RU2047086C1

RU2047086C1 - Transducer of linear movements

Info

Publication number: RU2047086C1
Application number: RU93039642A
Authority: RU
Inventors: Л.З. Дич; Г.В. Егоров; С.М. Латыев; С.С. Митрофанов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: condenser, pass two-coordinate diffraction grating made with two systems of lines arranged crosswise which zone of crossing has shape of square and is fabricated in the form of central group and four groups of lines placed in pairs and in series with reference to it, reflection two-coordinate grating attached to object, collecting lenses and photodetectors mounted in focuses of lenses are positioned in sequence in path of optical radiation. In pass diffraction grating line is displaced in symmetry relative to central group correspondingly by 1/8 and 3/8 of part of period of reflection grating and has shape of rectangle with dimensions equal to half of square formed by zone of crossing of lines. Lenses are installed accordingly behind each group of lines and are manufactured in shape similar to shape of group of lines. In case of duel opposite placement of photodetectors in specified pairs there are formed two photoelectric signals not containing constant component shifted through 90 deg for each measured coordinate which is accomplished by subtraction of signals formed by beams reflected from one and the same area of reflection diffraction grating. It leads to more accurate compensation of constant component and does not effect operation of next stage of signal processing. EFFECT: improved compensation of constant component, expanded application field. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многокоординатных измерительных приборах, измерительных координатных столах, мультипликаторах и в другом оборудовании для измерения линейных перемещений сразу по двумя координатам. The invention relates to measuring equipment and can be used in multi-axis measuring instruments, measuring coordinate tables, multipliers and other equipment for measuring linear displacements in two coordinates at once.

Известен датчик линейных перемещений, построенный на двухкоординатной дифракционной решетке, в котором для получения информации о перемещении используется интерференционная картина, возникающая при наложении пучков, дифрагировавших в разные порядки в своих координатных плоскостях. Для наложения световых пучков используется система зеркал. Недостатком этого технического решения является сложность юстировки датчика и необходимость применения монохроматического когерентного источника, обусловленная асимметрией оптической схемы (А.с.СССР N 721666, кл. G 01 B). A known linear displacement sensor built on a two-coordinate diffraction grating, in which an interference pattern is used to obtain information about the displacement, which occurs when superimposed beams diffracted in different orders in their coordinate planes. A system of mirrors is used to apply light beams. The disadvantage of this technical solution is the difficulty of aligning the sensor and the need to use a monochromatic coherent source, due to the asymmetry of the optical scheme (A.s.SSSR N 721666, class G 01 B).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик линейных перемещений (А.с.СССР N 1180685, кл. G 01 B 1/02, 16.09.82 г. ), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу оптического излучения конденсор, пропускающую двухкоординатную дифракционную решетку, выполненную с двумя крестообразно расположенными системами штрихов, так, что зона их пересечения образует форму квадрата, отражательную двухкоординатную дифракционную решетку, скрепляемую с объектом, собирающие линзы и фотоприемники, установленные, соответственно, в фокусе линз. Недостатком данного устройства является сложность регулировки фазового сдвига между квадратурными каналами по каждой координате и необходимость установки дополнительных фотоприемников для компенсации постоянной составляющей фотоэлектрического сигнала, снимаемого с фотоприемников, установленных в фокусах линз. Поскольку на дополнительные фотоприемники должен попадать немодулированный рассеянный свет, путь прохождения которого через оптическую систему будет отличным от пути света, создающего информационный сигнал, компенсация постоянной составляющей будет происходить неточно, что может вызвать сбои в работе датчика. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a linear displacement sensor (A.s.SSSSR N 1180685, class G 01 B 1/02, 09.16.82), containing a light source and a condenser located in series along the path of optical radiation, a transmissive two-coordinate diffraction grating made with two crosswise arranged systems of strokes, so that the zone of their intersection forms a square shape, a reflective two-coordinate diffraction grating, fixed to the object, collecting lenses and photodetectors mounted respectively in the focus of the lenses. The disadvantage of this device is the difficulty of adjusting the phase shift between the quadrature channels at each coordinate and the need to install additional photodetectors to compensate for the DC component of the photoelectric signal recorded from photodetectors installed in the foci of the lenses. Since unmodulated scattered light must be incident on additional photodetectors, the path of which through the optical system will be different from the path of the light creating the information signal, the compensation of the DC component will not be accurate, which may cause the sensor to malfunction.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение надежности функционирования датчика. The proposed technical solution is aimed at improving the reliability of the sensor.

