и ряду других оптических схем датчиков линейных перемещений, запатентованных в нескольких других патентах США.The same drawback of the increased dimensions is also inherent in a number of other optical schemes of linear displacement sensors, patented in several other US patents.
Патент US 5,430,546 OPTICAL DEVICE FOR MEASURING RELATIVE POSITION OF OR ANGLE BETWEEN TWO OBJECTS (МПК G01B 11/00; G01B 11/26; G01D 5/38; (IPC1-7): G01D 9/02, опубл. 1995-07-04) - данная система многоканальная, но, как и большинство устройств подобного типа использует несколько дифракционных направлений, что приводит к значительным габаритам устройства.US 5,430,546 OPTICAL DEVICE FOR MEASURING RELATIVE POSITION OF OR ANGLE BETWEEN TWO OBJECTS (IPC G01B 11/00; G01B 11/26; G01D 5/38; (IPC1-7): G01D 9/02, publ. 1995-07-04 ) - this system is multi-channel, but, like most devices of this type, it uses several diffraction directions, which leads to significant dimensions of the device.
Патент US 5,120,132 POSITION MEASURING APPARATUS UTILIZING TWO-BEAM INTERFERENCES TO CREATE PHASE DISPLACED SIGNALS (МПК: G01D 5/38; (IPC1-7): G01B 9/02, опубл. 1992-06-09) - также многоканальная система. Основной ее недостаток - использование для получения пучков дополнительных массивных оптических компонентов - призм, что приводит к значительным габаритам конструкции.US 5,120,132 POSITION MEASURING APPARATUS UTILIZING TWO-BEAM INTERFERENCES TO CREATE PHASE DISPLACED SIGNALS (IPC:
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой оптической схемы ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений можно признать схему датчика по патенту США US 005569913 A (В2) OPTICAL DISPLACEMENT SENSOR (МПК: H01J 3/14, опубл. 1996-10-29) (фиг. 3). Оптическая схема данного датчика линейных перемещений высокой точности содержит неперемещаемый узел оптической головки, состоящей из источника когерентного оптического излучения (лазера) (1), коллимирующей системы (объектива) (2), пропускающей дифракционной решетки (G1) и составной компонент (как многосекционный фазовый элемент в виде единого оптического элемента с несколькими (четырьмя) зонами, изготовленными встык друг с другом с возможностью внесения этими зонами фазовых сдвигов в дифрагирующие оптические пучки и пропускающего излучение, отраженное от перемещаемой отражающей решетки) в виде четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) и четырех приемников (фотоприемников) излучения (PD1, PD2, PD3, PD4), а также перемещаемой отражающей решетки (G2). При этом период всех решеток является постоянным и единым, но четыре вторичные дифракционные решетки (G3a, G3b, G3c, G3d) смещены относительно друг друга на периода по нарастающей, то есть и Таким образом, данная система является четырехканальной. Данные каналы являются осевыми (то есть направления излучения, падающего на приемники излучения (G3a, G3b, G3c, G3d) параллельны направлению излучения, сформированного после коллимирующей системы (объектива) (2). Принцип работы данной оптической схемы датчика заключается в том, что определение координаты происходит за счет получения и логической обработки оптических сигналов, продифрагировавших несколько раз на решетках и попарно проинтерферировавших друг с другом, на четырех приемниках излучения (PD1…PD4). На каждом из приемников сигнал формируется за счет интерференции двух пучков (интерференционный способ оценки перемещения) несколько раз продифрагировавших сигналов. Синусоидальное изменение интенсивности сигналов (при равномерном перемещении) на каждом из приемников происходит при перемещении отражающей решетки (G2) относительно пропускающей дифракционной решетки (G1). В данной схеме минимизированы габариты неперемещаемого узла оптической головки (она состоит из источника излучения (1), коллимирующей системы (объектив) (2), пропускающей дифракционной решетки (G1), четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) и четырех приемников излучения (PD1, PD2, PD3, PD4).The closest analogue (prototype) of the proposed optical scheme of an ultra-precision holographic linear displacement sensor can be recognized as a sensor scheme according to US patent US 005569913 A (B2) OPTICAL DISPLACEMENT SENSOR (IPC:
Однако, существенным недостатком данной реализации является то, что составной элемент в виде четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) сложен в изготовлении, поскольку необходимая точность смещения вторичных дифракционных решеток относительно друг друга (при их изготовлении) для определения перемещения с точностью порядка 1 нм должна составлять порядка долей нанометра. Это может быть достигнуто только при литографическом его получении (но с ограничениями) или использовании сложных оптических схем.However, a significant drawback of this implementation is that a composite element in the form of four secondary diffraction gratings (G3a, G3b, G3c, G3d) is difficult to manufacture, since the necessary accuracy of the displacement of the secondary diffraction gratings relative to each other (in their manufacture) to determine the displacement with accuracy of the order of 1 nm should be of the order of fractions of a nanometer. This can only be achieved by lithographic production (but with limitations) or the use of complex optical schemes.
