RU175968U1 - Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit - Google Patents
Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU175968U1 RU175968U1 RU2017115349U RU2017115349U RU175968U1 RU 175968 U1 RU175968 U1 RU 175968U1 RU 2017115349 U RU2017115349 U RU 2017115349U RU 2017115349 U RU2017115349 U RU 2017115349U RU 175968 U1 RU175968 U1 RU 175968U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- mirrors
- radiation
- receivers
- beams
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 60
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000013461 design Methods 0.000 title description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений включает в себя источники когерентного оптического излучения, коллимирующую систему, пропускающую дифракционную решетку, блок приемников, регистрирующие дифрагировавшие оптические пучки. Также устройство содержит блок зеркал, который делит сколлимированное излучение на несколько пучков по количеству зеркал в блоке. Количество зеркал равно количеству приемников излучения, каждое зеркало имеет возможность независимого изменения углового положения, за счет которого вносится фазовый сдвиг. Технический результат заключается в повышении точности датчика. 6 ил. The optical scheme of the ultra-precision holographic linear displacement sensor includes sources of coherent optical radiation, a collimating system that transmits the diffraction grating, a block of receivers detecting diffracted optical beams. The device also contains a block of mirrors, which divides the collimated radiation into several beams by the number of mirrors in the block. The number of mirrors is equal to the number of radiation receivers, each mirror has the ability to independently change the angular position, due to which a phase shift is introduced. The technical result is to increase the accuracy of the sensor. 6 ill.
Description
Область техникиTechnical field
Полезная модель относится к области прецизионных датчиков линейных перемещений с использованием оптических средств измерения посредством контроля параметров пучков световых лучей, дифрагирующих на различных комбинациях дифракционных решеток, работающих по интерференционному принципу (попарная интерференция дифрагировавших пучков между собой), и окончательно детектируемых фотоэлементами (фотоприемниками).The utility model relates to the field of precision linear displacement sensors using optical measuring instruments by monitoring the parameters of light beams that are diffracted by various combinations of diffraction gratings operating according to the interference principle (pairwise interference of the diffracted beams with each other) and finally detected by photocells (photodetectors).
Уровень техникиState of the art
Известен датчик фирмы Heidenhain (ФРГ), работающий по интерференционному принципу. Принцип действия и оптическая схема данного датчика (см. фиг. 1) описан в патенте США US 4,776,701 DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS AND METHOD (МПК G01B 11/00; G01D 5/38; (IPC1-7): G01B 9/02, опубл. 1988-10-11) и может быть взят в качестве одного из аналогов предлагаемой полезной модели. У этого патента был также другой патентный аналог - патент СССР SU 1560068 (МПК G01B 11/00; опубл. 23.04.1990) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ. Задача изобретения этого устройства заключалась в повышении разрешающей способности за счет использования дифракционных решеток с шагом 40 мкм. При освещении решеток, одна из которых прозрачная (пропускающая), скрепляется с объектом и выполнена с зубчатым профилем, а другая - отражательная и скрепляется с другим объектом, формируется интерференционная картина, регистрируемая с помощью детекторов, расположенных соответственно в зоне формирования нулевого, положительного и отрицательного первых порядков дифракционного изображения. По электрическим сигналам с детекторов судят о направлении и величине перемещения. Иначе говоря, данный датчик содержит перемещающуюся отражающую решетку и неперемещаемый узел оптической головки, состоящий из источника излучения, оптической системы, пропускающей решетки и четырех приемников (детекторов) излучения. Таким образом данная система является многоканальной - с 2 осевыми и 2 наклонными каналами.Known sensor company Heidenhain (Germany), operating on the interference principle. The principle of operation and the optical design of this sensor (see Fig. 1) are described in US Pat. No. 4,776,701 DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS AND METHOD (
Недостатком данной оптической схемы датчика являются увеличенные габариты узла оптической головки по длине (вдоль длинной стороны отражающей решетки). Это приводит к тому, что при смещении отражающей решетки таким образом, что производится измерение перемещения на краю отражающей решетки, половина узла оптической головки выступает за пределы отражающей решетки длиной L (см. фиг. 2, примечания по обозначениям фиг. 2: *Для измерения одинаковых перемещений в датчике-аналоге требуется длина перемещающейся отражающей решетки 4 на ΔL больше, чем в предлагаемой оптической схеме датчика; **Оптическая головка в датчике-аналоге имеет размер на ΔL1 больше, чем в предлагаемой оптической схеме датчика). Это может усложнить использование датчика на некоторых типах объектов (например, в станках), поскольку требует наличия свободного пространства (по длине) вокруг перемещающейся отражающей решетки. Еще один недостаток - для измерения перемещений величиной L необходимо делать отражающую решетку длиннее, поскольку требуется ее симметричная подсветка относительно оси оптической головки (фиг. 1, 2).The disadvantage of this optical sensor circuit is the increased dimensions of the optical head assembly along the length (along the long side of the reflective array). This leads to the fact that when the reflective grating is displaced in such a way that displacement is measured at the edge of the reflective grating, half of the optical head assembly extends beyond the reflective grating of length L (see Fig. 2, notes on the notation of Fig. 2: * For measurement of identical movements in the analog sensor, the length of the moving reflecting
Этот же недостаток увеличенных габаритов также присущ и ряду других оптических схем датчиков линейных перемещений, запатентованных в нескольких других патентах США.The same drawback of the increased dimensions is also inherent in a number of other optical schemes of linear displacement sensors, patented in several other US patents.
