Устройство для измерения относительных перемещений двух объектов Советский патент 1989 года по МПК G01B11/00 

О

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения относительных перемещений основанным на использовании интер- ференционных муаровых полос, по которым .-можно измерять линейные и угловые перемещения.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности за счет ис-. пользования дифракционных решеток с шагом 40 мм.

На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - схема прозрачной и отражательной решеток, на фиг. 3 - оптическая схема устройства, вариант.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения коллимирующую линзу 2, прозраную решетку 3, скрепляемую с одним из объектов, выполненную из материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления среды, имеющую монотонно изменяющуюся Оптическую толщину, и стрца- жательную масштабную рещетку 4, скрепляемую с другим объектом, три детектора 5-7, расположенных со стороны источника 1 фокальной плоскости линзы 2 в зоне формирования нулевого порядка и положительного и отрицательного первых порядков дифракционного изображения соответствено. Прозрачная рещетка 3 ориентирована так, что оптические длины путей света в направлении от прозрачной решетки 3 к отражательной решетке 4 и от отражательной решетки 4 к прозрачной различны.

Кроме того, решетка 3 может имет монотонно возрастающую оптическую толщину, выполнена со ступенчатым профилем и установлена так, что ее профиль обращен к отражательной решетке 4 штрихи которой вьшолне- ны в виде канавок прямоугольной формы, а устройство снабжено оптическим элементом, установленным между прозрачной З- и отражательной 4 решетками.и имеющим монотонно увеличивающуюся оптическую.толщину и ступенчатьш профиль, ступеньки которого имеют одинаковую высоту и ширину.

Устройство работает следующим образом.

При -освещении прозрачной 3 и отражательной 4 решеток световым пучком от источника- 1 оптического излучения изображение прозрачной решетки 3, скрепляемой с объектом, взаимодействует с отражательной решеткой 4, что приводит к образованию интерференционной картины. Вследствие того,что оптическая длина пути при прохождении света от прозрачной решетки 3 к отражательной отлична от длины пути при обратном прохождении света от отражательной решетки 4 к прозрачной из-за того, что свет проходит через разные толщины материала,

показатель преломления.которых отличен от показателя преломления окружающей среды, . происходит фазовое сме

щение или сдвиг выходных сигналов, регистрируемых фотодете кторамЦ 5-7, установленными в фокальной плоскости линзы 2 в зоне формирования нулевого порядка и положительного и отрицательного первых порядков дифракционного изображения соответственно. Эти сигналы несут информацию об от- .носительном перемещениц двух объектов.

Различные оптические пути достигают с помощью ступенчатого профиля прозрачной решетки 3. В другом варианте прозрачная решетка обычна, а элемент с шаговым профилем помещается между прозрачной 3 и о-тража- . тельной 4 решетками и служит для получения необходимой разности оптической длины пути.

Высота шага профильной прозрачной решетки 3 определяет фазовое смещение выходных Сигналов. Предпочтительно она должна быть такой, чтобы обеспечить сдвиг фазы на 120 . В предпочтительном варианте проз-

рачная решетка 3 имеет прямоугольный профиль. Она должна об.еспечивать максимальное пропускание света и максимальный-контраст полос в первом дифракционном порядке.

Отражательная решетка должна обладать 100-процентным отражением и предпочтительно изготавливается из прочного и долговечного материала. Профиль канавок прямоугольный. В практическом варианте компоненты 1-3 и 5-7 должны находиться на счи- тьшающей головке, подвижной относи- тельнр отражательной штриховой решетки 4, Выходные сигналы с фотодетекторов 5-7 характеризуют в этом :Случае величину и направление пере- мещения считывающей головки относительно ; неподвижной решетки 4. Таким образом, линейные и угловые относительные перемещения объектов могут быть измерены.

Формула изобретени

1. Устройство для измерения отно сительных перемещений двух объектов содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения коллими- рующую линзу, прозрачную решетку, скрепляемую с одним из объектов, и отражательную масштабную решетку, скрепляемую с другим объектом, и три детектора, расположенных со стороны источника в фокальной плоскости линзы в зоне формирования нулевого порядка и положительного и отрицательного первых порядков дифракционного изображения соответственно., .отличающееся тем, что, с целью повьщ1ения разрешающей способности, прозрачная решетка выполнена из материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления среды, имеет монотонно изменяющуюся оптиче45076

скую толщину и ориентирована так, что оптические длин пут;ей света в направлении от прозрачной решетки к g отражательной решетке и от отражательной решетки к прозрачной различны.

2.Устройство поп 1, отли- чающеес я тем, что прозрач10 ная решетка имеет-монотонно возрастающую оптическую толщину.

3.Устройство по пп. 1-2, о т сличающееся тем, что прозрачная решетка выполнена со ступен- 15 чатым профилем и установлена так,

что ее профиль обращен к отражательной решетке.

4.Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что оно снабг

20 жено оптическим элементом, установленным между прозрачной и отражатйль- ной решетками и имеющим монотонно увеличивающуюся оп тическую толщину и ступенчатый профиль.

25

5.Устройство по пп. 3-4, отличающееся тем, что все ступеньки.профиля имеют одинаковую высоту и ширину 1-5.

6,Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что штрихи отражательной решетки выполнены в виде канавок прямоугольной формы.

Изобретение относится к измерительной технике и.предназначено -для измерения перемещений. Цель изобретения - повышение разрешающей способности за счет использо- вания мелких дифракционных решеток с шагом 40 мм. При освещении прозрачной и отражательной решеток световым пучком происходит взаимодействие изображения прозрачной решетки с отражательной решеткой, что. приводит к образованию интер ференционной картины, детектированию .интерференционной картины и получению соответствующих выходных сиунат лов, несущих информацию об относительном перемещении двух элементов. Это обеспечивается фазоным смеще- : нием или сдвигом выходных сигналов вследствие того, что оптическая длина пути при прохождении света от прозрачной.решетки к отражательной отлична от длины пути при обратном прохождении света от отражательной решетки к прозрачной. Это происходит благодаря тому, что свет в прямом и обратном направлениях проходит через разные толщины материала, показатель преломления которого от- личен от показателя преломления окружающей среды. При этом прозрачная решетка предпочтительно имеет ступенчатый профиль с прямоугольньми ступенями одинаковой, высоты, что создает прозрачную -.решетку монотонно возрастающей толщины. Высота каж- дой ступени ступенчатой прозрачной решетки определяет сдвиг фазы, который не зависит от расстояния между решетками. 5 з.п. ф-лы, 3 ил. § СУ) с СП 05

Фаг.1

аг, J

r

Wui,i