SU721666A1

SU721666A1 - Device for measuring linear displacements in two coordinates

Info

Publication number: SU721666A1
Application number: SU762364585A
Authority: SU
Inventors: Анатолий Адамович Корниенко; Дмитрий Павлович Лукьянов; Михаил Михайлович Бутусов; Владимир Пейшевич Горелик; Борис Ганиевич Турухано; Никулина Турухано
Original assignee: Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им.А.Ф.Можайского
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1980-03-15

Description

Изобретение относится к области прецизионного дистанционного измерения линейных перемещений в двух координатах и может быть использова- но в измерительной микроскопии, станкостроении , метрологии, в частности в установках для обмера следов на Фотографиях пузырьковых камер.The invention relates to the field of precision remote measurement of linear displacements in two coordinates and can be used in measuring microscopy, machine tool construction, metrology, in particular in installations for measuring tracks in photographs of bubble chambers.

Известно устройство для линейных измерений, содержащее однолучевую систему освещения, периодическую структуру с системой линий и объединяющую систему для совмещения волновых фронтов [1]. *A device for linear measurements containing a single-beam lighting system, a periodic structure with a system of lines and a combining system for combining wave fronts [1]. *

Известно также устройство для из- 15 мерения линейных Перемещений в двух координатах, содержащее систему освещения, периодическую структуру с ортогональной системой линий и фотоприемники [2]. 70A device is also known for measuring linear displacements in two coordinates, containing a lighting system, a periodic structure with an orthogonal line system, and photodetectors [2]. 70

Данное устройство является наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.This device is the closest to the described invention in technical essence and the achieved result.

Недостатком известных устройств является низкая точность измерений.A disadvantage of the known devices is the low accuracy of the measurements.

Целью изобретения является повышение точности измерений.The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения линейных переме- 30 щений в двух координатах система освещения периодической структуры выполнена однолучевой, периодическая структура представляет собой двумерную дифракционную решетку, обеспечивающую формирование угловых спектров не ниже первого, а в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостей установлена объединяющая система для совмещения волновых фронтов более высоких, чем нулевой, дифракционных порядков и образования интерференционных полос на входах фотоприемников.The goal is achieved by the fact that in a device for measuring linear displacements in two coordinates, the illumination system of the periodic structure is single-beam, the periodic structure is a two-dimensional diffraction grating, which ensures the formation of angular spectra not lower than the first, and in each of two mutually perpendicular planes there is a unifying system for combining wave fronts of higher than zero diffraction orders and the formation of interference fringes at the inputs of photodetectors.

На фиг. 1 показана схема устройства; фиг.2 — схема прохождения лучей через решетку.In FIG. 1 shows a diagram of a device; figure 2 - diagram of the passage of rays through the lattice.

Устройство содержит однолучевую систему освещения, состоящую из лазера 1 и коллимирующих линз 2 и 3, периодическую структуру с ортогональной системой линий, представляющую собой двумерную дифракционную решетку 4, обеспечивающую формирование' угловых спектров не ниже первого, объединяющую систему для совмещения волновых фронтов, состоящую из зеркал 5 и 6 и объединяющих устройств 7 и 8, и фотоприемники 9, 10, 11 и 12.The device contains a single-beam illumination system, consisting of a laser 1 and collimating lenses 2 and 3, a periodic structure with an orthogonal line system, which is a two-dimensional diffraction grating 4, providing the formation of 'angular spectra not lower than the first, combining a system for combining wave fronts, consisting of mirrors 5 and 6, and combining devices 7 and 8, and photodetectors 9, 10, 11 and 12.

