Интерференционное устройство для измерения малых перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B11/00 

4 4

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения малых линейных перемещений индикации положения и координатного позиционирования поверхности контролируемого объекта относительно измерительных баз и может быть использовано для бесконтактного размерного контроля.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет оцределения нулевого положения объектов путем использования 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 двумя общими линзами; на фиг.4 - то же, с одной общей линзой; .на фиг.З - схема, поясняющая принцип действия 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 излучения, Sfj, - положение центра гомоцентрического измерительного пучка в пространстве приемников из лучения, 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 положения центра Su, измерительного пучка по координате Z ; на фиг.8 - диаграмма электрических сигналов (U-i и U;, - сигналы с прием -- ; ..

НИКОВ излучения, и, и U - импульсы .с.двух каналов формирователя импуль- сов, U(e - сигнал совпадения с вы- хода схемы совпадения, U, -

2

с выхода индентификатора фазы)

S

0

5

0

5

5

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

Оптическаясистема 2 формирования гомоцентрического пучка согласует геометрические параметры пучка излучения 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- ;екционная оптическая система 4 формирует опорный сходящийся гомоцентричес- кий.пучок с центром, оптически сопря- женньгм с центром входного гомоцентрического пучка, и состоит из опорного отражателя 11, выполненного в зависимости от типа оптической системы 2 в виде призменного или зеркального отражателя и проекционной линзы 12. Проекционная оптическая система 5 преобразует входной гомоцентрический пучок в сходящийся в пространстве контролируемого объекта 13, формирует отраженное от поверхности объекта 13 излучение в рительный сходящейся гомоцентрический пучок с центром, оптически сопряженным с поверхностью контролируемого объекта 13, и состоит из линз 14 и 12. Светоделитель 3 разводит входной гомоцентрический по осям опорного и измерительногр каналов и совмещает в обратном ходе опорную и измерительную волну. Светоделитель 3 и проекционная линза 12 являются общими элементами оптических систем 4 и 5. Светоделитель 6 разводит совмещенные опорный и из- мерительный пучки по осям, на которых установлены приемники 7, 8 излучения, причем так, что светочувствительная площадка приемника 7 совпа- |Дает, а приемника 8 - не совпадает с центром опорного гомоцентрического пучка. Приемники 7, 8 излучения преобразуют интерференционный сигнал

314

в электрический и своими выходами подключены к входам идентификатора ; .9 фазы, регистрирующего момент сов- , падения фаз двух электрических., сигналов и вьшолненного, например, в виде электронного устройства, состоящего из двухканального формирователя 15 импульсов, соединенного со схемой 16 совпадения, выход которой присоединен к входу одновибратора 17. Выходы идентификатора 9 фазы и приемника 8 излучения подключены к входам блока 10 регистрации, осуществляющего счет числа периодов измери- тельного сигнала и выделяющего номер периода, соответствующего моменту совпадения фаз.

На фиг.2 - 4 изображены варианты схемы оптоэлектрической части устрой- ства для случая, когда центр 50 входного гомоцентрического пучка находится на конечном расстоянии, а в качестве опорного отражателя 11 используется зеркало. Такое техничес- кое решение целесообразно при использовании полупроводникового лазера. Общим признаком вариантов устройства является наличие в проекционной системе формирователя опорной волнь N линзы 18, оптически сопрягающей центр входного гомоцентрического пучка с опорного отражателя 11. На фиг.2 изображена схема устройства, в котором линза 18 формирователя опорной волны расположена между светоделителем 3 и зеркалом опорного отражателя 11. На фиг.З изображена схема устройства, в котором проекционные оптические системы формирова- ния 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 вторая - между светоделителями 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 прямом ходе света, светоделителями 3 и 6 в обратном ходе света установлен дополнительный све- тоделительньй элемент 19.

