CC BY
184
ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ДВУМЕРНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ
Юрий Цыдыпович Батомункуев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного,10, кандидат технических наук, доцент, e-mail: opttechnic@mail.ru
Николай Анатольевич Мещеряков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного,10, доктор физико-математических наук, профессор, е-mail: optotechnic@mail.ru
Анализируются недостатки датчиков перемещений с двумерной дифракционной решеткой. Даны описания технических решений двухкоординатных датчиков перемещений, основанные на многократной дифракции.
Ключевые слова: датчик перемещений, многократная дифракция.
DEVICES OF SHIFT WITH TWO-DIMENSIONAL DIFFRACTION GRATING
Yury Z. Batomunkuev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., associate professor, е-mail: opttechnic@mail.ru
Nicholas А. Meshcheryakov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., professor, е-mail: optotechnic@mail.ru
The defects of devices of shift with two-dimensional diffraction grating are analyzed. The descriptions of technical principles of two-coordinate device of shift based on multiple diffraction are presented.
Key words: device of shift, multiple diffraction.
В настоящее время предъявляются повышенные требования к точности датчиков перемещений с измерительными шкалами, что в свою очередь требует совершенствование известных и разработки новых технических решений датчиков. Целью работы является рассмотрение технических решений датчиков перемещений с двумерной дифракционной решеткой.
Известен целый ряд устройств измерения перемещений, в которых в качестве измерительной шкалы используется дифракционная (голографическая) решетка [1-4]. Так, для измерения перемещений в двух координатах предложено устройство [1], представленное на рис. 1 и содержащее лазер 1, однолучевую систему освещения, двумерную дифракционную решетку 2 с периодической ортогональной системой линий, объединяющую систему совмещения волн в виде отражающих зеркал 3 и светоделительных пластин 4, и фотоприемники 5. Принцип работы устройства [1] заключается в следующем (в сагиттальной плоскости): плоская волна от лазера 1 направляется на двумерную дифракционную решетку 2, а дифрагировавшие в выбранные порядки волны, отражаясь
от зеркал 3 совмещаются на светоделительной пластине 4. Каждая из падающих волн на светоделительную пластину 4 делится на две волны (прошедшая и отраженная волны), так что прошедшая от одной волны, накладывается на отраженную от другой волны, образуя интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых полос. При перемещении дифракционной решетки 2, возникающий сдвиг интерференционных полос регистрируется фотоприемниками 5. В меридиональной плоскости схема устройства [1] аналогична.
Недостатками устройства [1] являются: низкая точность измерений, которая определяется, в основном, частотой штрихов двумерной дифракционной решетки, высокая чувствительность к поперечным смещениям двумерной дифракционной решетки, что требует высокоточных направляющих для этих смещений, высокие требования к когерентности источника излучения, большие габариты, что связано с перемещением двумерной дифракционной решетки.
Известно также, устройство для измерения линейных перемещений [2], схема которого представлена на рис. 2. Устройство содержит когерентный источник света 1, линейку 2 с периодической структурой, связанную с движущимся объектом, объединяющую систему, состоящую из отражающих 3 и объединяющих элементов, и фотоприемное устройство 4. Линейка с периодической структурой представляет собой пропускающую дифракционную решетку. Устройство [2] работает следующим образом: плоская волна от когерентного источника 1 направляется на линейку 2, а дифрагировавшие в выбранные порядки две волны, отражаясь от зеркал 3 совмещаются на той же линейке 2. В устройстве [2] повторно или многократно дифрагировавшие волны могут быть снова отражены зеркалами и совмещены на линейке 2. В результате многократной дифракции каждая из падающих двух волн на линейку 2 делятся на прошедшую и дифрагировавшие волны, так что прошедшая от одной волны, накладывается на дифрагировавшую от другой волны, образуя интерференционную картину. При перемещении линейки 2, возникающий сдвиг интерференционных полос регистрируется фотоприемником 4.
К недостаткам этого устройства относится: низкое значение отношения сигнал/шум, связанное с низкой дифракционной эффективностью линейки с периодической структурой, измерение перемещений только вдоль одного направления при использовании одномерной линейки, большие габариты устройства, превосходящие более чем в два раза диапазон измерений линейки, из-за связи линейки с движущимся телом. Кроме этого, использование линейки приводит к необходимости размещения отражающих зеркал по обе стороны от линейки, что в свою очередь увеличивает размеры оптической системы устройства. При использовании связанной с движущимся объектом двумерной линейки вместо одномерной линейки габариты устройства более чем в четыре раза превышают габариты рабочего диапазона двумерной линейки, что связано с длиной направляющих, по которым в двух направлениях должна смещаться двумерная линейка. Также имеет место проблема разюстировки относительно фо-топриемного устройства зеркал, расположенных по разные стороны от линейки, так как при больших габаритах двумерной линейки все отражающие зеркала
нельзя достаточно жестко конструктивно связать с фотоприемным устройством.
