PL222888B1 - Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych, stosowany zwłaszcza do kalibracji parametrów maszyny takich jak dokładność pozycjonowania czy prostoliniowość ruchu.

Znany układ interferometru laserowego do pomiaru przemieszczeń liniowych składa się z lasera, który emituje laserową wiązkę światła o wysokiej koherencji, dzielnika tej wiązki który rozdziela ją na dwie: referencyjną i pomiarową. Wiązki te biegną w kierunku reflektorów: nieruchomego - referencyjnego i ruchomego - pomiarowego i odbijają się wstecznie od nich, a następnie są ponownie ze sobą połączone elementem światłodzielącym. Po nałożeniu się wiązki te docierają do optycznego układu odbiorczego który wytwarza prążki interferencyjne odbierane przez zespół fotodetekcyjny. Gdy przemieszcza się reflektor pomiarowy intensywność światła odbieranego przez fotodetektory tego zespołu zmienia się cyklicznie. Fluktuacje sygnału interferencyjnego są w ten sposób wykorzystywane do pomiaru przemieszenia reflektora pomiarowego wzdłuż osi wiązki laserowej.

Najczęściej reflektor pomiarowy ma postać pryzmatu narożnego sześcianu cube comer reflector. Niekiedy stosowany jest pryzmat narożny ze ściętym wierzchołkiem nie przepuszczającym i nie odbijającym światła celem uniknięcia zakłócenia pracy lasera wiązką odbitą od wierzchołka reflektora. Stosowany jest także reflektor w postaci zwierciadła płaskiego.

Wyżej opisany interferometr nie mierzy rzeczywistego przemieszczenia reflektora wzdłuż osi jego ruchu, lecz mierzy przemieszczenie tego reflektora wzdłuż osi wiązki laserowej. Ze względu na występujące zawsze w trakcie pomiaru poprzeczne przemieszczenia reflektora pomiarowego względem osi wiązki laserowej pojawia się istotny błąd pomiaru.

Znany jest fotodetektor w postaci fotodiody kwadrantowej, fotodiody PSD tzw. Position Sensitive Photodiode, lub matrycy CCD, który służy do pomiaru przemieszczenia plamki świetlnej wiązki lasera względem tego detektora. Fotodioda kwadrantowa składa się z czterech światłoczułych pól: A; B; C i D. [Chen, Jenq Shyong, Kou, Tzu Wei and Chiou, Shen Hwa. „Geometric error calibration of multi-axis machines using an auto-alignment laser interferometr”. Precision Engineering. 1999, 23].

Wartość fotoprądu na dwóch wyjściach takiego fotodetektora informuje o wartości i kierunku przesunięcia plamki świetlnej względem osi fotodetektora. Dzielenie sygnału różnicowego przez wartość całkowitą sygnału powoduje, że wskazania układu są niewrażliwe na zmianę mocy sygnału. Odbierane jest tylko przemieszczenie środka energetycznego wiązki.

Znane obecnie rozwiązanie do pomiaru poprzecznego odchylenia reflektora pomiarowego interferometru w trakcie podłużnego pomiaru długości polega na pomiarze miejscowego odchylenia reflektora pomiarowego interferometru względem osi pomiarowej wiązki laserowej poprzez obserwację elektroniczną położenia wiązki odbitej od tego reflektora przy pomocy fotodiody kwadrantowej.

Wadą tego rozwiązania jest niemożność rozdzielenia efektu poprzecznego przesunięcia reflektora pomiarowego stanowiącego pryzmat narożny sześcianu względem wiązki od wpływ jego obrotu kątowego względem jego wierzchołka. Odchylenie kątowe pryzmatu narożnego powoduje bowiem równoległe przesunięcie wiązki powracającej (odbitej) i daje taki sam efekt na fotodetektorze jak poprzeczne przemieszczenie reflektora względem wiązki pomiarowej. Fakt ten ogranicza istotnie dokładność tej metody. Przytoczone rozwiązanie nie może być zastosowane do układów interferometrycznych w których reflektorem pomiarowym jest zwierciadło płaskie.

