RU2277695C1 - Arrangement for measuring small linear displacements - Google Patents

Abstract

FIELD: the invention refers to measuring technique.

SUBSTANCE: the arrangement for measuring small linear displacements has two phase diffraction gratings, a feeler, which is introduced into a contact with a research sample. In also has a system for transilluminating the gratings with a laser beam containing a laser with a beam collimator, a spacing filter, a photodiode and an output voltage meter. Besides diffraction gratings are marked on two opposite parallel sides of a transparent block. The block is fastened on an axle and has a rotating degree of freedom relatively to this axle and is connected with the feeler so that the vector of displacement impacting on the feeler passes at a certain distance from the axle of rotating of the block. The system for transilluminating of the gratings is installed on a separate turning foundation connected with a regulating mechanism.

EFFECT: excludes an angle misalignment of the diffraction gratings in the process of work, achievement of small pressure on the feeler at measuring linear displacement of a sensitive attachment of the sensor-the gratings' block.

1 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике и предназначено для измерения малых линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра.The invention relates to optoelectronics and is intended for measuring small linear displacements with high resolution of the order of fractions of a nanometer.

Известны устройства оптоэлектронного типа для измерения линейных перемещений, основанные на принципе перекрытия светового пучка системой из двух периодических амплитудных решеток - растров [1], установленных в непосредственной близости одна от другой на упругих подвесах типа параллелограмма и просвечиваемых световым пучком от источника. При перемещении одной из решеток, связанной со щупом, относительно другой (опорной) решетки площадь окон, прозрачных для светового пучка, изменяется. При этом изменяется световой поток, проходящий от источника излучения через систему растров на фотодетектор. Зависимость электрического сигнала с выхода фотодетектора U_вых от перемещения решетки Δх имеет линейный участок значительной протяженности ΔU_вых=kΔx, который используется для измерений. Коэффициент k измеряется экспериментально и величина перемещения затем определяется как Δx=(ΔU_вых/k).Known devices of the optoelectronic type for measuring linear displacements, based on the principle of blocking the light beam by a system of two periodic amplitude gratings — rasters [1], installed in close proximity to one another on elastic suspensions of the parallelogram type and illuminated by the light beam from the source. When one of the gratings associated with the probe is moved relative to the other (reference) grating, the area of windows transparent to the light beam changes. In this case, the luminous flux passing from the radiation source through the raster system to the photodetector changes. The dependence of the electric signal output from photodetector U _O from moving grating Δh has a linear portion of considerable length ΔU _O = kΔx, which is used for measurement. The coefficient k is measured experimentally and the displacement value is then determined as Δx = (ΔU _o / k).

При конструировании измерителей с растровыми решетками необходимо располагать решетки очень близко друг к другу во избежание влияния дифракционных явлений на характеристики линейности и обеспечить их параллельность в процессе перемещения, что требует высокой точности и жесткости упругих подвесов.When designing meters with raster gratings, it is necessary to place the gratings very close to each other in order to avoid the influence of diffraction phenomena on the linearity characteristics and to ensure their parallelism during the movement, which requires high accuracy and rigidity of elastic suspensions.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является дифракционный измеритель линейных малых перемещений и вибраций, описанный в [2], который состоит из лазера, двух дифракционных решеток фазового типа с прямоугольным профилем в виде меандра с глубиной пространственной фазовой модуляции светового пучка Ф_м=45° и с одинаковым периодом порядка 50-200 мкм. Решетки установлены на двух подвесах типа параллелограмма. Одна из решеток - измерительная - может перемещаться в направлении поперек штрихов и связана со щупом, который вводится в контакт с исследуемым образцом, а вторая решетка - опорная - располагается вблизи первой так, что ее штрихи параллельны штрихам первой решетки и может перемещаться в направлении поперек штрихов с помощью механизма точной настройки начального положения (например, с помощью микровинта). Через систему из двух решеток проходит пучок света от лазера. Размер пучка значительно превышает период решетки. В дифракционной картине после прохождения двух решеток, с помощью пространственного фильтра выделялся один из первых дифракционных порядков и направлялся на фотодетектор. Сигнал на выходе фотодетектора имел видThe closest analogue of the proposed device is a diffraction meter of linear small displacements and vibrations described in [2], which consists of a laser, two phase-type diffraction gratings with a rectangular profile in the form of a meander with a depth of spatial phase modulation of the light beam f _m = 45 ° and s the same period of the order of 50-200 microns. The grilles are mounted on two parallelogram-type suspensions. One of the gratings - the measuring one - can move in the direction across the strokes and is connected with the probe, which is brought into contact with the test sample, and the second grating - the support one - is located near the first one so that its strokes are parallel to the strokes of the first lattice and can move in the direction across the strokes using the mechanism for fine-tuning the initial position (for example, using a microscrew). A laser beam passes through a system of two gratings. The beam size significantly exceeds the lattice period. In the diffraction pattern, after passing through two gratings, using the spatial filter, one of the first diffraction orders was distinguished and sent to the photodetector. The signal at the photodetector output was

