Устройство для измерения линейных смещений Советский патент 1989 года по МПК G01B11/00 

&V6.1

(например, отражательной дифракционной решетке) и проходит через объектив 4. Вследствие хроматической разности хода лучей на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 формируются цветные изображения марки. В зависимости от положения зеркала 5 в рабочем диапазоне измерений ЬроБ , на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадут в обратном ходе все световые пучки цветов ft, - Л, за исключением излучения с длиной волны 2, для которого поверхность зеркала 5 и кромка ножа- анализатора 3 будут оптически сопряжены. Смещение объекта 5 вдоль оптической оси объектива 4 приводит к смещению минимума функции пропускания фильтра 6 в пределах ft,-7L. Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющееся напряжение,

приводят к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси ft . В момент , времени tz фильтр 6 настроен на излучение с длиной волны /Ла, что соответствует минимуму сигнала с фотоприемника 7. Положение объекта 5 по отношению к главной плоскости Н - объектива 4 оценивается по величине временного интервала между опорным напряжением и импульсом фототока. Для согласования параметров источников и приемников лучистой энергии устройство снабжено временным авто- матическим регулятором усиления (ВАРУ9 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от величины смещения контролируемого объекта 5, для чего управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором 9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6. 3 з.п, ф-лы 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного контроля положения и размеров объектов. Цель изобретения - повышение точности измерений при увеличении быстродействия устройства. Излучение от немонохроматического источника 1 при помощи формирователя 2 световой марки (например, системы двойного изображения) формируется в автоколлимационную марку на ноже - анализаторе 3 (например, отражательной дифракционной решетке) и проходит через объектив 4. Вследствие хроматической разности хода лучей на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 формируются цветные изображения марки. В зависимости от положения зеркала 5 в рабочем диапазоне измерений H раб. = H_*98л₃ - H_*98л₁, на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадут в обратном ходе все световые пучки цветов λ₁ ÷ λ₃ за исключением излучения с длиной волны λ₂, для которого поверхность зеркала 5 и кромка ножа - анализатора 3 будут оптически сопряжены. Смещение объекта 5 вдоль оптической оси объектива 4 приводит к смещению минимума функции пропускания фильтра 6 в пределах λ₁ ÷ λ₃. Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющееся напряжение, приводя к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси λ. В момент времени T₂ фильтр 6 настроен на излучение с длиной волны λ₂, что соответствует минимуму сигнала с фотоприемника 7. Положение объекта 5 по отношению к главной плоскости Н объектива 4 оценивается по величине временного интервала между опорным напряжением и импульсом фототока. Для согласования параметров источников и приемников лучистой энергии устройство снабжено временным автоматическим регулятором усиления (ВАРУ) 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от величины смещения контролируемого объекта 5, для чего управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором 9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного контроля положения и размеров объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерений при увеличении быстродействия устройства.

На фкг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения линейных смещений; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу динамического спектрального фильтра и формирование импульсов в схеме времяим- пульсной обработки.

Устройство для измерений линейных смещений (фиг01) содержит источник 1 немонохроматического излучения, формирователь 2 световой марки, зеркальный нож - анализатор 3, неахроматизированный объектив 4, оптическая ось которого перпендикулярна рабочему ребру ножа-анализатора 3, отражатель 5 (например, зеркало), устанавливаемый на контролируемом объекте (не показан) динамический спектральный фильтр 6 (например, жидкокристаллический управляемый транспарант) , установленный за ножом-анализатором 3 в обратном ходе лучей, фотоприемник 7, соединенный с временным автоматическим регулятором усиления (ВАРУ) 8, динамический спектральный фильтр 6 и ВАРУ 8 параллельно подключены к опорному управляющему генератору 9 (например, пилообразного напряжения), к выходу ВАРУ 8 последовательно подключены элементы схемы времяимпульсной обработки сигнала: инвертор 10, дифференциатор 11, формирователь 12 рабочих импульсов, логический элемент

13 и измеритель 14 временных интер

U валов, который также подключен к

выходу генератора 9 через формирователь 15 опорных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 при помощи формирователя 2 световой марки, который может быть выполнен в виде оптической системы двойного изображения, формируется в автоколлимацион- ° ную световую марку на рабочем ребре зеркальной грани ножа-анализатора 3, который может быть выполнен,например, в виде спектральной отражательной дифракционной решетки. Частично отразившись от зеркальной грани ножа- анализатора, световой пучок направляется в объектив 4, при помощи которого формируется световая марка на поверхности контролируемого объекта - отражателя 5 (для простоты изложения предполагается, что спектральная характеристика источника 1 излучения равномерна в диапазоне длин волн

5

J

7i,, а контролируемый объект представляет собой плоское зеркало). Та как объектив 4 выполнен неахроматизированным, вследствие хроматическо разности хода лучей световые лучи различных длин волн (в диапазоне от ft, до ftj ) формируют цветные изображения световой марки на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 (минимальное расстояние hn , максимальное Ь-А.).

i/j , максимальное п

Контролируемое зеркало-отражатель 5 занимает любое положение в рабочем диапазоне измерений п„а& Ь,д и отражает падающие на него световые пучки обратно в объекти 4, который формирует автоколлимационое изображение световой марки на ноже-анализаторе 3. При этом всегда найдется излучение такой длины волн

ft , для которого поверхность отражателя 5 и кромка ножа-анализатора 3 оптически сопряжены, что приводит к тому, что при анализе положения автоколлимационной световой марки, относительно ножа-анализатора 3, на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадают все световые пучки цветов ft, -fl3 за исключением излучения с длиной волны fl2. При этом функция Фана/т f(), описывающая спектральное распределение светового потока после прохождения его через анализатор 3 в обратном ходе, имеет вид, показанный на фиг.2г. Таким образом, смещение отражателя 5 вдоль оптической оси объектива 4 в пределах пра6 приводит к перемещению минимума функции О

анализ

f (ft) вдоль оси ft в преде

лах ft, -ftj.

