Устройство для измерения относительного перемещения двух объектов

(5 ц 5 6 01 В 11/. ЕТЕНИЯ ий институт аааЪаай ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОТО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДВУХОБЪЕКТОВ(57) Устройство предназначено для использования в области оптического приборостроения, в частности в системах юстировки ифаэирования субапертур составных зеркал.Цель. повышение точности измерений и упрощение конструкции измерительного устройства. Сущность изобретения: по 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 расфаэирования субапертур СЗ и упрощение .конструкции измерительного устройства.На фиг. 1 изображен эскиз оптического блока (по и. 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 2., Ы1798619 А 1 2смещению иэображения 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 дру-. гого, При этом лазерный источник помещен в центр кривизны оптического блока, В качестве приемного блока используют фото- метрическое либо автоколлимационное 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,На фиг, 2 изображена схема, поясняющая принцип действия устройства (по пп, 1, 2). На ней: точечный лазерный источник - 6, иэображение источника - 7, радиус кривизны отражающей поверхности оптического блока - В, смещение изображения лазерного источника всистеме контроля - 1.На фиг, За, б показан эскиз устройства по пп, 1, 2; На нем: гибкая нерастяжимая пластина - 8, пружинная тяга - 9, юстировочное устройство -10, подвижный элемент юстировочного устройства - 11,На фиг. 4 представлен общий вид конкретного выполнения предлагаемого устройства по и, 1.Устройство по пп. 1, 2 работает следующим образом. Предельно изготовленный(2 Коэффициент М определяется точностью контролирующего и измеряющего устройства.При с = 0,1, а/О = 0,2-0,3, хви = (Л /30- - Л/40). 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 йроходйть 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(йе-йе лазер с длиной волны рабочего излучения Л= 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 зквидистантного расположения опор и отражающей поверхности оптического блока. Задача выполнена, если смещение не превосходит 1/10-1/20 диаметра дифракционного пятна.При смещении одного объекта относительно другого на величину х (см. фиг, 1, 2) оптический блок наклоняется на угол= агстд(х/а) по отношению к прежнему положению. При малых углах= х/а. Отраженный от оптического блока световой пучок отклонится на угол 2.Положение точки В- изображения точечного источника (т,е. расстояние от оси до В- ) определяется как= 2 хВ/аВеличина смещения х определяется какх а /(2 й) (1)Оценим точность метода. Пусть величина= Мд " 2,44 МО, . Таким образом, как видно из формулы(1), величина измеряемого смещенияопределяется непосредственно измерениемпри выбранных параметрах оптического5 блока Выбор базы а определяется конструктивными параметрами объектов, в частности величиной зазора, фасок на краю зеркали др, Как следует из (2) для увеличения точ,. ности целесообразно а выбирать минималь 10 ной, исходя из воэможностей конструкции.Диаметр. оптического блока -О влияет на точность конструкции. Его следует брать максимально возможным, Максимальный размеропределяется допустимой величиной парэ 15 зитных потерь рабочего излучения СЗ.Таким образом, при простой конструкции, устройство позволяет производить измерения величины рассогласованиясубапертур СЗ с высокойточностью. Весьма20 важной особенностью метода является однозначность определения смещения х. Винтерферометрических методах и основанных на этих методах. устройствах работает,так называемая, Л /2-неопределенность,25 т.е. при х Л /2 интерферометрические устройства без специальных дополнительныхустройств не могут определять количествоцелых полуволн при сохранении высокойточности определения х Л /2,Заявляемое устройство свободно отэтого недостатка.Важным преимуществом устройства является независимость результатов измерений от характера и качества отражающих35 поверхностей субапертур СЗ. В некоторыхоптических схемах наносят на поверхностисубапертур СЗ дифракционные решетки, в .некоторых случаях поверхность зеркала в результате различных воздействий (механиче 40 ских, тепловых, лучевых и т.д.) деформируется.В этих случаях при интерферометрических измерениях резко падает точность измерения,при использовании заявляемого устройстваточность сохраняется высокой из-за располо 45 жения оптического. блока на границе двух соседних субапертур СЗ с использованиемюстировочного приспособления, что обеспечивает измерение в любой заданной области вдоль границы раздела субапертур с50 неизменно высокой точностью.На отражающие поверхности оптического блока при необходимости можно наноситспециальные покрытия., дифракционные решетки и т.д., увеличивающие точность из 55 мерения и уменьшающие габаритыизмерительного устройства.