где Λ - период дифракционной структуры, x₀ - некоторый произвольный сдвиг, зависящий от начального взаимного сдвига решеток, m - коэффициент модуляции в пределах (0-1), причем m=1 при оптимальной глубине фазовой пространственной модуляции решеток Ф_м=45° [3]. Рабочий участок характеристики U(x) соответствует линейному участку функции косинуса в формуле (1), т.е. такому начальному сдвигу x₀, при котором

, а начальное выходное напряжение на выходе фотодетектора равно соответственно

, где U_max и U_min - максимальное и минимальное значения напряжения, получаемые при смещении одной решетки относительно другой на величину, большую, чем период решеток. Начальный сдвиг устанавливается с помощью настроечного механизма опорной решетки. Расстояние между решетками в этой схеме не обязательно должно быть столь малым, как в схеме с амплитудными решетками (растрами) в схеме аналога.where Λ is the period of the diffraction structure, x ₀ is some arbitrary shift, depending on the initial mutual shift of the gratings, m is the modulation coefficient in the range (0-1), and m = 1 at the optimum depth of phase spatial modulation of the gratings Φ _m = 45 ° [ 3]. The working section of the characteristic U (x) corresponds to the linear section of the cosine function in formula (1), i.e. such an initial shift x ₀ at which

, and the initial output voltage at the output of the photodetector is respectively

where U _max and U _min are the maximum and minimum voltage values obtained when one grating is displaced relative to another by an amount greater than the period of the gratings. The initial shift is set using the tuning mechanism of the support grid. The distance between the gratings in this circuit does not have to be so small as in the circuit with amplitude gratings (rasters) in the analog circuit.

Недостатком устройства является необходимость применения жестких подвесов для обеспечения высокой механической стабильности устройства и предотвращения перекосов решеток, что приводит к повышенному давлению на щуп и существенному снижению точности измерений.The disadvantage of this device is the need for rigid suspensions to ensure high mechanical stability of the device and prevent distortion of the gratings, which leads to increased pressure on the probe and a significant decrease in measurement accuracy.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства, позволяющего производить измерения линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра, снизить давление на щуп и, тем самым, повысить точность измерений.The basis of the invention is the task of creating a device that allows you to measure linear displacements with high resolution of the order of fractions of a nanometer, reduce pressure on the probe and, thereby, increase the accuracy of measurements.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения малых линейных перемещений, содержащем две фазовые дифракционные решетки, щуп, который вводится в контакт с исследуемым образцом, систему просвечивания решеток лазерным пучком, состоящую из лазера с коллиматором луча, пространственного фильтра и фотодиода, измеритель выходного напряжения, дифракционные решетки нанесены на двух противоположных параллельных сторонах прозрачного блока, блок закреплен на оси, имеет степень свободы поворота относительно этой оси и связан со щупом так, что вектор перемещения, воздействующего на щуп проходит на некотором расстоянии от оси вращения блока, а система просвечивания решеток установлена на отдельном поворотном основании, связанном с регулировочным механизмом.The essence of the invention lies in the fact that in a device for measuring small linear displacements containing two phase diffraction gratings, a probe that is brought into contact with the sample under study, a laser beam transmission system of gratings, consisting of a laser with a beam collimator, a spatial filter and a photodiode, a meter output voltage, diffraction gratings are applied on two opposite parallel sides of the transparent block, the block is mounted on an axis, has a degree of freedom of rotation about this axis and is connected en with the probe so that the displacement vector acting on the probe passes at a distance from the rotation axis of the block, and lattices of radiographic system is mounted on a separate swivel base connected with the adjusting mechanism.

Техническим результатом изобретения является исключение угловой расстройки дифракционных решеток в процессе работы, достижение малого усилия на щупе при измерении линейного перемещения чувствительного узла датчика-блока решеток.The technical result of the invention is the elimination of the angular detuning of diffraction gratings during operation, the achievement of a small force on the probe when measuring the linear displacement of the sensitive node of the sensor-block gratings.

