устройство для измерения малых линейных перемещений

Формула изобретения

Устройство для измерения малых линейных перемещений, содержащее две фазовые дифракционные решетки, щуп, который вводится в контакт с исследуемым образцом, систему просвечивания решеток лазерным пучком, состоящую из лазера с коллиматором луча, пространственного фильтра и фотодиода, измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что дифракционные решетки нанесены на двух противоположных параллельных сторонах прозрачного блока, блок закреплен на оси, имеет степень свободы поворота относительно этой оси и связан со щупом так, что вектор перемещения, воздействующего на щуп, проходит на некотором расстоянии от оси вращения блока, а система просвечивания решеток установлена на отдельном поворотном основании, связанном с регулировочным механизмом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптоэлектронике и предназначено для измерения малых линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра.

Известны устройства оптоэлектронного типа для измерения линейных перемещений, основанные на принципе перекрытия светового пучка системой из двух периодических амплитудных решеток - растров [1], установленных в непосредственной близости одна от другой на упругих подвесах типа параллелограмма и просвечиваемых световым пучком от источника. При перемещении одной из решеток, связанной со щупом, относительно другой (опорной) решетки площадь окон, прозрачных для светового пучка, изменяется. При этом изменяется световой поток, проходящий от источника излучения через систему растров на фотодетектор. Зависимость электрического сигнала с выхода фотодетектора U_вых от перемещения решетки х имеет линейный участок значительной протяженности U_вых=k x, который используется для измерений. Коэффициент k измеряется экспериментально и величина перемещения затем определяется как x=( U_вых/k).

При конструировании измерителей с растровыми решетками необходимо располагать решетки очень близко друг к другу во избежание влияния дифракционных явлений на характеристики линейности и обеспечить их параллельность в процессе перемещения, что требует высокой точности и жесткости упругих подвесов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является дифракционный измеритель линейных малых перемещений и вибраций, описанный в [2], который состоит из лазера, двух дифракционных решеток фазового типа с прямоугольным профилем в виде меандра с глубиной пространственной фазовой модуляции светового пучка Ф_м=45° и с одинаковым периодом порядка 50-200 мкм. Решетки установлены на двух подвесах типа параллелограмма. Одна из решеток - измерительная - может перемещаться в направлении поперек штрихов и связана со щупом, который вводится в контакт с исследуемым образцом, а вторая решетка - опорная - располагается вблизи первой так, что ее штрихи параллельны штрихам первой решетки и может перемещаться в направлении поперек штрихов с помощью механизма точной настройки начального положения (например, с помощью микровинта). Через систему из двух решеток проходит пучок света от лазера. Размер пучка значительно превышает период решетки. В дифракционной картине после прохождения двух решеток, с помощью пространственного фильтра выделялся один из первых дифракционных порядков и направлялся на фотодетектор. Сигнал на выходе фотодетектора имел вид

где - период дифракционной структуры, x₀ - некоторый произвольный сдвиг, зависящий от начального взаимного сдвига решеток, m - коэффициент модуляции в пределах (0-1), причем m=1 при оптимальной глубине фазовой пространственной модуляции решеток Ф_м=45° [3]. Рабочий участок характеристики U(x) соответствует линейному участку функции косинуса в формуле (1), т.е. такому начальному сдвигу x₀, при котором , а начальное выходное напряжение на выходе фотодетектора равно соответственно , где U_max и U_min - максимальное и минимальное значения напряжения, получаемые при смещении одной решетки относительно другой на величину, большую, чем период решеток. Начальный сдвиг устанавливается с помощью настроечного механизма опорной решетки. Расстояние между решетками в этой схеме не обязательно должно быть столь малым, как в схеме с амплитудными решетками (растрами) в схеме аналога.

Недостатком устройства является необходимость применения жестких подвесов для обеспечения высокой механической стабильности устройства и предотвращения перекосов решеток, что приводит к повышенному давлению на щуп и существенному снижению точности измерений.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства, позволяющего производить измерения линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра, снизить давление на щуп и, тем самым, повысить точность измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения малых линейных перемещений, содержащем две фазовые дифракционные решетки, щуп, который вводится в контакт с исследуемым образцом, систему просвечивания решеток лазерным пучком, состоящую из лазера с коллиматором луча, пространственного фильтра и фотодиода, измеритель выходного напряжения, дифракционные решетки нанесены на двух противоположных параллельных сторонах прозрачного блока, блок закреплен на оси, имеет степень свободы поворота относительно этой оси и связан со щупом так, что вектор перемещения, воздействующего на щуп проходит на некотором расстоянии от оси вращения блока, а система просвечивания решеток установлена на отдельном поворотном основании, связанном с регулировочным механизмом.