21 6 6 621 6 6 6

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Луч света от лазера 1 попадает на коллимирующие линзы 2 и 3, которые расширяют и коллимируют пучок. Коллимированный пучок попадает на двумерную дифракционную решетку 4 и дифрагирует в двух взаимно перпендикулярных плоскостях 13 и 14. В каждой из плоскостей выделяются более высокие, чем нулевой, дифракционные порядки, например, вдоль направлений 0Ά (первый порядок) и ОВ (минус первый порядок). Эти дифракционные порядки с помощью зеркала 5 и объединяющего устройства 7 совмещаются в пространстве, т.е. совмещаются их волновые Фронты и подаются на фотоприемник 9 для измерения разности фаз между ними. При смещении решетки вдоль линии ON фазы световых волн в дифракционных порядках ОА и ОВ получают приращения с противоположными знаками и фотоприемник 9 выделяет удвоен ную разность фаз, величина которой пропорциональна смещению дифракционной решетки.A beam of light from laser 1 hits a collimating lens 2 and 3, which expand and collimate the beam. The collimated beam hits the two-dimensional diffraction grating 4 and diffracts in two mutually perpendicular planes 13 and 14. In each of the planes, higher than zero diffraction orders are distinguished, for example, along the directions 0Ά (first order) and OB (minus first order). These diffraction orders using mirror 5 and a combining device 7 are combined in space, i.e. their wave Fronts are combined and fed to a photodetector 9 to measure the phase difference between them. When the lattice is displaced along the ON line, the phases of the light waves in the diffraction orders OA and OV receive increments with opposite signs and the photodetector 9 emits a doubled phase difference, the magnitude of which is proportional to the displacement of the diffraction grating.

Рассмотрим это более подробно. Запишем (см.фиг.2) пропускание дифракционной решетки в одной из плоскостей в виде где <χ>_χ — пространственная частота дифракционной решетки вдоль координаты X;Consider this in more detail. Let us write (see Fig. 2) the transmission of the diffraction grating in one of the planes in the form where <χ> _χ is the spatial frequency of the diffraction grating along the X coordinate;

АХ — смещение решетки вдоль координаты X.AX is the displacement of the lattice along the X coordinate.

Осветим дифракционную решетку с пропусканием световой волной S единичной амплитуды, падающей нормально на дифракционную решетку. При взаимодействии такой волны с дифракционной решеткой получим волныWe will illuminate the diffraction grating with the transmission of a light amplitude S of a unit amplitude incident normally on the diffraction grating. When such a wave interacts with a diffraction grating, we obtain waves

8_О ⁺ S S = 2т е ^{2 х)} _{+ е} ² *· *^{л х})8 _O ⁺ SS = 2m e ^{2 x)} _{+ e} ² * · * ^{l x} )

Из предыдущего выражения видно, что световые волны в первом и минус первом дифракционных порядках получают равные по величине и противоположные по знаку фазовые сдвигиIt can be seen from the previous expression that the light waves in the first and minus first diffraction orders receive phase shifts of equal magnitude and opposite sign

Следовательно, измеряя разность фаз между волнами в первом и минус первом дифракционных порядках, которая составит можно определить величину смещенияTherefore, by measuring the phase difference between the waves in the first and minus the first diffraction orders, which will make it possible to determine the magnitude of the displacement

Из последнего соотношения следует, что чувствительность схемы регистрации определяется чувствительностью фазометрической системы, регистрирующей фазу Ψ,.η величиной пространственного периода.From the last relation it follows that the sensitivity of the registration scheme is determined by the sensitivity of the phase-measuring system that registers the phase Ψ, .η by the magnitude of the spatial period.

Принимая, например, ошибку ^измерения угла ψ равной Л /2. и выбирая дифракционную решетку с числом линий N = 2000 мм', найдет, что погрешность измерения смещенияTaking, for example, the error ^ of measuring the angle ψ equal to L / 2. and choosing a diffraction grating with the number of lines N = 2000 mm ', it will find that the bias measurement error

АХ составит величину менее 0,03 мкм.AX will be less than 0.03 microns.

Для измерения разности фаз в данном устройстве световые волны с помощью зеркала 5 и объединяющего устройства 7 направляются на фотоприемники 9 и 10, где по результатам их интерференции определяется разность фаз 4* , пропорциональная смещению дХ .To measure the phase difference in this device, light waves are sent to the photodetectors 9 and 10 using a mirror 5 and a combining device 7, where the phase difference 4 *, proportional to the dX shift, is determined by the results of their interference.

