Патент ссср 305349
0 П И СА Н И Е
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ЗО5349
Союз Советских
Социалистических
Респуспин
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 26.Ill.1970 (¹ 1418894/25-28) с присоединением заявки №
Приоритет
Опубликовано 04.V 1.1971. Бюллетень «¹ 18
Дата опубликования описания 15Л 11.1971
Л1ПК G Olb 11/14
Комитет по делам изооретений и открытий при Совете Министров
СССР
У г1К 531 717 2.621 833 (088.8) Я
В. Э. Пуш, С. Ф. Корндорф, Б. Д. Никитин, В. И. Телешевский, 7 „О
А. 1О. Криштул, В. А. Гришкин и Е. П. Потапов "
Экспериментальный научно-исследовательский институт металлоре- 1, = жущих станков и Московский станкоинструментальный институт С с (.) Авторы изобретения
Заявитель фЯ 1!
СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ
РАЗВЕРТКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ
ОБЪЕКТАМИ
Изобретение относится к области оптических измерений линейных и угловых величин, а именно к измерению расстояния между двумя об ьектами посредством пространстве1шовременной развертки изображения оптически: линейных или круговых шкал в приборах для контроля зубчатых, червячных и других передач, в системах отсчета координатных переме1цений на металлорежущих станках, измерительных машинах и приборах.
Известен способ оптической пространственно-временной развертки для измерении расстояния между двумя объектами с использованием модуляции светового потока ультразвуковыми волнами, заключающийся в том, что в оптически прозрачной среде возбужда1от две параллельно направленные бегущие ультразвуковые волны, а перпендикулярно направлению их распространения пропускают световой поток. Обе ультразвуковые волны, возбуждаемые в известном способе, являются импульсными и распространяются в одном направлении. При взаимодействии с бегущим ультразвуковым импульсом часть светового потока отклоняется от первоначального направления (явление рефракции света). Отклоненный на движущемся импульсе световой поток визуализируется оптической системой по известному методу «темного поля» в виде перемещающегося светового пятна (точки или линии). Для поay«eIIIIa замедленного движения светового пятна частоты следования ультразвуковых импульсов делаются различными. Наблюдаемая оптическая развертка представляет собой стробоскоппчески возникающее и прерывисто перемещающееся световое пятно.
Однако в известном способе развертка изображается в виде одиночного светового пятна, 1р возника10щего II3 короткн11 прОмеж! ток Времени. Движение Аяп1а развертки имеет не непрерывный, а дискретный характер. Пространственный шаг развертки много больше длины ультразвуковой волны. В способе дважды, а
15 именно между ультразвуковыми волнами и за н11ми по ходу светового потока, используется темнопольная длнннофокусная оптическая система, что вызывает большие световые потери и требует интенсивного источника света. Для получения эффективного отклонения светя 111 ультразвуковых импульсах необходима большая интенсивность ультразвука.
Целью предлагаемого изобретения является получение развертки в виде оптического растра, непрерывно движущегося с любой, наперед заданной электрически управляемой скоростью при шаге растра, близком к половине длины ультразвуковой волны.
Для этого возбуждают две гармонические
30 ультразвуковые волны с разлпчнымп, но близкими частотами, располагают ультразвуковые и«лны последовательно одна за другои по ходу светового потока, а световые пучки, отклоненные под различными углами дифракцни, преобразуют оптической системой и карти«у интерфсренционных полос.
1(a фнг. 1 изображена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 — схема образования вторичной интерференционной картины. (1ñTo÷íHê света 1 освещает щслевуio диафрагму 2, располо>кснную B фон се обьектиис 3. Параллельный световой поток 4, выходящий из об ьектива 3, проходит через две бегущие ультразвуковые волны 5 и 6, расположснныс рядом одна за другой 110 ходу свеT0BoI потока. Ультразвуковая волна 5 возбуждается в прозрачной упругой среде, например жидкости, посредством пьезоэлсктриЕсского излучателя /, на который подается напряжение от генератора 8 сннусоидальных электрических колебаний. Поглотитель 9 обеспечивает распространение в среде бегущей волны 5. Возбужденис и распространение бегущей волны 6 аналогично и осуществляется пьезоизлучателем 10, возбуждаемым от генерагора 11 синусоидальных колебаний, и поглотителем 12. Генераторы 8 и 11 отличаются друг от друга Iio частоте, а ультразвуковые волны 5 и 6 направлены встречно. Световой поток, 13рошедший через ультразвуковые волны, претерпевает дифракцию, т. с. расщепляется на несколько параллельных световых пучков, направленных под различными углами к пеpBQIIa÷a./i!>Hoì пяпраи>7спи!О потока (к оптической оси 0-0 ). Обьектив 13 преобразует световой поток таким образом, что ня экране 14, удаленном от фокальной плоскосге1