Техническим результатом изобретения является исключение угловой расстройки дифракционных решеток в процессе работы, достижение малого усилия на щупе при измерении линейного перемещения чувствительного узла датчика-блока решеток.

Схема устройства приведена на фиг.1. Устройство включает лазер 1 с коллиматором 2, которые закреплены на подвижном основании 3, которое связано со станиной 4 осью вращения 5 и регулировочным механизмом 6. При вращении винта регулировочного механизма осуществляется поворот подвижного основания 3 относительно станины 4 вокруг оси 5. На подвижном основании 3 укреплена также фокусирующая линза 7 и диафрагма 8, расположенная в фокусе линзы и образующая вместе с линзой пространственный фильтр, настроенный на выделение первого порядка дифракции. Непосредственно за отверстием диафрагмы 8 на подвижном основании закреплен фотодетектор 9 для детектирования излучения выделенного первого порядка дифракции.

Две фазовые дифракционные решетки 10 нанесены параллельно друг другу на две противоположные стороны прозрачного блока 11, который закреплен на оси 12, которая связана со станиной 4. Блок 11 имеет степень свободы вращения на оси 12 и расположен таким образом, что коллимированный пучок света на пути от коллиматора 2 к пространственному фильтру 7, 8 пересекает последовательно обе дифракционные решетки 10. Щуп 13, предназначенный для измерения линейных перемещений, связан с блоком решеток таким образом, что его продолжение проходит на некотором расстоянии L от оси вращения 12. Выход фотодетектора 9 связан с регистрирующим прибором 14, измеряющим приращение напряжения, либо приращение тока на выходе фотодетектора 9 при угловом перемещении блока 11 относительно оси 12, которое является следствием линейного перемещения щупа 13, соприкасающегося с образцом 15. К блоку 11 прикреплено коромысло с грузиком 16, который предназначен для создания заданного усилия давления иглы на образец 15. Грузик 16 может быть заменен возвратной пружиной. Оси вращения 5 и 12 могут быть совмещены.

Устройство работает следующим образом. При освещении прозрачного блока 11 и после взаимодействия света последовательно с двумя решетками 10 пространственный фильтр 7, 8 выделяет один из первых дифракционных порядков, и выделенное излучение направляется на фотодиод 9. Щуп 13 вводят в соприкосновение с измеряемым образцом 15. После этого проводят настройку прибора на середину линейного участка зависимости выходного напряжения (U_вых) от перемещения. Для этого, вращая винт регулировочного механизма 6, изменяют угловое положение подвижного основания 3. При этом изменяется угловое положение освещающего пучка относительно прозрачного блока 11 и вследствие этого меняется интенсивность первого дифракционного порядка. Зафиксировав максимальное (U_max) и минимальное (U _min) значения выходного сигнала (напряжения), с помощью винта регулировочного механизма 6 устанавливают положение подвижного основания 3, соответствующее середине линейного участка, т.е. положение, при котором U_вых=0,5(U_мах+U _min). После окончания настройки схема готова к проведению измерений. При измерениях перемещение щупа 13 на х вызывает поворот прозрачного блока 11 на угол = x/L, где L - плечо щупа 13 относительно оси вращения 12 прозрачного блока 11. Вследствие поворота прозрачного блока 11 происходит линейное смещение решеток 10 относительно луча в противоположные стороны, т.е. по оси и против оси X, что вызывает изменение интенсивности первых дифракционных порядков по синусоидальному закону. Поскольку при настройке прибор был выставлен на середину линейного участка, то выходное напряжение U_вых пропорционально линейному перемещению щупа на х:

U_вых=k x

где k определяется экспериментально с использованием эталонного образца, который задает калиброванное смещение щупа на величину х.

Источники информации

1. Преснухин Л.Н., Шаньгин В.Ф., Шаталов Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применения. - М.: Машиностроение, 1969, 167-178.

2. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Дифракционный измеритель малых перемещений и вибраций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля". Могилев, 23-25 мая 1989 г., часть П, с.99-100.

3. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Теоретический анализ дифракции гауссового оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток. Оптика и спектроскопия, 1987 г., вып.2, с.409-415.