Для этого в предлагаемом датчике каждая из систем штрихов пропускающей решетки выполнена в виде центральной группы и попарно последовательно расположенных относительно нее четырех групп штрихов, сдвинутых симметрично относительно центральной группы, соответственно, на 1/8 и 3/8 части периода отражательной решетки и имеющих форму прямоугольника с размерами, равными половине квадрата, образованного зоной пересечения штрихов, линзы установлены соответственно за каждой из групп штрихов и выполнены в форме, аналогичной форме группы штрихов, а фотоприемники, расположенные за группами со сдвигом на 1/8 часть периода и за противолежащими группами со сдвигом на 3/8 части периода, включены встречно. To do this, in the proposed sensor, each of the stroking systems of the transmission grid is made in the form of a central group and four groups of strokes arranged in pairs in series relative to it, shifted symmetrically relative to the central group, respectively, by 1/8 and 3/8 of the period of the reflective grating and having the shape of a rectangle with dimensions equal to half the square formed by the intersection of strokes, the lenses are respectively mounted behind each of the strokes and are made in a form similar to the shape of the strokes and photodetectors located behind groups with a shift of 1/8 of the period and behind opposite groups with a shift of 3/8 of the period are turned on in the opposite direction.

Деление волнового фронта волн, интерферирующих в преобразователе, за счет создания в пределах ширины пучка, сформированного конденсором, двух зон, соответствующих двум боковым группам штрихов, позволяет получить от одного исходного пучка два фотоэлектрических сигнала, сдвиг фазы между которыми, обусловленный сдвигом групп штрихов, равен 90^о. Симметричная дифракция на пропускающей и отражательной решетках позволяет получить таким путем по четыре фотоэлектрических сигнала для каждого из координатных направлений. При этом сигналы, находящиеся в противофазе для каждого из координатных направлений, будут образованы лучами, дифрагировавшими из одной точки на отражательной решетке. Изменения постоянной составляющей, обусловленные изменением глубины штриха, дефектами, загрязнениями поверхности подвижной отражательной решетки будут для этих сигналов совершенно идентичными при ее перемещении и встречное включение соответствующих фотоприемников позволит добиться ее абсолютной компенсации.The division of the wavefront of the waves interfering in the transducer by creating two zones corresponding to the two side groups of strokes within the width of the beam formed by the condenser makes it possible to obtain two photoelectric signals from one source beam, the phase shift between which, due to the shift of the stroke groups, is 90 ^about . Symmetric diffraction by the transmission and reflection gratings allows one to obtain four photoelectric signals in this way for each of the coordinate directions. In this case, signals that are in antiphase for each of the coordinate directions will be formed by rays that are diffracted from one point on the reflective grating. Changes in the constant component due to changes in the stroke depth, defects, and surface contamination of the movable reflective grating will be completely identical for these signals when it is moved and the on-off switching of the corresponding photodetectors will allow achieving its absolute compensation.