Схема устройства приведена на фиг.1. Устройство включает лазер 1 с коллиматором 2, которые закреплены на подвижном основании 3, которое связано со станиной 4 осью вращения 5 и регулировочным механизмом 6. При вращении винта регулировочного механизма осуществляется поворот подвижного основания 3 относительно станины 4 вокруг оси 5. На подвижном основании 3 укреплена также фокусирующая линза 7 и диафрагма 8, расположенная в фокусе линзы и образующая вместе с линзой пространственный фильтр, настроенный на выделение первого порядка дифракции. Непосредственно за отверстием диафрагмы 8 на подвижном основании закреплен фотодетектор 9 для детектирования излучения выделенного первого порядка дифракции.The device diagram is shown in figure 1. The device includes a laser 1 with a collimator 2, which are mounted on a movable base 3, which is connected with the frame 4 by the axis of rotation 5 and the adjusting mechanism 6. When the screw of the adjusting mechanism rotates, the movable base 3 is rotated relative to the frame 4 around the axis 5. On the movable base 3 is fixed also a focusing lens 7 and an aperture 8 located at the focus of the lens and forming together with the lens a spatial filter configured to highlight the first diffraction order. Directly behind the aperture of the diaphragm 8, a photodetector 9 is mounted on the movable base for detecting radiation of the selected first diffraction order.

Две фазовые дифракционные решетки 10 нанесены параллельно друг другу на две противоположные стороны прозрачного блока 11, который закреплен на оси 12, которая связана со станиной 4. Блок 11 имеет степень свободы вращения на оси 12 и расположен таким образом, что коллимированный пучок света на пути от коллиматора 2 к пространственному фильтру 7, 8 пересекает последовательно обе дифракционные решетки 10. Щуп 13, предназначенный для измерения линейных перемещений, связан с блоком решеток таким образом, что его продолжение проходит на некотором расстоянии L от оси вращения 12. Выход фотодетектора 9 связан с регистрирующим прибором 14, измеряющим приращение напряжения, либо приращение тока на выходе фотодетектора 9 при угловом перемещении блока 11 относительно оси 12, которое является следствием линейного перемещения щупа 13, соприкасающегося с образцом 15. К блоку 11 прикреплено коромысло с грузиком 16, который предназначен для создания заданного усилия давления иглы на образец 15. Грузик 16 может быть заменен возвратной пружиной. Оси вращения 5 и 12 могут быть совмещены.Two phase diffraction gratings 10 are applied parallel to each other on two opposite sides of the transparent block 11, which is fixed on the axis 12, which is connected with the bed 4. Block 11 has a degree of freedom of rotation on the axis 12 and is located so that the collimated beam of light on the way from the collimator 2 to the spatial filter 7, 8 intersects in succession both diffraction gratings 10. The probe 13, designed to measure linear displacements, is connected with the block of gratings in such a way that its continuation extends for some distance L of the axis of rotation 12. The output of the photodetector 9 is connected to a recording device 14, which measures the voltage increment, or the current increment at the output of the photodetector 9 when the block 11 is angularly displaced relative to the axis 12, which is a consequence of the linear movement of the probe 13 in contact with sample 15. K block 11 attached to the rocker with a small weight 16, which is designed to create a given pressure force of the needle on the sample 15. The small weight 16 can be replaced by a return spring. The axis of rotation 5 and 12 can be combined.