Патент US 5,430,546 OPTICAL DEVICE FOR MEASURING RELATIVE POSITION OF OR ANGLE BETWEEN TWO OBJECTS (МПК G01B 11/00; G01B 11/26; G01D 5/38; (IPC1-7): G01D 9/02, опубл. 1995-07-04) - данная система многоканальная, но, как и большинство устройств подобного типа использует несколько дифракционных направлений, что приводит к значительным габаритам устройства.US 5,430,546 OPTICAL DEVICE FOR MEASURING RELATIVE POSITION OF OR ANGLE BETWEEN TWO OBJECTS (
Патент US 5,120,132 POSITION MEASURING APPARATUS UTILIZING TWO-BEAM INTERFERENCES TO CREATE PHASE DISPLACED SIGNALS (МПК: G01D 5/38; (IPC1-7): G01B 9/02, опубл. 1992-06-09) - многоканальная система. Основной ее недостаток - использование для получения пучков дополнительных массивных оптических компонентов - призм, что приводит к значительным габаритам конструкции.US patent 5,120,132 POSITION MEASURING APPARATUS UTILIZING TWO-BEAM INTERFERENCES TO CREATE PHASE DISPLACED SIGNALS (IPC:
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой оптической схемы ультрапрецизионного топографического датчика линейных перемещений можно признать схему датчика по патенту США US 005569913A (В2) OPTICAL DISPLACEMENT SENSOR (МПК: H01J 3/14, опубл. 1996-10-29) (см. фиг. 3). Оптическая схема данного датчика линейных перемещений высокой точности содержит неперемещаемый узел оптической головки, состоящей из источника когерентного оптического излучения (лазера) (1), коллимирующей системы (объектива) (2), пропускающей дифракционной решетки (G1) и составной компонент (как многосекционный фазовый элемент в виде единого оптического элемента с несколькими (четырьмя) зонами, изготовленными встык друг с другом с возможностью внесения этими зонами фазовых сдвигов в дифрагирующие оптические пучки и пропускающего излучение, отраженное от перемещаемой отражающей решетки) в виде четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) и четырех приемников (фотоприемников) излучения (PD1, PD2, PD3, PD4), а также перемещаемой отражающей решетки (G2). При этом период всех решеток является постоянным и единым, но четыре вторичные дифракционные решетки (G3a, G3b, G3c, G3d) смещены относительно друг друга на периода по нарастающей, то есть Т, Т и Т. Таким образом данная система является четырехканальной. Данные каналы являются осевыми (то есть направления излучения, падающего на приемники излучения (G3a, G3b, G3c, G3d) параллельны направлению излучения, сформированного после коллимирующей системы (объектива) (2). Принцип работы данной оптической схемы датчика заключается в том, что определение координаты происходит за счет получения и логической обработки оптических сигналов, продифрагировавших несколько раз на решетках и попарно проинтерферировавших друг с другом, на четырех приемниках излучения (PD1…PD4). На каждом из приемников сигнал формируется за счет интерференции двух пучков (интерференционный способ оценки перемещения) несколько раз продифрагировавших сигналов. Синусоидальное изменение интенсивности сигналов (при равномерном перемещении) на каждом из приемников происходит при перемещении отражающей решетки (G2) относительно пропускающей дифракционной решетки (G1). В данной схеме минимизированы габариты неперемещаемого узла оптической головки (она состоит из источника излучения (1), коллимирующей системы (объектив) (2), пропускающей дифракционной решетки (G1), четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) и четырех приемников излучения (PD1, PD2, PD3, PD4).The closest analogue (prototype) of the proposed optical scheme of an ultra-precision topographic linear displacement sensor can be recognized as a sensor scheme according to US patent US 005569913A (B2) OPTICAL DISPLACEMENT SENSOR (IPC: H01J 3/14, publ. 1996-10-29) (see Fig. 3). The optical scheme of this high-precision linear displacement transducer contains an unmovable optical head assembly consisting of a coherent optical radiation source (laser) (1), a collimating system (lens) (2), a transmission diffraction grating (G1), and a composite component (as a multi-section phase element in the form of a single optical element with several (four) zones, made end-to-end with each other with the possibility of these phases introducing phase shifts into diffracting optical beams and transmitting radiation reflection reflected from a movable reflecting grating) in the form of four secondary diffraction gratings (G3a, G3b, G3c, G3d) and four radiation detectors (photodetectors) (PD1, PD2, PD3, PD4), as well as