Измерительный преобразователь перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B11/00 

S

(46) 30.05.91. Бюло № 20

(21)4044652/28

(22)28.03.86

(72) М. А. Лнанян, М. И. Брмохин и В. А. Ширяев

(53)531.7:531.14(088.8)

(56) Коломийцев Ю. В. Интерферометры, - M.j Машиностроение, 1976, с. 185-187.

Преснухин Л, Н, и др. Фотоэлектрические преобразователи информации, М.; Машиностроение, I974, с. I48-I5I.

(54)ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕ1ЦЕНИЙ

(57.) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений перемещений в микроэлектронике, электронографии и т.д. Цель изобретения- повышение разрешающей способности и упрощение конструкции преобразователя за счет использования эффекта двулучепреяоипения для создания разности фаз интерферирующих волн световых пучков. Излучение источника I Проходит модулятор, выполненный в виде последовательно установленных поляризатора 2 и двух одинаковых по форме клиньев 3, 4, один из которых связан с контролируемым объектом. Клинья 3,4 изготовлены из оптически анизотропного материала. Входная грань клина 3 и выходная грань клина 4 расположены перпендикулярно световому пучку, оптические оси мате риалов клинье 3, 4 перпендикулярны световому пучку и ребрам острых углов клиньев. Прилежание грани клиньев 3, 4 параллельны между собой. На выходе поляризатора 2 излучение становится плоскополяризованным под углом АЗ к оптическим осям клиньев 3, 4. На выходе клиньев образуются две составляющие, взаимно сдвинутые по фазе на угол 5 , пропорциональный суммарной толщине d в просвечиваемом участке. Часть излучения, прошедшая через разделительную призму 5, поступает сквозь анализатор 6 и линзу 9 на торец световода П, вторая ветвь излучения сквозь четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 7, второй анал дзатор 8 и втррую линзу 10 поступает на торец световода 12. С выходов световодов 11 и 12 световые пучки поступают соответственно на фотоприемники 13 и 14, сигналы с которых подаются на блоки 15,.16 вычитания. При движении связанного с контролируемым объектом клина 3 меняются величины d и, следовательно, , что приводит к изменению фототоков, снимаемых с фотоприемников 13, 14, пропорционально д)1я излучения, отклоненного призмой 5, и пропорционально co8(S +7 /2)/2 для излучения, не отклоненного призмой 5-и прошедшего через фазосдвигающую пластинку 7, В блоках 15, 16 из значений фототоков вычитаются постоянные составляющие. Полученные значения фототоков подаются на вход квадратурного сумматора 15, сигнал на выходе которого линейно связан с контролируемым перемещением клина 3. 2 ил.

с S

&0

х

Изобретение относится к измерительной технике и можот быть использовано для прецизионньтх измерений перемещений в микроэлектронике, элек- тронографии и т.д.

Цепь изобретения - повышение разрешающей способности и упрощение конструкции преобразователя за счет использования эффекта двулучепрелом- ления для создания разности фаз интерферирующих волн световых пучков. На фиг. 1 представлена функцио- нальная схема измерительного преобразователя перемещений; на фиг, 2 - трафики изменения фототоков на выходах фотоприемников.

Устройство содер1жит источник I излучения,- йодулятор, выполненнь й в виде поляризатора 2 и оптических клиньев 3, 4, изготоЕГленных из оптически анизотропиого.материала. Далее в ходе излучения установлена разделительная призма 5, перекрывающая часть излучения и отклоняющая ее на некото- рый угол в одной из ветвей разде- леиного излучения установлен первый анализатор 6, в другой ветви - четвертьволновая фазосдвигаквдая пластинка 7 и второй анализатор tt, за ана- лизаторами в каждой из ветвей излучения последовательно установлено по линзе 9,10, световоду И, 12 и фотоприемнику 13,14, Схема обработки сигналов содержит подключенные к выходам фотоприемников 13,1А блока 15,16 вычитания и квадратурный йумма тор 17,.подключенный к выходам блоков 15,16 вычитания.

В качестве источника используется однсмодовый лазер. Клинья 3 и А изготовлены из оптически анизотропного материала, например из исландского шпата, входная грань клина 3 и выходная грань клина А расположены перпендикулярно световому пучку. Оп- тические оси 0-0 материала клиньев 3 и А перпендикулярны Световому пучку и ребрам острых углов клиньев. Прилежащие грани клиньев 3 и А параллельны между собой. Направление . движения перемещаемого клина параллельно взаимно прилежапщм граням клиньев 3 и А и перпендикулярно рёб- рам углов клиньев. Указанные взаимно расположение светового пучка и кли- ньев и направление движения перемещаемого клина обеспечивают неизменность положения светового пучка в пространстве при движении клинд 3.

Призва 5 выполнена в виде стеклянного клина.