Также общим недостатком всех вышеприведенных схем реализаций датчиков является то, что фазовые соотношения, вводимые в интерферирующие пучки (за счет измерения интенсивности которых и определяется перемещение), осуществляются при помощи оптических компонентов с неизменными во времени параметрами. Это не позволяет использовать в датчиках сменные дифракционные решетки, а также не позволяет динамически (во времени) изменять фазовые соотношения, вводимые в интерферирующие пучки, при работе датчика.Also a common drawback of all the above sensor implementation schemes is that the phase relationships introduced into the interfering beams (by measuring the intensity of which the movement is determined) are implemented using optical components with parameters that are constant over time. This does not allow the use of interchangeable diffraction gratings in the sensors, and also does not allow to dynamically (in time) change the phase relationships introduced into the interfering beams during the operation of the sensor.
Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure
Применение оптического компонента, меняющего фазовые соотношения в пучках во время работы датчика, позволяет увеличить точность определения положения (при идентичной степени дискретизации сигнала), поскольку позволяет получать в реальном времени максимальное (или соответственно большое) приращение сигнала (изменения интенсивности пучка на приемнике) при минимальном (или соответственно малом) изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).The use of an optical component that changes the phase relations in the beams during the operation of the sensor allows one to increase the accuracy of position determination (with the same degree of signal sampling), since it allows one to obtain in real time the maximum (or correspondingly large) signal increment (changes in the beam intensity at the receiver) with (or, accordingly, small) change in the controlled parameter (movement of the reflecting grating).
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в повышении точности датчика за счет применения в его оптической схеме многосекционного фазового элемента в виде управляемого фазового модулятора, который позволяет получить набор оптических сигналов, распространяющихся в одном направлении и с управляемыми изменениями фазовых сдвигов этих сигналов от управления зонами модулятора при перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки с целью получения на соответствующем приемнике или в соответствующей зоне многосекционного сборного приемника большого (для повышения точности) приращения регистрируемого сигнала при малом перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки.The technical result achieved by the utility model consists in increasing the accuracy of the sensor by using a multisection phase element in its optical design in the form of a controlled phase modulator, which allows one to obtain a set of optical signals propagating in one direction and with controlled changes in the phase shifts of these signals from the control of the modulator zones at moving a movable reflective diffraction grating in order to obtain osektsionnogo large precast receiver (to improve accuracy) of the increment of the recorded signal at a low moving movable reflective grating.