3
3
Рис. 1. Устройство для измерения перемещений в двух координатах (сагиттальная плоскость) [1]
Рис. 2. Устройство для измерения линейных перемещений [2]
Для устранения указанных недостатков нами предложен двухкоординатный датчик перемещений [5], схема которого (в сагиттальной плоскости) представлена на рис. 3. Предлагаемый двухкоординатный датчик перемещений содержит неподвижную двумерную отражающую дифракционную решетку с положительными и отрицательными порядками дифракции в двух перпендикулярных плоскостях и расположенные в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом, источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и четное количество отражающих зеркал. Отражающие зеркала расположены попарно вдоль перпендикулярных прямых по одну сторону от решетки, касательно эллипсоидов с фокусами в точке дифракции и в точке схождения волн на дифракционной решетке. С движущимся объектом связана не решетка, а считывающий блок, содержащий источник когерентного излучения, отражающие зеркала, фотоприемное устройство. На рис. 3 представлена схема датчика с двумя парами зеркал, содержащая источник излучения - полупроводниковый лазер 1, отражающую двумерную рельефную дифракционную решетку 2 с положительными и отрицательными порядками дифракции в двух перпендикулярных плоскостях, зеркала 3 и 4,
Рис. 3. Схема двухкоординатного (2Э) датчика перемещений в сагиттальной плоскости [3]
расположенные касательно двум эллипсоидам с фокусами в точках дифракции и схождения волн на решетке, фотоприемное устройство 5. Лазер 1, отражающие зеркала 3, 4, фотоприемное устройство 5 выполнены конструктивно в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом.
Датчик работает следующим образом: плоская волна лазера 1 падает на двумерную решетку 2, а дифрагировавшие в выбранные порядки четыре волны, попарно отражаясь от зеркал 3 и 4, направляются на эту же решетку для повторной дифракции. Зеркала 3 и 4 устанавливаются отражающими поверхностями под углом к решетке и касательно эллипсоиду так, чтобы среди волн, испытавших двукратную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве две волны выбранных дифракционных порядков, а полученные при этом интерференционные картины регистрируются фотоприемным устройством 5.
При линейном перемещении считывающего блока первоначально дифрагировавшие волны набирают разность фаз Дер, прямо пропорциональную произведению величины перемещения на выбранные порядки дифракции Ш1 и т2. При повторной дифракции этих волн и выборе в качестве интерферирующих двух волн, тех же порядков, что и при первой дифракции, разность фаз Дер будет удвоена.
Для получения максимального изменения интенсивностей на фотоприем-ном устройстве 5 дифракционная эффективность решетки в первом порядке дифракции должна быть равна 11,1 - 12,5 процентов. Что существенно превосходит максимальную относительную дифракционную эффективность амплитудной двумерной пропускающей решетки равной 4,1 процента. Таким образом, оптимальной является двумерная рельефная решетка, отражающего типа, так как ее относительная дифракционная эффективность г| в первом порядке может достигать 16,4 процента. При двукратной дифракции относительная дифракционная эффективность оптимальной рельефной отражающей решетки составит более 1,23 процента, тогда как для амплитудной пропускающей только 0,17 процента. При одинаковом уровне шумов такое различие дифракционной эффективности отражающей и пропускающей решеток обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум более чем в 7 раз для отражающей решетки по сравнению с пропускающей. При п-кратной дифракции относительная дифракционная эффективность оптимальной рельефной отражающей решетки составит 0,111п -102 процента, тогда как для амплитудной пропускающей только 0,041п -102 процента. При одинаковом уровне шумов такое увеличение дифракционной эффективности обеспечивает в случае п-кратной дифракции увеличение отношения сигнал/шум примерно в 2,7п раз. Повышение отношения сигнал/шум позволяет использовать как более высокие порядки дифракции отражающей решетки, так и осуществлять более многократную дифракцию по сравнению с амплитудной решеткой, тем самым, снижая погрешности и повышая точность измерений. Так, в схемах с п - кратной дифракцией с использованием дифрагировавших пучков Ш1 и Ш2 порядков точность измерения может быть улучшена в п(т1 - ш2) раза.
