Устройство для измерения линейных перемещений

.С.Куминов,Ямщиков вовидетельство СС 01 В 9/02, 1980 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения -повьппение точности измерений путемустранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентностиизлучения, Плоская волна лазера 1 падает на линейку 2, а дифрагировавшаяв выбранный положительный порядокволна, отражаясь от зеркала 3, направляется на линейку 2 для повторнойдифракции. Аналогично зеркало 4 осуществляет повторную дифракцию волны,дифрагировавшей в выбранный отрицательный порядок. Среди волн, испытавших двукратную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве 2две волны вновь выбранных дифракционных порядков, а полученная картина интерференционных полос регистрируется фотоприемником 5. При линейномперемещении линейки 2 разность фаз по торно дифрагировавших волн будет пр порциональна удвоенному произведению величины перемещения д Х линейки .2 на выбранные порядки дифракции. Размещение зеркал 3, 4 на касательных к эллипсу, фокусы которого расположены на поверхности линейки так, что первый по ходу излучения от источника фокус каждого эллипса находился в точке дифракции волн излучения на линейке, а второй - в точке схождения продифрагировавших волн, обеспечивает равенство оптических путей двух интерферирующих волн, а вследствие того, что совмещение производится той же самой линейкой 2, поперечные смещения линейки 2 не влияют на стабильность интерферанционных полос при симметричнос расположении зеркал 3, 4. Размещение зеркал на эллипсе позволяет одновременно значительно, уменьшить разность оптических путей интерферирующих волн и тем самым уменыить требуемую длину когерентности излучения источника. 4 ил.Изобретение относится к измери-.тельной технике и может быть использовано для прецизионного измеренияперемещений, например в измерительной микроскопии, станкостроении и др.Цель изобретения - повышение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки приодновременном снижении требований к 10длине,когерентности излучения.На фиг.1 показана схема устройствадля измерения линейных перемещенийна фиг.2 - ход лучей в оптическойсхеме устройства при смещении линейки 15в поперечном направлении на ДУ, гдепунктирной линией обозначен ход лучейв схеме до смещения линейки; на фиг.3 схема устройства с малыми углами падения и дифракции волн на линейке, 20на фиг.4 - то же, с тремя парами отражающих элементов,Устройство с одной парой отражательных элементов содержит лазер 1,динейку 2, представляющую собой пропускающую дифракционную решетку с положительными и отрицательными порядками дифракции, зеркала 3 и 4, расположенные касательно к эллипсу с фокусами:в точке дифракции падающей волны на линейку 2 и в точке схожденияэтих волн, после отражения от зеркал3 и 4, фотоприемник 5.Устройство работает следующим образом. 35Плоская волна лазера 1 падает на линейку 2, а дифрагировавшая в выбранный положительный порядок волна, отражаясь от зеркала 3, направляется на линейку для повторной дифракции, 40 аналогично зеркало 4 осуществляет повторную дифракцию волны, дифрагировавшей в выбранный отрицательный порядок.45Среди волн," испытавших двукратную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве две волны вновь выбранных дифракционных порядков, а полученная картина интерференционных 5 Офполос регистрируется приемником 5 излучения.При линейном перемещении линейки 2 первойачально дифрагировавшие волны набирают разность фаз Щ. Прямо пропорциональную произведению величины перемещения ЬХ линейки на выбранные порядки дифракции, положительный ш 1 и отрицательный ш(2) При этом гаются и на такое же расстояние сдвиотраженные от плоских зерсоответственно Х положии Х 2 отрицательного порядкал лучи тельного ков Х =дУ(Еай,-еай,) созЧ,Х =ЛУ(К-КЧ) созе, 2 2, о 2 ф(3) где дУ - расстояние от первоначального положения линейки до точки схождения дифрагировавших лучей.В симметричной схеме 0=Ц 2, Ч 2=Ч, и из (2) и (3) следует, что аУ=ДУ, т.