Устройство для измерения относительного перемещения двух объектов Советский патент 1993 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, может быть использовано в системах юстировки и фазирования субапертур составных зеркал (СЗ), работающих в различных диапазонах электромагнитного излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения расфазированйя субапертур СЗ и упрощение .конструкции измерительного устройства.

На фиг. 1 изображен эскиз оптического блока (по п. 1), где измеряемые объекты - 1, 2, база - а, отражающая поверхность - 3, опоры - 4, приспособление для юстировки - 5, величина ступеньки х. угол наклона отражающей поверхности оптического блока -1, угол отклонения луча от оси 21.

На фиг. 2 изображена схема, поясняющая принцип действия устройства (по пп. 1, 2). На ней: точечный лазерный источник- 6, изображение источника - 7, радиус кривизны отражающей поверхности оптического блока- R, смещение изображения лазерного источника в системе контроля - I.

На фиг. За, б показан эскиз устройства по пп. 1, 2. На нем: гибкая нерастяжимая пластина - 8, пружинная тяга - 9, юстиро- вочное устройство -10, подвижный элемент котировочного устройства -11.

На фиг. 4 представлен общий вид конкретного выполнения предлагаемого устройства поп. 1.

Устройство по пп. 1, 2 работает следующим образом. Предельно изготовленный

ы ю

00

о чэ

оптический блок устанавливают на границе двух объектов. Перед использованием его в измерительном устройстве производят выравнивание опорных ножек до тех пор, пока плоскость, определяемая тремя точками опорных ножек будет точно эквидистантна отражающей поверхности оптического блока. Для точно изготовленного оптического блока нормаль к его отражающей поверхности должна проходить через геометрический центр опорных ножек. Другими словами, радиус кривизны оптического блока (нормаль в его центре) всегда должен проходить через центр кривизны зеркала, на которое опирается блок при подгонке его опор.

Для контроля этого в центр кривизны опорного зеркала помещают точечный источник (Ne-Ne лазер с длиной волны рабочего излучения А 0,63 мкм) и через окуляр-микрометр рассматривают его дифракционное изображение. Оптический блок можно ставить опорами на сферическую вогнутую поверхность, либо на плоскую. Вращая блок вокруг вертикальной оси, определяют смещение его дифракционного изображения, которое определяет неточность изготовления опорных ножек. Подпиливая и шлифуя ножки, получают неизменность положения изображения, которое характеризует точность эквидистантного расположения опор и отражающей поверхности оптического блока. Задача выполнена, если смещение не превосходит 1/1Q-1/20 диаметра дифракционного пятна. . : .

При смещении одного объекта относительно другого на величину х (см. фиг, 1, 2) оптический блок наклоняется на угол I arctg(x/a) по отношению к прежнему положению. При малых углах i х/а. Отраженный от оптического блока световой пучок отклонится на угол 21.

Положение точки В7-изображения точечного источника (т.е. расстояние от оси до В - I) определяется как l 2xR/a

Величина смещения х определяется как x (2R)(1)

Оценим точность метода. Пусть величи- . на IT W-2.44 Ak/D,

xmin 1,22kAa/D.

Коэффициент k определяется точностью контролирующего и измеряющего устройства.

При k 0,1, a/D 0,2-0,3, xmm (А /30 - -А/40).

Таким образом, как видно из формулы (1), величина измеряемого смещения определяется непосредственно измерением I при выбранных параметрах оптического

5 блока Выбор базы а определяется конструктивными параметрами объектов, в частности величиной зазора, фасок на краю зеркал и др. Как следует из (2) для увеличения точ- .: ности целесообразно а выбирать минималь10 ной, исходя из возможностей конструкции. Диаметр оптического блока ;D влияет на точность конструкции. Его следует брать максимально возможным. Максимальный размер определяется допустимой величиной пара15 зитных потерь рабочего излучения СЗ.

