Устройство для оптической регистрации величины смещения дифракционной решетки Советский патент 1989 года по МПК G02B27/44 

Изобретение относится к оптике и измерительной технике, в частности к устройствам первичных преобразователей на дифракционных решетках, использующих муаровые полосы для отсчета перемещений.

Целью изобретения является повышение точности измерения перемещения дифракционной решетки за счет обеспечения дополт1тельного изменения разности фаз при ее движении.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные лазер J, телескопическую черытех- кратную систему 2, дифракционную синусоидальную решетку 3, первое зеркало 4, установленное в ходе пуска -1-го порядка дифракции под углом ot, /4 к плоскости решетки, и второе зеркало 5, установленное под углом с 2 |Г/4 /2 к плоскости решетки. Третье зеркало 6 установлено, в плоскости, параллельной плоскости решетки 3, и оптически связано с ней. Отражатель 7 (призма Л-Р - 180) оптически связан с первым и вторым зеркалами, выполнен подвижным в направлении, совпадающем с направлением движения дифракционной решетки 3, и жестко связан с одним из ее кондов. Фотоэлемент 8 (фотодиод ФД-256) установлен по ту же сторону решетки, что и телескопическая система 2 и оптически связан с решеткой, а по электрическому выходу - со счетчиком 9,

Дифракционная синусоидальная с шагом 2 мкм решетка 3 разлагает монохроматический свет на три плоские волны с нулевыми, +1-м и -1-м порядками дифракции.

Устройство работает следующим образом.

Пучок-монохроматического излучения от лазера 1 преобразуется в нерасходящийся большего диаметра посредством телескопической системы 2 и освещает дифракционную решетку 3. Этот пучок лучей дифрагирует на решетке с образованием трех пучков - -1-го, 0-го и -t-I-ro порядка дифракции. Пучок -1-го порядка направляется на первое зеркало 4, которое устанавливают под углом 0, + исходя из значений углов дифракции выделяемых порядков. При этом угол

дифракции определяется из соотношения

frr,

arcsin

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где m - порядок дифракции; - длина волны; d - постоянная решетки.

Пучок +1-ГО порядка дифракции направляется на третье зеркало 6, которое меняет его направление, возвращает на дифракционную решетку 3 и освещает соседний участок под углом дифракции Ср.

Пучок -1-го порядка дифракции, отразившись от первого зеркала 4, направляется на отражатель 7, жестко связанный с дифракционной решеткой 3, и далее посредством второго яеркала 5, установленного под углом oi - „/2 к плоскости решетки 3, попадает на соседний участок дифракционной решетки 3 также под углом дифракции tf , где взаимодействует с первым пучком с образованием интерференционно-муаровых полос. При движении дифракционной решетки 3 и отражателя 7, жестко связанного с ней, происходит двойное приращение фазы интерферирующих пучков. Более быстро изменяется фаза пучков за счет движений отражателя и появления дополнительной разности пучков -1-го и +1-ГО порядков дифракции, и происходит это с периодичностью Л/2. Фаза пучков изменяется также и за счет движения дифракционной решетки, но более медленно и с периодичностью GD/2m, где О - шаг дифракционной решетки, га - порядок дифракции. Таким образом, приращение фазы интерференционного сигнала пропорционально перемещениям S.(t) уголкового отражателя и S(t) дифракционной решетки

йЦ) 4 ;r/9i s,(t) + S(t) .

Очевидно, что чем меньше шаг дифракционной решетки, тем весомее добавка в приращение фазы оптического сигнала, тем выше точность измерения перемещения дифракционной решетки.

Движущиеся интерференционно-муаровые полосы считываются фотоэлементом 8 и накапливаются в счетчике 9, Величина перемещения дифракционной решетки определяется по числу II зарегистрированных счетчиком 9 полос, умноженному на цену полосы 5j, получаемую из соотношения

, ,/(1 +e,/S,),

rAe,W/2m - цена муаровой полосы; СО - шаг решетки;

га - порядок дифракции; А/2 - цена интерференционной полосы; /А - длина волны света.

Точность отсчета б,/6з раз.

повышается

формула изобретения

1. Устройство для оптической регистрации величины линейного смещения дифракционной решетки, содержащее размещенные перед ней лазер, телескопическую систему и за ней зеркало, а фотоэлемент, подключенный к счетчику, установлен в ходе отраженного от зеркала луча, отличающееся тем, что, с целью повышения точности

;

1527612

измерения, дополнительно введены второе и третье зеркала.и уголковый отражатель, жестко связанный с решеткой, оптически связанный с первым и вто- f рым зеркалами, установленными соот

ветственно под углами «6, и о к плоскости решетки, а третье зеркало установлено параллельно решетке, при этом углы oi, и ti определяются из соотношений

об, - 7/4

+ l/2arcein а

т

I- - -«

и «, -ir/ - l/2arcein . а

где m - порядок дифракций;

Л - длина волны;

d - постоянная решетки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью увеличення диапазона измерений, уголковый отражатель размецен на конце решеткн.

Изобретение относится к оптике и измерительной технике, в частности к устройствам первичных преобразователей на дифракционных решетках, использующих муаровые и интерференционные полосы для отсчета перемещений. Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений дифракционной решетки за счет обеспечения дополнительного изменения разности фаз интерферируемых пучков при ее движении. Устройство для оптической регистрации величины смещения дифракционной решетки состоит из оптически связанных лазера 1, телескопической системы 2, дифракционной решетки 3 первого 4, второго 5 и третьего 6 зеркал, отражателя 7, выполненного с возможностью перемещения в направлении, совпадающем с направлением движения решетки, жестко связанного с ней и установленного на ее конце, фотоэлемента и счетчика интерференционно-муаровых полос. Зеркала 4 и 5 установлены под углами α₁ и α₂ к плоскости решетки, которые определяются из соотношений: α₁ = N/4+1/2 ARCSIN Kλ/D и Α₂=N/4 - 1/2 ARCSIN Kλ/D, где K - порядок интерференции

λ - длина волны

D - постоянная решетки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.