Устройство для отсчета линейных перемещений объектов Советский патент 1990 года по МПК G01B11/00 

pi вторая 7 прямоугольные призмы, вто- у и считывается через диафрагму 12 форая бипризма 8 и дополнительная дифракционная решетка 9, и измерительная ветвь, содержащая оптически связанные первый 10 и второй 11 уголковые отражатели. За второй дифракционной решеткой размещены диафрагма 12 и фотоэлемент 13, соединенный с усилителем-формирователем 14, связанным со счетчиком 15.

Устройство работает следующим образом.

Луч от лазера 1 преобразуют в нерасходящийся пучок А большего диаметра посредством коллиматора 2 (телескопической системы) и освещают им дифракционную решетку 3. Прошедший решетку пучок дифрагирует с образованием трех пучков: -1-го В, 0-го и +1-го С порядков дифракции. Нулевой порядок дифракции направляют на экран 4 с матированной поверхностью и исключают из дальнейших операций. Пучки В и С направляют на бипризму 5, которая преобразует их из расходящих- ся в параллельные. Угол преломления бипризмы выбирают из соотношения б Ч /Сп-О, где ifm угол-дифракции и п - показатель преломления материала бипризмы. Пучок В посредством первой 6 и второй 7 прямоугольных призм, а также второй бипризмы 8 меняет свое направление и освещает дополнительную дифракционную решетку 9 под углом, равным углу дифракции све30

35

40

45

50

55

тоэлементом 13. Последний связан с входом усилителя-формирователя 14, нагруженным на счетчик 15.

За счет введения первой бипризмы осуществляется преобразование расходящихся дифрагированных на первой дифракционной решетке пучков +1-го и -1-го порядков дифракции в парал- глельные, обеспечивается возможность измерени-я перемещения анализируемого объекта вдоль распространения пучков, что расширяет пределы измерения и облегчает последующую коррекцию пучков и совмещение их в плоскости взаимодействия под заданным углом. При параллельном распространении пучков они, располагаясь в непосредственной близости друг от друга, находятся в одинаковых атмосферных условиях и испытывают, следовательно, одинаковые турбулентные воздействия воздушных масс в отличие от интерферометров, где опорное плечо находится в неравных условиях с измерительным. Кроме того, параллельное размещение пучков легко обеспечивает построение преобразователей перемещения с рабочими длинами в десятки метров, т.е. превышающих рабочую длину дифракционных решеток, что также расширяет функциональные возможности устройства.

Для того, чтобы параллельные пучки наложились друг на друга с получением интерференционно-муаровых полос, не0

5

0

5

0

5

тоэлементом 13. Последний связан с входом усилителя-формирователя 14, нагруженным на счетчик 15.

За счет введения первой бипризмы осуществляется преобразование расходящихся дифрагированных на первой дифракционной решетке пучков +1-го и -1-го порядков дифракции в парал- глельные, обеспечивается возможность измерени-я перемещения анализируемого объекта вдоль распространения пучков, что расширяет пределы измерения и облегчает последующую коррекцию пучков и совмещение их в плоскости взаимодействия под заданным углом. При параллельном распространении пучков они, располагаясь в непосредственной близости друг от друга, находятся в одинаковых атмосферных условиях и испытывают, следовательно, одинаковые турбулентные воздействия воздушных масс в отличие от интерферометров, где опорное плечо находится в неравных условиях с измерительным. Кроме того, параллельное размещение пучков легко обеспечивает построение преобразователей перемещения с рабочими длинами в десятки метров, т.е. превышающих рабочую длину дифракционных решеток, что также расширяет функциональные возможности устройства.

Для того, чтобы параллельные пучки наложились друг на друга с получением интерференционно-муаровых полос, не

обходимо направить их друг к другу под углом, равным двойному углу дифракции, что достигается введением второй бипризмы. Для известного устройства цена интерференционной полос определяется параметрами дифракционной решетки или ее шагом, что естественно ограничивает точность измерени величины перемещения. В указанном случае дополнительно изменяется оптическая длина хода одного из пучков с помощью подвижного уголкового отражателя . При этом второй пучок выполняет роль опорного. Здесь цена интерференционно-муаровой полосы и точность измерения определяются как длиной волны применяемого излучения, та и шагом решетки.

Предлагаемое устройство имеет точность отсчета как минимум в 3 раза выше в сравнении с известным, использующим дифракционные решетки фактически с предельно мелким шагом в 1 мкм, и значительное расширение пределов измеряемых перемещений, которые могут достигать десятки метров. Кроме того, повторное взаимодействие пучков осуществляют также на дифракционной решетке, что дает возможност при соблюдении условий растрового сопряжения получать муаровые полосы. Принципиально сохраняется возможност измерения перемещений объектов за счет дифракционных решеток (первой или второй) нормально своим штрихам (как и в известном устройстве-)+ т,е . по координате, направление которой перпендикулярно основной. В этом случае отражатель может также перемещаться , что вызывает дополнительно изменение фазы сигнала и повышение точности отсчета. Поэтому в общем случае в плоскости анализа наблюдаются комбинационные полосы, обладающие в полной мере как свойствами муаровых полос, так и свойствами интерференционных полос, так как модуляция светового потока наблюдается как в случае перемещения решетки ( муаровой эффект), так и в случае перемещения уголкового отражателя (интерСоставителТехред М.Х

Редактор И.Горная

10

ференционный эффект). Это обстоятельство существенно расширяет функциональные возможности устройства, так как позволяет измерять величину перемещения объекта, связанного и/или с отражателем и/или в решеткой, одним устройством по двум, например, взаимно перпендикулярным направлениям (координатам), где на одной координате движется дифракционная решетка (первая или вторая или обе вместе) нормально штрихам, а по другой - уголковый отражатель.

Формула изобретения

Устройство для отсчета линейных перемещений объектов, содержащее лазер, последовательно установленные по ходу излучения телескопическую систему, дифракционную решетку, предназначенную для формирования опорной и измерительной ветвей, экран, диафрагму и фотоэлемент, усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходом фотоэлемента, и счетчик, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения пределов измерений и функциональных возможностей за счет обеспечения возможности отсчета перемещений по двум координатам, оно снабжено дополнительной дифракционной решеткой, установленной перед диафрагмой, первой и второй бипризмами, выполненными с углом 9 преломления бипризм, удовлетворяющим соотношению в 1/т/(п - 1), где - угол дифрак- ции дифракционной решетки; п - показатель преломления материала бипризм, первой и второй прямоугольными призмами, установленными в опорной ветви, и размешенными в измерительной ветви первым и вторым отражателями, один из которых установлен с возможностью перемещения между первой и второй бипризмами, размещенными соответственно за дифракционной решеткой и перед дополнительной дифракционной решеткой.

Корректор М.Максимишинец

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности отсчета перемещения, расширение пределов измерений и функциональных возможностей за счет обеспечения сопряжения дифракционных решеток на расстояниях, превышающих их длину, и изменения оптической длины хода рабочих пучков. Луч из лазера 1, пройдя коллиматор 2, дифрагирует на решетке 3. Пучки, дифрагировавшие в ± 1-й порядок дифракции, преобразуются первой бипризмой 5 в параллельные пучки. По ходу одного из пучков расположены первая и вторая прямоугольные призмы 6 и 7, а по ходу другого - первый и второй уголковые отражатели 10 и 11, один из которых установлен с возможностью перемещения. Дифрагированные пучки совмещаются второй бипризмой 8 на дополнительной дифракционной решетке 9, образуя интерференционно-муаровую картину, которая регистрируется фотоэлементом 13. 1 ил.