Отсутствие колебаний уровня постоянной составляющей значительно уменьшает вероятность возникновения сбоев при работе датчика, что повышает его надежность. Помимо этого, за счет создания групп штрихов отпадает необходимость в дополнительном юстировочном элементе (клине), который служит для регулировки сдвига фаз межу каналами. Наличие такого элемента создает предпосылки для возникновения разъюстировки датчика в процессе эксплуатации и, следовательно, ведет к следующим за этим отказам. Необходимость использовать один общий элемент для регулировки фазового сдвига по двум независимым координатам приводит к невозможности достижения точного значения сдвига в 90^о для двух координат сразу, что также увеличивает вероятность сбоев. Пропускающая дифракционная решетка (как оригинал, так и реплика) с нанесенными на нее группами штрихов разъюстировкам в процессе эксплуатации не подвергаются.The absence of fluctuations in the level of the constant component significantly reduces the likelihood of failures during the operation of the sensor, which increases its reliability. In addition, by creating groups of strokes there is no need for an additional adjustment element (wedge), which serves to adjust the phase shift between the channels. The presence of such an element creates the prerequisites for the occurrence of misalignment of the sensor during operation and, therefore, leads to the following failures. The need to use one common element for adjusting the phase shift along two independent coordinates makes it impossible to achieve an exact shift value of 90 ^about for two coordinates at once, which also increases the likelihood of failures. A transmissive diffraction grating (both the original and the replica) with strokes applied to it does not undergo misalignment during operation.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого датчика в аксонометрии; на фиг.2 схема расположения штрихов на неподвижной пропускающей решетке; на фиг.3 схема включения фотоприемников. Figure 1 shows the optical diagram of the proposed sensor in a perspective view; figure 2 arrangement of strokes on a fixed transmission grid; figure 3 diagram of the inclusion of photodetectors.

Устройство содержит источник 1 излучения и расположенные далее по ходу луча конденсор 2, неподвижную пропускающую дифракционную решетку 3 с группами 4-13 штрихов, подвижную отражательную дифракционную решетку 14, собирающие линзы 15-22 и фотоприемники 23-30. The device comprises a radiation source 1 and a condenser 2 located further down the beam, a fixed transmission diffraction grating 3 with groups of 4-13 strokes, a movable reflective diffraction grating 14, collecting lenses 15-22 and photodetectors 23-30.

В центральной зоне группы штрихов 6 и 11 пересекаются. Группы штрихов 5 и 7 сдвинуты относительно группы штрихов 6, а также группы штрихов 10 и 12 сдвинуты относительно группы штрихов 11 симметрично на 1/8 периода следования этих штрихов. Группы штрихов 4 и 8 сдвинуты относительно группы штрихов 6, а также группы штрихов 9 и 13 сдвинуты относительно группы 11 штрихов симметрично на 3/8 периода. Пары фотоприемников: 23 и 24, 24 и 26, 27 и 29, 28 и 30 включены встречно. In the central zone, strokes 6 and 11 intersect. The groups of strokes 5 and 7 are shifted relative to the group of strokes 6, as well as the group of strokes 10 and 12 are shifted relative to the group of strokes 11 symmetrically by 1/8 of the period of succession of these strokes. The groups of strokes 4 and 8 are shifted relative to the group of strokes 6, as well as the groups of strokes 9 and 13 are shifted relative to the group of 11 strokes symmetrically by 3/8 periods. Pairs of photodetectors: 23 and 24, 24 and 26, 27 and 29, 28 and 30 are included in the opposite direction.

Датчик функционирует следующим образом. The sensor operates as follows.