Celem wynalazku jest pomiar rzeczywistego przemieszczenia reflektora pomiarowego wraz z pomiarem odchylenia poprzecznego tego reflektora względem osi wiązki laserowej w każdym punkcie pomiarowym wzdłuż tej osi.

Istota rozwiązania według pierwszej odmiany wynalazku polega na tym, że ścięcie wierzchołka naroża sześcianu jest przepuszczające dla światła, zaś interferometr zawiera dodatkowy element światłodzielący znajdujący się na drodze wiązki pomiarowej wychodzącej z elementu światłodzielącego. Za elementem światłodzielącym znajduje się reflektor pomiarowy narożny ze ściętym wierzchołkiem przy czym to ścięcie wierzchołka umieszczone jest na drodze jednej z wiązek wychodzących z dodatkowego elementu światłodzielącego, a za omawianym ścięciem usytuowany jest fotodetektor czuły na położenie plamki światła, na sztywno zamocowany do reflektora narożnego.

Fotodetektor znajduje się w odległości równej w przybliżeniu.

C,2H (l-i)

PL 222 888 B1 od wierzchołka optycznego reflektora narożnego, gdzie H jest wysokością naroża, n jest współczynnikiem załamania materiału, z którego wykonano naroże - może ono być puste w środku. Fotodetektor ma postać fotodiody kwadrantowej. Fotodetektor ma postać fotodiody PSD. Fotodetektor ma postać matrycy CCD.

Istota rozwiązania według drugiej odmiany wynalazku polega na tym, że reflektor pomiarowy zawiera powierzchnię światłodzielącą transmitującą część wiązki pomiarowej do przymocowanego na sztywno do reflektora pomiarowego fotodetektora, czułego na położenie plamki światła. Fotodetektor znajduje się w odległości równej w przybliżeniu (l-i) od reflektora, gdzie h jest grubością płytki reflektora, n jest współczynnikiem załamania materiału, z którego wykonano reflektor. Fotodetektor ma postać fotodiody kwadrantowej. Fotodetektor ma postać fotodiody PSD. Fotodetektor ma postać matrycy CCD.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy interferometru z reflektorem w postaci pryzmatu narożnego sześcianu, fig. 2 przedstawia schemat ideowy tego reflektora, a fig. 3 - schemat ideowy interferometru z reflektorem w postaci zwierciadła.

Interferometr przedstawiony na fig. 1 ma laser 1 znajdujący się w głowicy laserowej 13, który emituje laserową wiązkę światła 2 o wysokiej koherencji. Element światłodzielący 3 rozdziela ją na dwie części: wiązkę referencyjną 4 i pomiarową 5. Wiązka referencyjna 4 biegnie w kierunku nieruchomego reflektora referencyjnego 6 po odbiciu od którego jest kierowana przy pomocy elementu światłodzielącego 3 do układu odbiorczego 7 znajdującego się wewnątrz głowicy laserowej 13. Wiązka pomiarowa 5 rozdzielana jest przy pomocy drugiego zespołu światłodzielącego 8 na kolejne dwie wiązki 9 i 10, biegnące względem siebie równolegle w kierunku ruchomego, pomiarowego reflektora narożnego 11, tak że wiązka 9 biegnie w kierunku osi reflektora narożnego 11 a wiązka 10 jest odsądzoną od osi tego reflektora. Reflektor narożny 11 ma ścięty wierzchołek tak, że wiązka laserowa 9 biegnąca wzdłuż jego osi przechodzi przez ścięcie wierzchołka i pada na fotodetektor 12 czuły na położenie plamki światła, w postaci fotodiody kwadrantowej, matrycy CCD, lub fotodiody PSD. Fotodetektor 12 połączonej jest sztywno z reflektorem narożnym 11 przez przyklejenie za pośrednictwem tulejki 20, tworząc jeden ruchomy zespół pomiarowy 14. Wiązka laserowa 10 odsądzoną od osi reflektora narożnego 11 odbija się od niego i powraca do elementu światłodzielącego 3, który transmituje ją do układu odbiorczego 7 łącząc ją z wiązką referencyjną 4. Układ odbiorczy 7 wytwarza prążki interferencyjne odbierane przez zespół fotodetekcyjny. Gdy przemieszcza się reflektor narożny 11 intensywność światła odbieranego przez fotodetektory tego zespołu zmienia się cyklicznie. Fluktuacje sygnału interferencyjnego są w ten sposób wykorzystywane do pomiaru przemieszenia reflektora pomiarowego wzdłuż osi wiązki laserowej 9, która przechodzi przez ścięcie naroża i pada na fotodiodę kwadrantową 12, służącą do pomiaru przemieszczenia naroża w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki laserowej 9. Pomiar ten odbywa się poprzez określenie przez fotodetektor 12 przemieszczenia środka energetycznego wiązki 9 wchodzącej do naroża. Wiązka 10 służy do równoczesnego pomiaru przemieszczenia naroża wzdłuż jej osi. Interferometr ten pozwala na pomiar rzeczywistych odchyleń poprzecznych pryzmatu od osi wiązki laserowej 9, w czasie pomiaru przemieszczenia wzdłuż tej wiązki.

