RU2060455C1

RU2060455C1 - Device measuring linear translations

Info

Publication number: RU2060455C1
Application number: RU93027036A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Миронов
Original assignee: Александр Владимирович Миронов
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: laser, optical element in the form of plate and reflector designed for attachment to object, two photodetectors and processing unit connected to them are installed in series. Diaphragm matched with optical axis and fabricated in the form of dot is mounted in resonator. One of surfaces of plate is manufactured in the form of helical surface with pitch equal to h=kλ/2(n-1),, where λ is length of radiation wave of laser, m; n is refractive index of material of plate; k is natural number. Plate is oriented so that its longitudinal axis is matched with optical axis. Photodetectors are installed so that their light sensitive platforms lie in adjacent sectors with vertexes arranged on optical axis and vertex angles equal to p/2k. . Device provides for turn of side units and antinodes of generated mode of circular aperture TEM6K through angle proportional to linear translation of reflector thanks to rotation of axis of maximal Q-factor of composite resonator formed by mirrors of laser, reflector and plate about optical axis. By this discreteness pitch of readings of turn angle is increased k times while measuring translations and factor of coupling of laser with reflector is enhanced. Authenticity of measurements is raised due to elimination of necessity to use supporting arm and system of convergence of reference and measuring beams into interference picture. EFFECT: simplified design, raised authenticity and precision of measurements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure linear displacements.

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. A device for measuring displacements [1] containing a laser, an acousto-optical modulator (AOM), a beam splitter, a movable and fixed corner reflectors and a photodetector with a recording unit connected to it is known.

Известно устройство для измерения перемещений [2] которое по совокупности признаков наиболее близко к предлагаемому устройству и принято за прототип. A device for measuring displacement [2] is known which, by the totality of features, is closest to the proposed device and is taken as a prototype.

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. The known device for measuring displacements comprises a laser, optically coupled beam splitter, fixed and movable corner reflectors, two quarter-wave plates mounted in front of the reflectors, two polaroids located in front of the photodetectors and a processing unit connected to the photodetectors.

Недостатками известного устройства являются низкая точность и надежность измерений и сложность конструкции. The disadvantages of the known devices are low accuracy and reliability of measurements and design complexity.

Изобретение направлено на повышение точности и надежности измерений и упрощение конструкции. The invention is aimed at improving the accuracy and reliability of measurements and simplifying the design.

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 λ 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 η/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.The essence of the invention lies in the fact that the device for measuring displacements, containing a series-mounted laser, an optical element in the form of a plate and a reflector designed for mounting on the object, and two photodetectors and a processing unit connected to them, is equipped with a diaphragm mounted in the resonator combined with an optical axis and made in the form of a point, one of the surfaces of the plate is made in the form of a helical surface with a step equal to
h

where λ is the laser radiation wavelength, microns;
n the refractive index of the plate material;
k is a natural number; and the plate is oriented in such a way that its longitudinal axis is aligned with the optical axis, and the photodetectors are installed so that their photosensitive sites lie in adjacent sectors with vertices located on the optical axis and angles at the vertex equal to η / 2k
This allows rotation of the lateral nodes and antinodes of the generated TEM _ok circular aperture _mode by an angle proportional to the linear movement of the reflector due to rotation of the axis of maximum figure of merit of the composite resonator formed by laser mirrors, the reflector, and the plate around the optical axis and, thereby, decreasing in k times the step of discreteness of readings of the angle of rotation, to increase the accuracy of measuring displacements; increasing the coupling coefficient of the laser with the reflector, to increase the reliability of measurements; getting rid of the need to use the support arm and the system for converting the reference and measuring beams into an interference pattern, simplify the design.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схема формирования пучка моды круговой апертуры ТЕМ_оk, поясняющая образование измерительного сигнала.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device; _figure 2 diagram of the formation of the beam mode circular aperture TEM _ok , explaining the formation of the measuring signal.