Два фотоприемники 9 и 10, настроенные на интерференционные полосы таким образом, чтобы сдвиг по фазе между ними составлял 71/2. позволяют определить не только величину смещения йХ , но и направление смещения, т.е. его знак. Необходимое для этих целей распределение интерференционных полос может быть достигнуто за счет некоторой угловой расходимости световых волн , которая достигается с помощью зеркал 5 и 6 и объединяющих устройств 7 и 8. Аналогичные измерения осуществляются в другой плоскости 14.Two photodetectors 9 and 10 tuned to interference fringes so that the phase shift between them is 71/2. allow us to determine not only the magnitude of the displacement йХ, but also the direction of the displacement, i.e. his sign. The distribution of interference fringes necessary for these purposes can be achieved due to some angular divergence of light waves, which is achieved using mirrors 5 and 6 and combining devices 7 and 8. Similar measurements are carried out in another plane 14.

Изобретение позволяет с высокой точностью производить измерения линейных перемещений в двух координатах.The invention allows with high accuracy to measure linear displacements in two coordinates.

Claims

The device works as follows. The beam of light from laser 1 hits the collimating lenses 2 and 3, which expand and collimate the beam. The collimated beam hits the two-dimensional diffraction grating 4 and diffracts in two mutually perpendicular planes 13 and 14. In each and the planes they are higher than the zero, diffraction orders, for example, along the OA directions (first order) and OB (minus first order). These diffraction orders with the help of a mirror 5 and a combining device 7 are combined in space, i.e. their wave fronts are combined and fed to a photodetector to measure the phase difference between them. When the grating is displaced along the line ON of the phase of light waves in diffraction orders of OA and OB, increments with opposite signs are obtained and the photodetector 9 selects a double phase difference, the value of which is proportional to the displacement of the diffraction grating. Consider this in more detail. Write (see Fig.2) the transmission of the diffraction grating in one of the planes in the form. Tg e 7-Vfc where co is the spatial frequency of the diffraction grating along the X coordinate; , DX is the grating displacement along the X coordinate. Let us illuminate the diffraction grating with a single amplitude passing by the light wave S incident normally on the diffraction grating. When such a wave interacts with a diffraction grating, we obtain waves 5'-5 5 From the previous expression we see that the light, waves in the first and minus first diffraction orders get equal in magnitude and opposite in sign phase shifts af,., Ilu, AX Consequently , by measuring the phase difference between the waves in the first and minus first diffraction orders, which will be, dx, it is possible to determine the magnitude of the displacements. From the last relation it follows that the sensitivity of the recording circuit is determined by the sensitivity of the phasometric system s, the recording phase B,. and the value of the spatial period. Taking, for example, the error -e measuring the angle H equal to L- / 1 and choosing a diffraction grating with the number of lines N 2000 mm, it will be found that the error from measuring the displacement DF will be less than 0.03 µm. To measure the phase discontinuity in this device, light waves using a mirror 5 and combining device 7 are directed to photodetectors 9 and 10, where, based on the results of their interference, the phase difference is determined proportional to the displacement lH. Two photodetectors 9 and 10 tuned to interference fringes in such a way that the phase shift between them is –n / i allows determining not only the offset value iX, but also the direction of displacement, i.e. his sign. The distribution of interference fringes required for these purposes can be achieved due to a certain angular divergence of the light waves, which is achieved with the help of mirrors 5 and 6 and combining devices 7 and 8. Similar measurements are made in another plane 14. The invention allows to produce with high accuracy measurements of linear displacements in two coordinates. Apparatus of the Invention A device for measuring linear displacements in two coordinates, containing an illumination system; a periodic structure with an orthogonal system of lines and photo receivers, characterized in that, in order to improve the accuracy, the illumination system of the periodic structure is one-beam; the periodic structure is a two-dimensional diffraction a grid that ensures the formation of angular spectra not lower than the first, an unifying system for each of the two mutually perpendicular planes is established combining wave fronts of higher than zero diffraction orders and the formation of interference fringes at the inputs of photodetectors. Sources of information taken into account in the examination 1. The author's certificate of the USSR I 132840, cl. G 01 B 9/02, 1959.

2. USSR author's certificate number 387207, cl. G 01 B 9/02, 1971 (prototype).

1

D S

/

S

2