Устройство для измерения линейного смещения объекта

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для прецизионных измерений линейного перемещения объекта методом интерферометрии. Устройство для измерения линейного смещения содержит светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч с первой поляризацией и отражающую второй луч со второй поляризацией, ортогональной первой поляризации. Первый луч проходит последовательно левую и правую ветви интерферометра, после чего совместно со вторым лучом направляется на фотоприемник. По образованной первым и вторым лучами интерференционной картине определяют линейное смещение объекта. Достигается повышение точности измерения линейного смещения объекта.

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для прецизионных измерений линейных перемещений объекта, в частности - к оптическим средствам данного назначения, в которых используются методы интерферометрии.

Наиболее предпочтительной областью использования полезной модели являются устройства, осуществляющие точное взаимное позиционирование объекта и измерительного или обрабатывающего инструмента. К таким устройствам относятся, например, одно-, двух- и трехкоординатные машины. Для обеспечения требуемой точности позиционирования необходимо располагать информацией о линейных смещениях их подвижных элементов. В результате использования полезной модели указанные линейные смещения могут быть определены с высокой точностью.

Аналогами полезной модели являются решения, раскрытые, например, в патентных публикациях US 4881815 A, G01B 9/02, 21.11.1989 и US 4881816 A, G01B 9/02, 21.11.1989, однако в качестве прототипа выбрано решение, известное из патентной публикации US 4859066 A, G01B 9/02, 22.08.1989.

Указанным патентом был защищен интерферометр, позволяющий измерять линейные смещения объекта, на котором размещен плоский отражатель. Поток излучения попадает на светоделительную грань, через которую проходит первый луч, имеющий первую поляризацию, а второй луч со второй поляризацией, ортогональной первой, отражается. Первый луч дважды отражается от размещенного на объекте плоского отражателя в разных точках, а второй луч дважды отражается от зеркал, неподвижных относительно светоделительной грани. Далее первый и второй лучи направляются на фотоприемник, на котором образуют интерференционную картину, позволяющую вычислить линейное смещение объекта в направлении падающих на него лучей.

Однако известный интерферометр имеет существенные недостатки.

База для измерения линейного смещения объекта, равная расстоянию между точками падения на плоский отражатель первого луча, выделенного из первого потока излучения, определяется размером светоделительной грани. Величина указанной базы оказывает значительное влияние на точность измерения, особенно для крупного объекта. Изготовление светоделительной грани большого размера, достаточного для обеспечения требуемой точности измерений, связано с существенными технологическими сложностями, кроме того, использование такой светоделительной грани увеличит габариты интерферометра.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения линейного смещения объекта.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для измерения линейного смещения объекта, содержащее фотоприемник и источник когерентного излучения. Поток излучения направлен на основную светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражающую второй луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации. Фотоприемник и источник излучения находятся по одну сторону от основной светоделительной грани.

На линии оптического пути первого луча установлены правое и левое зеркала. Правое зеркало сориентировано таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на правый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и правым отражателем установлена правая четвертьволновая пластинка. Левое зеркало сориентировано таким образом, чтобы направить отраженный от основной светоделительной грани первый луч в автоколлимационном ходе на левый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и левым отражателем установлена левая четвертьволновая пластинка.

На линии оптического пути первого и второго лучей после их совмещения расположен фотоприемник.

В частном случае полезной модели основная светоделительная грань параллельна оси углового смещения объекта. В предпочтительном варианте полезной модели основная светоделительная грань перпендикулярна направлению линейного смещения объекта.

В частном случае полезной модели между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор. Фазовый модулятор может содержать светоделительную грань модулятора, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки и первого зеркала модулятора луч, падающий со стороны основной светоделительной грани, и способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча. При этом по другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала модулятора, установлена вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало модулятора. По меньшей мере, одно из зеркал фазового модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча.

В частном случае полезной модели правый и левый отражатели выполнены по оптической схеме «кошачий глаз».

Осуществление полезной модели будет представлено на примере ее использования для измерения линейных смещений платформы координатной машины, что, однако, не является ограничением в отношении области использования полезной модели.

Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуру с изображением схемы устройства для измерения линейного смещения платформы.

Платформа 1 способна совершать линейное перемещение (далее - смещение) в направлении 2, в процессе совершения которого платформа подвержена случайным угловым смещениям в направлении 3 относительно множества осей, перпендикулярных направлению линейного смещения и плоскости изображения.

Поскольку угловое смещение платформы относительно какой-либо оси (далее - реальная ось углового смещения) можно представить как комбинацию из углового смещения платформы относительно заранее выбранной оси и соответствующего вектора поступательного перемещения платформы, то в контексте данной заявки заранее выбранной осью (далее - осью углового смещения) будет считаться ось, проходящая через центр платформы.

Устройство, изображенное на фигуре, содержит интерферометр 4, включающий фотоприемник 5 и источник когерентного излучения 6, поток которого падает со стороны платформы на основную светоделительную грань 7, способную пропускать первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражать второй луч, имеющий вторую поляризацию. Полуволновая пластинка 8 позволяет путем ее вращения выровнять интенсивность светового потока первого и второго лучей.

Основная светоделительная грань расположена так, что фотоприемник и источник излучения находятся по одну сторону от нее. Под нахождением фотоприемника и источника излучения по одну сторону от основной светоделительной грани понимается соответствующее нахождение указанных элементов относительно плоскости, в которой расположена основная светоделительная грань.

Предпочтительно, если основная светоделительная грань параллельна оси углового смещения платформы, причем в наилучшем варианте полезной модели основная светоделительная грань перпендикулярна направлению линейного смещения платформы.

Первый луч проходит через основную светоделительную грань без изменения направления и попадает на правое зеркало 9, которое направляет его в автоколлимационном ходе на правый отражатель 10. Отразившись от правого отражателя и правого зеркала, первый луч возвращается на основную светоделительную грань. На линии оптического пути первого луча между основной светоделительной гранью и правым отражателем (в дальнейшем - правая ветвь интерферометра) установлена правая четвертьволновая пластинка 11. Специалисту в данной области ясно, что двойное прохождение линейно поляризованного луча через четвертьволновую пластинку с промежуточным отражением меняет его поляризацию на ортогональную.

Поскольку при возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет вторую поляризацию, он отражается в сторону левого зеркала 12, направляющего его в автоколлимационном ходе на левый отражатель 13. На линии оптического пути первого луча между основной светоделительной гранью и левым отражателем (в дальнейшем - левая ветвь интерферометра) установлена левая четвертьволновая пластинка 14, дважды пройдя через которую с промежуточным отражением от левого отражателя первый луч приобретает первую поляризацию, что позволяет ему, не изменяя направления, пройти через основную светоделительную грань.

Следует отметить, что в контексте данной заявки термины «правый» и «левый» в отношении отражателей и зеркал являются условными, важно при этом, что правой стороной считается сторона, в которую направлен первый луч после первоначального прохождения через основную светоделительную грань.

Правый и левый отражатели выполнены по оптической схеме «кошачий глаз», т.е. каждый отражатель содержит объектив (15, 16 соответственно) и расположенное в его фокусе плоское зеркало (17, 18). Применение отражателей данного типа позволяет обеспечить автоколлимационный ход луча с отражением в одной точке.

Второй луч отражается от основной светоделительной грани, после чего совместно с первым лучом проходит через анализатор 19, который известным для специалиста в данной области способом выделяет из первого и второго лучей компоненты с однонаправленной поляризацией и совмещает лучи в одном поляризационном направлении. Далее на линии оптического пути совмещенных первого и второго лучей установлены объектив 20 и фотоприемник 5, на котором формируется интерференционная картина.

При линейном смещении платформы в направлении падения первого луча на отражатели, изменяется длина оптического пути первого луча, что вызывает смещение его фазы и соответственно изменение интерференционной картины. Регистрируя указанное изменение и интерпретируя его известным для специалиста в данной области способом,, можно вычислить величину линейного смещения платформы.