Динамический спектральный фильтр 6 выполнен в виде жидкокристалличес- кого управляемого транспаранта (основанного, например, на твист-эффекте), расположенного между двумя скрещенными поляроидами. Быстродейс- твие таких транспарантов ограничено единицами микросекунд. Работа жидкокристаллического (ЖК) поляризационного фильтра основана на явлении интерференции поляризованного света, что предопределяет весьма узкую (до 20 нм) полосу пропускания.1 Управление ЖК-транспарантом осуществляется при помощи опорного генератора 9, например, пилообразного напряжения.

0

5

5

0

Протекающие при этом процессы отображены на фиг.2: а - напряжение опорного генератора} б - динамическая градуировочная характеристика жидкокристаллического фильтра 6; в - изменение спектральной настройки (пропускание) фильтра 6 под воздействием управляющего напряжения; г - описание функции QHaAt1, f(); Д сигнал с выхода фотоприемника 7; е - инвертированный сигнал фотоприемника 7; ж - опорное напряжение; з - измерительный сигнал после его прохождения через логический элемент 13.

Преобразование смещения минимума функции Фа„вМ| C) (а следовательно, и линейного смещения объектива во временной интервал) происходит 0 следующим образом.

Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющиеся напряжения (например, треугольной формы, фиг.2а) приводя к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси (фиг.2в). В момент времени t фильтр 6 оказывается настроенным на излучение с длиной волны Ъ±. Поскольку на этой длине волны наблюдается минимум функции ФЯ|)д|(,) (фиг.2г), то в момент времени ta излучение на фотоприемник 7 не попадает, что соответствует минимуму на графике сигнала с фотоприемника 7 (). Во всех остальных случаях во временном интервале t,-t, на выходе фотоприемника 7 присутствует сигнал постоянной величины.

Таким образом, смещение отражателя 5 вдоль оптической оси объектива 4 в пределах hpfl,e приводит к временному смещению минимума сигнала на выходе фотоприемника 7. Для удобства дальнейшей обработки сигнал инвертируется (фиг.2е) и пропускается через логический элемент 13 (фиг.Зз). В качестве опорного напряжения используется меандр (фиг.2ж), сформированный напряжением генератора 9 (фиг.2а), что обуславливается однозначной связью положения центра спектральной полосы пропускания фильтра 6 с уровнем напряжения на его входе. Положение отражателя 5 по отношению к главной плоскости Н объектива 4 оценивается по величине временного интервала tM3/4 между опорным напряжением и инвертированным импульсом фототока (фиг.2з).

5

0

5

0

5

Так как реальные источники и приемники лучистой энергии имеют чразлич ные и весьма разнообразные распределение спектральной плотности потока излучения и спектральную крутизну, то для согласования их параметров устройство снабжено ВАРУ 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от спектральной зоны излучения, а следовательно, и от величины смещения контролируемого объекта-отражателя 5 в рабочем диапазоне измерений.

Управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором 9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6.

Устройство позволяет повысить точность измерений линейных смещений и быстродействия устройства за счет применения динамического спектрального сканирования, исключающего использование электромеханических сканирующих систем и связанных с ними явлений нелинейности и флуктуации информационного сигнала, вибрации конструкции и жесткого ограничения на быстродействие работы системы. Применение широкополосного излучателя и неахроматизированного объектива позволяет упростить выбор конструктивных элементов устройства и уменьшить стоимость устройства, так как в качестве объектива можно использовать одиночную линзу, а в качестве источника - стандартную лампу накаливания. Использование формирователя автоколлимационной световой марки, выполненного в виде зеркальной системы двойного изображения, и в совокупности с ножом-анализатором в виде зеркальной дифракционной решетки, позволяет уменьшить световые потери энергии и пространственно разнести цветные изображения световой марки путем заполнения всей апертуры объектива устройства, что приводит к увеличению диапазона измерений и повышению чувствительности устройства.

Формула изобретения

объекте, фотоприемник и электронный блок обработки информации, выполненный в виде последовательно соединенных инвертора, дифференциатора, формирователя рабочих импульсов, логического элемента и измерителя временных интервалов и генератора, соединенного с формирователем опорных импульсов, выход которого соединен

с входом измерителя временных интервалов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при увеличении действия устройства, оно снабжено параллельно

подключенными к генератору динамическим спектральным фильтром, установленным между анализатором и фотоприемником, и временным автоматическим регулятором усиления, последовательно соединенным с фотоприемником, а источник света выполнен со спектральной излучательной способностью по ширине спектра, перекрывающей эффективную ширину полосы

пропускания фотоприемника.

Зо Устройство попп.1и2, от- лтИчающееся тем, что формирователь световой марки выполнен в виде оптической системы двойного изображения.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что зеркальный нож-анализатор выполнен в виде спектральной отражательной дифракционной решетки.