Устройство работает следующим образом. При освещении прозрачного блока 11 и после взаимодействия света последовательно с двумя решетками 10 пространственный фильтр 7, 8 выделяет один из первых дифракционных порядков, и выделенное излучение направляется на фотодиод 9. Щуп 13 вводят в соприкосновение с измеряемым образцом 15. После этого проводят настройку прибора на середину линейного участка зависимости выходного напряжения (U_вых) от перемещения. Для этого, вращая винт регулировочного механизма 6, изменяют угловое положение подвижного основания 3. При этом изменяется угловое положение освещающего пучка относительно прозрачного блока 11 и вследствие этого меняется интенсивность первого дифракционного порядка. Зафиксировав максимальное (U_max) и минимальное (U_min) значения выходного сигнала (напряжения), с помощью винта регулировочного механизма 6 устанавливают положение подвижного основания 3, соответствующее середине линейного участка, т.е. положение, при котором U_вых=0,5(U_мах+U_min). После окончания настройки схема готова к проведению измерений. При измерениях перемещение щупа 13 на Δх вызывает поворот прозрачного блока 11 на угол Δφ=Δx/L, где L - плечо щупа 13 относительно оси вращения 12 прозрачного блока 11. Вследствие поворота прозрачного блока 11 происходит линейное смещение решеток 10 относительно луча в противоположные стороны, т.е. по оси и против оси X, что вызывает изменение интенсивности первых дифракционных порядков по синусоидальному закону. Поскольку при настройке прибор был выставлен на середину линейного участка, то выходное напряжение ΔU_вых пропорционально линейному перемещению щупа на Δх:The device operates as follows. When illuminating the transparent block 11 and after the interaction of light sequentially with two gratings 10, the spatial filter 7, 8 selects one of the first diffraction orders, and the extracted radiation is sent to the photodiode 9. The probe 13 is brought into contact with the measured sample 15. After that, the device is tuned to the middle of the linear portion of the dependence of the output voltage (U _o ) on displacement. To do this, by rotating the screw of the adjusting mechanism 6, the angular position of the movable base 3 is changed. The angular position of the illuminating beam relative to the transparent unit 11 is changed and, as a result, the intensity of the first diffraction order changes. Having fixed the maximum (U _max ) and minimum (U _min ) values of the output signal (voltage), using the screw of the adjusting mechanism 6 set the position of the movable base 3, corresponding to the middle of the linear section, i.e. the position at which U _out = 0.5 (U _max + U _min ). After completing the setup, the circuit is ready to take measurements. In measurements, moving the probe 13 by Δx causes the transparent block 11 to rotate through an angle Δφ = Δx / L, where L is the shoulder of the probe 13 relative to the rotation axis 12 of the transparent block 11. Due to the rotation of the transparent block 11, the gratings 10 are linearly displaced relative to the beam, in opposite directions those. along the axis and against the X axis, which causes a change in the intensity of the first diffraction orders according to the sinusoidal law. Since when setting up the device was set to the middle of the linear section, the output voltage ΔU _{out is} proportional to the linear displacement of the probe by Δх:

ΔU_вых=kΔxΔU _out = kΔx

где k определяется экспериментально с использованием эталонного образца, который задает калиброванное смещение щупа на величину Δх.where k is determined experimentally using a reference sample that sets the calibrated probe offset by Δx.

Источники информацииInformation sources

1. Преснухин Л.Н., Шаньгин В.Ф., Шаталов Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применения. - М.: Машиностроение, 1969, 167-178.1. Presnukhin L.N., Shangin V.F., Shatalov Yu.A. Moire raster position sensors and their applications. - M.: Mechanical Engineering, 1969, 167-178.

2. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Дифракционный измеритель малых перемещений и вибраций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля". Могилев, 23-25 мая 1989 г., часть П, с.99-100.2. Komotsky V.A., Nikulin V.F. Diffraction meter of small displacements and vibrations. Abstracts of the All-Union Scientific and Technical Conference "Optical, radio wave and thermal non-destructive testing methods." Mogilev, May 23-25, 1989, part P, pp. 99-100.

3. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Теоретический анализ дифракции гауссового оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток. Оптика и спектроскопия, 1987 г., вып.2, с.409-415.3. Komotsky V. A., Nikulin V. F. Theoretical analysis of diffraction of a Gaussian optical beam on a system of two diffraction gratings. Optics and Spectroscopy, 1987, issue 2, pp. 409-415.

Claims (1)

Устройство для измерения малых линейных перемещений, содержащее две фазовые дифракционные решетки, щуп, который вводится в контакт с исследуемым образцом, систему просвечивания решеток лазерным пучком, состоящую из лазера с коллиматором луча, пространственного фильтра и фотодиода, измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что дифракционные решетки нанесены на двух противоположных параллельных сторонах прозрачного блока, блок закреплен на оси, имеет степень свободы поворота относительно этой оси и связан со щупом так, что вектор перемещения, воздействующего на щуп, проходит на некотором расстоянии от оси вращения блока, а система просвечивания решеток установлена на отдельном поворотном основании, связанном с регулировочным механизмом.A device for measuring small linear displacements, containing two phase diffraction gratings, a probe that is brought into contact with the sample under study, a system for transmitting gratings with a laser beam, consisting of a laser with a beam collimator, a spatial filter and a photodiode, an output voltage meter, characterized in that the diffraction the gratings are applied on two opposite parallel sides of the transparent block, the block is fixed on an axis, has a degree of freedom of rotation about this axis and is connected to the probe so that the eyelid op movement acting on the probe passes at a distance from the rotational axis of the unit, and the system radiographic arrays installed on a separate swivel base connected with the adjusting mechanism.