В случае нахождения реальной оси углового смещения платформы на линии 21, проходящей через середину отрезка, соединяющего точки падения первого луча на плоские зеркала 17 и 18, параллельно направлению падения первого луча на отражатели, угловое смещение платформы не окажет влияния на величину определяемого линейного смещения. Данный факт объясняется тем, что смещение фазы первого луча, вызванное увеличением длины его оптического пути на одной ветви интерферометра, компенсируется противоположным смещением фазы, вызванным уменьшением длины его оптического пути на другой ветви.

В частном случае полезной модели между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор 22.

В предпочтительном случае фазовый модулятор содержит светоделительную грань модулятора 23, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки 24 и первого зеркала модулятора 25 луч, падающий со стороны основной светоделительной грани 7, однако, способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча.

По другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала модулятора и в результате двойного прохождения через четвертьволновую пластинку изменившего свою поляризацию на ортогональную, установлена вторая четвертьволновая пластинка 26 и второе зеркало модулятора 27. Отраженный от второго зеркала модулятора луч падает на светоделительную грань модулятора с вновь измененной поляризацией, отражается от нее и продолжает путь по соответствующей ветви интерферометра.

По меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможность возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча, обеспечивая фазовую модуляцию. В дальнейшем интерпретация интерференционной картины осуществляется с учетом ее демодуляции, т.е. коррекции на модулирующие фазовые изменения. Применение фазового модулятора позволяет повысить точность измерений вследствие уменьшения влияния случайных помех.

Из изложенного выше примера осуществления полезной модели, а также из фигуры можно сделать следующее заключение. В целях установления базы, достаточной для обеспечения высокой точности измерения линейного смещения, в данном случае не требуется увеличивать размер основной светоделительной грани. Она может иметь небольшой размер и быть выполнена с высокой точностью. Под базой для измерения линейного смещения понимается расстояние между точками падения первого луча на отражатели, установленные на платформе.

Следует отметить, что основная светоделительная грань может быть выполнена с возможностью поворота во второе положение 28, перпендикулярное первому положению, описанному выше. В данном случае, так же как и прежде, первый луч проходит через основную светоделительную грань без изменения направления и образует правую ветвь интерферометра. При возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет вторую поляризацию, однако, в данном случае первый луч отражается от основной светоделительной грани в сторону фотоприемника.

Второй луч на этот раз отражается от основной светоделительной грани в сторону левого зеркала и проходит по левой ветви интерферометра. При возвращении на основную светоделительную грань второй луч имеет первую поляризацию, поэтому проходит через нее без изменения направления и совместно с первым лучом попадает на фотоприемник, на котором формируется интерференционная картина.

Регистрируя и интерпретируя известным для специалиста в данной области способом изменение интерференционной картины, можно вычислить относительное смещение двух точек платформы, а значит - и угловое смещение платформы относительно оси, перпендикулярной плоскости, которая определяется линиями оптических путей падающих на объект лучей.

1. Устройство для измерения линейного смещения объекта, содержащее фотоприемник и источник когерентного излучения, поток которого направлен на основную светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражающую второй луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации, причем

фотоприемник и источник излучения находятся по одну сторону от основной светоделительной грани, а

на линии оптического пути первого луча установлены:

правое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на правый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и правым отражателем установлена правая четвертьволновая пластинка, и

левое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить отраженный от основной светоделительной грани первый луч в автоколлимационном ходе на левый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и левым отражателем установлена левая четвертьволновая пластинка, причем

на линии оптического пути первого и второго лучей после их совмещения расположен фотоприемник.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основная светоделительная грань параллельна оси углового смещения объекта.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основная светоделительная грань перпендикулярна направлению линейного смещения объекта.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что фазовый модулятор содержит светоделительную грань модулятора, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки и первого зеркала модулятора луч, падающий со стороны основной светоделительной грани, и способную пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации указанного луча,

по другую сторону светоделительной грани модулятора на линии оптического пути луча, отраженного от первого зеркала модулятора, установлена вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало модулятора, при этом,

по меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него луча.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что правый и левый отражатели выполнены по оптической схеме «кошачий глаз».