a moving reflective grating (G2). Moreover, the period of all gratings is constant and unified, but four secondary diffraction gratings (G3a, G3b, G3c, G3d) are shifted relative to each other by growing period, i.e. T T and T. Thus, this system is four-channel. These channels are axial (that is, the directions of the radiation incident on the radiation receivers (G3a, G3b, G3c, G3d) are parallel to the direction of the radiation formed after the collimating system (lens) (2). The principle of operation of this optical sensor circuit is that the definition the coordinates are due to the receipt and logical processing of optical signals that diffracted several times on the gratings and pairwise interfered with each other, on four radiation detectors (PD1 ... PD4). They are due to the interference of two beams (an interference method for estimating the displacement) of several times diffracted signals.The sinusoidal change in the signal intensity (with uniform displacement) at each of the receivers occurs when the reflective grating (G2) is moved relative to the transmission diffraction grating (G1). dimensions of the non-moving optical head assembly (it consists of a radiation source (1), a collimating system (lens) (2), a transmission diffraction grating (G1), four second egg diffraction gratings (G3a, G3b, G3c, G3d) and four radiation detectors (PD1, PD2, PD3, PD4).
Однако, существенным недостатком данной реализации является то, что составной элемент в виде четырех вторичных дифракционных решеток (G3a, G3b, G3c, G3d) сложен в изготовлении, поскольку необходимая точность смещения вторичных дифракционных решеток относительно друг друга (при их изготовлении) для определения перемещения с точностью порядка 1 нм должна составлять порядка долей нанометра. Это может быть достигнуто только при литографическом его получении (но с ограничениями) или использовании сложных оптических схем.However, a significant drawback of this implementation is that a composite element in the form of four secondary diffraction gratings (G3a, G3b, G3c, G3d) is difficult to manufacture, since the necessary accuracy of the displacement of the secondary diffraction gratings relative to each other (in their manufacture) to determine the displacement with accuracy of the order of 1 nm should be of the order of fractions of a nanometer. This can only be achieved by lithographic production (but with limitations) or the use of complex optical schemes.
Также общим недостатком всех вышеприведенных схем реализаций датчиков является то, что фазовые соотношения, вводимые в интерферирующие пучки (за счет измерения интенсивности которых и определяется перемещение), осуществляются при помощи оптических компонентов с неизменными во времени параметрами. Это не позволяет использовать в датчиках сменные дифракционные решетки, а также не позволяет динамически (во времени) изменять фазовые соотношения, вводимые в интерферирующие пучки, при работе датчика.Also a common drawback of all the above sensor implementation schemes is that the phase relationships introduced into the interfering beams (by measuring the intensity of which the movement is determined) are implemented using optical components with parameters that are constant over time. This does not allow the use of interchangeable diffraction gratings in the sensors, and also does not allow to dynamically (in time) change the phase relationships introduced into the interfering beams during the operation of the sensor.
Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure
Применение оптического компонента, меняющего фазовые соотношения в пучках во время работы датчика, позволяет увеличить точность определения положения (при идентичной степени дискретизации сигнала), поскольку позволяет получать в реальном времени максимальное (или соответственно большое) приращение сигнала (изменения интенсивности пучка на приемнике) при минимальном (или соответственно малом) изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).The use of an optical component that changes the phase relations in the beams during the operation of the sensor allows one to increase the accuracy of position determination (with the same degree of signal sampling), since it allows one to obtain in real time the maximum (or correspondingly large) signal increment (changes in the beam intensity at the receiver) with (or, accordingly, small) change in the controlled parameter (movement of the reflecting grating).