Принцип действия устройства осно- ван на одновременном использовании интерференционного способа измерения линейных перемещений контролируемого объекта и явления фазовой аномалий

90

световой волны, распространяющейся в сформированном оптической системой гомоцентрическом сходящемся пучке, которое заключается 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 излучения (фиг. 1 и 5) формируется оптической системой 2 в гомоцентрический пучок, делится светоделителем 3 на два пучка, один из которых возвращается опорным отражателем 11 обратно по тому же направлению, а второй собирается линзой 14 в пространстве контролируемого объекта 13. Отраженное от поверхности объекта излучение собирается линзой 14 в измерительный пучок. Ось которого пространственно совмещается светоделителем 3 с осью опорного пучка. Совмещенные опорный и измерительный пучки формируется линзой 12 в сходящийся гомоцентричес кий пучок, который расцепляется зате светоделителем 6. Совмещенные опорна и измерительная волны интерферируют между собой. Из-за наличия участков фазовой аномалии АБ вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн, а следовательно, и результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси.

Дпя выявления разницы в характере изменения освещенности интерферен- .ционного поля вдоль оптической оси приемника 7, 8 излучения установлены так, что светочувствительная площадка приемника 7 излучения совпадает с центром S o опорного гомоцентрического пучка (центром участка фазовой аномалии Aj, В,) а светочувствительная 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 смещения объекта, что приводит к модуляции интенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке.

Одновременно осевое смещение оптически сопряженного 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 меняется

W

от - 2 + 2kZ до + - + 2kZ,

а в точке

s .

остается равной обычной дпя интерферометров величине, т.е. 2kZ (фиг.6 Соответствующий данным фазовым соот- нощениям интерференционный сигнал регистрируется приемниками 7, 8 излучения, на выходах которых образуются электрические сигналы, меняющиеся по гармоническому закону и имеющие в общем случае разные фазы. Сигналы с выходов приемников 7, 8 излучения подаются на идентификатор 9 фазы, выполненный, например, в виде электронного устройства (фиг.1). Действие устройства поясняется диаграммой напряжений на фиг.7, на которой показан характер сигналов вблизи момента совпадения фаз. Формирователь 15 импульсов вырабатывает импульсы в момент перехода напряжений Uo-, , иф2 снимаемых с приемников 7, о излучения, через нуль. В общем случае импульсы и,у и и, с выходов формирователя 15 приходят на входы схе- 16 совпадения в разные моменты времени. При их совпадении схема 16, изменяет свое состояние (U ) и на выходе обновибратора 17 появляется 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 сопряженной с центром входного гомоцентрического пучка, координата кото

. 20 П906

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

Дпя счета числа периодов интерференционного сигнала и определения, тем самым, величины перемещения объекта вдоль измерительной оси сигнал с выхода приемника 8 излучения подает- 10 ся на второй вход блока 10 регистрации.

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

Формула изобретения

Интерференционно е устройство для измерения малых перемещений, содержащее последовательно установленные источник излучения, оптическую систе- му формирования гомоцентрического пучка, светоделитель, делящий световой поток на измерительньй и опорный, отражатель, установленный в опорном пучке, фотоприемник, размещенный в области формирователя интерференционной картины, и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью раиирения функциональных возможностей за счет определения нулевого положения объекта, оно снабжено вторым светоделителем, установленным между первым светоделителем и фотоприемником, ориентированным так, что его чувствительная площадка оптически сопряжена с центром гомоцентрического пучка, вторым фотоприемником, размещенным в ходе излучения, отраженного

от второго светоделителя, 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- . вительная площадка смещена относительно центра гомоцентрического пучка.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения перемещений и индикации положения объекта. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения нулевого положения объектов. Отраженное от поверхности объекта излучение совмещается светоделителем с. опорным ;пучком и формируются линзой в сходящийся гомоцентрический пучок, кото- i рый после второго светоделителя поступает на два фотоприемника, свето чувствительная поверхность одного из которых оптически сопряжена.с центром гомоцентрического пучка, a другого смещена относительно него. Из- за наличия участков фазовой аномалии вблизи центров опорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн и,, следовательно, результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси. При перемещении объекта происходит изменение разности фаз опорной и измерительной волн, что приводит к модуляции интенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке. Величина перемещения объекта и его положение определяются по показателям блока регистрации . 8 рш. с ( (Л

J

Фиг.1

Фи.г

Фие.

фи$.5

Фиг,

П/юскос1Ш установка прие/ ников из/гу ения

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, Раушская наб., д, А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4,

фиг.8