ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
TWO-COORDINATE DISPLACEMENT CENSOR

Двухкоординатный датчик перемещений предназначен для измерения перемещений и вибраций объектов в двух координатах.
Известно устройство для измерения перемещений в двух координатах [А.С. СССР №387207. Устройство для измерения перемещений в двух координатах. В.В.Добырн, Б.Г.Турухано, Н.Турухано. Заявл. 26.10.71. Опубл. 21.06.73. Кл. G01в 9/02], содержащее лазер, однолучевую систему освещения, двумерную дифракционную решетку с периодической ортогональной системой линий, объединяющую систему совмещения волн в виде отражающих зеркал и светоделительных пластин, фотоприемники.
Недостатками этого устройства являются низкая точность измерений, которая определяется, в основном, частотой штрихов двумерной дифракционной решетки, высокая чувствительность к поперечным смещениям двумерной дифракционной решетки, что требует высокоточных направляющих для этих смещений, высокие требования к когерентности источника излучения, большие габариты, что связано с перемещением двумерной дифракционной решетки.
Наиболее близким по технической сущности решением, взятым в качестве прототипа к предлагаемому, является устройство для измерения линейных перемещений [А.С. СССР №1562686. Устройство для измерения линейных перемещений. С.А.Шойдин, Е.А.Сандер, Ю.Ц.Батомункуев и др. Заявл. 21.07.1988. Опубл. 07.05.90. G01в 9/02], содержащее когерентный источник света, линейку с периодической структурой, связанную с движущимся объектом, фотоприемное устройство и объединяющую систему, состоящую из отражающих и объединяющих элементов. Линейка с периодической структурой представляет собой пропускающую дифракционную решетку.
К недостаткам этого устройства относится низкое значение отношения сигнал/шум, связанное с низкой дифракционной эффективностью линейки с периодической структурой, измерение перемещений только вдоль одного направления при использовании одномерной линейки, большие габариты устройства, превосходящие более чем в два раза диапазон измерений линейки, из-за связи линейки с движущимся телом. Кроме этого, использование линейки приводит к необходимости размещения отражающих зеркал по обе стороны от линейки, что в свою очередь увеличивает размеры оптической системы устройства. При использовании связанной с движущимся объектом двумерной линейки вместо одномерной линейки габариты устройства более чем в четыре раза превышают габариты рабочего диапазона двумерной линейки, что связано с длиной направляющих, по которым в двух направлениях должна смещаться двумерная линейка. Серьезным недостатком является хрупкость линейки, так как она изготавливается из прозрачного плоскопараллельного оптического стекла, в котором должны быть устранены все мельчайшие неоднородности и дефекты объема. Также имеет место проблема разюстировки относительно фотоприемного устройства зеркал, расположенных по разные стороны от линейки, так как при больших габаритах двумерной линейки все отражающие зеркала нельзя достаточно жестко конструктивно связать с фотоприемным устройством.
Задачами настоящего изобретения являются повышение точности измерения перемещений объекта по двум координатам, расширение диапазона измерений, снижение влияния смещений объекта в перпендикулярном направлении по отношению к дифракционной решетке и уменьшение требований к когерентности источника излучения при одновременном уменьшении габаритов устройства.
Поставленная задача достигается тем, что двухкоординатный датчик перемещений содержит неподвижную двумерную отражающую дифракционную решетку с положительными и отрицательными порядками дифракции в двух перпендикулярных плоскостях и расположенные в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом, источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и четное количество отражающих зеркал. Отражающие зеркала расположены попарно вдоль перпендикулярных прямых по одну сторону от дифракционной решетки, касательно эллипсоидов с фокусами в точке дифракции и в точке схождения волн на дифракционной решетке. С движущимся объектом связана не дифракционная решетка, а считывающий блок, содержащий источник когерентного излучения, отражающие зеркала, фотоприемное устройство.
На фиг.1 показана схема устройства с двумя парами зеркал, содержащая источник излучения - полупроводниковый лазер 1, отражающую двумерную рельефную дифракционную решетку 2 с положительными и отрицательными порядками дифракции в двух перпендикулярных плоскостях, зеркала 3 и 4, расположенные касательно двум эллипсоидам с фокусами в точках дифракции и схождения волн на дифракционной решетке, фотоприемное устройство 5. Лазер 1, отражающие зеркала 3, 4, фотоприемное устройство 5 выполнены конструктивно в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом.