Для повышения точности и надежностиработы устройства (фиг. 3) предлагаемая10 15 2025 30 35 40 45 50 55 конструкция имеет следующие особенности,Опорных ножек - две, На тыльной стороне оптического блока укреплена треугольной формы эластичная на изгиб, нерастяжимаяпластина 8, к которой прикрепляется тросик ипружина. Тросик соединен с простым юстировочным приспособлением, конструкция которого понятна иэ фиг. 3. Путем плавногоперемещения тросика производится выставление отрезка в поле изображения при. емного устройства,Повышение надежности и точности работы устройства достигается за счет устранения лишней вращательнбй степенисвободы (ось вращения перпендикулярнагранице раздела двух субапетур) и обеспечения равномерного давления на опоры. Использование юстировочного приспособлениярасширяет эксплуатационные возможностиустройства, повышает удобство работы.При использовании фотометрическогоустройства точности определениящь можно значительно повысить по сравнению свизуальным наблюдением в автоколлимационном устройстве контроля.Как видно из фиг. 1-3, предлагаемоеустройство измерения относительного перемещечия двух объектов содержит малоеколичество элементов по сравнению с интерферометрическими, Оно технологично визготовлении, не требует особых материалов, просто в юстировке, дает высокоточныеабсолютные измерения величины смещения объектов при высокой повторяемостирезультатов измерений, свободно от 2 л-неопределенности.Прибор перспективен для дальнейшегоповышения точности, Простота и элемен-.тарные требования к технологии позволяютговорить о возможности серийного изготов-.ления таких измерительных устройств, Такое устройство может найти широкоеприменение в решении различных задач измерения. Минеральные весо-габаритныехарактеристики делают перспективным егоиспользование 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 сфазированное (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 опоры, 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 работ было изготовлено 4 оптических блока, у которых неточность изтотовления не превышала Л/50 (смещение центра пятна составляло величину 8-10 мкм при многократных измерениях). Точность изготовления оптических блоков позволяет говорить о точности устройства и использовать его для измерения относительного перемещения одного объекта относительно другого, в частности, для измерения величин "ступенек" между соседними субапертурами СЗ.Радиус кривизны отражающей поверхности оптического блока й =. 3192 мм, покрытие - А с защитным покрытием из 5 Ю 2. Подложка из стекла К 8, оправа и опоры - из латуни. База а =5 мм, О = 15 мм, В качестве источника использовался Не-Ме лазер ЛГ 72 с длиной волны 0,63 мкм. Использовалась визуальная система контроля( 1- 0,15-0,2). Система контроля состояла из окулярмикрометра с ценой деления 10 мкм, Диаметр пятна в фокальной плоскости (Т ее= Й 3192 мм) был равен 0,32 мм (по первому минимуму), что соответствовало расчетному значению, Положение пятна определялось с точностью +0,05 мм. Высота минимальной измеренной "ступеньки" рассогласованных счбапертур СЗ определялась по (2) и.соответственно равна;хь= 0,00005 мм = 0,05 мкм для 1 с = 0,2 и хвь=0,024 мкм для с=0,15 Таким образом для Л = 0,63 мкм величина халуп = Л /12 -Л /26; для = 1,06 мкм (рабочая длина волны) хяь = Л /21-Л /44. С такой точностью можно сфазировать при помощи предлагаемого устройства и визуального метода контроля субапертуры СЗ..Кроме того устройство позволяет выставлять субапертуры СЗ относительно друг друга с заданной величиной расфаэирования, что имеет существенные удобства при юстировке и проведении экспериментальных работ с СЗ.Проведенные эксперименты и оценки показали невозможность применения интерференционного метода для фаэирования субапертур СЗ с выполнением всех требований к устройству для этой цели. Требование к минимальному экранированию рабочего излучения приводит к усложнению конст 1798619рукции, 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 Л /20 (Л= 1,06 мкм) и дальнейшее повышение его точности встречает непреодолимые трудности; Кроме того, по весо-габаритным характеристика, стоимости, вероятности отказов, помехозащи ценности интерферометрическое устройство намного превосходит заявляемое устройство.Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такого устройства в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном плане.Формула изобретения. 1.,Устройство для измерения относи тельного перемещения двух объектов, содержащее источник, оптическую систему лазерного излучения и приемный блок, о т л ич а ю щ е"е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено приспо соблением для установки оптического бло. ка, предназначенным для размещениямежду двумя объектами, и выполненным с числом опор не более трех, и юстировочным механизмом, оптический блок выполнен в 15 виде элемента с вогнутой сферической отражающей поверхностью, а источник установ лен в центре кривизны оптического блока.2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что юстировочное приспособлени 20 выполнено в виде пластины из гибкого нерастяжимого материала и пружинной тяги.1798619 Составитель Н Яота Техред М,Моргентал Корректор ко едактор Заказ 765 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10