Интерференционное устройство для измерения малых перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) Ш) И 4 С О 1 В 11(00 НИЯ ТВУ ТОРСКОМ 4 нзой в я; пучком и ф щийся гоморый после мируются нтрическ топучок,делител по орого .свва фотоп вет емник ступае чувств которь ром го го из ен и дру Изй аномалииизмерительшения волнт их интероптичбъекта ри ти фаз н, что и интенсивнос н поля двух волнВеличина переме ноположение о ов)м ист ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ИСАНИЕ ИЗОБ(71) Всесоюзный научно-исследовтельский и конструкторский инстисредств измерения в машиностроен(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к из тельной технике и предназначено измерения перемещений и индикац положения объекта, Цель изобрет расширение функциональных возмо стей за счет определения нулево положения объектов, Отраженное поверхности объекта излучение с мещается светоделителем с опорн ельная поверхность од оптически сопряжена. с моцентрического пучка,мещена относительно нег за наличия участков фазово вблизи центров опорного и ного пучков фазовые соотно и, следовательно, результа ференции неодинаковы вдоль кой оси. При перемещении о происходит изменение разно опорной и измерительной во приводит к модуля интерферьнционног совмещенном пучке щения объекта и е деляются по показателям блока ре1441190 2 пульс с выхода индентификатора фазы). 10 Изобретение относится к измерительной технике, предназначено дляизмерения малых линейных перемещений,индикации положения и координатногопозиционирования поверхности контролируемого объекта относительно измерительных баэ и может быть использовано для бесконтактного размерногоконтроля,Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей за счет определения нулевого положения объектов путем использования аномалии фаз электромагнитной волны вблизи центра гомоцентрического пучка,На фиг.1 изображена схема предложенного устройства; на фиг,2 - ва 20 риант схемы оптоэлектрическои части устройства (Яр - центр входного гомоцентрического пучка); на фиг.3 - то же, с двумя общими линзами; на фиг.4 - то же, содной общей линзой; .на Фиг.5 - схема, поясняющая принцип действия устройства Б. - положение контролируемой поверхности по координате, Б - положение центра гомоцентрического измерительного пуска30 в пространстве объекта, Бр - положение центра гомоцентрического опорного пучка в пространстве приемников излучения, Б - положение центра гомоцентрического измерительного пучка в пространстве приемников из лучения, В - положение светочувствительной площадки приемника по коор-, динате Е ); на фиг.б - распределение фазы волн вблизи центров гомоцентри 40 ческих опорного и измерительного пучков вдоль координаты Е ( , - фаза опорной волны, , - фаза измерительной волны, А В, - участок фазовойаномалии опорного гомоцентрического пучка, АВ - участок Фазовой аномалии измерительного гомоцентрического пучка); на фиг.7 - изменение фазового сдвига р,Ч опорной и измерительной волн в плоскости светочувствительной площадки приемника (точка Бр) в зави 50 симости от положения центра Би. изме"1рительного пучка по координате Е на фиг. 8 - диаграмма электрических сигналов О 1 и П,л - сигналы с приемников излучения, П, и 11, - импульсы ;с,двух каналов формирователя импульсов, Ц - сигнал совпадения с выл и хода схемы совпадения, П - 0 -имУстройство (фиг.) содержит последовательно установленные лазерный источник 1 излучения, оптическую систему 2 формирования гомоцентрического пучка, светоделитель 3 входного пучка, проекционные оптические системы 4 и 5 формирования соответственно опорной и измерительной волн, свето- делитель 6, два приемника 7 и 8 излучения, индентификатор 9 фазы и блок 10 регистрации,Оптическая система 2 формирования гомоцентрического пучка согласует геометрические параметры пучка излучения лазерного источника 1 с параметрами проекционных оптических систем 4, 5 и может быть выполнена афокальной или проекционной в зависимости от геометрических параметров последующих оптических систем. Проекционная оптическая система 4 формирует опорный сиодящийся гомоцентрический пучок с центром, оптически сопря,женным с центром входного гомоцентрического пучка, и состоит из опорного отражателя 11, выполненного в зависимости от типа оптической системы 2 в