Reflektor narożny zbudowany jako pryzmat narożny lub jako puste naroże, charakteryzuje się tym, że obrót wokół osi przechodzącej przez jego środek optyczny nie powoduje zmiany drogi optycznej odbijanej wiązki - w przypadku pustego naroża, lub zmiana drogi optycznej jest minimalna - w przypadku pryzmatu narożnego.

Jeżeli fotodetektor 12 znajduje się w odległości c od środka optycznego naroża, wynoszącej w przybliżeniu ^e=2H to obrót reflektora względem osi przechodzącej przez jego środek optyczny nie spowoduje przesunięcia plamki świetlnej na powierzchni tego fotodetektora. Układ jest czuły tylko na poprzeczne przesunięcie całego zespołu względem osi wiązki laserowej.

PL 222 888 B1

W układzie przedstawionym na fig. 3 laser 1 znajdujący się w głowicy laserowej 13, emituje laserową wiązkę światła 2 o wysokiej koherencji. Element światłodzielący 3 rozdziela ją na dwie części: referencyjną 4 i pomiarową 5. Wiązka referencyjna 4 biegnie w kierunku nieruchomego reflektora referencyjnego 6, po odbiciu od którego jest kierowana przy pomocy elementu światłodzielącego 3 do układu odbiorczego 7 znajdującego się wewnątrz głowicy laserowej 13. Wiązka pomiarowa 5 przechodzi przez płytkę ćwierćfalową 15 i pada na pomiarowy reflektor 16 w postaci zwierciadła płaskiego. Reflektor 16 zawiera powierzchnię światłodzielącą 17 transmitującą część wiązki pomiarowej 5 do fotodetektora 12 przymocowanego na sztywno do reflektora 16 przez przyklejenie za pośrednictwem tulei 20. Reflektor 16 wraz z fotodetektorem 12 tworzą wspólnie zespół ruchomy 14 interferometru. Fotodetektor 12 znajduje się w odległości od wierzchołka optycznego reflektora narożnego 11 w przybliżeniu równej.

Jeżeli fotodetektor 12 znajduje się w odległości d od reflektora 16, wynoszącej w przybliżeniu d,k (l-i) to kątowy obrót reflektora nie spowoduje przesunięcia plamki świetlnej na powierzchni tego fotodetektora.

Fotodetektor 12 ma postać fotodiody kwadrantowej, PSD, lub matrycy CCD. Przy poprzecznym względem osi wiązki 5 przemieszczeniu reflektora 16 wraz z fotodetektorem 12 plamka świetlna wytworzona na powierzchni tego fotodetektora przesuwa się dając sygnał pomiarowy informujący o wartości poprzecznego przesunięcia zespołu pomiarowego 14.