Результат достигается тем, что оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений содержит неперемещаемый узел оптической головки, состоящей из источника когерентного оптического излучения, коллимирующей системы, пропускающей дифракционной решетки, пропускающей излучение в направлении перемещаемой отражающей дифракционной решетки, и многосекционного фазового элемента, установленного в световом пучке, дифрагировавшем на перемещаемой отражающей дифракционной решетке, и представляющего собой единый оптический элемент с несколькими зонами, изготовленными встык друг с другом с возможностью внесения этими зонами фазовых сдвигов в дифрагирующие оптические пучки, и пропускающего излучение, отраженное от указанной перемещаемой отражающей решетки, которая не входит в состав оптической головки, и блока приемников указанных регистрируемых оптических сигналов как совокупности попарно интерферирующих пучков. Период всех дифракционных решеток является постоянным и единым. При этом указанный многосекционный фазовый элемент выполнен в виде управляемого фазового модулятора с возможностью управляемого изменения фазовых сдвигов от действия его зон при перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки для получения на соответствующем приемнике или в соответствующей зоне многосекционного сборного приемника большого приращения регистрируемого сигнала при малом перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки.The result is achieved in that the optical scheme of the ultra-precision holographic linear displacement sensor contains an unmovable optical head assembly consisting of a source of coherent optical radiation, a collimating system, a transmission diffraction grating, transmission radiation in the direction of a moving reflective diffraction grating, and a multi-section phase element mounted in a light beam diffracted on a movable reflective diffraction grating, and representing a single the first optical element with several zones made end-to-end with each other with the possibility of introducing phase shifts by these zones into diffracting optical beams and transmitting radiation reflected from the indicated movable reflecting array, which is not part of the optical head, and the receiver unit of the indicated recorded optical signals as a combination of pairwise interfering beams. The period of all diffraction gratings is constant and uniform. Moreover, the specified multi-sectional phase element is made in the form of a controlled phase modulator with the possibility of a controlled change in phase shifts from the action of its zones when moving a movable reflective diffraction grating to obtain a large increment of the recorded signal at a corresponding receiver or in the corresponding zone of a multi-section prefabricated receiver with a small movement of the moving reflective diffraction lattice.
Основное преимущество предлагаемой оптической схемы датчика по сравнению с аналогами и прототипом состоит в увеличении определения точности положения перемещаемой отражающей дифракционной решетки за счет использования в датчике многосекционного элемента в виде фазового модулятора с количеством зон (n×m). Увеличение точности определения положения (при идентичной степени дискретизации сигнала), достигается за счет того, что динамическое изменение фазовых соотношений в соответствующих зонах фазового модулятора позволяет получать на соответствующих приемниках (или в соответствующих зонах многосекционного приемника) в реальном времени максимальное приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).The main advantage of the proposed optical sensor circuit compared to analogues and prototype is to increase the determination of the accuracy of the position of the movable reflective diffraction grating due to the use of a multi-section element in the sensor in the form of a phase modulator with the number of zones (n × m). An increase in the accuracy of position determination (with an identical degree of signal discretization) is achieved due to the fact that the dynamic change in phase relations in the corresponding zones of the phase modulator allows receiving the maximum signal increments (changes in intensity receiver) with a minimum change in the controlled parameter (movement of the reflecting grating).
Перенос многосекционного элемента в виде фазового модулятора в один из пучков, дифрагировавших на перемещаемой отражающей решетке, позволяет сохранить минимальные габариты схемы, предложенные в прототипе.The transfer of a multi-sectional element in the form of a phase modulator into one of the beams diffracted by a movable reflective grating allows you to save the minimum dimensions of the circuit proposed in the prototype.
Дифракционные решетки 3 и 4 (фиг. 4) лучше всего могут быть выполнены по голографической технологии за счет регистрации интерференционного поля, создаваемого в зоне пересечения двух пучков излучения с плоскими волновыми фронтами. То есть данные решетки являются голографическими по методу их получения.
Перечень фигурList of figures
фиг. 1 - оптическая схема аналога голографического датчика линейных перемещений фирмы Heidenhain (ФРГ);FIG. 1 is an optical diagram of an analog of a holographic linear displacement transducer from Heidenhain (Germany);
фиг. 2 - оптическая схема датчика прототипа, поясняющая принцип работы;FIG. 2 is an optical diagram of a prototype sensor explaining the principle of operation;
фиг. 3 - оптическая схема прототипа датчика линейных перемещений;FIG. 3 is an optical diagram of a prototype linear displacement sensor;
фиг. 4 - предлагаемая оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений;FIG. 4 is a proposed optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor;
фиг. 5 - иллюстрации, поясняющие структуру многосекционного элемента в виде многопиксельного жидкокристаллического пространственно-временного модулятора света, разделенного на зоны, которые расположены встык друг к другу;FIG. 5 is an illustration explaining the structure of a multi-sectional element in the form of a multi-pixel liquid crystal spatio-temporal light modulator, divided into zones that are adjacent to each other;
фиг. 6 - иллюстрации, поясняющие структуру многосекционного элемента в виде набор их простых электрооптических ячеек, заполненных жидким кристаллом и управляемых электрически, которые расположены встык друг к другу.FIG. 6 is an illustration explaining the structure of a multi-sectional element in the form of a set of their simple electro-optical cells filled with a liquid crystal and controlled electrically, which are located end-to-end to each other.