Фазосдвигающая пластинка 7 создает четвертьволновой (п/2) фазовый сдвиг составляющих второй (неотклоненной) частоты светового пучка. Ось наибольшей скорости фазосдвигающеЙ пластинки 7 параллельна оптической осям клиньев 3 и.А. Плоскости поляризации поляризатора 2 и анализаторов 6 и 8 составляют с оптическими осями клиньев 3 и А угол АЗ ,

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника I последо- вательио проходит поляризатор 2, клинья 3 и разделительную призму 5, Часть излучения, прошедшая через призму 5., поступает сквозь анализатор 6 и линзу 9 на торец ев 1етовода 1, а вторая ветвь излучения,сквозь Четв ертьволновую фазосдвигаюр ую пластинку 7, второй анализатор 8 и вторую линзу 10 поступает на торец све- товода512. С выходов световодов М и 12 световые лучки поступают соответственно на фотоприемники 13 и 1А, сигналы с выходов которых подаются на входы блоков 15 и 16 вычитания. Световой пучок, ставший на выходе поляризатора 2 плоскополяризованным под углом АЗ к оптическим осям клиньев 3 и А, распадается в клиньях на две составляющие, которые на выходе клина А взаимно сдвинуты по фазе на угол &, пропорциональный суммарной толщине d клиньев в просвечиваемом участке,

В связи с изменением d, а следовательно, и S при движении перемещаемого клина 3, связываемого с контроли- pyeNBiM объектом, величина Ф, излучения. Отклоненного призмой 3, на выходе из анализатора 6 изменяется по формуле

л Ф, « Ф, (О

а величина Ф излучения, не прошедшего сквозь призму 5, изменяется по формуле

.Ч - Ф, ), (2)

где Ф, и j - максимальные значения частей Ф, и Ф светового пучка.

Части Ф) и Ф излучения создают на выходах фотоприемников 13 и 1А соответственно фототоки I, и 1,, выражаемые соотношениями .

1, К,Ф,

К,Ф,,

(3) (А)

10

15

20

25

где К, и К - коэффициенты преобразования фотоприемников 13 и 14. Граики иэмеиения значений I и 1 в зависимости от L, построенные с учетом .(1) и (4), приведены на фиг. 2.

В блоках I5 и 16 вычитания из значений Т, и 1 вычитаются постоянные составляющие, равиые половинам их максимальных значений. С выходов блоков 15.и 16 вычитания значения I, и I,, косинусоидально связанные с перемещением д L перемещаемого.клина 3 и взаимно сдвинутые по фазе на четверть периода, подают на вход квадратурного сумматора 17. Сигнал на выходе квадратурного сумматора, представляющий из себя векторную сумму двух.косинусоидальных сигналов, взаимно сдвинутых по фазе на , линей- но связан с перемещением &L клина 3.

Основным преимуществом предлагаеого преобразователя является , что при. значительно более простой конструкции он имеет лучшую разрешающую способность по перемещению. Так, фазовый сдвиг при клине из испандского шпата ,0,1 72, и длине волны излучения лазера А 0,63 соответствует перемещению L .4 мкм.

Реализуя разрешение по фазовому сдвигу можно при вьщ1еуказанных пара- 40 етрах получить разрешение по пере- мешению до мкм.

ормула изобретения

30

35

Измерительный преобразователь пе ремещений, содержащий последователь

10

15

20

25

40

30

35

45

но установлеп {ые источник из.гтучения, модулятор, фотоприемники и подключенную к ним схему обработки сигналов, отличающийся тем. Что,-- с целью повыгаення разрешающей способности и упрощения конструкции преобразователя, он снабжен установленными по ходу излу гения между модулятором и фотоприемниками разделительной призмой, предназначенной для деления излучения на две ветви, анализатором, установленным на одной из ветвей разделенного излучения, четвертьволно- - вой фазосдвигающей пластинкой и анализатором, установленными во второй ветви разделенного излучения, модулятор выполнен в виде размещенных по ходу излучения поляризатора и двух клиньев из оптически анизотропного материала, которые установлены так что пучок излучения перпендикулярен входной грани первого по ходу излучения клина и выходной грани второго клина, взаимно прилежащие грани клиньев параллельных друг другу, клинья ориентированы так, что ,их оптические оси перпендикулярны пучку излучения и ребрам острых углов клиньев, один из клиньев установлен с возможностью перемещений в направлении, параллельном взаимно прилежащим граням клиньев, и предназначен :адя связи с контролируемым объектом, поляризатор н аналнзаторы установлены так, что плоскости нх поляризации составляют с оптическими осями клиньев УГ.ПЫ 45 , четвертьволновая пластинка расположена так, что ось наибольшей скорости фазосдвнга- ющей пластинки параллельна оптическим осям клиньев, а схема обработки сигналов выполнена н виде блоков вычитания, входы которых подклк чены к выходам фотопрнемников , и квадратурного сумматора, подключенного к выходам блоков вычитания.

;-;-у Г - t --Ши .: . . I

1 п, Jn in п

0tte.Z