интерференционное устройство для измерения угловых перемещений объекта

Формула изобретения

Интерференционное устройство для измерения угловых перемещений, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения, коллиматор и светоделительное зеркало, оптически сопряженное с отражающим зеркалом, а также два концевых отражателя, образующие двухлучевой интерферометр, вал, предназначенный для скрепления с объектом, плоскую ленту, охватывающую вал, объектив и щелевую диафрагму, расположенные между светоделительным зеркалом и фотоприемником, и направляющую, отличающееся тем, что оно снабжено призмой БР-180^o, оптически сопряженной соответственно со светоделительным зеркалом и одним из концевых отражателей, и оптическим клином, расположенным на каретке, установленной с возможностью прямолинейного перемещения по направляющей, и ориентированным ребром параллельно щелевой диафрагмы, причем концевые зеркальные отражатели выполнены в виде боковых поверхностей клина, а плоская лента состоит из двух частей, каждая из которых выполнена в виде гребенки с основанием и установлена с натяжением, при этом выступы одной гребенки расположены в пазах другой гребенки на валу и все концы выступов скреплены с ним, а основания гребенок расположены на противоположных концах каретки и скреплены с ней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений угловых поворотов объекта в геодезическом приборостроении, станкостроении и машиностроении.

Известно устройство для измерения углового поворота объекта, содержащее источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр, состоящий из оптически связанных светоделительного элемента и отражающего элемента, двух двугранных зеркал, предназначенных для установки их на объекте, зеркала и фотоприемника [1]

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон измерения углового поворота объекта, вызванный необходимостью скрепления двугранных зеркал с контролируемым объектом, в результате чего при развороте пучки интерферометра не попадают на угловые зеркала, и, как следствие, на фотоприемнике отсутствует результирующее интерференционное поле, вносимое угловым перемещением объекта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является интерференционное устройство для измерения углового поворота объекта, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр, состоящий из светоделительного и отражающего элемента, два угловых зеркала, образующие интерферометр, направляющую, барабан, предназначенный для скрепления с объектом, плоскую ленту, охватывающую барабан и скрепленную с ним, щелевую диафрагму, установленную в обратном ходе от угловых зеркал, объектов и фотоприемник [2]

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон измеряемых углов, связанный с тем, что в известном устройстве угловые зеркала кинематически связаны с объектом контроля, расположенным под острым углом к оси поворота объекта, в результате чего при его повороте угловые зеркала смещаются по отношению к падающему на них пучку интерферометра и, как следствие, этого, при значительных угловых поворотах объекта (20 30^o) угловые зеркала выходят из поля зрения интерферометра, что ограничивает диапазон измеряемых углов.

Достигаемым техническим результатом изобретения является расширение диапазона измеряемых углов.

Для достижения этого результата в известном устройстве, содержащем источник когерентного излучения, коллиматор, светоделительное зеркало и два концевых отражателя, образующих двухлучевой интерферометр, направляющую, вал (барабан в терминологии прототипа), предназначенный для скрепления с объектом, плоскую ленту, охватывающую вал, и скрепленную с ним, щелевую диафрагму, установленную в обратном ходе от угловых зеркал, объектив и фотоприемник, введено дополнительное зеркало, установленное параллельно светоделительному зеркалу и образующее с ним зеркальный ромб, призма типа БР-180^o, установленная по направлению излучения между светоделительным зеркалом и одним из концевых отражателей, и оптический клин, установленный на подвижной части направляющей для прямолинейного движения и ориентированный ребром вершины параллельно щелевой диафрагме, концевые зеркальные элементы нанесены на боковые поверхности оптического клина, плоская лента выполнена из двух частей, каждая из которых имеет форму гребенки, обе части установлены с натяжением, при этом выступы одной гребенки вводят в пазы другой гребенки на валу и все концы скреплены с ним, а их основания расположены на противоположных краях подвижной части направляющей и скреплены с ней.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема интерференционного устройства; на фиг. 2 вид сверху на устройство, на фиг. 3 вариант выполнения двух частей плоской ленты и их взаимное ориентирование.

Устройство содержит источник когерентного излучения 1, диафрагму 2, объектив 3 коллиматора, светоделительное зеркало 4 и зеркало 5, образующие зеркальный ромб 6, формирующий два параллельных, информационных, коллимированных пучка, призму типа БР- 180^o, оптический клин 7, обе плоские поверхности которого с нанесенными на них зеркальными покрытиями 8 являются концевыми отражателями, второй объектив 9, щелевую диафрагму 10, фотоприемник 11 с блоком обработки, индикатор 12 угла поворота объекта, направляющую 13 с силовым замыканием, например с трением скольжения, подвижную часть направляющей (каретку) 14, вал 15, предназначенный для соединения с контролируемым объектом (не показан), ленту, выполненную из двух частей 16, 17, каждая из которых имеет форму гребенки, элементы крепления 18 ленты к барабану, например, штифты, приспособление 19 установки направляющей в корпусе 20 устройства.