фиг. 7 - схема изменения сигналов на приемниках при работе датчикаFIG. 7 is a diagram of a change in the signals at the receivers during the operation of the sensor
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
На фиг. 4 предлагаемой оптической схемы обозначены следующие общие элементы: 1 - источник когерентного излучения (например, полупроводниковый лазер); 2 - коллимирующая оптическая система (объектив); пропускающая дифракционная решетка 3, перемещаемая отражающая дифракционная решетка 4, 5 - набор приемников, расположенными встык друг к другу, или единый составной приемник сигналов, фазовый модулятор 6 с разбиением на смежные зоны (части). Все приемники в предлагаемой схеме расположены в одном дифракционном порядке пропускающей решетки 3 - в едином направлении (канале). На фиг. 4 малыми треугольниками показан ход интерференционных пучков лучей, дифрагировавших на решетках 3 и 4 с прохождением и отражением излучения от этих решеток до прихода итоговых пучков на соответствующие приемники сигналов 5. При такой реализации датчик является многокананальным, но итоговое излучение всех каналов распространяется при падении на блок приемников 5 в одном направлении (как в одном канале). Зоны фазового модулятора 6 вносят в фазовые задержки в дифрагирующий пучок α(1,1)…α(n…m). При начальной настройке датчика при реализации фазового модулятора с четырьмя зонами, стартовые фазовые задержки в зонах могут устанавливаться, например, как 0, π/2, π и 3π/2 (с учетом параметров дифракционных решеток 3 и 4 - в частности, дифракционной эффективности решетки 4 в порядке, в котором установлен фазовый модулятор). Также стартовые фазовые задержки в зонах модулятора могут корректироваться исходя из максимизации разности между сигналами, получаемыми на приемнике 5 в различных зонах. При начале работы датчика в зависимости от скорости изменения сигналов производится изменение фазовых задержек в соответствующих зонах модулятора с целью получения как минимум на одном приемнике (или в одной зоне многосекционного приемника) максимального приращения сигнала при минимальном перемещении отражающей решетки 4.In FIG. 4 of the proposed optical scheme, the following general elements are indicated: 1 - a source of coherent radiation (for example, a semiconductor laser); 2 - collimating optical system (lens); transmissive diffraction grating 3, a movable reflecting diffraction grating 4, 5 — a set of receivers located end-to-end to each other, or a single composite signal receiver,
В предлагаемой оптической схеме датчика (фиг. 4) используется одно направление, в котором совмещены четыре или более каналов. Все приемники 5 (или многосекционный приемник) в предлагаемой схеме расположены в одном дифракционном порядке решетки 3. Многосекционный фазовый элемент в виде фазового модулятора 6 разделен на части (зоны), количество которых равно количеству приемников излучения (или количеству зон многосекционного приемника). Зоны фазового модулятора вносят в фазовые задержки α(1,1)…α(n…m) в световом пучке, дифрагировавшем на перемещаемой отражающей дифракционной решетке.In the proposed optical sensor circuit (Fig. 4), one direction is used in which four or more channels are combined. All receivers 5 (or a multi-section receiver) in the proposed scheme are located in the same diffraction order of the
Многосекционный фазовый элемент в виде фазового модулятора может представлять собой многопиксельный жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света, описанный, например, в статье (И.Н. Компанец, А.Л. Андреев «Микро-дисплеи для цифровой голографии», тезисы докладов Международной Конференции «ГолоЭкспо-2016», стр. 114-121) и разделенный на зоны, которые расположены встык друг к другу (фиг. 5). В каждой из зон создается своя фазовая задержка, которая может динамически изменяться во время работы датчика.A multi-section phase element in the form of a phase modulator can be a multi-pixel liquid-crystal spatio-temporal light modulator, described, for example, in the article (I.N. Kompanets, A.L. Andreev “Micro-displays for digital holography”, abstract of the International Conference “ GoloExpo-2016 ", pp. 114-121) and divided into zones that are located end-to-end to each other (Fig. 5). Each zone has its own phase delay, which can dynamically change during the operation of the sensor.
Также многосекционный фазовый элемент в виде фазового модулятора может представлять собой набор их простых электрооптических ячеек, заполненных жидким кристаллом и управляемых электрически, описанных в статье (А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева, И.Н. Компанец, Н.В. Заляпин, «Перспективы подавления спеклов с помощью ячеек с сегнетоэлектрическим ЖК», тезисы докладов Международной Конференции «ГолоЭкспо-2015», стр. 94-102). При этом данные ячейки также располагаются встык друг к другу, фиг. 6 (а, б, в, г): фиг. 6а) - разбиение на зоны фазового модулятора в случае, если таких зон четыре; фиг. 6б) - обозначение показателей преломления n в соответствующих зонах фазового модулятора в случае, если таких зон четыре; фиг. 6в) - разбиение на зоны фазового модулятора в случае, если таких зон в матрице (n×m) - штук; фиг. 6г) - обозначение показателей преломления n в соответствующих зонах фазового модулятора в случае, если таких зон в матрице (n×m) - штук), каждая ячейка представляет собой отдельную зону, и в каждой из ячеек создается своя фазовая задержка α(1,1)…α(n…m) за счет приложения к ней постоянного электрического поля нужной мощности. Фазовые задержки α(1,1)…α(n…m) определяются изменением показателей преломления n1,1…nn,m, которые создаются в зонах фазового модулятора при воздействии на них постоянного электрического поля нужной мощности. Фазовые задержки в ячейках (зонах) могут динамически изменяться во время работы датчика.Also, a multisectional phase element in the form of a phase modulator can be a set of their simple electro-optical cells filled with a liquid crystal and electrically controlled, described in the article (A.L. Andreev, T. B. Andreeva, I.N. Kompanets, N.V. Zalyapin, “Prospects for the suppression of speckles using cells with a ferroelectric liquid crystal”, Abstracts of the International Conference “GoloExpo-2015”, pp. 94-102). At the same time, these cells are also located end-to-end to each other, FIG. 6 (a, b, c, d): FIG. 6a) - division into zones of a phase modulator in case there are four such zones; FIG. 6b) - designation of refractive indices n in the corresponding zones of the phase modulator in case there are four such zones; FIG. 6c) —division of the phase modulator into zones if such zones in the matrix (n × m) are pieces; FIG. 6d) - designation of the refractive indices n in the corresponding zones of the phase modulator if there are such zones in the matrix (n × m)), each cell represents a separate zone, and in each cell its own phase delay α (1,1 ) ... α (n ... m) due to the application of a constant electric field of the required power to it. Phase delays α (1,1) ... α (n ... m) are determined by a change in the refractive indices n 1,1 ... n n, m , which are created in the zones of the phase modulator when a constant electric field of the required power is applied to them. Phase delays in cells (zones) can dynamically change during sensor operation.
