Датчик линейных перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B11/00 

ел

Jia

;о

О)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов по двум координатам. Цель изобретения - повышение чувствительности датчика за счет увеличения величины полезного сигнала. Источник излучения через конденсатор 2 освещает параллельным пучком зону 6 пропускающей дифракционной решетки. Зона пропускающей решетки и отражательная двумерная дифракционная решетка, связываемая с контролируемым объектом, выполнены с периодической структурой в виде расположенных в шахматном порядке квадратных элементов с диагоналями, равными периоду структуры и направленными параллельно координатам контролируемых перемещений. В результате дифракции на элементах 14 зоны 6 решетки образуется набор дифракционных порядков, которые, отражаясь и дифрагируя на элементах 14 отражательной решетки, попадают на крестообразно расположенные группы 4 и 5 штрихов прозрачной пропускающей решетки 3. Штрихи в каждой из групп 4 и 5 ориентированы перпендикулярно штрихам другой группы и направлены по координатам контролируемых перемещений. С помощью собирающих линз 9-12 продифрагировавшее на штрихах групп 4 и 5 пропускающей решетки излучение фокусируется на светочувствительных площадках фотоприемников. Путем разворота оптического клина 7 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях добиваются сдвига фаз, равного φ/2, сигналов на выходах фотоприемников каждой из пар, установленных по направлениям измеряемых перемещений, затем по изменениям сигналов с фотоприемников судят о величине контролируемых перемещений. 3 ил.

Фиг. f

31504

на элементах 14 отражательной решетки, попадают на крестообразно расположенные группы 4 и 5 штрихов прозрачной пропускающей решетки 3. Штрихи в каждой из групп А и 5 ориентированы перпендикулярно штрихам другой группы и направлены по координатам контролируемых перемещений. С помощью собирающих линз 9-12 про- дифрагировавшее на штрихах групп А и 5 пропускающей рещетки излучение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов по двум координатам.

Цель изобретения - повышение чувствительности датчика за счет увеличения величины полезного сигнала.

На фиг. 1 изображена оптическая схема датчика линейных перемещений; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - структура двумерных дифракционных решеток: а) прототипа, б) предложенного устройства

Датчик линейных перемещений содержит источник 1 излучения и последовательно расположенные по ходу излучения конденсор 2, установленную неподвижно пропускающую дифракционную решетку 3, вьтолненную с двумя крестообразно расположенными группами 4,5 штрихов, штрихи в группе ориентированы перпендикулярно штрихам другой группы, а зона 6 пересечения штрихов оптически связана с конденсором 2, оптический клин 7, установленный так, что его главное сечение составляет угол 45 со штрихами решетки 3, отражательную двумерную дифракционную решетку 8, предназначенную для связи с контролируемым объектом, собирающие линзы 9-12 и фотолриемники 13, расположенные по одну сторону решетки 3 с источником 1 излучения и конденсором 2 и оптически связанные с крестообразно расположенными группами 4 и 5 штрихов.

Отражательная дифракционная решетка 8 и зона 6 пропускающей дифракционной решетки 3 выполнены с периодической структурой в виде расположенных в шахматном порядке квадратных

фокусируется на сэеточуэствительных площадках фотоприемииков. Путем разворота оптического клина 7 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях добиваются сдвига фаз, равного Т/2, сигналов на выходах фотоприемников каждой из пар, установленных по направлениям измеряемых перемещений, затем по изменениям сигналов с фотоприемников судят о величине контрот лируемых перемещений 3 ил.

,элементов с диагоналями, равными периоду структуры и ориентированными параллельно штрихаь- групп 4 и 5 рещетки 3.

Датчик работает следующим образом с

Источник 1 излучения, находящийся

в фокальной плоскости конденсора 2, освещает параллельным пучком зону 6 пропускающей решетки 3. Штрихи групп 4 и 5 ориентированы перпендикулярно соответствующим направлениям

измеряемых перемещений. В результате дифракции света на элементах 14 структуры зоны 6 пропускающей дифракционной решетки 3 образуется набор дифракционных порядков, которые,

отражаясь и дифрагируя на элементах 14 структуры дифракционной решетки 8, попадают на группы 4 и 5 штрихов прозрачной рещетки 3. С помощью собирающих линз 9-12 прощедшее и дифрагировавшее на штрихах групп 4 и 5 решетки 3 излучение фокусируется на светочувствительных площадках фотоприемников 13.

Путем разворота оптического клина

7 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях добиваются сдвига фаз, равного 2, сигналов на выходах фотоприемников 13 каждой из пар, установленных по направлениям измерения перемещения

Из фиг. 2 видно, что световой поток, попадающий на один из фотоприемников 13, состоит из суммы двух световых потоков, образованных в

результате трех взаимодействий излучений от источника света I с дифракционными решетками.

Так,первый световоГ поток после первой дифракции на структуре зоны 6 прозрачной решетки 3 идет в направлении нулевого порядки дифракции, после второй дифракции на структуре отражательной решетки 8 идет в направлении первого порядка дифракции, после третьей дифракции на структуре групп А и 5 прозрачной решетки 3 идет в направлении первого порядка дифракции.

Второй световой поток после первой дифракции на структуре зоны 6 прозрачной решетки 3 идет в направлении первого порядка дифракции, после второй дифракции - в направлении минус первого порядка дифракции после третьей дифракции - в направлении пулевого порядка дифракции.

Исходя из известных соотношений, описывающих взаимодействие световог излучения с периодической структурой, в соответствии с дифракцией Фраунгофера, получено, что соотношение амплитуд изменения интенсивно тей световых потоков, попадаюпшх на фотоприемники 13, для данного устройства и прототипа превьшабт А:1.

Таким образом, выполнение структур пропускающей и отражательной двумерных дифракционных решеток из расположенных в шахматном порядке квадратных элементов, развернутых под углом А5 относительно направления измеряемых перемещений дает возможность увеличить величину полезного оптического сигнала, подаваемого на фотоприемники, более чем в 4 раза, что повышает пороговую

световую чувствительность датчика линейных перемещений.

Формула изобретения

Датчик линейных перемещений, содержащий источник излучения и последовательно расположенные по ходу излучения конденсор, неподвижно установленную пропускающую дифракционную решетку, выполненную с двумя крестообразно расположенньгми группами штрихов, штрихи в группе ориентированы перпендикулярно штрихам другой группы, оптический клин, установленный так, что его главное сечение составляет угол 45 со штрихами пропускающей дифракционной решетки,

отражательную двумерную дифракционную решетку, предназначенную для связи с контролируемым объектом, собирающие линзы и фотоприемники, расположенные по одну сторону пропускающей дифракционной решетки, с источником излучения и конденсатором и оптически связанные с крестообразно расположенными группами штрихов.

отличающийся тем, что.

30

35

с целью повышения чувствительности датчика, отражательная дифракционная решетка и часть пропускающей дифракционной решетки, оптически связанная с конденсором, выполнены с периодической структурой в виде расположенных в шахматном порядке квадратных элементов с диагоналями, равными периоду структуры, и ориентированными параллельно штрихам про- 4Q пускающей дифракционной решетки.

-

К- f(

. 2

фие.З