На фиг. 3 показаны отверстия 21 под крепление ленты к барабану и каретке. Каждая часть ленты установлена с натяжением вокруг вала и вдоль поверхности каретки с помощью приспособления (не показаны). Каретка 14 имеет возможность перемещаться между приспособлениями установки направляющей 19. Длина каждой части ленты между элементами ее крепления, равна длине окружности наружной части вала. Каретка имеет возможность перемещения в каждую сторону от среднего положения на расстояние Оптический клин 7 установлен на каретке 14 и ориентирован ребром при вершине параллельно щелевой диафрагме 10. Угол оптического клина приблизительно 2 10 угл. мин. Части плоской ленты 16 и 17 и вал 15 изготовлены из материала с одинаковым коэффициентом линейного расширения. Призма БР-180^o установлена неподвижно.

Устройство работает следующим образом.

Подсвечивают источником 1 когерентного излучения диафрагму 2, установленную в фокальной плоскости объектива 3, который формирует коллимированный пучок лучей. Пространственно делят этот пучок на два полупрозрачным зеркалом 4, прошедшую его часть поворачивают зеркалом 5 параллельно другой (отраженной) части пучка от зеркала 4 и направляют его на плоскую поверхность оптического клина 7, а вторую часть пучка, отраженную от зеркала 4 с помощью призмы БР-180^o, направляют на другую плоскую поверхность клина 7. Отраженные от зеркальных поверхностей 8 оптического клина 7 пучки, прошедшие в обратном направлении, пространственно складывают на полупрозрачном зеркале 4, формируя полосы равной толщины. Объектив 9 строит изображение результирующего поля в фокальной плоскости, где расположена щелевая диафрагма 10, которая вырезает часть результирующего поля, например, одну из полос (световые интерференционные полосы ориентированы параллельно краям щелевой диафрагмы). Световой поток, прошедший щелевую диафрагму, 10 фотоприемником 11 преобразуется в электрический сигнал, усиливается и обрабатывается. Результаты обработки выводят на индикатор 12, показывающий угловое положение контролируемого объекта. При угловом повороте объекта контроля, например по часовой стрелке вместе с ним поворачивается вал 15 (фиг. 1), который при повороте закручивает вокруг окружности часть ленты 17. Так как лента установлена с натяжением, то при закручивании она перемещает каретку 14 влево, и вместе с ней и оптический клин 7.

В результате перемещения оптического клина длина оптического пути одного из пучков, отраженных от зеркальных его граней, увеличивается, а другого - уменьшается на одно и то же значение. При этом интерференционная картина перемещается вдоль линии, перпендикулярной краю щели 10. Фотоприемник 11 регистрирует изменение интенсивности светового сигнала на его входе и пересчитывает число интерференционных полос, прошедших диафрагму 10 в угловое отклонение объекта. При угловом повороте объекта в другую сторону (против часовой стрелки) вал 15 через часть ленты 16 перемещает каретку вправо и вместе с ней клин 7, изменяя длину оптического пути наоборот в обоих интерференционных пучках. И как следствие этого, интерференционная картина на диафрагме 10 "бежит" в другую сторону. В устройстве угловые повороты объекта преобразуются в линейные перемещения каретки с оптическим клином 7, отражающие поверхности которого являются концевыми отражателями интерферометра без кинематических погрешностей с помощью предварительно натянутых частей ленты. Устройство позволяет проводить измерения в широком диапазоне углов от 0 до 360^o с прецизионной точностью. Так, например, при диаметре вала 25 мм длина окружности вала охватываемой частями ленты равна 78,54 мм. Одна интерференционная полоса равна /2 и при 0,5 мкм соответствует изменению оптического пути в плечах интерферометра D_оп= 0,25 мкм. Так как изменение оптического пути в устройстве происходит одновременно в обоих плечах на одно и тоже значение, но в разные стороны, то перемещение каретки для смещения результирующего поля в плоскости щели на одну полосу равно половине необходимого изменения разности оптического пути, т.е.

Количество дискретов (n) укладывающихся в диапазоне перемещения каретки L = D 78,54 мм (для принятого диаметра вала D 25 мм), равно



Так как в одном радиане содержится 206264,8 угл. сек. а в одном обороте 2 радиан, то одному дискрету перемещения (одна полоса) соответствует угловой поворот объекта на



То есть устройство позволяет измерять угловые поворота объекта в диапазоне 0 360^o с секундной точностью.