устройство для измерения перемещений

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее последовательно установленные лазер, оптический элемент в виде пластины и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, два фотоприемника и соединенный с ними блок обработки, отличающееся тем, что оно снабжено установленной в резонаторе диафрагмой, совмещенной с оптической осью и выполненной в виде точки, одна из поверхностей пластины выполнена в виде винтовой поверхности с шагом, равным



где длина волны излучения лазера, мкм;

n показатель преломления материала пластины;

К натуральное число,

и пластина ориентирована так, что ее продольная ось совмещена с оптической осью, а фотоприемники установлены так, что их светочувствительные площадки лежат в смежных секторах с вершинами, расположенными на оптической оси, и углами при вершине, равными p/2K .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Известно устройство для измерения перемещений [1] содержащее лазер, акустооптический модулятор (АОМ), светоделитель, подвижный и неподвижный уголковые отражатели и фотоприемник с подключенным к нему блоком регистрации.

Известно устройство для измерения перемещений [2] которое по совокупности признаков наиболее близко к предлагаемому устройству и принято за прототип.

Известное устройство для измерения перемещений содержит лазер, оптически связанные светоделитель, неподвижный и подвижный уголковые отражатели, две четвертьволновые пластины, установленные перед отражателями, два поляроида, расположенные перед фотоприемниками и блок обработки, подключенный к фотоприемникам.

Недостатками известного устройства являются низкая точность и надежность измерений и сложность конструкции.

Изобретение направлено на повышение точности и надежности измерений и упрощение конструкции.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения перемещений, содержащее последовательно установленные лазер, оптический элемент в виде пластины и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, и два фотоприемника и соединенный с ними блок обработки, снабжено установленной в резонаторе диафрагмой, совмещенной с оптической осью и выполненной в виде точки, одна из поверхностей пластины выполнена в виде винтовой поверхности с шагом, равным

h где длина волны излучения лазера, мкм;

n показатель преломления материала пластины;

k натуральное число; и пластина ориентирована таким образом, что ее продольная ось совмещена с оптической осью, а фотоприемники установлены так, что их светочувствительные площадки лежат в смежных секторах с вершинами, расположенными на оптической оси, и углами при вершине, равными /2k

Это позволяет обеспечить поворот боковых узлов и пучностей генерируемой моды круговой апертуры ТЕМ_оk на угол, пропорциональный линейному перемещению отражателя, за счет вращения оси максимальной добротности составного резонатора, образованного зеркалами лазера, отражателем и пластиной, вокруг оптической оси и, тем самым, уменьшая в k раз шаг дискретности отсчетов угла поворота, повысить точность измерения перемещений; увеличивая коэффициент связи лазера с отражателем, повысить надежность измерений; избавляясь от необходимости использовать опорное плечо и систему сведения опорного и измерительного пучков в интерференционную картину, упростить конструкцию.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схема формирования пучка моды круговой апертуры ТЕМ_оk, поясняющая образование измерительного сигнала.

Предлагаемое устройство для измерения перемещений содержит последовательно установленные лазер 1 с активным элементом 2 и зеркалами 3, 4, оптический элемент в виде пластины 6 и отражатель 5, предназначенный для крепления на объекте. Устройство также содержит два оптически связанных с лазером 1 фотоприемника 7, 8, подключенных к блоку 9 обработки. Устройство снабжено диафрагмой 10 в виде непрозрачной точки, при этом диафрагма размещена в резонаторе лазера 1 и совмещена с оптической осью 11. Поверхность 12 пластины 6 выполнена плоской, а поверхность 13 пластины 6 в виде винтовой поверхности с шагом, равным

где h шаг винтовой поверхности, мкм;

длина волны излучения лазера, мкм;

n показатель преломления материала пластины;

k натуральное число; пластина 6 ориентирована таким образом, что ее продольная ось совмещена с оптической осью 11, центр 14 винтовой поверхности совмещен с оптической осью 11, а светочувствительные площадки фотоприемников 7, 8 размещены в смежных секторах 15, 16, вершины которых распложены на оптической оси 11, а углы при вершине равны /2k

Целесообразно винтовую поверхность 13 изготавливать методом вакуумного напыления, при этом пластина 6 образована слоем напыленного вещества, например сульфида цинка, который крепится на плоскопараллельной стеклянной подложке, не оказывающей влияния на работу устройства. В качестве такой подложки может выступать, например, подложка зеркала 3 лазера 1.

Наиболее целесообразно крепление диафрагмы 10 на поверхности окна активного элемента 2, однако работа устройства одинакова при любом варианте крепления диафрагмы 10 на оптической оси 11 внутри резонатора лазера 1.

Предлагаемое устройство для измерения перемещений работает следующим образом.