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в повышении точности датчика за счет применения в оптической схеме прототипа в качестве замены единого оптического элемента с несколькими зонами, изготовленными встык друг с другом с возможностью внесения этими зонами фазовых сдвигов в дифрагирующие оптические пучки и пропускающего излучение, отраженное от перемещаемой отражающей решетки, дополнительного блока зеркал (или микрозеркал), установленного после коллимирующей системы и включающего в себя набор зеркал, который позволяет получить набор оптических сигналов, сдвинутых по фазе относительно другу друга (за счет независимого управляемого поворота каждого из зеркал) и распространяющихся в одном направлении. За счет этих управляемых поворотов вносится фазовый сдвиг в оптические пучки, позволяющий далее изменять фазовые соотношения принимаемых оптических пучков на приемниках указанного блока приемников; с возможностью получения на одном из приемников указанного блока приемников большого приращения интенсивности регистрируемого пучка при малом перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки.The technical result achieved by the utility model consists in increasing the accuracy of the sensor by using a prototype in the optical circuit as a replacement for a single optical element with several zones made end-to-end with each other with the possibility of these phases introducing phase shifts into diffracting optical beams and transmitting radiation reflected from the transferred reflecting grating, an additional block of mirrors (or micromirrors) installed after the collimating system and including a set of mirrors, which allows you to get a set of optical signals that are phase shifted relative to each other (due to the independent controlled rotation of each of the mirrors) and propagating in the same direction. Due to these controlled turns, a phase shift is introduced into the optical beams, which allows one to further change the phase relations of the received optical beams at the receivers of the indicated block of receivers; with the possibility of obtaining, at one of the receivers of the indicated block of receivers, a large increment in the intensity of the detected beam with a small displacement of the movable reflecting diffraction grating.
Результат достигается тем, что оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений содержит неперемещаемый узел оптической головки, состоящий из источника когерентного оптического излучения (лазера), коллимирующей системы (объектива), пропускающей дифракционной решетки, пропускающей излучение в направлении перемещаемой отражающей дифракционной решетки, которая не входит в состав оптической головки, и блока приемников регистрируемых дифрагировавших оптических пучков. Период всех дифракционных решеток является постоянным и единым. При этом схема дополнительно содержит блок зеркал, установленный после коллимирующей системы и позволяющей разделить сколлимированное излучение на несколько пучков по количеству зеркал в блоке, распространяющихся далее параллельно друг другу и имеющих одинаковую интенсивность. Количество зеркал равно количеству приемников излучения или зон в многосекционном приемнике, каждое зеркало имеет возможность независимого управляемого изменения своего углового положения, за счет которого вносится фазовый сдвиг в указанные пучки, позволяющий далее изменять фазовые соотношения принимаемых оптических сигналов на указанных приемниках. С перемещением указанной перемещаемой отражающей дифракционной решетки связано управление угловыми положениями зеркал и связанных с этим фазовых сдвигов пучков для получения как минимум на одном из указанных приемников большого приращения сигнала интенсивности регистрируемого пучка при малом перемещении указанной перемещаемой отражающей дифракционной решетки.The result is achieved by the fact that the optical scheme of the ultra-precision holographic linear displacement sensor contains an unremovable optical head assembly consisting of a source of coherent optical radiation (laser), a collimating system (lens) that transmits a diffraction grating, which transmits radiation in the direction of a moving reflective diffraction grating, which is not included the composition of the optical head, and the receiver unit of the recorded diffracted optical beams. The period of all diffraction gratings is constant and uniform. In this case, the circuit further comprises a mirror unit installed after the collimating system and allowing to divide collimated radiation into several beams by the number of mirrors in the unit, which propagate further parallel to each other and have the same intensity. The number of mirrors is equal to the number of radiation receivers or zones in a multi-section receiver, each mirror has the ability to independently controlled change of its angular position, due to which a phase shift is introduced into these beams, which allows further changing the phase relations of the received optical signals at these receivers. The movement of the indicated movable reflective diffraction grating is associated with the control of the angular positions of the mirrors and the associated phase shifts of the beams to obtain at least one of these receivers a large increment in the intensity signal of the detected beam with a small displacement of the indicated movable reflective grating.
