Устройство для измерения линейных перемещений

(и) 1816082 СР) Ож ОПИСАНИЕ ИЗОБ к авторскому свидетельствЕН СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИ ГОСУДАРСТВЕННОЕПАТЕНТНОЕ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРИИЯ ЛИНЕЙ-.НЫХ ОЕРЕМЕЩ 3 сНИЯ(7) Изобретение относится к измерительной технике Цель изобретения - повышение надежностиизмерения линейных перемещений Согласноизобретению выделяют два квадратурных интерференционных сигнала, формируя поляризацию и интенсивность интерферирующих пучков Затем преобразуют зти сигналы в электрические, иэ 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.Изобретейие относится к измерительной технике, в именно к классу интерферометров, и может быть использовано для измерения линейных перемещений обьектов, в частности рабочих органов металло- режущих станков.Цель изобретения - повышение надежности измерения линейных перемещений, Ее решение позволяет повысить контраст интерференционных сигналов на фотоприемниках (его значение равно единице), со.кратить 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 иэ интерференционных сигналов на выходе интерферометра Майкельсона равен единице, и этот сигнал сразу поступает на фото- приемник. Другой интерференционный сигнал проходит через фазовую пластину и поляризатор, в результате чего, за счет определенной взаимной ориентации направления поляризации излучения источника, фаэовой пластины и поляризатора на втором фотоприемнике формируется интерференционный сигнал, сдвинутый по фазе не 90 относительно 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.З - 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 а, Ь, с нв фиг,1 обозначены интерференционные сигналы,Источник 1 монохроматического линейно-поляризованного излучения, светодели тельная призма-куб 2, уголковые отражатели 3 и 4 работают по известной сХеме интерферометра Майкельсона, Излучение. источника 1 делится светоделительной 5 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), пере- "0 мещения которого необходимо измерять(измерительный пучок); отраженные пучки вновь делятся светоделительной призмой- кубом 2 на две части, и пучки, распространяющиеся в одном направлении, 15 интерферируют между собой, На выходе интерферометра Майкельсона образуются два интерференционных сигналов а и Ь, интенсивность и поляризация которых периодически изменяются при перемещении 20 уголкового отражателя 4, причем, изменения этих сигналов происходят в противофазе. Один период в изменении интенсивности (поляризации) соответствует перемещению отражателя 4 на расстояние,.25 равное половине длины волны излученияисточника 1.Фаэосдвигающее устройство, состоящее из фазовой пластины 7 и поляризатора 8, из интерференционного сигнала Ь форми рует интерференционный сигналс, модулированный по йнтенсивности и сдаинутый по фазе относительно сигнала а, в результате преобразования поляризации интерферирующих пучков фазовой пластиной 7 и по следующего выделения некоторогонаправления поляризации поляризатором 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 40 45 был образован интерферирующими пучками равной интенсивности с одинаковым харвктером поля ризации, Для этого 50 достаточно, чтобы уголковые отражатели 3и 4 имели металлизированные отражающие грани, и их поляризующим действием можно было бы пренебречь, Можно испольэовать также и уголковые отражатели с 55 полным внутренним отражением, принимаямеры для компенсации их поляризующего действия,Контраст сигнала с и его фазовый сдвиготносительно сигнала а зависят от оптических характеристик светоделительной приз10 дена в варианте 2. Вариант 2. 15 На фиг.2 представлена структурная схе 20 25 30 35 40 которой перпендикулярна плоскости чертежа на фиг.2,Поляризационная призма-куб 10 является поляризатором, ось пропускания которого составляет угол50 с плоскостью чертежа на фиг,2, т.к, интерференционные полярйзационные покрытия пропускают составляющую электрического вектора падающегь излучения, лежащую в плоскости паденйя.8. светоделительной призме-кубе 2 исйользовано покрытие (57 ИЭ.41 ИЗ)х 2157 ИЭ по ОСТ 3-1901-85, При этом, пренебрегая потерями на отражение, можно считать, что она имеет коэффициент пропусканияи отlмы-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 его контраст был равен единице, Причем, таких комбинаций указанных параметров может быть множество. Одна из них привема 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 АР9 с полным внутренним отражением приклеена рабочей гранью поляриэационная призма-куб 10 таким образом, что нерабочие основания призм составляют угол о. -50,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 уг- лом 45 О величина этого фазового сдвига равнад 2 агс 19 Ип - 2) /и),где и - показатель преломления стекла,8 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 д = 45 О, быстрая ось 45 50 55 ражения 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 прошедщем 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 ф= 50 О.Обозначим ось в сечениях пучков, перпендикулярных направлению их распространения, лежащую в плоскости чертежа на фиг;2, буквой х, а ось, перпендикулярную первой, - у.Сигнал а образован двумя интерферирующими пучками, линейно поляризованными вдоль оси у, имеющими. равные электрические векторыЕ = 0,5 81 пфф 121где 1 - интенсивность излучения источника 1. Интенсивность этого сигнала изменяется по законуа = 0,5131 пф(1 + соз фгде Л- разность фаз интерферирующихпучков. Или, учитывая значение ф1 а=0,291 (1+сов фПеред поляризатором 8 интерферируютпучок, линейно поляризованный вдоль оси ус электрическим векторомЕ = 0,5 фа 1 пфф /21уи эллиптически-поляризованный пучок с составляющими электрического вектора вдоль осей х и у, равными соответственно1Е = -совф 212 хЕ =ф О,бфБЫфф /212)(и фазовым сдвигом между этими составляющими д. Разность фаз между интерферирующими пучками равна Ь.После выделения в этих пучках поляризатором 8 направления поляризации д, ин1816082 интенсивности между сигналами компенси-,руется подстройкой электронного блока обработки сигналов и надежность работыустройства не снижает,5 Очевидно, что устрсйство, описанное вварианте 2, является частным случаем устройства, описанного в варианте 1.Однако, при одинаковом качестве квадратурных интерферирующих сигналов изго 10 товление устройства по варианту 2 намногопроще, так как во-первых, изготовлениепризмы АР, в отличие от фазовой пластины, не требует ни специальных материалов, ни специального измерительного15 оборудования, а во-вторых, юстировкапризм сводится к ориентации их механических поверхностей, с которыми жестко связаны их оптические оси, в отличие отфазовой пластины и поляризатора, для ори 20 ентации оптических осей которых необходимы специальные прйемы,Р = -совффсове /21 Формула изобретения 25УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее интерферометр Майкельсона с поляризованным источником излучения, 30 два фотоприемника, установленных на выходе интерферометра, и блоке внесения фазового сдвига интерференционных сигналов фотоприемника, отличаютенсивность образующегося интерференционного сигнала изменяется по закону1 с А,+Вссовл+г),гдеАс" 0,5(2 8 +Р +2 Б Роз д),Вс 3(3 +Р +28 Рсозд) ,Р вопдК У 5+Рфсовд Я щ 0,5 фв 1 пффв 1 пО/21 Или с учетом значений д, ф и 01 0,17(1 + соз ( Ь+ 90 Я, Таким образом, контраст интерференционных сигналов а и с на фотоприемниках 5 равен единице, сдвиг фаз между ними равен 90, Небольшая разница в средней щееся тем, что, с целью повышения надежности, блок внесения фазового сдвига выполнен в виде установленных последовэтельйо по ходу излучения перед одним из фотоприемников элеента фазового сдвига между перпендикулярными составляющими электрического вектора падающего излучения и поляризатора.1816082 ди Составйтель В.ФилиппТехред М.Моргентал Корре Е.Папп а Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5