виде призменного или зеркального отражателя и проекционной линзы 12. Проекционная оптическая система 5 преобразует входной гомоцентрический пучок в сходящийся в пространстве контролируемого объекта 13, Формирует отраженное от поверхности объекта 13 излучение в изме рительный сходящейся гомоцентрический пучок с центрам, оптически сопряженным с поверхностью контролируемого объекта 13, и состоит иэ линз 14 и 12, Светоделитель 3 разводит входной гомоцентрический пучок по осям опорного и иэмерительногр каналов и совмещает в обратном ходе опорную и измерительную волну, Светоделитель 3 и проекционная линза 12 являются общими элементами оптических систем 4 и 5. Светоделитель б разводит совмещенные опорный и измерительный пучки по осям, на которых установлены приемники 7, 8 излучения, причем так, что светочувствительная площадка приемника 7 совпадает, а приемника 8 - не совпадает с центром опорного гомоцентрического пучка. Приемники 7, 8 излучения преобразуют интерференционный сигнал 1,9 фазы, регистрирующего момент совпадения фаэ двух электрическихсиг 5налов и выполненного, например, ввиде электронного устройства, состоящего иэ двухканального формирователя 15 импульсов, соединенного сосхемой 16 совпадения, выход которой 1 Оприсоединен к входу одновибратора 17Выходы идентификатора 9 фазы и приемника 8 излучения подключены к входам блока 10 регистрации, осуществляющего счет числа периодов измерительного сигнала и выделяющего номер периода, соответствующего моменту совпадения фаз.На фиг.2 - 4 изображены вариантысхемы оптозлектрической части устрой Оства для случая, когда центр Яо входного гомоцентрического пучка находится на конечном расстоянии, а вкачестве опорного отражателя 11 используется зеркало, Такое техническое решение целесообразно при использовании полупроводникового лазера.Общим признаком вариантов устройстваявляется наличие в проекционной системе формирователя опорной волныЗОлинзы 18, оптически сопрягающейцентр входного гомоцентрическогопучка с опорного отражателя 11. Нафиг.2 изображена схема устройства,в котором линза 18 формирователяопорной волны расположена между светоделителем 3 и зеркалом опорногоотражателя 11. На фиг.Э изображенасхема устройства, в котором проекционные оптические системы формирова рния опорной и измерительной волнсодержат две общие линзы 18 и 12, одна из которых (18) установлена междуцентром входного гомоцентрическогопучка и светоделителем 3, а вторая - 45между светоделителями 3 и 6. Нафиг.4 изображена схема устройства, вкотором две линзы 18 и 12 объединеныв одну 18, а между центром Я входного гомоцентрического пучка и свето Оделителем 3 в прямом ходе света, светоделителями 3 и 6 в обратном ходесвета установлен дополнительный светоделительный элемент 19,Принцип действия устройства основан на одновременном использованииинтерференционного способа измерениялинейных перемещений контролируемогообъекта и явления фаэовой аномалии 904световой волны, распространяющейсяв сформированном оптической системойгомоцентрическом сходящемся пучке,которое заключается в постепенномпространственном сдвиге волны на /(при переходе через центр гомоцентрического пучка, причем в самом центреЯфазовый сдвиг равен - ,2Устройство работает следующим образом.Пучок света от источника 1 излучения (фиг. 1 и 5) формируется оптической системой 2 в гомоцентрическийпучок, делится светоделителем 3 надва пучка, один из которых возвращается опорным отражателем 11 обратно по тому же направлению, а второйсобирается линзой 14 в пространствеконтролируемого объекта 1 Э, Отраженное от поверхности объекта излучениесобирается линзой 14 в измерительныйпучок, ось которого пространственносовмещается светоделителем 3 с осьюопорного пучка, Совмещенные опорныйи измерительный пучки формируетсялинзой 12 в сходящийся гомоцентричес-кий пучок, который расцепляется затемсветоделителем 6. Совмещенные опорнаяи измерительная волны интерферируютмежду собой, Из-за наличия участковфазовой аномалии АВ вблизи центровопорного и измерительного пучков фазовые соотношения волн, а следовательно, и результат их интерференции неодинаковы вдоль оптической оси,Дпя выявления разницы в характереизменения освещенности интерференционного поля вдоль оптической осиприемника 7, 8 излучения установленытак, что светочувствительная площадка приемника 7 излучения совпадаетс центром Я опорного гомоцентрического пучка (центром участка фазовойаномалии А В), а светочувствительная площадка приемника 8 вынесенавдоль оптической оси за пределыучастка фаэовой аномалии опорного/ (пучка (точки Я и Я на фиг.5) .