Лазерный измеритель перемещений на основе дифракционной решётки

УДК 006:681.783.

В.Д. Лизунов, А.В. Куликов СГГ А, Новосибирск

ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ

Дифракционные решётки давно используются в интерфометрии, при спектральных исследованиях, при измерении малых разностей фаз излучения, при измерениях перемещений методом муаровых полос [1,2]. Для таких устройств перемещений дифракционная изготовленная методом голографии или штриховая решётка-шкала изготовленная методом фотолитографии находят широкое применение в линейных и угловых измерениях и серийно выпускаются промышленностью (например, преобразователей типа ПЛФ Новосибирского приборостроительного завода НПЗ). Недостатком таких устройств является наличие индикаторной решётки (решётка-индекс), которая с постоянным зазором перемещается относительно дифракционной решётки.

Широкое распространение источников света с большой длиной когерентности, стабилизацией длины волны и мощности излучения, позволяет использовать амплитудно-фазовые характеристики дифракционных решёток с синусоидальным профилем в качестве основного элемента для построения интерферометра измерений перемещений. Изготовление решёток производится голографическим методом путём регистрации интерференционной картины, создаваемой двумя когерентными пучками монохроматического излучения (ОКГ) на светочувствительном материале. После соответствующей химической обработки фотоматериала на подложках получают решётки с равностоящими параллельными штрихами синусоидального профиля. На рис. 1 показана схема получения голографических дифракционных решёток.

В результате интерференции двух параллельных пучков I и II, падающих на заготовку под углами Í! и i2, получают равностоящие параллельные

полосы. Расстояние АВ = е определяется из условия, что разность хода пучков

АгВ - А2В равна длине волны Х0 используемого излучения ОКГ, т.е.

e (Sin Í! - Sin i2) = V

Таким методом с использованием вакуумного напыления металла можно получить отражательные решётки- копии (реплики).

Как показал опыт изготовления и исследования дифракционных решёток несмотря на кажущуюся простоту изготовления, качество, разрешающая способность и дифракционная эффективность голографических решёток зависят от ряда факторов, которые не всегда могут быть учтены и исключены в технологии (усыхание фотоэмульсионного слоя, неплоскостность зеркал установки, искажение волновых фронтов в коллиматорах (расширителях), засветки и др.

В результате решётки имеют некоторые отклонения от периодичности и синусоидальной формы штрихов, поэтому инструментальный контур и распределение энергии в спектре не совсем точно совпадает с расчётным.

Качество изготовления штрихов обычно определяют с помощью интерферометров типа МИИ - 4 и микроскопов большого увеличения. Однако такими методами и приборами трудно с высокой точностью определить отклонения от периодичности, а также искажение

инструментального контура, особенно для синусоидальных решёток.

Для определения искажения инструментального контура, отклонения от периодичности формы профиля дифракционной синусоидальной решётки выгодно исследовать фронт дифрагироваышей плоской волны прошедшего

или отражённого лазерного излучения в области фраунгоферовой дифракции. Во-первых потому, что решётки в большинстве используются именно в этой области, во вторых с удалением от плоскости решётки фронт волны имеет увеличенные размеры искажений за счёт увеличения пространственной частоты спектра с увеличением расстояния до плоскости регистрации.

Реализация метода была осуществлена на эталонной фотоэлектрической лазерной установке, использующей интерференционную картину дифракции на измеряемом объекте [2,3], где измерялось точное угловое положение экстремумов дифракции используя соотношение

где ш1 - порядок экстремумов;

X - длина волны используемого излучения;

аср - расстояние от центра дифракционной картины до 1го экстремума;

Ь - расстояние до плоскости регистрации.

При нарушении синусоидального профиля решётки, в спектре изображения появляются кроме 0го +1 и -1 порядка, 2й , 3 й и более порядков. Таким образом измерение интенсивности и расположения порядков спектра позволяют определять дифракционную эффективность, отклонения периода и профиля решётки. Исследования решёток изготовленных в НИИПГ на фотопластинках ВРЛ и измеренных на установках СНИИМ показали, что отклонения формы и периода штрихов ~ 2 мкм не превышает 0,01 ^ 0,05 мкм в центральной зоне 100 мм. Учитывая относительную простоту изготовления таких решёток и доступность в настоящее время лазерных источников с большой длиной когерентности и монохроматичности, выгодно реализовать преимущества построения двухлучевого интерферометра с амплитудным делением на основе дифракционной решётки для специфического применения, например, для измерения перемещений объектов в плоскости перпендикулярной направлению излучения лазера в частности измерений прямолинейности.

Принципиальная схема измерителя перемещений с дифракционной решёткой представлена на рис. 2.

I -

Ш, * Ь

Источник света He-Ne лазер работающий в одномодовом режиме (1), через коллимирующую систему (2) освещает синусоидальную голографическую решётку (3) с горизонтальными штрихами и расположенную перпендикулярно пучку излучения. +1 и -1 порядки дифракционного спектра полученные после решётки сводятся зеркалами (4) в плоскость полупрозрачного делителя (5),где происходит интерференция пучков. Перемещение решётки в направлении перпендикулярном направлению штрихов решётки и луча источника света вызывает периодическое изменение интенсивности полос интерференционной картины, то есть перемещение полос в плоскости регистрации фотоприёмников (6), реверсивный счётчик полос (7) регистрирует величину перемещения решётки связанной с объектом (8). Смещение синусоидальной решётки на один период соответствует в плоскости регистрации прохождения двух интерференционных полос. Устройства для счёта целых и дробных частей интерференционной полосы в лазерных интерферометрах достаточно хорошо известные и могут быть использованы с некоторой доработкой.

Результаты работы могут быть использованы для контроля решёток используемых в растровых методах измерения перемещений для проведения высокоточного нивелирования, створных измерений, угловых измерений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Островский Ю.Н., Голографическая интерферометрия / Ю.Н.Островский. -М.: Наука,1977.

2. Применение отражательных дифракционных решёток в интерференционных схемах для измерения линейных перемещений / Г.П. Рассурова, Ф.И. Герасимов // Оптика и спектроскопия.- T.XIV, вып.3.- М.: 1963

3. А.С. СССР №508667 Устройство для бесконтактного контроля малых поперечных размеров / В.Д. Лизунов, В.М. Весельев.- Опубл. 30.06.77.- Заявл. 25.06.73

© В.Д. Лизунов, А.В. Куликов, 2006