В лазере 1 возбуждается генерация вынужденного излучения. Диафрагма 10 подавляет генерацию аксиальной моды ТЕМ_оо и остаются поперечные моды. Резонатор симметричен относительно оптической оси 11, поэтому возбуждаются моды круговой апертуры Гаусса-Лагерра [3]

Излучение лазера, проходя пластину 6, отражается взад-вперед от отражателя 5 и зеркала 3, между которыми в процессе этих отражений образуется оптический резонатор. За счет винтообразной формы поверхности 13, оптическая толщина пластины 6 зависит по линейному закону от азимутального угла, меняясь на /2 через каждый угол /k, отсчитанный вокруг оптической оси. Поэтому оптическая длина упомянутого резонатора кратна /2 в радиальных плоскостях 17, 18, 19 (см. фиг. 2, для примера рассмотрен частный случай k 3) и занимает промежуточные значения вне этих плоскостей.

В составном резонаторе, образованном зеркалами 3, 4 и отражателем 5, происходит селекция мод лазера 1, а именно подавление генерации тех мод, которые попадают в резонанс с внешним резонатором. В результате селекции мод в спектре генерации лазера 1 остается поперечная мода круговой апертуры ТЕМ₀₃ (в общем случае ТЕМ_оk) с профилем 20 пучка излучения, у которого не заполненные энергией узлы 21, 22, 23 совмещены с плоскостями 17, 18, 19 резонанса, а пучности 24-29 локализованы в секторах 30-35, разделенных плоскостями 17-19. Иными словами, поперечная мода круговой апертуры ТЕМ₀₃ (в общем случае ТЕМ_ok) является нормальным типом колебаний лазера 1 с составным резонатором с диафрагмой 10 и пластиной 6, имеющей поверхность 13 винтообразной формы.

Перемещение отражателя 5 ведет к одновременному повороту плоскостей 17, 18, 19 вокруг оптической оси 11 за счет линейной зависимости оптической толщины пластины 6 от азимутального угла. Поворот плоскостей 17, 18, 19 ведет к повороту узлов 21, 22, 23 и пучностей 24-29 моды ТЕМ₀₃ вокруг оптической оси 11.

Секторы 30-35 имеют углы при вершине, равные /k поэтому смежные неподвижные сектора 15, 16 вместе попадают в пре-делы любого из подвижных секторов 30-35. За счет размещения светочувствительных площадок фотоприемников 7, 8 в секторах 15, 16, прохождение узлов 21, 22, 23 и пучностей 24-29 через сектора 15, 16 при повороте профиля 20 моды ТЕМ₀₃ вокруг оптической оси 11 ведет к образованию на выходе фотоприемников 7, 8 двух синусоидальных сигналов, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90^о, причем период обоих этих сигналов по углу поворота равен /k. Тем самым обеспечивается выполнение стандартной процедуры реверсивного счета импульсов в блоке 9 обработки.

Целесообразно выбрать параметр k максимальным, однако для него существует следующее ограничение:

k где r радиус лазерного пучка, см;

N 5 число проходов излучения между зеркалом 3 и отражателем 5 за счет 10%-ных потерь при каждом проходе через пластину 6;

L максимальная длина измерительного плеча, м.

При L 10 м, r 2 см, 0,63 мкм из (2) получаем k 9. Полученная оценка (2) основана на том условии, чтобы величина размытия интерференционных резонансов из-за отклонения пучков света за счет френелевского преломления на винтовой поверхности 13, сопутствующего каждому прохождению света через пластину 6, не превышала ширины соответствующих секторов 30-35.

Размещение пластины 6 с винтообразной поверхностью 13 между зеркалом 3 и отражателем 5 позволяет обеспечить поворот боковых узлов и пучностей генерируемой моды круговой апертуры ТЕМ_оk на угол, пропорциональный линейному перемещению отражателя, за счет вращения оси максимальной добротности составного резонатора, образованного зеркалами лазера, отражателем и пластиной, вокруг оптической оси и, тем самым, уменьшая в k раз шаг дискретности отсчетов угла поворота, повысить точность измерения перемещений.

В предлагаемом устройстве нет необходимости использовать опорное плечо и систему сведения опорного и измерительного пучков в интерференционную картину, что позволяет упростить конструкцию.

В предлагаемом устройстве имеет место многократный (до 5 раз) проход излучения между зеркалом 3 лазера и отражателем 5, причем при каждом отражении от зеркала 3 часть излучения возвращается в резонатор лазера, осуществляя связь его с отражателем 5. При N 5 проходах коэффициент связи увеличивается в 5 раз и тем самым в 5 раз увеличивается коэффициент связи лазера с отражателем, что позволяет повысить надежность измерений.

Для осуществления предлагаемого устройства может быть применена следующая элементная база. В качестве лазера 1 может быть использован серийно выпускаемый лазер ОКГ-13, фотоприемники 7, 8 относятся к изделиям массового выпуска. В качестве отражателя 5 могут быть использованы уголковый отражатель, зеркало или отражатель "кошачий глаз", которые относятся к изделиям массового выпуска. Нанесение пластины 6 на подложку методом вакуумного напыления освоено в отечественной промышленности, причем возможен также прецизионный контроль формы и толщины пластины интерференционным способом, в частности с помощью интерферометра Тваймана-Грина и техники компьютерного синтеза голограмм. Блок 9 обработки может быть заимствован из любого интерферометра "постоянного тока" или изготовлен по традиционным схемам.