В схеме предлагаемого датчика с двумерной решеткой зеркала размещаются отражающими поверхностями к решетке и касательно эллипсоидов с фо-
кусами в точках дифракции и схождения отраженных от зеркал волн на решетке, в отличие от этого в [2] отражающие зеркала размещаются касательно эллипсам. Отражаясь от этих зеркал первоначально дифрагировавшие волны проходят одинаковые расстояния, поэтому снижаются требования к длине когерентности лазера. Дифрагировавшие в разные порядки волны испытывают одинаковое количество отражений от зеркал, поэтому не происходит взаимного сдвига или поворота волн при многократном падении на решетку, что приводит с одной стороны к снижению влияния дефектов поверхности решетки, с другой - снижению требований к пространственной когерентности излучения лазера. Так же, при смещении объекта перпендикулярно к решетке на любую величину, угол падения волны лазера на решетку не изменяется, поэтому не изменяются углы дифракции и углы схождения волн на решетку. Расстояния, пройденные волнами, различаются на одинаковые величины, поэтому разность их фаз не изменяется. Таким образом, перпендикулярное по отношению к решетке смещение объекта не влияет на точность измерений.
Линейный размер устройства [2] определяется длиной направляющих по которым перемещается линейка, связанная с движущимся объектом, причем длина направляющих более чем в два раза превышает диапазон измерений линейки. В отличие от этого в предлагаемом датчике двумерная отражающая решетка является неподвижной, а с движущимся объектом связана считывающая система, включающая в себя источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и четное количество отражающих зеркал. Длина и ширина предлагаемого датчика лишь незначительно превышают длину и ширину двумерной решетки. Использование отражающей рельефной решетки позволяет изготовить ее из ударопрочных материалов (металлов), что является преимуществом отражающих решеток перед пропускающими, причем высокое качество обработки должна иметь только одна рабочая поверхность, тогда как для стеклянной пропускающей дифракционной решетки подобное качество обработки должны иметь обе поверхности стеклянной пластины. Компактность считывающего блока позволяет жестко связать между собой источник когерентного излучения, фотоприемное устройство и отражающие зеркала, что обеспечивает стабильность их юстировки. Выбором материала дифракционной решетки можно добиться значительного уменьшения влияния изменения температуры на величину ее дифракционной эффективности, в частности для полимерных голограммных решеток с большим аспектным отношением [6-8].
Таким образом, предлагаемый датчик обладает существенными отличиями от устройства [2-4] и обеспечивает повышение точности измерений за счет уменьшения периода решетки и увеличения отношения сигнал/шум, повышение диапазона измерений за счет увеличения размеров решетки, устранение влияния смещений объекта в перпендикулярном направлении по отношению к решетке и уменьшения требований к длине когерентности источника излучения, при одновременном уменьшении габаритов за счет установки зеркал и источника когерентного излучения и фотоприемного устройства, расположенных по одну сторону от решетки в одном считывающем блоке, связанном с движущимся объектом.
1. АС № 387207. Устройство для измерения перемещений в двух координатах /Добырн
B.В., Турухано Б.Я., Турухано Н. - Заявл. 26.10.1971; Опубл. 21.05.1973. - Бюл. № 12.
2. АС № 1562686. Устройство для измерения линейных перемещений / С.А. Шойдин, Е.А. Сандер, Ю.Ц. Батомункуев, В.С. Куминов, Б.Н. Чуличкин, Ю.И. Ямщиков, В.П. Майоров - Заявл. 21.07.1988; Опубл. 7.05.90. - Бюл. № 17.
3. Патент РФ на изобретение № 2400703. Двухкоординатный датчик перемещений / Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Заявка № 2009103470. Приоритет от 02.02.2009. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27.09.2009.
4. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Расчет датчика перемещений с оптимальной голографической решеткой // Вестник СГГА. - 2005. - Вып. 10. - С. 187-190.
5. Батомункуев Ю.Ц. Применение метода многократной дифракции в оптических устройствах // ГЕ0-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск: СГГА, 2005. Т.4 , ч. 1. - С. 65-68.
6. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Стабилизация положений интерференционных полос при записи объемной голограммы в реальном времени // Автометрия. - 2000. - № 1. -
C. 50-56.
7. Батомункуев Ю.Ц. Разработка и расчет объемных голографических оптических элементов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Новосибирск, 2003.
8. Батомункуев Ю.Ц. Особенности перекачек энергии при записи объемного ГОЭ в полимерной динамической среде // Вестник СГГА. - 2004. - Вып. 9. - С. 152-156.
© Ю.Ц. Батомункуев, Н.А. Мещеряков, 2013