15 (обозначена nyHI Пространственно-временная развертка возникает следующим образом. В результате взаимодействия !7apaëëåëünoão светового потока с ультразвуковыми волнами за ультразвуковым полем возникают дифрагировя1шыс световые пучки, каждый из которых имеет свое направление и интенсивность. В общем случае число отклоненных пучков велико, однако практически в образовании развертки участвует их ограниченное количество. При небольшой интенсивности ультразвука можно ограничиться рассмотрением пучков О, + l u — 1 -го порядков. В фокальной плоскости 15 объектива 13 все три пучка формиру«от изображение щели 2 в виде точек, расположенных в разных местах фокальной плоскости. Точка, соответствующая нулевому порядку, лежит в плоскости 15 на оси 0-0 . Точки, соответствующие пучкам +1 и — 1-го порядков, смещены и плоскости 15 симметрично «сн 0-0 ня р lc/. стояние — — F вверх и и«из соотиетстиен110, .3 Еде 1. — длина световой волны, Л вЂ” длина 3льтразиук«>вой волны, 1> — заднее фокус«юс расстояние объектива 1, > .! д«. «РЕ(t) =27) 1 1; «рг (i) =2е<1г. t. Разность фаз этих колебаний меняется во времени, хотя пространственное положение 60 источников 11 и 1, нсизмсн«ю: Л«р=«р«(t) — -«p2 (t) =2л (f! — Ег) 1=2/«йtt где Особенность««> дифракцни систа на бегу«цс11 ультразвуковой волне является то, Ето оптп10 >Есскис >1ястоты и дифрагnp«B>Hi!HI>ix сисT0131>n< пучках смещены на величины, кратные Ея TOтс ультразвуковой волны. Если, например, Еястоту света источника 1 принять раи«ой vp> T« оптические частоты распределятся следующим 15 образом: в пучке 0-го порядка — т«ь и пучках «-1-го порядков — (т«/+ t) > где t — частот" ультразвуковой волны. Таким образом, результатом дифракции света на бегущей ультразвуковой волне является образоиа1«пс и ф«кяльной плоскости 15 изобряжсни i;Inane!pa!i%i!>l 2. Свет QT 3TH Y Hзобр !и<си!111 за ф«>к1,71>-! ой плоскостью интерфернруст и даст «пп1ческое изображение ультразвуков«г0 поля. Так как световой поток, входящий и обьек25 тив 13, проходит через две бегущие ультразвуковые волны с различными частотами и f2, то в фокальной плоскости 15 возникают две группы изображений щелеиой диафрагмы 2, как это нзобра>кено на фиг. 2: От ультЗ0 развуковой волны 5 с частотой fl — точки О, 1.! и L> и о1 и«лны 6 с частотой f — точки О, l, и 1 г. При эт031 OLI — OLq, OL — 01, > с! /. /. лы дифракции >.+1 — — — и . 1=-, где Л; ,55 Л, 3,, H .Хг — Д;!HHI>i 3,.7ЬТР<ЕЗи", K«131>IY 130 111 а и «/ Соответственно. В плоскости 14 няблн1дяется картина интерференции от всех указанных источников. Зта картина и представляет собой развертку, непрерывно перемещающуюся с линейной скоростью. Сиетовыс колсоания и тО>11
=Л Cos(2л(3о+(1) tII, E;= — ACos(2л(vp-- f!)1)> я и точках Ll и 1.г — Е i =Л Cos(2л(х>-— — /12) 1) и F.,i =Л Cos(2." I (vp+fq) t 1,дс А — амплитуJIa св T«BI>I> колебаний. Рассмотрим интерференцию д!33 х систоиы: ко 70ácl IIIIÉ С Йлиз!<Еl ми чяCT«>T>1 Е>! и, 1111!1pII ÇI« (1 Е l — — Л Cos (2ztvp1+«р1(l) ), 1. 1=Л Cos(2zr3>pt+«(y (t) 1 305349 Это означает, что интерференционная картина не остается неподвижной, а линейно смещается во времени. В результате интерференции световых колебаний E+! и Е+! в плоскости 14 образуется оптический растр, шаг которого равен h где Г = — оптическое увеличение системы; С„ — скорость ультразвуковой волны в упругой среде. Скорость перемещения интерференционной картины, т. е. скорость развертки, равна -М рвзв —— а направление перемещения совпадает с направлением распространения ультразвуковой волны меньшей частоты. Интерференция световых колебаний Е и E, образует оптический растр, полностью совпадающий с первым. Таким образом, оптическая развертка, образующаяся в результате интерференции всех световых источников, расположенных в фокальной плоскости 15, представляет собой растр, непрерывно движущийся в направлении, совпадающем с направлснием распространения ультразву!.оьой волны меньшей частоты со скорость!о, пропорциональной разности час1от ультразв) новых волн) и шагом, опреде 1яемым о! !Iошен11«м 5 cl opocTH ульгразв) Ild B ) Ilp) «QII «pLL .. K «) II II частот ультразвуковых волн. Предмет изобретения 10 Способ оптической пространственно-временной развертки для измерения расстояния между двумя объектами с использованием модуляции светового потока ультразвуковыми волнами, заключающийся в том, что в опти15 !ески прозрачной среде возбуждают две параллельно направленные бегущие ультразвуковые волны, а перпендикулярно направлению их распространения пропускают световой поток, отличающиися тем, что, с целью полу20 чения развертки в виде оптического растра, непрерывно движущегося с любой нап«рсд заданной электрически управляемой скоростью при шаге растра, близком к половине ультразвуковой волны, возбуждают две гармонические ультразвуковые волны с различными, но близкими частотами, располагают ультразвуковые волны последовательно одна за другой по ходу светового потока, а световые пучки, отклоненные под различными углами дифракцнп, преобразуют оптической системой в карIIIII) и!1терференционных полос. 305340 Риг ? Составитель Л. Кениг Редактор О. Юркова Корректоры: М. Коробова и А. Абрамова Тсхрсд Л, В. Куклина Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 1917 9 Изд. М 807 Тираж 473 Подписное IlIIlII4IIH Комп гста по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР Москва, Ж-35, Раугнская наб., д. 4i5