В предлагаемой оптической схеме датчика (фиг. 4) используется одно итоговое направление, в котором совмещены несколько каналов. То есть, все приемники 6 (или многосекционный приемник) в предлагаемой схеме расположены в одном дифракционном порядке решетки 4. Повороты зеркал в блоке зеркал вносят фазовые задержки α(1)…α(n) в световые пучки, дифрагировавшие на пропускающей дифракционной решетке и перемещаемой отражающей дифракционной решетке и попарно интерферирующие с получением итоговых сигналов на приемниках излучения.In the proposed optical sensor circuit (Fig. 4), one final direction is used in which several channels are combined. That is, all the receivers 6 (or the multi-section receiver) in the proposed scheme are located in the same diffraction order of the
Основное преимущество предлагаемой оптической схемы датчика по сравнению с аналогами и прототипом состоит в увеличении определения точности положения перемещаемой отражающей дифракционной решетки за счет использования в датчике блока зеркал, в котором каждое из зеркал имеет независимое управление изменения его положение - поворота. При повороте каждого из зеркал меняются фазовые соотношения в соответствующих дифрагирующих и затем попарно интерферирующих пучках. Данные фазовые соотношения изменяются за счет того, что оптические пути для данных пучков изменяются. Увеличение точности определения положения (при идентичной степени дискретизации сигнала), достигается за счет того, что динамическое изменение фазовых соотношений в интерферирующих пучках (которые достигаются за счет независимого поворота каждого из зеркал) позволяет получать (как минимум на одном из приемников блока приемников или в конкретной зоне многосекционного приемника) в реальном времени максимальное приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).The main advantage of the proposed optical sensor circuit compared to analogues and prototype is to increase the determination of the accuracy of the position of the moving reflective diffraction grating due to the use of a mirror unit in the sensor, in which each of the mirrors has independent control of its position - rotation. When each of the mirrors is rotated, the phase relations in the corresponding diffracting and then pairwise interfering beams change. These phase relationships change due to the fact that the optical paths for these beams change. An increase in the accuracy of position determination (with an identical degree of signal discretization) is achieved due to the fact that a dynamic change in the phase relations in the interfering beams (which are achieved by independent rotation of each of the mirrors) allows one to obtain (at least at one of the receivers of the receiver block or zone of a multi-section receiver) in real time the maximum signal increment (intensity change at the receiver) with a minimum change in the controlled parameter (moving about reflects the lattice).
Использование блока зеркал в исходном пучке (пучке, вышедшем из лазера и сколлимированном объективом) позволяет сохранить минимальные габариты схемы вдоль смещения перемещаемой отражающей дифракционной решетки, предложенные в прототипе.The use of a block of mirrors in the initial beam (the beam emerging from the laser and collimated by the lens) allows you to save the minimum dimensions of the scheme along the displacement of the moving reflective diffraction grating, proposed in the prototype.
Дифракционные решетки 4 и 5 (фиг. 4) лучше всего могут быть выполнены по голографической технологии за счет регистрации интерференционного поля, создаваемого в зоне пересечения двух пучков излучения с плоскими волновыми фронтами. То есть данные решетки являются топографическими по методу их получения.
Перечень фигурList of figures
Фиг. 1 - оптическая схема аналога голографического датчика линейных перемещений фирмы Heidenhain (ФРГ);FIG. 1 is an optical diagram of an analog of a holographic linear displacement transducer from Heidenhain (Germany);
Фиг. 2 - оптическая схема датчика прототипа, поясняющая принцип работы;FIG. 2 is an optical diagram of a prototype sensor explaining the principle of operation;
Фиг. 3-оптическая схема прототипа датчика линейных перемещений;FIG. 3-optical scheme of the prototype linear displacement sensor;
Фиг. 4 - предлагаемая оптическая схема ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений;FIG. 4 is a proposed optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor;
Фиг. 5 - иллюстрация гальванометрического сканатора, поясняющая устройство, позволяющее изменять положение отдельного зеркала в блоке зеркал за счет его поворота;FIG. 5 is an illustration of a galvanometric scanner explaining a device that allows you to change the position of an individual mirror in the mirror unit due to its rotation;
Фиг. 6 - примерная схема изменения сигналов на приемниках при работе датчика (при перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки).FIG. 6 is an exemplary diagram of signal changes at the receivers during the operation of the sensor (when moving a movable reflective diffraction grating).