При перемещении контролируемогообъекта вдоль оптической оси устройства происходит изменение разностифаз опорной и измерительной волн позакону а У = 2 К 2, где Е - волновоечисло, 2 - величина осевого смещенияобъекта, что приводит к модуляцииинтенсивности интерференционного поля двух волн в совмещенном пучке.14411 оО 6ройна измерительной оси устройстваопределена 0-импульсом и подаетсяна вход блока 10 регистрации.Дпя счета числа периодов интерфе 5ренционного сигнала и определения,тем самым, величины перемещения объекта вдоль измерительной оси сигнал свыхода приемника 8 излучения подается на второй вход блока 1 О регистрации.Таким образом, техническое решение позволяет помимо измерения малыхлинейных перемещений регистрировать15 совпадение поверхности контролируемого объекта с определенной точкой наоптической оси, а само устройство )совмещает функции измерения и рульиндикации.20Формула изобретения Одновременно осевое смещение оптически сопряженного с поверхностью объекта центра Я измерительного пучка(относительно центра Я опорного пучка приводит к смещению участка АВфазовой аномалии измерительной волньотносительно участка А,В, фазовойаномалии опорной волны. При этомпри перемещении участка фаэовой аномалии измерительного пучка черезцентр опорного пучка разность фаэ4 Ч (фиг.б) опорной и измерительнойволн в точке Я постепенно меняетсяЯот -- + 2 Ы до + - + 21 с 2 а в точке2 2ФЯр остается равной обычной для интерферометров величине, т.е. 2 ЕЕ (фиг,бСоответствующий дайным фазовым соотношениям интерференционный сигналрегистрируется приемниками 7, 8 иэлучения, на выходах которых образуютсяэлектрические сигналы, меняющиеся погармоническому закону и имеющие вобщем случае разные фазы. Сигналы свыходов приемников 7, 8 излученияподаются на идентификатор 9 Фазы,выполненный, например, в виде электронного устройства (фиг.1). Действие устройства поясняется диаграммойнапряжений на фиг.7, на которой показан характер сигналов вблизи момента совпадения фаз. Формирователь15 импульсов вырабатывает импульсыв момент перехода напряжений Б,Бф, снимаемых с приемников 7, 8 излучения, через нуль, В общем случае( гимпульсы 11( и Б( с выходов формирователя 15 приходят на входы схемы 16 совпадения в разные моментывремени. При их совпадении схема 16изменяет свое состояние Ж ) и навыходе обновибратора 17 появляетсясигнал Ор в виде "0"-импульса,свидетельствующего о совпадении фазэлектрических и интерференционныхсигналов, совмещении центров Я и(Э РЯ, опорного и измерительного пучкови, наконец, поверхности контролируемого объекта 13 с точкой Я (фиг.5)на измерительной оси, оптическисопряженной с центром входного гомоцентрического пучка, координата котоИнтерференционное устройство дляизмерения малых перемещений, содер жащее последовательно установленныеисточник излучения, оптическую систе,му Формирования гомоцентрическогопучка, светоделитель, делящий световой поток на измерительный и опорный, ЗО отражатель, установленный в опорномпучке, фотоприемник, размещенный вобласти формирователя интерференционной картины, и блок регистрации,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью Раширения функциональных возможностей эа счет определения нулевого положения объекта, оно снабженовторым светоделителем, установленныммежду первым светоделителем и Фото приемником, ориентированным так, чтоего чувствительная площадка оптическисопряжена с центром гомоцентрическогопучка, вторым Фотоприемником, размещенным в ходе излучения, отраженного 45 от второго светоделителя, и электрически соединенным с блоком регистрации, и идентификатором фазы, подключенным входами к выходам фотоприемников и выходом - к входу блока регистрации, а второй Фотоприемникориентирован так, что его фоточувст-.вительная площадка смещена относитепьно центра гомоцентрического пучка.Пюскосаа усаанобки приеннико 8 излучения144119 П В,Климо ставител Корректор С,Ч едактор М,Келемеш Техред М,Ходанич раж б сное о 6275 42 За ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4