Гетеродинный интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к оптическим средствам измерения линейных размеров с использованием интерферометра. Полезная модель может быть использована в приборостроении, станкостроении и робототехнике для контроля прямолинейности движения подвижных рабочих органов, а также для измерения отклонения от прямолинейного движения. Интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности, содержит оптически связанные и последовательно размещенные: источник когерентного оптического излучения;, создающий комбинированный световой пучок с различными частотами колебании и круговыми поляризациями противоположного направления закручивания; оптическую коллимационную систему; светоделитель, функционально обеспечивающий расщепление светового пучка на два вторичных пучка и их последующее совмещение в один комбинированный пучок; фотоприемное средство; измерительный блок, преобразующий световые потоки комбинированного пучка в электрический сигнал; средство индикации. Светоделитель расположен на исследуемом объекте и выполнен в виде трех пространственно разнесенных элементов - дифракционной решетки и двух, изгибающей и совмещающей, поляризационных призм. На выходе устройства будет один луч, выходящий из подвижного блока, и состоящий из двух компонент с линейной взаимно ортогональной поляризацией, несущих в себе информацию об отклонении от прямолинейности движения светоделителя в пространстве. При этом одна из компонент луча является синусной составляющей, а вторая - косинусной составляющей фазового сдвига оптического излучения, приобретенного на дифракционной решетке, зависящего от перемещения подвижного блока в направлении вертикальной оси и не чувствительно к горизонтальному перемещению. Фиг.1

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к оптическим средствам измерения линейных размеров с использованием интерферометра.

Полезная модель может быть использована в приборостроении, станкостроении и робототехнике для контроля прямолинейности движения подвижных рабочих органов, а также для измерения отклонения от прямолинейного движения.

Известен интерференционный измеритель отклонений от прямолинейности движения объекта, состоящий из лазерного источника света, испускающего световой пучок, содержащий два луча близкой, но различной частоты, со взаимно ортогональной линейной поляризацией или с круговой поляризацией противоположного закручивания, призмы для расщепления светового пучка на два вторичных пучка, расположенной на подвижной части объекта, устройства для собирания вновь в один комбинированный пучок двух вторичных пучков, которое выполнено в виде отражателя и расщепляющей призмы, измерительного блока, преобразующее световые потоки комбинированного пучка в электрический сигнал, по которому судят об отклонении от прямолинейности движения подвижной части объекта относительно неподвижной. Данный интерферометр позволяет измерять отклонения движения от прямолинейности в направлении, параллельном смещению отражающей призмы, при этом отраженные лучи совмещаются в той же точке на светоделителе и возвращаются в сторону излучения (Патент США 3790284, G01B 9/02, 1974 г.).

Данный интерферометр позволяет измерять отклонения от прямолинейности движения в направлении, параллельном смещению отражающей призмы, при этом отраженные лучи совмещаются в той же точке на светоделителе и возвращаются в сторону излучателя.

Недостатком данного устройства является взаимное влияние испускаемого и принимаемого излучения. Кроме того, возвращенный пучок света попадает в лазер, что может вызывать нестабильность его работы и сказываться на нестабильности параметров испускаемого лазером света. Отражатель должен быть изготовлен с высокой точностью, что приводит к значительному удорожанию конструкции данного измерителя. Кроме того, данный измеритель требует сложной настройки для совмещения отраженного луча с испускаемым.

Наиболее близким решением из уровня техники является интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта, состоящий из лазерного источника света, испускающего световой пучок, содержащий два луча близкой, но различной частоты, со взаимно ортогональной линейной поляризацией или с круговой поляризацией противоположного закручивания, устройства для расщепления светового пучка на два вторичных пучка, расположенного на подвижной части объекта, устройства для собирания двух вторичных пучков в один комбинированный пучок, измерительного блока, преобразующее световые потоки комбинированного пучка в электрический сигнал, по которому судят об отклонении от прямолинейности движения подвижной части объекта относительно неподвижной (Патент США 5026163, G01B 9/02.1991 г.).

В этом измерителе расщепляющее устройство выполнено в виде призмы Рошона, которое расщепляет луч на два луча, один из которых отклоняется под небольшим углом, а устройство для собирания двух вторичных пучков в один комбинированный пучок выполнено в виде сложной отражающей призмы и расщепляющей призмы Рошона. При этом комбинированный луч не совпадает с лучом, испускаемьм лазером.

Недостатком данного измерителя является сложность его конструктивного выполнения и высокая стоимость изготовления.

В предложенной полезной модели ставится техническая задача за счет применения волновых свойств света, свойства позиционной чувствительности дифракционной решетки и явления оптического гетеродинирования исключить из схемы интерферометрического измерителя отклонений от прямолинейности движения отражающие призмы и повысить точность измерений.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в интерференционном измерителе отклонения от прямолинейности движения объекта, состоящем из лазерного источника света, испускающего световой пучок, устройства для расщепления светового пучка на два вторичных пучка, расположенного на подвижной части объекта, устройства для собирания двух вторичных пучков в один комбинированный пучок, а также измерительного блока, преобразующего световые потоки комбинированного пучка в электрический сигнал, согласно полезной модели, в качестве лазерного источника света используют двухмодовый лазер, испускающий световой пучок в виде двух лучей с различной частотой, с круговой поляризацией и с противоположным направлением закручивания поляризации, а в качестве устройства для расщепления светового пучка используется дифракционная решетка, кроме того, устройство для собирания вторичных пучков выполнено в виде двух поляризационных призм Волластона - изгибающей и совмещающей, причем и решетка и призмы расположены на подвижной части объекта.