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
На фиг. 4 предлагаемой оптической схемы обозначены следующие общие элементы: 1 - источник когерентного излучения (например, полупроводниковый лазер); 2 - коллимирующая оптическая система (объектив); блок зеркал 3, пропускающая дифракционная решетка 4, перемещаемая отражающая дифракционная решетка 5, 6 - набор приемников, расположенных в стык друг к другу, или единый составной приемник сигналов. Блок зеркал 3 позволяет разделить излучение, выходящее из лазера 1 и сколлимированное объективом 2, на несколько пучков, распространяющихся параллельно друг другу и имеющих одинаковую интенсивность. Далее эти пучки излучения дифрагируют на пропускающей дифракционной решетке 4 и на перемещаемой отражающей дифракционной решетке 5 и попарно интерферируют. Проинтерферировавшие пучки попадают на блок приемников излучения 6 (или многосекционный приемник). Все приемники в предлагаемой схеме расположены в одном дифракционном порядке пропускающей решетки 4 - в едином направлении (канале). При такой реализации датчик является многокананальным, но итоговое излучение всех каналов распространяется при падении на блок приемников 5 в одном направлении (как в одном канале). Отдельные зеркала блока зеркал при повороте вносят в фазовые задержки в соответствующих интерферирующих пучках α(1)…α(n). Это происходит вследствие того, что оптический путь в направлениях дифрагировавших (а затем попарно интерферирующих) пучков различен при изменении направления падения излучения на пропускающую дифракционную решетку. При начальной настройке датчика при реализации блока зеркал в виде трех зеркал, стартовые фазовые задержки могут быть установлены как 0, π/2, π (с учетом параметров дифракционных решеток 4 и 5). Также стартовые фазовые задержки, вносимые поворотом соответствующих зеркал, могут корректироваться исходя из максимизации разности между сигналами, получаемыми на приемниках блока приемников 6. При начале работы датчика в зависимости от скорости изменения сигналов производится изменение фазовых задержек за счет поворота соответствующих зеркал с целью получения как минимум на одном приемнике блока приемников 6 максимального приращения сигнала при минимальном перемещении отражающей решетки 4.In FIG. 4 of the proposed optical scheme, the following general elements are indicated: 1 - a source of coherent radiation (for example, a semiconductor laser); 2 - collimating optical system (lens); a block of mirrors 3, a transmission diffraction grating 4, a movable reflecting diffraction grating 5, 6 — a set of receivers located in joint to each other, or a single composite signal receiver. The block of mirrors 3 allows you to split the radiation coming out of the
При юстировке датчика за счет поворота зеркал (3) создается требуемая начальная разность фаз в интерферирующих пучках. При этом значительная разность фаз (порядка нескольких десятков градусов) может быть внесена в сигналы за счет поворота зеркал как вокруг оси y, так и вокруг оси х на крайне малые углы (порядка долей угловых минут). В процессе работы датчика (при перемещении перемещаемой отражающей дифракционной решетки) в зависимости от скорости изменения сигналов на приемниках (которые зависят от скорости перемещения перемещаемой отражающей дифракционной решетки 5) производится изменение фазовых задержек на приемниках за счет поворота соответствующих зеркал (в блоке зеркал 6) с целью получения как минимум на одном приемнике максимального приращения сигнала при минимальном перемещении отражающей решетки 5. В этом случае достигается увеличении определения точности положения перемещаемой отражающей дифракционной решетки 5 при идентичных геометрических параметрах датчика (например, его размерах) и идентичных параметрах его составных частей (например, периодов дифракционных решеток). При всех поворотах зеркал в блоке зеркал 3 пучки излучения не должны выходить за соответствующие приемники излучения блока приемников излучения 6 (или за соответствующие секции многосекционного приемника).When adjusting the sensor due to rotation of the mirrors (3), the required initial phase difference in the interfering beams is created. In this case, a significant phase difference (of the order of several tens of degrees) can be introduced into the signals due to the rotation of the mirrors both around the y axis and around the x axis at extremely small angles (of the order of fractions of angular minutes). During the operation of the sensor (when moving the movable reflecting diffraction grating), depending on the speed of change of signals at the receivers (which depend on the speed of moving the moving reflecting grating 5), the phase delays at the receivers are changed due to rotation of the corresponding mirrors (in the block of mirrors 6) the goal is to obtain at least one receiver the maximum signal increment with a minimum movement of the reflecting
Блок зеркал может быть выполнен в виде набора зеркал, закрепленных на валах отдельных гальванометрических сканаторов (фиг. 5). При этом каждое из зеркал блока зеркал управляется независимо.The block of mirrors can be made in the form of a set of mirrors mounted on the shafts of individual galvanometric scanners (Fig. 5). In this case, each of the mirrors of the mirror unit is controlled independently.