е. точка схождения вновь находится на линейке. Из симметрии схемы следует равенство оптических лучей этих дифрагировавших лучей, следовательно, зеркала расположены касательно к новому эллипсу, имеющему фокусы в ноПри повторной дифракции этих волн на линейке и выборе в качестве интерферирующих двух волн, положительного и отрицательного порядков тех же, что и при первой дифракции, разность д будет удвоена, следовательно, точность измерений перемещений удвоена.Размещение зеркал 3 и 4 на касательных к эллипсу обеспечивает равенство оптическиз путей (эйконалов) двух интерферирующих волн, а вследствие того, что совмещение производится той же самой линейкой, поперечные смещения линейки не влияют на стабильность интерференционных полос при симметричном расположении зеркал 3 и 4. Так, при смещении линейки в поперечном направлении на любую величину ДУ (фиг.2) угол падения Я волны лазера на линейку не изменяется, поэтому не изменяются углы дифракции 0, Я 2 и углы схождения волн , Ц, причем дифрагировавшие лучи от цейтрального луча, проходящего через фокус эллипса, сдвигаются от первоначального направления на расстояние Х, для положительного порядка, Х 2 для отрицательного порядка(6) дущего, а отражающие элементы установлены зеркально-симметрично относительно перпендикуляра к линейке,расположенного посередине между первым фокусом первого эллипса и вторымфокусом последнего. вых точках дифракцип и схожденияволн на линейке,Разность оптических путем Ж длялучей отстоящих на расстоянии т от5центрального луча (фиг.З), равна ДИ = в в -(я 1 пЯ -соя 0 Сд( -япЯ +г /сояЯ10+сова й ) (4) и не зависит от поперечных смещении линейки, т,е. разность оптических путей и направления волн не изменяются, что и приводит к стабильности интерференционных полос.Для случая, близкого к нормальному паделью (Ц О1) и линейки с относительно невысокой частотой штри хов" (Л/с 1 И 1, Л - длина волны, й - период линейки), учитывая условие дифракции на линейкес 1(я 1 пО -ядг 4 )=+шЛ,где ш - порядок дифракции, имеется из (4) Ды= --- й -0 )= -й -+(-) ),ЛЗ 306 сояЯ О 1 3 ос 1 д э где 0 - ширина фронта волны. 35Задавая 0=1 мм, ( =О,1 рад, Л/Й= =0,1, получают ЛЯ=0,7 мкм. Следовательно, размещение зеркал на эллипсе позволяет одновременно значительно уменьшить разность оптических путей 40 интерферирующих волн, которая определяется величиной ДИ, и тем самым уменьшить требуемую длину когерентности излучения источников. 45На фиг,4 показана схема устройства с тремя парами зеркал, расположенными касательно своих эллипсов, В нем, за счет четырехкратной дифракции50 волн, точность измерения может быть улучшена в четыре раза..Предлагаемое расположение отража- ющих элементов обеспечивает повышение точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучеФормула изобретения Устройство для измерения линейныхФперемещений, содержащее последовательно установленные источник когерентного излучения и линейку с периодической структурой, связываемую с контролируемым объектом, и оптически связанные совокупность объединяющих и четного числа отражающих элементов и фотоприемный блок, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем устранения влияния поперечных смещений линейки при одновременном снижении требований к длине когерентности излучения, отражающие элементы объединены в пары, каждая пара отражающих элементов установлена так, что их отражающие поверхности обращены в сторону линейки и расположены по касательной к траектории, образованной эллипсом, фокусы которого расположены на поверхности линейки так, что первый по ходу излучения от источника фокус каждого эллипса находится в точке дифракции волн излучения на линейке, а второй - в точке схождения продифрагировавших волн, для нескольких пар отражательных элементов первый фокус каждого последующего эллипса совпадает с вторым фокусом преды1562686 Составитель С.ГрачевРедактор Г.Гербер Техред Л,Олийнык оррек ор М, Шароши Тираж 50 одписно аказ 10 ри ГКНТ ССС енцо-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. ина, 101 Произ НИИПИ Государственного ком 113035, Мостета по изобретениям и открыт ва, Ж, Раушская наб., д. 4