Część światła odbita od powierzchni światłodzielącej 17 ponownie przechodzi przez płytkę ćwierćfalową 15 po czym w wyniku zmiany jej polaryzacji w efekcie działania płytki ćwierćfalowej 15 kierowana jest przez element światłodzielący 3 do nieruchomego reflektora narożnego 18, po odbiciu od którego ponownie kierowana jest w postaci wiązki 19 do reflektora pomiarowego 16. Po ponownym odbiciu od tego reflektora wiązka ta przechodzi ponownie przez płytkę ćwierćfalową 15 po czym w wyniku zmiany jej polaryzacji w efekcie działania płytki ćwierćfalowej 15 kierowana jest przez element światłodzielący 3 do układu odbiorczego 7 łącząc ją z wiązką referencyjną 4. Układ odbiorczy 7 wytwarza prążki interferencyjne odbierane przez zespół fotodetekcyjny. Gdy przemieszcza się reflektor pomiarowy 16 intensywność światła odbieranego przez fotodetektory tego zespołu zmienia się cyklicznie. Fluktuacje sygnału interferencyjnego są w ten sposób wykorzystywane do pomiaru przemieszenia reflektora pomiarowego wzdłuż osi wiązki laserowej 5.

Zastrzeżenie patentowe

Claims (10)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych zawierający laser emitujący wiązkę światła, na drodze której umieszczony jest element światłodzielący, rozdzielający wiązkę światła na referencyjną i pomiarową i zawierający umieszczony na drodze wiązki referencyjnej reflektor referencyjny oraz ruchomy reflektor pomiarowy w postaci naroża sześcianu ze ściętym wierzchołkiem i układ odbiorczy interferujących wiązek referencyjnej i pomiarowej, znamienny tym, że ścięcie wierzchołka naroża sześcianu (11) jest przepuszczające dla światła, zaś interferometr zawiera dodatkowy element światłodzielący (8), znajdujący się na drodze wiązki pomiarowej (5) wychodzącej z elementu światłodzielącego (3), a za elementem światłodzielącym (8) znajduje się reflektor pomiarowy narożny (11) ze ściętym wierzchołkiem przy czym to ścięcie wierzchołka umieszczone jest na drodze jednej z wiązek wychodzących z dodatkowego elementu światłodzielącego (8), a za omawianym ścięciem usytuowany jest fotodetektor (12), czuły na pozycję plamki światła, na sztywno zamocowany do reflektora narożnego (11).
2. 2. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że fotodetektor (12) znajduje się w odległości równej w przybliżeniu c=_2H (l-i) od wierzchołka optycznego reflektora narożnego (11).

   PL 222 888 B1
3. 3. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci fotodiody kwadrantowej.
4. 4. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci fotodiody PSD.
5. 5. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci matrycy CCD.
6. 6. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych zawierający laser emitujący wiązkę światła, na drodze której, umieszczony jest element światło dzielący, rozdzielający wiązkę światła na referencyjna i pomiarową i zawierający umieszczony na drodze wiązki referencyjnej reflektor referencyjny, a także ruchomy reflektor pomiarowy w postaci zwierciadła płaskiego i układ odbiorczy interferujących wiązek referencyjnej i pomiarowej, znamienny tym, że reflektor pomiarowy (16) zawiera powierzchnię światłodzielącą (17), transmitującą część wiązki pomiarowej do przymocowanego na sztywno do reflektora pomiarowego (16) fotodetektora (12), czułego na pozycję plamki światła.
7. 7. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 6, znamienny tym, że fotodetektor (12) znajduje się w odległości równej w przybliżeniu d,k (l-i) od reflektora pomiarowego (16).
8. 8. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 6, albo 7, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci fotodiody kwadrantowej.
9. 9. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 6, albo 7, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci fotodiody PSD.
10. 10. Interferometr do pomiaru przemieszczeń liniowych wg zastrz. 6, albo 7, znamienny tym, że fotodetektor (12) jest w postaci matrycy CCD.