Устройство работает следующим образом: плоская волна лазера 1 падает на двумерную рельефную дифракционную решетку 2, а дифрагировавшие в выбранные порядки четыре волны, попарно отражаясь от зеркал 3 и 4, направляются на эту же дифракционную решетку для повторной дифракции. Зеркала 3 и 4 устанавливаются отражающими поверхностями под углом к дифракционной решетке и касательно эллипсоиду так, чтобы среди волн, испытавших двукратную дифракцию, выделялись и совмещались в пространстве две волны выбранных дифракционных порядков, а полученные при этом интерференционные картины регистрировались фотоприемным устройством 5.
1
2
При линейном перемещении считывающего блока первоначально дифрагировавшие волны набирают разность фаз Δφ, прямо пропорциональную произведению величины перемещения Δr на выбранные порядки дифракции m и m. При повторной дифракции этих волн и выборе в качестве интерферирующих двух волн тех же порядков, что и при первой дифракции, разность Δφ будет удвоена.
r
r
o
o
n
r
n
o
r
n
r
o
n
o
r
o
r
o
n
n -
х
у
1
2
1/2
Весь свет, отраженный повторно от дифракционной решетки и попадающий в фотоприемное устройство 5 в каждой из перпендикулярных плоскостей дифракции, можно представить в виде шести волн: это две дифрагировавшие в выбранные порядки волны с интенсивностями ηI и ηI, две волны, дифрагировавшие в другие порядки с интенсивностями ηI и η'I, сюда же отнесем волны, дифрагировавшие в шумы, и две недифрагировавшие волны (нулевой порядок) с интенсивностями (1-8η-η)I и (1-8η-η')I, где I, I - интенсивности падающих повторно на дифракционную решетку пучков выбранных порядков, η, η - дифракционные эффективности в выбранных порядках, η, η средняя дифракционная эффективность других порядков дифракции, в том числе и шумовых волн. Повторно падающие, после отражения попарно от зеркал, волны образуют интерференционные полосы, параллельные "штрихам" дифракционной решетки. При перемещении считывающего блока на величину Δr=(Δх+Δу), приводящего к взаимно перпендикулярным смещениям Δх и Δу полос интерференционной картины по двум координатам х и у относительно "штрихов" дифракционной решетки, возникают соответствующие разности фаз Δφ и Δφ дифрагировавших волн в выбранные m и m порядки
х
1
2
y
1
2
Δφ~(m-m)Δx, Δφ~(m-m)Δy,
приводящие к перемещениям полос интерференционных картин, регистрируемых фотоприемным устройством 5.
1
2
В этом случае напряженность электрического поля E и Е волн в выбранных порядках повторной дифракции можно представить в виде:
1
r
r
о
n
o
n
o
1
1
1/2
1/2
1/2
E=(η Eexp(iΔφ)+(1-8η-η)E+η E'exp(ikr-iωt),
2
о
о
r
n
r
n
r
2
2
1/2
1/2
1/2
Е=(η Еехр(-iΔφ-iπ)+(1-8η-η')'+E+(η')E')ехр(ikr-iωt),
n
o
n
r
o
r
1
2
1
2
1/2
1/2
где η E' и η E' - напряженности электрического поля шумовых волн, E, E - напряженности повторно падающих на дифракционную решетку волн выбранных порядков, r, r - координаты точек волн, k, k - волновые вектора, ω - частота волн.
r
о
n
n
1
2
1
2
Рассмотрим случай с приблизительно равными дифракционными эффективностями η=η≈η и η≈η', который соответствует выбору волн противоположных порядков при повторной дифракции. В этом случае, принимая меры к тому, чтобы в фотоприемное устройство попадал свет только от выбранных порядков дифракции, что позволяет пренебречь третьим слагаемым в напряженностях E и Е, получаем интенсивности I и I повторно дифрагировавших волн в виде:
1
o
r
o
n
o
r
1/2
I=I+η(I-8I)+2(η(1-8η-η)II)sinα,
2
r
r
o
n
o
r
1/2
I=I-η(I-8I)-2(η(1-8η-η)II)sinα,
o
o
r
r
2
2
где α - половина разности фаз дифрагировавших волн, интенсивности I=|E|, I=|E|.
Величина α также характеризует смещение Δr интерференционной картины с периодом d относительно "штрихов" дифракционной решетки, так как
1
2
α~(m-m)Δr/d.
1
2
n
1
2
Приравнивая нулю производную I или I по η (при η=0), можно получить, что максимальное изменение интенсивностей I, I имеет место при дифракционной эффективности
2
2
1/2
η=[1+|8-p|/(32psinα+(8-р))]/16,
o
r
где р=I/I.