Более подробно схему изменения разности фаз в зонах фазового модулятора и соответствующего изменения сигнала на приемниках для получения как минимум на одном из них максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки) поясним на примере фазового модулятора с двумя зонами (61 и 62) и двумя приемниками (51 и 52). Изначальные фазовые соотношения в пучках выставлены таким образом, чтобы сигналы на приемниках 51 и 52 имели вид, представленный на фиг. 7 (шаг 1).In more detail, the scheme of changing the phase difference in the zones of the phase modulator and the corresponding signal change at the receivers to obtain at least one of them maximum signal increment (change in intensity at the receiver) with a minimum change in the controlled parameter (movement of the reflecting grating) will be explained using a phase modulator with two zones (6 1 and 6 2 ) and two receivers (5 1 and 5 2 ). The initial phase relations in the beams are set so that the signals at the
При этом при первом измерении перемещения отражающей решетки (получении первого отсчета измерения) на первом приемнике как раз и будет измеряться максимальное приращение сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки). На втором приемнике 52 сигнал должен отличаться от сигнала на приемнике 51, поскольку по их взаимному изменению определяется направление движения отражающей решетки.In this case, during the first measurement of the movement of the reflecting array (obtaining the first measurement reference) at the first receiver, the maximum signal increment (change in intensity at the receiver) will be measured with a minimum change in the parameter being monitored (movement of the reflecting array). At the
При втором измерении перемещения отражающей решетки (получении второго отсчета измерения) фазовая зона модулятора 62 вносит задержку по фазе таким образом, чтобы сигнал на приемнике 52 принял вид, представленный на фиг. 7 (шаг 2). При этом для сигнала на приемнике 52 будет выполнятся условие максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).In the second measurement of the movement of the reflecting array (obtaining a second measurement sample), the phase zone of the
При третьем измерении перемещения отражающей решетки (получении третьего отсчета измерения) фазовая зона модулятора 61 вносит задержку по фазе таким образом, чтобы сигнал на приемнике 51 принял вид, представленный на фиг. 7 (шаг 3). При этом для сигнала на приемнике 51 будет выполнятся условие максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).In the third measurement of the movement of the reflecting array (obtaining the third measurement sample), the phase zone of the
Далее идет последовательное изменение фазовых задержек то в зоне 61, то в зоне 62 для получения на соответствующих приемниках 51 и 52 сигналов, для который попеременно бы выполнялось условие максимального приращения сигнала при измерении соответствующего шага (получение очередного отсчета измерения) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).Then there is a sequential change in the phase delays in the
Поскольку скорость перемещения отражающей решетки может быть значительной, то частота изменения фазовых соотношений, вносимых зоной фазового модулятора 6, также будет высокой. В настоящее время чтобы снизить требования к частоте изменения фазовых задержек для конкретной зоны имеет смысл использовать фазовый модулятор с количеством зон больше, чем 2. Тогда частота изменения фазовых задержек в соответствующей зоне будет уменьшаться кратно количеству используемых в фазовом модуляторе зон. При этом определение итогового перемещения отражающей решетки происходит за счет суммирования отсчетов. Данные отсчеты получаются после оцифровки аналогового сигнала. Для упрощения схемы оцифровки сигналов и суммирования отсчетов необходимо использование дополнительных зон на фазовом модуляторе. В одной из таких зон при текущем измерении положения задается фазовая задержка с добавкой фазы π/2 к фазе на приемнике, обеспечивающем изменение с максимальным приращением сигнала при минимальном изменении контролируемого параметра. При подобной реализации вычисление перемещения происходит по стандартной sin - cos модели.Since the speed of movement of the reflecting grating can be significant, the frequency of changes in phase relationships introduced by the zone of the
Пример осуществленияImplementation example
Данная полезная модель разработана в рамках выполнения темы «Исследование и разработка экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений» по соглашение от «27» октября 2015 г. №14.577.21.0197 МГТУ им. Н.Э. Баумана с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Спроектирован опытный образец предлагаемой оптической схемы линейного датчика высокой точности. Период всех решеток T=1 мкм. В схеме использовался вариант с 4 приемниками излучения. Фазовый модулятор представлял собой 4-зональный многосекционный элемент (набор их простых электрооптических ячеек, заполненных жидким кристаллом, управляемых электрически и расположенных встык друг к другу). В ходе работы датчика отрабатывалось измерение положения перемещающейся отражающей решетки до скоростей 200 мм/мин.This utility model was developed as part of the theme “Research and development of an experimental sample of an ultra-precision holographic linear displacement sensor” under agreement of October 14, 2015 No. 14.577.21.0197 of MSTU named after N.E. Bauman with the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the federal target program “Research and Development in Priority Directions for the Development of the Scientific and Technological Complex of Russia for 2014-2020”. A prototype of the proposed optical scheme of a high-precision linear sensor was designed. The period of all gratings is T = 1 μm. In the scheme, a variant with 4 radiation detectors was used. The phase modulator was a 4-zone multisection element (a set of their simple electro-optical cells filled with a liquid crystal, controlled electrically and located end-to-end to each other). During the operation of the sensor, the measurement of the position of the moving reflective grating was worked out to speeds of 200 mm / min.