Более подробно схему изменения разности фаз для изменения сигналов на соответствующих приемниках для получения как минимум на одном из них максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки) поясним на примере блока зеркал с двумя зеркалами (31 и 32) и двумя приемниками (61 и 62). Изначальные фазовые соотношения в пучках выставлены таким образом, чтобы сигналы на приемниках 61 и 62 имели вид, представленный на фиг. 6 (шаг 1).In more detail, the scheme of changing the phase difference for changing the signals at the respective receivers to obtain at least one of them the maximum signal increment (change in intensity at the receiver) with a minimum change in the controlled parameter (movement of the reflecting grating) will be explained using an example of a block of mirrors with two mirrors (3 1 and 3 2 ) and two receivers (6 1 and 6 2 ). The initial phase relations in the beams are set so that the signals at the
При этом при первом измерении перемещения отражающей решетки (получении первого отсчета измерения) на первом приемнике 61 как раз и будет измеряться максимальное приращение сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки). На втором приемнике 62 сигнал должен отличаться от сигнала на приемнике 61, поскольку по их взаимному изменению определяется направление движения отражающей решетки.In this case, during the first measurement of the movement of the reflecting array (obtaining the first measurement reference) at the
При втором измерении перемещения отражающей решетки (получении второго отсчета измерения) зеркало 32 за счет своего поворота изменяет соотношения оптических путей в интерферирующих пучках и вносит задержку по фазе таким образом, чтобы сигнал на приемнике 62 принял вид, представленный на фиг. 6 (шаг 2). При этом для сигнала на приемнике 62 будет выполняться условие максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).In the second measurement of the movement of the reflecting array (obtaining a second measurement reference), mirror 3 2, due to its rotation, changes the ratio of the optical paths in the interfering beams and introduces a phase delay so that the signal at
При третьем измерении перемещения отражающей решетки (получении третьего отсчета измерения) зеркало 31 вносит задержку по фазе таким образом, чтобы сигнал на приемнике 61 принял вид, представленный на фиг. 6 (шаг 3). При этом для сигнала на приемнике 61 будет выполнятся условие максимального приращения сигнала (изменения интенсивности на приемнике) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).In the third measurement of the movement of the reflecting array (obtaining the third measurement reference), the mirror 3 1 introduces a phase delay so that the signal at the
Далее идет последовательное изменение фазовых задержек за счет поворота зеркал 31, и 32 для получения на соответствующих приемниках 61 и 62 сигналов, для который попеременно бы выполнялось условие максимального приращения сигнала при измерении соответствующего шага (получение очередного отсчета измерения) при минимальном изменении контролируемого параметра (перемещения отражающей решетки).Next, there is a sequential change in phase delays due to the rotation of mirrors 3 1 , and 3 2 to receive signals at the
Поскольку скорость перемещения отражающей решетки может быть значительной, то частота изменения фазовых соотношений, вносимых поворачивающимися зеркалами 3 также будет высокой. В настоящее время чтобы снизить требования к частоте вращения поворота имеет смысл использовать блок зеркал с количеством зеркал больше, чем 2. Тогда частота поворота зеркал будет уменьшаться кратно количеству используемых в фазовом модуляторе зон. При этом определении итогового перемещения отражающей решетки происходит за счет суммирования отсчетов. Данные отсчеты получаются после оцифровки аналогового сигнала. Для упрощения схемы оцифровки сигналов и суммирования отсчетов необходимо использование дополнительных зеркал в блоке зеркал. При этом одно из зеркал за счет своего поворота должно обеспечивать получение фазовая задержка в сигнале на соответствующем приемнике с добавкой фазы π/2 к фазе на приемнике, обеспечивающем изменение с максимальным приращением сигнала при минимальном изменении контролируемого параметра. При подобной реализации вычисление перемещения происходит по стандартной sin - cos модели.Since the speed of movement of the reflecting grating can be significant, the frequency of changes in phase relations introduced by the rotating mirrors 3 will also be high. Currently, in order to reduce the requirements for the rotation speed, it makes sense to use a block of mirrors with the number of mirrors greater than 2. Then the frequency of rotation of the mirrors will decrease by a multiple of the number of zones used in the phase modulator. In this determination of the final movement of the reflecting grating, the summation of the samples takes place. These samples are obtained after digitizing the analog signal. To simplify the scheme of digitizing signals and summing the samples, it is necessary to use additional mirrors in the block of mirrors. In this case, one of the mirrors due to its rotation should provide a phase delay in the signal at the corresponding receiver with the addition of the π / 2 phase to the phase at the receiver, providing a change with the maximum increment of the signal with a minimum change in the controlled parameter. With such an implementation, displacement is calculated using the standard sin - cos model.