Таким образом, при простой конструкции, устройство позволяет производить измерения величины рассогласования субапертур СЗ с высокой точностью. Весьма

20 важной особенностью метода является однозначность определения смещения х. В интерферометрических методах и основанных на этих методах устройствах работает, так называемая, А /2-неопределенность,

25 т.е. при х А /2 интерферомётрические устройства без специальных дополнительных устройств не могут определять количество целых полуволн при сохранении высокой точности определения х А/2.

30 Заявляемое устройство свободно от этого недостатка.

Важным преимуществом устройства является независимость результатов измерений от характера и качества отражающих

35 поверхностей субапертур СЗ. В некоторых оптических схемах наносят на поверхности субапертур СЗ дифракционные решетки, в некоторых случаях поверхность зеркала в результате различных воздействий (механиче40 ских, тепловых, лучевых и т.д.) деформируется. В этих случаях при интерферометрических измерениях резко падает точность измерения, при использовании заявляемого устройства точность сохраняется высокой из-за располо 5 жения оптического блока на границе двух соседних субапертур СЗ с использованием котировочного приспособления, что обеспечивает измерение в любой заданной области вдоль границы раздела субапертур с

50 неизменно высокой точностью.

На отражающие поверхности оптического блока при необходимости можно наносит специальные покрытия, дифракционные решетки и т.д., увеличивающие точность из55 мерения и уменьшающие габариты измерительного устройства;

Для повышения точности и надежности работы устройства (фиг. 3) предлагаемая

конструкция имеет следующие особенности.

Опорных ножек - две. На тыльной стороне оптического блока укреплена треугольной формы эластичная на изгиб, нерастяжимая пластина 8, к которой прикрепляется тросик и пружина, Тросик соединен с простым котировочным приспособлением, конструкция которого понятна из фиг. 3. Путем плавного перемещения тросика производится выставление отрезка в поле изображения приемного устройства.

Повышение надежности и точности работы устройства достигается за счет устранения лишней вращательной степени свободы (ось вращения перпендикулярна границе раздела двух субапетур) и обеспечения равномерного давления на опоры. Использование котировочного приспособления расширяет эксплуатационные возможности устройства, повышает удобство работы.

При использовании фотометрического устройства точности определения imin можно значительно повысить по сравнению с визуальным наблюдением в автоколлимационном устройстве контроля.

Как видно из фиг. 1-3, предлагаемое устройство измерения относительного перемещения двух объектов содержит малое количество элементов по сравнению с йн- терферометрическими. Оно технологично в изготовлении, не требует особых материалов, просто в юстировке, дает высокоточные абсолютные измерения величины смещения объектов при высокой повторяемости результатов измерений, свободнб от 2 я-неопределенности.

Прибор перспективен для дальнейшего повышения точности. Простота и элементарные требования к технологии позволяют говорить о возможности серийного изготовления таких измерительных устройств. Такое устройство может найти широкое применение в решении различных задач измерения. Минеральные весо-габаритные характеристики делают перспективным его использование в космической технике.

Кроме этого введение таких дополнительных признаков, как оптический блок с устройством для установки, в других технических решениях авторами не обнаружено. Поэтому на основании вышесказанного можно считать, что заявленные отличия существенны.

Нами изготовлен опытный образец заявляемого устройства, предназначенного для измерения величины расфазирования СЗ и для приведения его субапертур в сфа- зированное (нулевое) состояние.

Работы проводились на 4-х элементном СЗ диаметром 400 мм. Соответственно количество оптических блоков (см. фиг. 4) было равно 4. Оптические блоки имели по 3 опо5 ры, одна из которых располагалась на одной субапертуре, две других на соседней параллельно границе раздела субапертур. Для крепления и юстировки использовалась пружинная тяга (см. фиг, 1). При проведении

0 работ было изготовлено 4 оптических блока, у которых неточность изготовления не превышала Я/50 (смещение центра пятна составляло величину 8-10 мкм при многократных измерениях). Точность изго5 товления оптических блоков позволяет говорить о точности устройства и использовать его для измерения относительного перемещения одного объекта относительно другого, в частности, для измерения величин ступе0 нек между соседними субапертурами СЗ.

