SU1441190A1 - Интерференционное устройство дл измерени малых перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  перемещений и индикации положени  объекта. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет определени  нулевого положени  объектов. Отраженное от поверхности объекта излучение совмещаетс  светоделителем с. опорным ;пучком и формируютс  линзой в сход щийс  гомоцентрический пучок, кото- i рый после второго светоделител  поступает на два фотоприемника, свето чувствительна  поверхность одного из которых оптически сопр жена.с центром гомоцентрического пучка, a другого смещена относительно него. Из- за наличи  участков фазовой аномалии вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношени  волн и,, следовательно, результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси. При перемещении объекта происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн, что приводит к модул ции интенсивности интерференционного пол  двух волн в совмещенном пучке. Величина перемещени  объекта и его положение определ ютс  по показател м блока регистрации . 8 рш. с ( (Л

Description

4 4

Изобретение относитс  к измерительной технике, предназначено дл  измерени  малых линейных перемещений индикации положени  и координатного позиционировани  поверхности контролируемого объекта относительно измерительных баз и может быть использовано дл  бесконтактного размерного контрол .

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет оцределени  нулевого положени  объектов путем использовани  аномалии фаз электромагнитной волны вблизи центра гомоцентрического пучка.

На фиг.1 изображена схема предложенного устройства; на фиг.2 - вариант схемы оптоэлектрической части устройства (So - центр входного гомо- центрического пучка); на фиг.З - то же, с двум  общими линзами; на фиг.4 - то же, с одной общей линзой; .на фиг.З - схема, по сн юща  принцип действи  устройства (Si, - положение контролируемой поверхности по координате , 5 - положение центра гомоцентрического измерительного пуска в пространстве объекта, S - положение центра гомоцентрического опорного пучка в пространстве приемников излучени , Sfj, - положение центра гомоцентрического измерительного пучка в пространстве приемников из лучени , 8д - положение светочувствительной площадки приемника по координате Z ); на фиг.6 - распределение фазы волн вблизи центров гомоцентри ,-

ческих опорного и измерительного пуч- ков вдоль координаты Z (4 - фаза опорной волны, УИ. - фаза измерительной волны, - участок фазовой

аномалии опорного гомоцентрического

пучка, . - участок фазовой аномалии измерительного гомоцентрического пучка); на фиг.7 - изменение фазового сдвига Д V опорной и измерительной волн в плоскости светочувствительной гагощадки приемника (точка So) в зависимости от положени  центра Su, измерительного пучка по координате Z ; на фиг.8 - диаграмма электрических сигналов (U-i и U;, - сигналы с прием -- ; ..

НИКОВ излучени , и, и U - импульсы .с.двух каналов формировател  импуль- сов, U(e - сигнал совпадени  с вы- хода схемы совпадени , U, -

2

с выхода индентификатора фазы)

S

0

5

0

5

5

Устройство (фиг.1) содержит последовательно установленные лазерный источник 1 излучени , оптическую систему 2 формировани  гомоцентрического пучка, светоделитель 3 входного пучка , проекционные оптические системы 4 и 5 формировани  соответственно опорной и измерительной волн, светоделитель 6, два приемника 7 и 8 излучени , индентификатор 9 фазы и блок 10 регистрации.

Оптическа система 2 формировани  гомоцентрического пучка согласует геометрические параметры пучка излучени  лазерного источника 1 с параметрами проекционных оптических сис- т ем 4, 5 и может быть выполнена . - афокальной или проекционной в зависимости от геометрических параметров последующих оптических систем. Про- ;екционна  оптическа  система 4 формирует опорный сход щийс  гомоцентричес- кий.пучок с центром, оптически сопр - женньгм с центром входного гомоцентрического пучка, и состоит из опорного отражател  11, выполненного в зависимости от типа оптической системы 2 в виде призменного или зеркального отражател  и проекционной линзы 12. Проекционна  оптическа  система 5 преобразует входной гомоцентрический пучок в сход щийс  в пространстве контролируемого объекта 13, формирует отраженное от поверхности объекта 13 излучение в рительный сход щейс  гомоцентрический пучок с центром, оптически сопр женным с поверхностью контролируемого объекта 13, и состоит из линз 14 и 12. Светоделитель 3 разводит входной гомоцентрический по ос м опорного и измерительногр каналов и совмещает в обратном ходе опорную и измерительную волну. Светоделитель 3 и проекционна  линза 12  вл ютс  общими элементами оптических систем 4 и 5. Светоделитель 6 разводит совмещенные опорный и из- мерительный пучки по ос м, на которых установлены приемники 7, 8 излучени , причем так, что светочувствительна  площадка приемника 7 совпа- |Дает, а приемника 8 - не совпадает с центром опорного гомоцентрического пучка. Приемники 7, 8 излучени  преобразуют интерференционный сигнал

