УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Советский патент 1995 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к классу интерферометров, и может быть использовано для измерения линейных перемещений объектов, в частности рабочих органов металлорежущих станков.

Цель изобретения повышение надежности измерения линейных перемещений. Ее решение позволяет повысить контраст интерференционных сигналов на фотоприемниках (его значение равно единице), сократить число оптических элементов и значительно упростить юстировку устройства.

Это достигается тем, что в известном устройстве для измерения линейных перемещений, содержащем интерферометр Майкельсона с поляризованным источником излучения, два фотоприемника, установленных на выходе интерферометра, и блок внесения фазового сдвига интерференционных сигналов фотоприемников, блок внесения фазового сдвига выполнен в виде установленных последовательно по ходу излучения перед одним из фотоприемников элемента внесения фазового сдвига между перпендикулярными составляющими электрического вектора падающего излучения и поляризатора.

В этом устройстве контраст одного из интерференционных сигналов на выходе интерферометра Майкельсона равен единице, и этот сигнал сразу поступает на фотоприемник. Другой интерференционный сигнал проходит через фазовую пластину и поляризатор, в результате чего, за счет определенной взаимной ориентации направления поляризации излучения источника, фазовой пластины и поляризатора на втором фотоприемнике формируется интерференционный сигнал, сдвинутый по фазе не 90^оотносительно сигнала на первом фотоприемнике и имеющий контраст, равный единице.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства, вариант 1; на фиг.2 то же, вариант 2; на фиг.3 вид по стрелке А на фиг.2.

Вариант 1.

Устройство для измерения линейных перемещений (фиг.1) содержит источник 1 монохроматического линейно-поляризованного излучения, светоделительную призму-куб 2, уголковые отражатели 3 и 4, два фотоприемника 5, электронный блок 6 обработки сигналов, фазовую пластину 7 и поляризатор 8. Буквами a, b, c на фиг.1 обозначены интерференционные сигналы.

Источник 1 монохроматического линейно-поляризованного излучения, светоделительная призма-куб 2, уголковые отражатели 3 и 4 работают по известной схеме интерферометра Майкельсона. Излучение источника 1 делится светоделительной призмой-кубом 2 на два пучка, один из которых отражается неподвижным уголковым отражателем 3 (опорный пучок), а другой уголковым отражателем 4, жестко связанным с объектом (условно не показан), перемещения которого необходимо измерять (измерительный пучок); отраженные пучки вновь делятся светоделительной призмой-кубом 2 на две части, и пучки, распространяющиеся в одном направлении, интерферируют между собой. На выходе интерферометра Майкельсона образуются два интерференционных сигналов а и b, интенсивность и поляризация которых периодически изменяются при перемещении уголкового отражателя 4, причем, изменения этих сигналов происходят в противофазе. Один период в изменении интенсивности (поляризации) соответствует перемещению отражателя 4 на расстояние, равное половине длины волны излучения источника 1.

Фазосдвигающее устройство, состоящее из фазовой пластины 7 и поляризатора 8, из интерференционного сигнала b формирует интерференционный сигнал с, модулированный по интенсивности и сдвинутый по фазе относительно сигнала а, в результате преобразования поляризации интерферирующих пучков фазовой пластиной 7 и последующего выделения некоторого направления поляризации поляризатором 8.

Интерференционные сигналы а и с преобразуются фотоприемниками 5 в электрические, которые поступают в электронный блок 6 обработки сигналов, где из них выделяется информация о величине и направлении перемещения уголкового отражателя 4.

Чтобы контраст интерференционного сигнала а в данном устройстве был равен единице, необходимо, чтобы этот сигнал был образован интерферирующими пучками равной интенсивности с одинаковым характером поляризации. Для этого достаточно, чтобы уголковые отражатели 3 и 4 имели металлизированные отражающие грани, и их поляризующим действием можно было бы пренебречь. Можно использовать также и уголковые отражатели с полным внутренним отражением, принимая меры для компенсации их поляризующего действия.

Контраст сигнала с и его фазовый сдвиг относительно сигнала а зависят от оптических характеристик светоделительной призмы-куба 2, от ориентации плоскости поляризации излучения источника 1, от поляризационного действия уголковых отражателей 3 и 4 (если они работают за счет полного внутреннего отражения), от фазовой толщины и ориентации фазовой пластины 7 и от ориентации поляризатора 8.

Можно подобрать перечисленные параметры таким образом, чтобы при фазовом сдвиге сигнала с относительно сигнала а 90^о его контраст был равен единице. Причем, таких комбинаций указанных параметров может быть множество. Одна из них приведена в варианте 2.

В а р и а н т 2.

На фиг.2 представлена структурная схема устройства для измерения линейных перемещений, отличающегося от устройства, описанного в варианте 1 тем, что фазосдвигающее устройство выполнено в виде блока из двух склеенных призм (фиг. 3): к выходной грани призмы АР-90^о 9 с полным внутренним отражением приклеена рабочей гранью поляризационная призма-куб 10 таким образом, что нерабочие основания призм составляют угол θ= 50^о.

При этом используется известное свойство поверхности полного внутреннего отражения вносить фазовый сдвиг между составляющими электрического вектора падающего излучения, одна из которых лежит в плоскости падения излучения на эту поверхность, а другая перпендикулярна первой. При падении излучения на поверхность раздела стекло-воздух под углом 45^о величина этого фазового сдвига равна
δ -2 arctg [(n² 2)^1/2/n] где n показатель преломления стекла.