Конденсор 2 формирует из лучей, распространяющихся от источника 1, параллельный пучок, который освещает зону пересечения групп штрихов 6 и 11 решетки 3. После дифракции на решетке 3 образуется набор пучков, дифрагировавших по двух координатным направлениям в различные дифракционные порядки, часть которых отражаясь от решетки 14 и дифрагируя на ней, попадает на группы штрихов 4-13 решетки 3 и повторно на ней дифрагирует. После повторной дифракции на решетке 3 пучки, дифрагировавшие в разные порядки от решетки 14 накладываются друг на друга и интерферируют. При перемещении решетки 14 относительно решетки 3 интерференция вызывает модуляцию светового потока, который регистрируется фотоприемниками 23-30. Сдвиг групп штрихов приводит к тому, что при модуляции фазы фотоэлектрических сигналов снимаемых с фотоприемников, оказывается различными. По отношению к центральной зоне, фазам φ этих сигналов можно приписать следующие значения: для фотоприемников 23 и 27 φ -135^о, для фотоприемников 24 и 28 φ-45^о, для фотоприемников 25 и 29 φ -45^о, и для фотоприемников 26 и 30 φ +135^о.The capacitor 2 forms from the rays propagating from the source 1 a parallel beam that illuminates the intersection zone of the strokes 6 and 11 of the grating 3. After diffraction on the grating 3, a set of beams is formed that diffract in two coordinate directions into different diffraction orders, some of which are reflected from the grating 14 and diffracting on it, falls on the group of strokes 4-13 of the lattice 3 and diffracts on it again. After repeated diffraction by the grating 3, the beams diffracted in different orders from the grating 14 are superimposed on each other and interfere. When moving the grating 14 relative to the grating 3, the interference modulates the light flux, which is detected by the photodetectors 23-30. The shift of the groups of strokes leads to the fact that when the phase of the photoelectric signals recorded from the photodetectors is modulated, it turns out to be different. With respect to the central zone, the phases φ of these signals can be assigned the following values for photodetectors 23 and ^about 27 φ -135 to photodetectors 24 and 28 ^{of the} φ-45, to photodetectors 25 and 29 φ -45 ^o, and photodetectors 26 and 30 φ +135 ^about .

При попарном встречном включении фотоприемников в указанных парах образуется, для каждой измеряемой координаты, два сдвинутых на 90^о фотоэлектрических сигнала, не содержащих постоянной составляющей, которые пригодны для последующей обработки. По сравнению с техническим решением принятым за прототип, исключение постоянной составляющей из выходного сигнала производится путем вычитания сигналов, образованных пучками, отразившимися от одного и того же места отражательной дифракционной решетки. Это приводит к тому, что компенсация постоянной составляющей производится точнее и не оказывает влияния на работу последующих каскадов обработки сигнала.When switched pairwise opposite to said pairs of photodetectors is formed, for each measurement position, shifted by two photoelectric signal ⁹⁰ containing no DC component, which are suitable for subsequent processing. Compared with the technical solution adopted for the prototype, the exclusion of the constant component from the output signal is made by subtracting the signals formed by the beams reflected from the same place of the reflective diffraction grating. This leads to the fact that the compensation of the DC component is made more accurately and does not affect the operation of subsequent signal processing stages.

При выделении групп штрихов, сдвинутых друг относительно друга, отпадает необходимость в наличии дополнительного оптического элемента (клина), служащего для настройки квадратурного сдвига между каналами. Сдвиг между группами штрихов может быть обеспечен при изготовлении решетки технологическим путем и затем точно воспроизведен при копировании большого количества реплик. When highlighting groups of strokes shifted relative to each other, there is no need for an additional optical element (wedge), which serves to adjust the quadrature shift between the channels. The shift between the groups of strokes can be ensured in the manufacture of the lattice technological way and then accurately reproduced when copying a large number of replicas.

Claims

LINEAR MOVEMENT SENSOR, containing a light source and a condenser sequentially arranged along the optical radiation, passing a two-coordinate diffraction grating, made with two cross-shaped strokes so that the intersection zone forms a square shape, a reflecting two-coordinate diffraction grating, fixed to the object, collecting lenses and photodetectors, respectively installed in the focus of the lenses, characterized in that each of the strokes of the transmission grid is made and in the form of a central group and four groups of strokes arranged in pairs relative to it, symmetrically shifted relative to the central group by 1/8 and 3/8 of the period of the reflective grating, respectively, and having the shape of a rectangle with dimensions equal to half the square formed by the intersection of the strokes of the lens installed respectively for each group of strokes and made in a form similar to the form of a group of strokes, and photodetectors located behind groups with a shift of 1/8 of the period and opposite General groups with a shift of 3/8 of the period are included in the opposite direction.