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;
λ 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 η/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.The proposed device for measuring displacements contains a sequentially mounted laser 1 with an active element 2 and mirrors 3, 4, an optical element in the form of a plate 6 and a reflector 5 intended for mounting on an object. The device also comprises two

photodetectors

7, 8 optically connected to the laser 1 and connected to the processing unit 9. The device is equipped with a diaphragm 10 in the form of an opaque point, while the diaphragm is placed in the cavity of the laser 1 and is aligned with the optical axis 11. The surface 12 of the plate 6 is made flat, and the surface 13 of the plate 6 in the form of a screw surface with a step equal to

where h is the pitch of the helical surface, microns;
λ wavelength of laser radiation, microns;
n the refractive index of the plate material;
k is a natural number; the plate 6 is oriented so that its longitudinal axis is aligned with the optical axis 11, the center of the helical surface 14 is aligned with the optical axis 11, and the photosensitive areas of the

photodetectors

7, 8 are located in

adjacent sectors

15, 16, the vertices of which are located on the optical axis 11, and the angles at the vertex are η / 2k
It is advisable to produce the helical surface 13 by vacuum deposition, while the plate 6 is formed by a layer of a sprayed substance, for example zinc sulfide, which is mounted on a plane-parallel glass substrate that does not affect the operation of the device. As such a substrate can be, for example, the substrate of the mirror 3 of the laser 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. It is most expedient to mount the diaphragm 10 on the surface of the window of the active element 2, however, the operation of the device is the same with any option for mounting the diaphragm 10 on the optical axis 11 inside the laser cavity 1.

Предлагаемое устройство для измерения перемещений работает следующим образом. The proposed device for measuring displacement works as follows.

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 λ/2 через каждый угол π/k, отсчитанный вокруг оптической оси. Поэтому оптическая длина упомянутого резонатора кратна λ/2 в радиальных плоскостях 17, 18, 19 (см. фиг. 2, для примера рассмотрен частный случай k 3) и занимает промежуточные значения вне этих плоскостей.In laser 1, stimulated emission is excited. The diaphragm 10 suppresses the generation of the axial mode TEM _оо and the transverse modes remain. The resonator is symmetrical with respect to the optical axis 11, therefore, Gaussian-Laguerre circular aperture modes are excited [3]
The laser radiation passing through the plate 6 is reflected back and forth from the reflector 5 and the mirror 3, between which an optical resonator is formed during these reflections. Due to the helical shape of the surface 13, the optical thickness of the plate 6 linearly depends on the azimuthal angle, changing by λ / 2 through each angle π / k counted around the optical axis. Therefore, the optical length of the aforementioned resonator is a multiple of λ / 2 in the radial planes 17, 18, 19 (see Fig. 2, for example, a special case of k 3 is considered) and occupies intermediate values outside these planes.

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.In the composite resonator formed by mirrors 3, 4 and reflector 5, the selection of laser 1 modes occurs, namely, the suppression of the generation of those modes that fall into resonance with an external resonator. As a result of the mode selection, in the lasing spectrum of laser 1, the transverse mode of the circular aperture TEM ₀₃ (in the general case TEM _ok ) _remains with the profile 20 of the radiation beam, in which the nodes 21, 22, 23 not filled with energy are aligned with the resonance planes 17, 18, 19, and antinodes 24-29 are localized in sectors 30-35, separated by planes 17-19. In other words, the transverse mode of a circular aperture TEM ₀₃ (in the general case TEM _ok ) is a normal mode of oscillation of a laser 1 with a composite resonator with a diaphragm 10 and a plate 6 having a screw-shaped surface 13.

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.The movement of the reflector 5 leads to the simultaneous rotation of the planes 17, 18, 19 around the optical axis 11 due to the linear dependence of the optical thickness of the plate 6 on the azimuthal angle. The rotation of the planes 17, 18, 19 leads to the rotation of the nodes 21, 22, 23 and antinodes 24-29 of the TEM ₀₃ mode around the optical axis 11.