314

в электрический и своими выходами подключены к входам идентификатора ; .9 фазы, регистрирующего момент сов- , падени  фаз двух электрических., сигналов и вьшолненного, например, в виде электронного устройства, состо щего из двухканального формировател  15 импульсов, соединенного со схемой 16 совпадени , выход которой присоединен к входу одновибратора 17. Выходы идентификатора 9 фазы и приемника 8 излучени  подключены к входам блока 10 регистрации, осуществл ющего счет числа периодов измери- тельного сигнала и выдел ющего номер периода, соответствующего моменту совпадени  фаз.

На фиг.2 - 4 изображены варианты схемы оптоэлектрической части устрой- ства дл  случа , когда центр 50 входного гомоцентрического пучка находитс  на конечном рассто нии, а в качестве опорного отражател  11 используетс  зеркало. Такое техничес- кое решение целесообразно при использовании полупроводникового лазера. Общим признаком вариантов устройства  вл етс  наличие в проекционной системе формировател  опорной волнь N линзы 18, оптически сопр гающей центр входного гомоцентрического пучка с опорного отражател  11. На фиг.2 изображена схема устройства, в котором линза 18 формировател  опорной волны расположена между светоделителем 3 и зеркалом опорного отражател  11. На фиг.З изображена схема устройства, в котором проекционные оптические системы формирова- ни  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 втора  - между светоделител ми 3 и 6. На фиг.4 изображена схема устройства, в котором две линзы 18 и 12 объединены в одну 18, а между центром Sp входного гомоцентрического пучка и свето- делителем 3 в пр мом ходе света, светоделител ми 3 и 6 в обратном ходе света установлен дополнительный све- тоделительньй элемент 19.

Принцип действи  устройства осно- ван на одновременном использовании интерференционного способа измерени  линейных перемещений контролируемого объекта и  влени  фазовой аномалий

90

световой волны, распростран ющейс  в сформированном оптической системой гомоцентрическом сход щемс  пучке, которое заключаетс  в постепенном пространственном сдвиге волны на при переходе через центр гомоцентрического пучка, причем в самом центре

У фазовьй сдвиг равен - , .

Устройство работает следующим образом .

Пучок света от источника 1 излучени  (фиг. 1 и 5) формируетс  оптической системой 2 в гомоцентрический пучок, делитс  светоделителем 3 на два пучка, один из которых возвращаетс  опорным отражателем 11 обратно по тому же направлению, а второй собираетс  линзой 14 в пространстве контролируемого объекта 13. Отраженное от поверхности объекта излучение собираетс  линзой 14 в измерительный пучок. Ось которого пространственно совмещаетс  светоделителем 3 с осью опорного пучка. Совмещенные опорный и измерительный пучки формируетс  линзой 12 в сход щийс  гомоцентричес кий пучок, который расцепл етс  зате светоделителем 6. Совмещенные опорна и измерительна  волны интерферируют между собой. Из-за наличи  участков фазовой аномалии АБ вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношени  волн, а следовательно , и результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси.

Дп  вы влени  разницы в характере изменени  освещенности интерферен- .ционного пол  вдоль оптической оси приемника 7, 8 излучени  установлены так, что светочувствительна  площадка приемника 7 излучени  совпадает с центром S o опорного гомоцентрического пучка (центром участка фазовой аномалии Aj, В,) а светочувствительна  площадка приемника 8 вынесена вдоль оптической оси за пределы участка фазовой аномалии опорного пучка (точки So и § на фиг.5).