Габариты узла оптической головки с решеткой 3, фазовым модулятором 6 и приемниками 5 могут составить приблизительно 30×70×40 мм. При этом разрешение датчика при измерении линейных перемещений выше, чем и у аналогичных датчиков с идентичными параметрами и использующих статические компоненты изменения фазовых задержек (фазовый маски; составные дифракционные решетки, смещенные относительно друг друга), а именно: разрешение при измерении перемещения составляет 0,5 нм (такая точность соответствует понятию «ультрапрецизионность» датчика) при перемещении отражающей решетки на 1 мкм (при смещении на один период решетки, равный 1 мкм, имеем два периода изменения измерительного сигнала).The dimensions of the optical head assembly with a
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115350U RU176011U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115350U RU176011U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU176011U1 true RU176011U1 (en) | 2017-12-26 |
Family
ID=63853417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017115350U RU176011U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU176011U1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU371422A1 (en) * | 1971-07-27 | 1973-02-22 | LINEAR DISPLACEMENT SENSOR | |
US5448357A (en) * | 1992-12-10 | 1995-09-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Position detecting system for detecting a position of an object by detecting beat signals produced through interference of diffraction light |
US5569913A (en) * | 1994-04-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical displacement sensor |
US7911624B2 (en) * | 2005-08-31 | 2011-03-22 | Carl Zeiss Sms Gmbh | Device and method for the interferometric measurement of phase masks |
-
2017
- 2017-05-02 RU RU2017115350U patent/RU176011U1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU371422A1 (en) * | 1971-07-27 | 1973-02-22 | LINEAR DISPLACEMENT SENSOR | |
US5448357A (en) * | 1992-12-10 | 1995-09-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Position detecting system for detecting a position of an object by detecting beat signals produced through interference of diffraction light |
US5569913A (en) * | 1994-04-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical displacement sensor |
US7911624B2 (en) * | 2005-08-31 | 2011-03-22 | Carl Zeiss Sms Gmbh | Device and method for the interferometric measurement of phase masks |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101664207B1 (en) | Method, phase grating and device for analyzing a wave surface of a light beam | |
JP2586120B2 (en) | encoder | |
CN106289068A (en) | A kind of two degrees of freedom heterodyne grating interferometer displacement measurement method | |
JP5015176B2 (en) | A method to analyze wavefronts through frequency difference multilateral interferometry | |
CN105547338B (en) | Optical encoder | |
CN109029272A (en) | A kind of dual-channel grating displacement measurement method | |
JPH074993A (en) | Encoder apparatus | |
RU176011U1 (en) | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator | |
CN112082490B (en) | Displacement sensor based on Talbot image and COMS camera structure | |
CN106247947B (en) | A kind of thick/thin measuring system of two/three-dimensional grating of heterodyne system displacement | |
Fourment et al. | A silicon integrated opto-electro-mechanical displacement sensor | |
RU175968U1 (en) | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit | |
US7184149B2 (en) | Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements | |
RU2536764C1 (en) | Method of interference microscopy | |
CN109856943B (en) | Phase shift interference fringe generation system and generation method thereof | |
CN111207674B (en) | Displacement sensor based on multiple diffraction of single-layer grating | |
JP2675317B2 (en) | Moving amount measuring method and moving amount measuring device | |
RU2554598C2 (en) | Diffraction method of measurement of angular movements and device for its implementation | |
CN111536883B (en) | Micro-displacement sensor based on combined type grating | |
RU2539747C1 (en) | Phase-interference module | |
SU1392357A1 (en) | Interferometric transducer for measuring angle of turn of object | |
JPS5826002B2 (en) | Device for measuring travel distance and speed | |
Bazykin et al. | Laser technology in high-tech instrumentation | |
Kudo et al. | High-resolution encoder using double gratings | |
JPH04307329A (en) | Optical displacement detecting apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB9K | Licence granted or registered (utility model) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180406 Effective date: 20180406 |