Секторы 30-35 имеют углы при вершине, равные π/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 π/k. Тем самым обеспечивается выполнение стандартной процедуры реверсивного счета импульсов в блоке 9 обработки.Sectors 30-35 have angles at the apex equal to π / k; therefore, adjacent fixed sectors 15, 16 together fall within the limits of any of the moving sectors 30-35. Due to the placement of light-sensitive areas of photodetectors 7, 8 in sectors 15, 16, the passage of nodes 21, 22, 23 and antinodes 24-29 through sectors 15, 16 when the profile 20 of the TEM ₀₃ mode is rotated around the optical axis 11 leads to the formation of photodetectors 7 at the output 8 two sinusoidal signals phase-shifted relative to each other at ^about 90, wherein between these two signals is equal to the rotation angle of π / k. This ensures that the standard reverse pulse counting procedure is performed in the processing unit 9.

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.It is advisable to choose the parameter k maximum, but for it there is the following limitation:
k ≅

where r is the radius of the laser beam, cm;

N

5 the number of radiation passes between the mirror 3 and the reflector 5 due to 10% loss at each passage through the plate 6;
L maximum length of the measuring arm, m.

При L 10 м, r 2 см, λ 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. For L 10 m, r 2 cm, λ 0.63 μm, from k (2) we obtain k 9. The resulting estimate (2) is based on the condition that the amount of blurring of the interference resonances due to the deflection of light beams due to Fresnel refraction on the helical surface 13, accompanying each passage of light through the plate 6, did not exceed the width of the corresponding sectors 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.Placing a plate 6 with a helical surface 13 between the mirror 3 and the reflector 5 allows rotation of the lateral nodes and antinodes of the generated circular aperture mode TEM _ok by an angle proportional to the linear movement of the reflector due to the rotation of the axis of maximum figure of merit of the composite resonator formed by the laser mirrors, the reflector, and the plate , around the optical axis and, thereby, reducing by k times the step of discreteness of readings of the angle of rotation, to increase the accuracy of measuring displacements.

В предлагаемом устройстве нет необходимости использовать опорное плечо и систему сведения опорного и измерительного пучков в интерференционную картину, что позволяет упростить конструкцию. In the proposed device, there is no need to use a support arm and a system for converting the reference and measuring beams into an interference pattern, which simplifies the design.

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. In the proposed device, there is a multiple (up to 5 times) pass of radiation between the laser mirror 3 and the reflector 5, and with each reflection from the mirror 3, part of the radiation returns to the laser resonator, communicating with the reflector 5. At N 5 passes, the coupling coefficient increases by 5 times and thereby ≈ 5 times the coefficient of coupling of the laser with the reflector increases, which improves the reliability of measurements.

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. To implement the proposed device can be applied to the following element base. As laser 1, an OKG-13 commercially available laser can be used, photodetectors 7, 8 belong to mass-produced products. As a reflector 5, a corner reflector, a mirror or a cat-eye reflector, which are related to mass production products, can be used. The application of plate 6 on a substrate by vacuum deposition has been mastered in the domestic industry, and it is also possible to precisely control the shape and thickness of the plate by the interference method, in particular using the Twyman-Green interferometer and computer hologram synthesis technique. The processing unit 9 can be borrowed from any "direct current" interferometer or manufactured according to traditional schemes.

Claims

A device for measuring displacements, comprising a series-mounted laser, an optical element in the form of a plate and a reflector designed for mounting on an object, two photodetectors and a processing unit connected to them, characterized in that it is equipped with a diaphragm mounted in the resonator aligned with the optical axis and made in the form of a point, one of the surfaces of the plate is made in the form of a helical surface with a step equal to

where λ is the laser radiation wavelength, microns;
n the refractive index of the plate material;
K is a natural number,
and the plate is oriented so that its longitudinal axis is aligned with the optical axis, and the photodetectors are installed so that their photosensitive sites lie in adjacent sectors with vertices located on the optical axis and angles at the apex equal to p / 2K.