При перемещении контролируемого объекта вдоль оптической оси устройства происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн по закону д V 2 kZ, где k - волновое число, Z - величина осевого смещени  объекта, что приводит к модул ции интенсивности интерференционного пол  двух волн в совмещенном пучке.

Одновременно осевое смещение оптически сопр женного с поверхностью объекта центра s u. измерительного пучка относительно центра S опорного пучка приводит к смещению участка А(.В;, фазовой аномалии измерительной волны относительно участка , фазовой аномалии опорной волны. При этом при перемещении участка фазовой аномалии измерительного пучка через центр опорного пучка разность фаз (фиг.6) опорной и измерительной волн в точке S постепенно мен етс 

W

от - 2 + 2kZ до + - + 2kZ,

а в точке

s .

остаетс  равной обычной дп  интерферометров величине, т.е. 2kZ (фиг.6 Соответствующий данным фазовым соот- нощени м интерференционный сигнал регистрируетс  приемниками 7, 8 излучени , на выходах которых образуютс  электрические сигналы, мен ющиес  по гармоническому закону и имеющие в общем случае разные фазы. Сигналы с выходов приемников 7, 8 излучени  подаютс  на идентификатор 9 фазы, выполненный, например, в виде электронного устройства (фиг.1). Действие устройства по сн етс  диаграммой напр жений на фиг.7, на которой показан характер сигналов вблизи момента совпадени  фаз. Формирователь 15 импульсов вырабатывает импульсы в момент перехода напр жений Uo-, , иф2 снимаемых с приемников 7, о излучени , через нуль. В общем случае импульсы и,у и и, с выходов формировател  15 приход т на входы схе- 16 совпадени  в разные моменты времени. При их совпадении схема 16, измен ет свое состо ние (U ) и на выходе обновибратора 17 по вл етс  сигнал o в виде О -импульса, свидетельствующего о совпадении фаз электрических и интерференционных сигналов, совмещении центров S.- и

Sj опорного и измерительного пучков и, наконец, поверхности контролируемого объекта 13 с точкой (фиг.5) на измерительной оси, с птически сопр женной с центром входного гомоцентрического пучка, координата кото

. 20 П906

рой на измерительной оси устройства определена 0 -импульсом и подаетс  на вход блока 10 регистрации.

Дп  счета числа периодов интерференционного сигнала и определени , тем самым, величины перемещени  объекта вдоль измерительной оси сигнал с выхода приемника 8 излучени  подает- 10 с  на второй вход блока 10 регистрации .

Таким образом, техническое решение позвол ет помимо измерени  малых линейных перемещений регистрировать 15 совпадение поверхности контролируемого объекта с определенной точкой на оптической оси, а само устройство совмещает функции измерени  и руль индикации.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Интерференционно е устройство дл  измерени  малых перемещений, содержащее последовательно установленные источник излучени , оптическую систе- му формировани  гомоцентрического пучка, светоделитель, дел щий световой поток на измерительньй и опорный, отражатель, установленный в опорном пучке, фотоприемник, размещенный в области формировател  интерференционной картины, и блок регистрации, отличающеес  тем, что, с целью раиирени  функциональных возможностей за счет определени  нулевого положени  объекта, оно снабжено вторым светоделителем, установленным между первым светоделителем и фотоприемником , ориентированным так, что его чувствительна  площадка оптически сопр жена с центром гомоцентрического пучка, вторым фотоприемником, размещенным в ходе излучени , отраженного

   от второго светоделител , 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- . вительна  площадка смещена относительно центра гомоцентрического пучка.

   J

   Фиг.1

   Фи.г

   Фие.

   фи$.5

   Фиг,

   П/юскос1Ш установка прие/ ников из/гу ени 

   ftt

   N

   N

   $0

   J

   Дуff0

   Фаз. 6

   Фаз. 7

   Составитель В.Климова Редактор М.Келемеш Техред М.Ходанич Корректор С.Черни

   Заказ 6275/42 Тираж 680Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретенш и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д, А/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г, Ужгород, ул. Проектна , 4,

   фиг.8