Предлагаемая полезная модель поясняется с помощью прилагаемых графических материалов.

На фиг.1. изображена функциональная схема интерференционного измерителя отклонения от прямолинейности движения объекта.

На фиг.2 изображен ход лучей в светоделителе.

Интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта, состоит из лазерного источника света 1, имеющего две составляющие с различными частотами колебаний и круговые поляризации с противоположными направлениями закручивания; оптической коллимационной схемы 2; светоделителя 3, состоящего из синусоидальной дифракционной решетки 4; изгибающей поляризационной призмы 5 Волластона, отклоняющей лучи, и совмещающей поляризационной призмы 6 Волластона, собирающей лучи в комбинированный пучок; фотоприемного средства 7 и измерительного блока 8. Светоделитель 3 устанавливается на исследуемый объект 9.

Работа измерителя заключается в следующем. Лазерный луч от лазерного источника 1 света проходит через оптическую коллимационную схему 2, становится параллельным, нерасходящимся пучком и попадает на светоделитель 3. В светоделителе 3 этот пучок сначала попадает на синусоидальную дифракционную решетку 4. Проходя через дифракционную решетку 4, луч расщепляется на два луча, отклоняющихся симметрично оптической оси на одинаковый дифракционной угол, получая при этом фазовый сдвиг оптического излучения, зависящий от положения дифракционной решетки 4 в пространстве.

Полученные два луча, состоящие каждый из двух компонент с различной частотой колебаний имеющие также круговую поляризацию, попадают на изгибающую поляризационную призму 5 Волластона, которая вызывает их отклонение в сторону оптической оси. При этом обе компоненты пучка получают взаимно ортогональную линейную поляризацию, а направление поляризаций компонент второго пучка совпадают направлением поляризаций первого пучка. Затем световые пучки падают на совмещающую поляризационную призму 6 Волластона, главная оптическая ось которой направлена в обратную сторону, относительно изгибающей поляризационной призмы 5. Результатом этого будет один луч, выходящий из светоделителя 3, и состоящий из четырех компонент с линейной взаимно ортогональной поляризацией, несущих в себе информацию об отклонении от прямолинейности движения светоделителя 3 в пространстве. При этом две из компонент луча содержат синусную составляющую, а другая пара - косинусную составляющую фазового сдвига оптического излучения, приобретенного на дифракционной решетке 4, зависящего от перемещения светоделителя 3 в направлении вертикальной оси и не чувствительно к горизонтальному перемещению. Направления поляризации внутри этих пар пучков совпадают.

Оптическое поле после дифракционной решетки описывается выражением

,

где k - волновое число, - длина волны светового излучения, d - смещение дифракционной решетки, x₀, y₀, z - координаты точки наблюдения оптического поля.

При смещении дифракционной решетки на один период происходит смещение фазового сдвига на величину 2. Такой фазовый сдвиг задается множителями e^-jd и e^jd в зависимости от применяемого порядка дифракции.

При попадании пары пучка на фотоприемное средство 7 происходит гетеродинирование оптического излучения. На выходе фотоприемного средства 7 образуется синусоидальный сигнал, колеблющейся на частоте, равной разности оптических частот, генерируемых источником 1 когерентного оптического излучения, и с фазой, определяемой смещением светоделителя 3.

Предложенный интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта имеет выходной пучок, аксиальный входному. Вертикальное и горизонтальное поперечное перемещение не вызывает расфокусировку и смещение выходного луча относительно входного. Это позволяет разнести источник излучения и приемник сигнала в пространстве, что позволит снизить влияние климатических факторов на результаты измерений.

Подвижный оптический узел (светоделитель 3) не содержит сложных в изготовлении и крупногабаритных элементов. Измеряемое отклонение от прямолинейности движения объекта закодировано в виде сдвига фазы синусоидального сигнала, что позволяет проводить измерения с высокой точностью, обеспечиваемой развитием электронной базы.

Интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта проверен в лабораторных условиях МГТУ «Станкин». В результате опытной проверки установлена помимо упрощения конструкции, исключения габаритных призматических элементов, зафиксирована высокая точность измерений, при этом процесс проведения измерения и настройки оптической схемы упрощен по сравнению с применением известных иностранных аналогов.

Заявленный интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта может быть осуществлен в промышленности с применением освоенных современных технологий, материалов и процессов и может быть использован в приборостроении, станкостроении и робототехнике для контроля прямолинейности движения подвижных рабочих органов, а также для измерения отклонения от прямолинейного движения.

Интерференционный измеритель отклонения от прямолинейности движения объекта, состоящий из лазерного источника света, испускающего световой пучок, устройства для расщепления светового пучка на два вторичных пучка, расположенного на подвижной части объекта, устройства для собирания двух вторичных пучков в один комбинированный пучок, а также измерительного блока, преобразующего световые потоки комбинированного пучка в электрический сигнал, отличающийся тем, что в качестве лазерного источника света используют двухмодовый лазер, испускающий световой пучок в виде двух лучей с различной частотой, с круговой поляризацией и с противоположным направлением закручивания поляризации, а в качестве устройства для расщепления светового пучка используется дифракционная решетка, кроме того, устройство для собирания вторичных пучков выполнено в виде двух поляризационных призм Волластона - изгибающей и совмещающей, причем и решетка и призмы расположены на подвижной части объекта.