Радиус кривизны отражающей поверхности оптического блока R 3192 мм, покрытие - AI с защитным покрытием из ЗЮа. Подложка из стекла К8, оправа и опоры - из

5 латуни. База а 5 мм, D 15 мм. В качестве источника использовался He-Ne лазер ЛГ- 72 с длиной волны 0,63 мкм. Использовалась визуальная система контроля ( k

0,15-0.2).

0 Система контроля состояла из окуляр- микрометра с ценой деления 10 мкм. Диаметр пятна в фокальной плоскости (f бб R 3192 мм) был равен 0,32 мм (по первому минимуму), что соответствовало расчетному

5 значению. Положение пятна определялось с точностью +0,05 мм. Высота минимальной измеренной ступеньки рассогяасованных субапертур СЗ определялась по (2) и соответственно равна:хт1п 0,00005 мм 0,05 мкм

0 Для к 0.2 м ,024 мкм для ,15.

Таким образом для Я 0,63 мкм величина xmin Я /12 -Я/26; для 1,06 мкм (рабочая длина волны) Xmin Я /21 -Я /44. С такой точностью можно сфазировать при помощи

5 предлагаемого устройства и визуального метода контроля субапертуры СЗ.

;Кроме того устройство позволяет выставлять субапертуры СЗ относительно друг друга с заданной величиной расфазирова0 ния, что имеет существенные удобства при юстировке и проведении экспериментальных работе СЗ.

Проведенные эксперименты и оценки показали невозможность применения ин5 терференционного метода для фазирования субапертур СЗ с выполнением всех требований к устройству для этой цели. Требование к минимальному экранированию рабочего излучения приводит к усложнению конструкции, к введению дополнительных прецизионных оптических деталей, что существенно удорожает устройство, затрудняет его техническое исполнение и снижает точность измерения, особенно это относится к устройству для фазирования СЗ, работающих в видимом и ближнем ИК диапазоне. Реально разработанный интерферометр сдвига с вращающимися дифракционными решетками при юстировке и фазировании СЗ дает предельную точность фазирования субапертур (при данном уровне технологии) не выше А /20 (Я 1,06 мкм) и дальнейшее повышение его точности встречает непреодолимые трудности. Кроме того, по весо-га- баритным характеристика, стоимости, вероятности отказов, помехозащищенности интерферометрическое устройство намного превосходит заявляемое устройство.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такого устройства

в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном плане.

Ф о рмула изобретения

1. Устройство для измерения относительного перемещения двух объектов, содержащее источник, оптическую систему лазерного излучения и приемный блок, о т л и- ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено приспособлением для установки оптического блока, предназначенным для размещения между двумя объектами, и выполненным с числом опор не более трех, и котировочным механизмом, оптический блок выполнен в виде элемента с вогнутой сферической отра жающей поверхностью, а источник установ лен в центре кривизны оптического блока.

2. Устройство по п. 1,отличающее с я тем, что котировочное приспособлена выполнено в виде пластины из гибкого не растяжимого материала и пружинной тяги.

-. 9иг.З

Устройство предназначено для использования в области оптического приборостроения, в частности в системах юстировки и фазирования субапертур составных зеркал. Цель: повышение точности измерений и упрощение конструкции измерительного устройства. Сущность из.обретения: по смещению изображения лазерного источника, формируемого оптическим блоком с вогнутой отражающей поверхностью, размещенным между двумя объектами, опирающимся опорами числом не более трех на поверхности измеряемых объектов и закрепленным при помощи приспособления для установки, определяют величину перемещения одного объекта относительно другого. При этом лазерный источник помещен в центр кривизны оптического блока. В качестве приемного блока исгтользуют фотометрическое либо автрколлимацирнное устройства. Повышение точности измерения величины смещения достигается тем, что используется оптический блок, конструкция и размещение которого позволяет преобразовать малые продольные перемещения в большие угловые, измеряемые с высокой точностью. 4 ил. ел

.:-; . ,r f:-: :. ..: . - Л ..1

рЗШ; :С -ЧЙ -.;; /.. : Z k: . - ....-л-.;- - s-лv- - :;. Ej t A i feiii V. ч:.)