В данном устройстве использована призма из стекла с показателем преломления 1,55 на длине волны излучения источника 1, т.е. она работает как фазовая пластина с фазовой толщиной δ 45^о, быстрая ось которой перпендикулярна плоскости чертежа на фиг.2.

Поляризационная призма-куб 10 является поляризатором, ось пропускания которого составляет угол θ= 50^о с плоскостью чертежа на фиг.2, т.к. интерференционные поляризационные покрытия пропускают составляющую электрического вектора падающего излучения, лежащую в плоскости падения.

В светоделительной призме-кубе 2 использовано покрытие [57ИЭ.41ИЭ)х2] 57ИЭ по ОСТ 3-1901-85. При этом, пренебрегая потерями на отражение, можно считать, что она имеет коэффициент пропускания и отражения для составляющей электрического вектора излучения источника 1, перпендикулярной плоскости чертежа на фиг.2, равные 0,5 и коэффициент пропускания для составляющей, лежащей в плоскости чертежа, равный единице. Фазовые сдвиги, вносимые этим покрытием между перпендикулярными составляющими электрического вектора в прошедшем и отраженном пучках, настолько малы, что их можно считать равными нулю.

Уголковые отражатели 3 и 4 имеют металлизированые грани.

Плоскость колебаний электрического вектора излучения источника 1 составляет с плоскостью чертежа на фиг.2 угол Ψ= 50^о.

Обозначим ось в сечениях пучков, перпендикулярных направлению их распространения, лежащую в плоскости чертежа на фиг.2, буквой х, а ось, перпендикулярную первой y.

Сигнал а образован двумя интерферирующими пучками, линейно поляризованными вдоль оси y, имеющими равные электрические векторы
E_y= 0,5·sinΨ· где l интенсивность излучения источника 1. Интенсивность этого сигнала изменяется по закону
l_a 0,5˙I˙sin² Ψ˙ (1 + cos Δ), где Δ- разность фаз интерферирующих пучков. Или, учитывая значение Ψ,
l_a 0,29 ˙I˙ (1 + cos Δ).

Перед поляризатором 8 интерферируют пучок, линейно поляризованный вдоль оси y с электрическим вектором
E_1y= 0,5·sinΨ· и эллиптически-поляризованный пучок с составляющими электрического вектора вдоль осей х и y, равными соответственно
E_2x= -cosΨ·
E_2y= 0,5·sinΨ· и фазовым сдвигом между этими составляющими δ. Разность фаз между интерферирующими пучками равна Δ
После выделения в этих пучках поляризатором 8 направления поляризации θ, интенсивность образующегося интерферен- ционного сигнала изменяется по закону
l_c A_c + B_c cos ( Δ + ϕ ), где A_c 0,5˙ (2˙ S² + P² + 2˙ S˙ P cos δ),
B_c S (S² + P² + 2˙ S ˙P cosδ )^1/2,
tg ϕ
S 0,5·sinΨ·sin
P -cosΨ·cosθ Или с учетом значений δ, Ψ и θ
l_c 0,17˙ l˙ [1 + cos ( Δ+ 90^o)]
Таким образом, контраст интерференционных сигналов а и с на фотоприемниках 5 равен единице, сдвиг фаз между ними равен 90^о. Небольшая разница в средней интенсивности между сигналами компенсируется подстройкой электронного блока обработки сигналов и надежность работы устройства не снижает.

Очевидно, что устройство, описанное в варианте 2, является частным случаем устройства, описанного в варианте 1.

Однако, при одинаковом качестве квадратурных интерферирующих сигналов изготовление устройства по варианту 2 намного проще, так как во-первых, изготовление призмы АР-90^о, в отличие от фазовой пластины, не требует ни специальных материалов, ни специального измерительного оборудования, а во-вторых, юстировка призм сводится к ориентации их механических поверхностей, с которыми жестко связаны их оптические оси, в отличие от фазовой пластины и поляризатора, для ориентации оптических осей которых необходимы специальные приемы.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение надежности измерения линейных перемещений. Согласно изобретению выделяют два квадратурных интерференционных сигнала, формируя поляризацию и интенсивность интерферирующих пучков. Затем преобразуют эти сигналы в электрические, из которых выделяют информацию о величине и направлении перемещения. Поляризацию и интенсивность интерферирующих пучков формируют таким образом, что один выходной интерференционный сигнал является результатом сложения двух пучков равной интенсивности с одинаковым характером поляризации, а другой результатом сложения двух аллиптически-поляризованных пучков. Во втором сигнале выделяют то направление поляризации, в котором интенсивности интерферирующих пучков равны, а изменение интенсивности интерференционного сигнала имеет требуемый фазовый сдвиг относительно изменения интенсивности первого интерференционного сигнала. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее интерферометр Майкельсона с поляризованным источником излучения, два фотоприемника, установленных на выходе интерферометра, и блока внесения фазового сдвига интерференционных сигналов фотоприемника, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, блок внесения фазового сдвига выполнен в виде установленных последовательно по ходу излучения перед одним из фотоприемников элеента фазового сдвига между перпендикулярными составляющими электрического вектора падающего излучения и поляризатора.