Пример осуществленияImplementation example
Данная полезная модель разработана в рамках выполнения темы «Исследование и разработка экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений» по соглашение от «27» октября 2015 г. №14.577.21.0197 МГТУ им. Н.Э. Баумана с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Спроектирован опытный образец предлагаемой оптической схемы линейного датчика высокой точности. Период всех решеток Т=1 мкм. В схеме использовался вариант с 3 зеркалами в блоке зеркал и 3 приемниками излучения. Каждое из зеркал закреплено на валу независимого малоразмерного гальванометрического сканатора. В ходе работы датчика отрабатывалось измерение положения перемещающейся отражающей решетки до скоростей 200 мм/мин.This utility model was developed as part of the theme “Research and development of an experimental sample of an ultra-precision holographic linear displacement sensor” under agreement of October 14, 2015 No. 14.577.21.0197 of MSTU named after N.E. Bauman with the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the federal target program “Research and Development in Priority Directions for the Development of the Scientific and Technological Complex of Russia for 2014-2020”. A prototype of the proposed optical scheme of a high-precision linear sensor was designed. The period of all gratings is T = 1 μm. The scheme used the option with 3 mirrors in the mirror unit and 3 radiation detectors. Each of the mirrors is mounted on the shaft of an independent small-sized galvanometric scanner. During the operation of the sensor, the measurement of the position of the moving reflective grating was worked out to speeds of 200 mm / min.
Ориентировочные габариты узла оптической головки с лазером 1, объективом 2, блоком зеркал 3, решеткой 4 и блоком приемников 6 могут быть, например, 30×70×100 мм (без учета размеров гальванометрических сканаторов). При этом точность датчика при измерении линейных перемещений выше, чем и у аналогичных датчиков с идентичными параметрами и использующих статические компоненты изменения фазовых задержек (фазовые маски; составные дифракционные решетки, смещенные относительно друг друга), а именно: погрешность измерений перемещения составляет 0,5 нм (такая точность соответствует понятию «ультрапрецизионность» датчика) при перемещении отражающей решетки на 1 мкм (при смещении на один период решетки, равный 1 мкм, имеем два периода изменения измерительного сигнала).The approximate dimensions of the optical head assembly with a
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115349U RU175968U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115349U RU175968U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU175968U1 true RU175968U1 (en) | 2017-12-25 |
Family
ID=63853595
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017115349U RU175968U1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU175968U1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63115010A (en) * | 1986-10-31 | 1988-05-19 | Canon Inc | Displacement measuring instrument |
US5569913A (en) * | 1994-04-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical displacement sensor |
WO2002023132A1 (en) * | 2000-09-14 | 2002-03-21 | Citizen Watch Co., Ltd. | Displacement measuring device |
RU2400703C1 (en) * | 2009-02-02 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ГОУ ВПО "СГГА") | Two-coordinate displacement censor |
-
2017
- 2017-05-02 RU RU2017115349U patent/RU175968U1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63115010A (en) * | 1986-10-31 | 1988-05-19 | Canon Inc | Displacement measuring instrument |
US5569913A (en) * | 1994-04-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical displacement sensor |
WO2002023132A1 (en) * | 2000-09-14 | 2002-03-21 | Citizen Watch Co., Ltd. | Displacement measuring device |
RU2400703C1 (en) * | 2009-02-02 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ГОУ ВПО "СГГА") | Two-coordinate displacement censor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI784265B (en) | Displacement measuring device, displacement measuring method and photolithography equipment | |
JP2586120B2 (en) | encoder | |
JP5268529B2 (en) | Displacement measuring device and semiconductor manufacturing device | |
JPH056853B2 (en) | ||
JP6329456B2 (en) | Optical position measuring device | |
CN105547338B (en) | Optical encoder | |
US4025197A (en) | Novel technique for spot position measurement | |
JPH074993A (en) | Encoder apparatus | |
US7349102B2 (en) | Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements | |
EP2933609B1 (en) | Displacement detecting device | |
JPS58191907A (en) | Method for measuring extent of movement | |
US6765681B1 (en) | Measuring optical phase | |
RU175968U1 (en) | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled mirror unit | |
RU176011U1 (en) | Optical design of an ultra-precision holographic linear displacement sensor with a controlled phase modulator | |
JP2675317B2 (en) | Moving amount measuring method and moving amount measuring device | |
JP2009186254A (en) | Beam angle detector | |
JPH0799325B2 (en) | Minute displacement measuring method and minute displacement measuring device | |
JP7042183B2 (en) | Displacement detector | |
JP2000146515A (en) | Shearing interferometer and shearing interference method | |
TWI394934B (en) | Photoelectric encoder | |
JPH03115809A (en) | Encoder | |
Kudo et al. | High-resolution encoder using double gratings | |
SU721666A1 (en) | Device for measuring linear displacements in two coordinates | |
JPS6234246Y2 (en) | ||
RU2388994C1 (en) | Method of measuring linear and angular displacements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB9K | Licence granted or registered (utility model) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180406 Effective date: 20180406 |