1
2
1
2
1
2
n
2
n
2
n
Видно, что для получения максимального изменения интенсивностей I, I на фотоприемном устройстве 5 дифракционная эффективность η при р=1 в первом порядке дифракции должна быть равна 11,1 - 12,5 процентов, что существенно превосходит максимальную относительную дифракционную эффективность амплитудной двумерной пропускающей решетки, равной 4,1 процента. Таким образом, оптимальной является двумерная рельефная дифракционная решетка отражающего типа, так как ее относительная дифракционная эффективность η в первом порядке может достигать 16,4 процента. При двукратной дифракции относительная дифракционная эффективность оптимальной рельефной отражающей дифракционной решетки составит более 1,23 процента, тогда как для амплитудной пропускающей только 0,17 процента. При одинаковом уровне шумов такое различие дифракционной эффективности отражающей и пропускающей дифракционных решеток обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум более чем в 7 раз для отражающей дифракционной решетки по сравнению с пропускающей. При n-кратной дифракции относительная дифракционная эффективность оптимальной рельефной отражающей дифракционной решетки составит 0,111·10 процента, тогда как для амплитудной пропускающей только 0,041·10 процента. При одинаковом уровне шумов такое увеличение дифракционной эффективности обеспечивает в случае n-кратной дифракции увеличение отношения сигнал/шум примерно в 2,7 раз. Повышение отношения сигнал/шум позволяет использовать как более высокие порядки дифракции отражающей дифракционной решетки, так и осуществлять более многократную дифракцию по сравнению с амплитудной дифракционной решеткой, тем самым снижая погрешности и повышая точность измерений. Так в схемах с n-кратной дифракцией с использованием дифрагировавших пучков m и m порядков точность измерения может быть улучшена в n(m-m) раза.
В схеме предлагаемого устройства с двумерной дифракционной решеткой зеркала размещаются отражающими поверхностями к дифракционной решетке и касательно эллипсоидов с фокусами в точках дифракции и схождения отраженных от зеркал волн на дифракционной решетке, в отличие от этого в прототипе [2] отражающие зеркала размещаются касательно эллипсам. Отражаясь от этих зеркал, первоначально дифрагировавшие волны проходят одинаковые расстояния, поэтому снижаются требования к длине когерентности лазера. Дифрагировавшие в разные порядки волны испытывают одинаковое количество отражений от зеркал, поэтому не происходит взаимного сдвига или поворота волн при многократном падении на дифракционную решетку, что приводит с одной стороны к снижению влияния дефектов поверхности решетки, с другой - снижению требований к пространственной когерентности излучения лазера. Так же при смещении объекта перпендикулярно к решетке на любую величину угол падения волны лазера на решетку не изменяется, поэтому не изменяются углы дифракции и углы схождения волн на дифракционную решетку. Расстояния, пройденные волнами, различаются на одинаковые величины, поэтому разность их фаз не изменяется. Таким образом, перпендикулярное по отношению к дифракционной решетке смещение объекта не влияет на точность измерений. В отличие от прототипа [2] отражающие зеркала на эллипсоидах могут располагаться несимметрично относительно перпендикуляра к дифракционной решетке, расположенного между первым фокусом первого эллипсоида и вторым фокусом последнего эллипсоида.
У прототипа [2] длина устройства определяется длиной направляющих, по которым перемещается линейка, связанная с движущимся объектом, причем длина направляющих более чем в два раза превышает диапазон измерений линейки. В отличие от этого в предлагаемом устройстве двумерная отражающая дифракционная решетка является неподвижной, а с движущимся объектом связана считывающая система, включающая в себя источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и четное количество отражающих зеркал. Длина и ширина предлагаемого устройства лишь незначительно превышают длину и ширину двумерной дифракционной решетки. Использование отражающей рельефной дифракционной решетки позволяет изготовить ее из ударопрочных материалов (металлов), что является преимуществом отражающих дифракционных решеток перед пропускающими, причем высокое качество обработки должна иметь только одна рабочая поверхность, тогда как для стеклянной пропускающей дифракционной решетки подобное качество обработки должны иметь обе поверхности стеклянной пластины. Компактность считывающего блока позволяет жестко связать между собой источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и отражающие зеркала, что обеспечивает стабильность их юстировки.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями от прототипа [2] и обеспечивает повышение точности измерений за счет увеличения отношения сигнал/шум, повышение диапазона измерений за счет увеличения размеров дифракционной решетки, устранение влияния смещений объекта в перпендикулярном направлении по отношению к решетке и уменьшения требований к длине когерентности источника излучения при одновременном уменьшении габаритов устройства за счет установки зеркал, источника когерентного излучения и фотоприемного устройства, расположенных по одну сторону от решетки в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом.