RU1793205C - Устройство дл определени поперечных смещений объекта - Google Patents

Abstract

.Изобретение относитс  к геодезическому приборостроению. Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  поперечных смещений удаленного объекта. Пол ризационный светоделитель установлен так, что он пропускает компоненту электрического вектора световой волны и отражает ортогональную компоненту. Параксиальный световой пучок, не отклон  сь, проходит пол ризационный светоделитель и по ступает на азимутальный электрооптический модул тор, пройд  телескопическую систему, этот световой пучок попадает на Изобретение относитс  к геодезическому приборостроению. Известен пол ризационный интерферометр дл  измерени  линейных смещений объекта, содержащий установленные последовательно на одной оптической оси излучатель , анизотропный клин, пол ризатор и регистрирующий блок. Анизотропный клин изготовлен из кристалла с оптической осью, не совпадающей с оптической осью интерферометра . При перемещении анизотропного клина перпендикул рно оптической анизотропный клиновой элемент, составленный из двух клиньев, выполненных из противоположно вращающихс  модификаций оптически активного материала, имеющих равные углы при вершине и образующих кристаллическую плоскопараллельную пластинку с оптической осью, перпендикул рной ее входной грани. При отсутствии линейного смещени  отраженный параксиальный световой пучок не смещаетс  относительно оптической оси приемопередатчика. При прохождении пучка в пр мом и обратном ходе через систему - анизотропный клиновой элемент, фазова  четвертьволнова  пластинка и зеркально- линзовый отражатель образуетс  осевой линейно пол ризованный световой пучок. На выходе из анизотропного клинового элемента образуетс  пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскости пол ризации. Прошедший через представленную систему в пр мом и обратном ходе широкий световой пучок линейно пол ризован , причем азимут пол ризации не измен етс  по сечению пучка и аналогичен азимуту пол ризации параксиального светового пучка.2 ил. оси интерферометра измен етс  его толщина в месте прохождени  светового пучка, а следовательно, и разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Это приводит к Изменению интерференционной картины, фиксируемой регистрирующим блоком. К недостаткам такого устройства следует отнести неоднозначное изменение интерференционной картины при линейных и угловых смещени х объекта. ел С vj ЧЭ СО 8 Оп

Description

Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа,  вл етс  устройство дл  определени  поперечных смещений объекта, содержащее основание с последовательно установленными на нем излучателем и азимутальным элёктрооптическим модул тором и оптически св занные анизотропный клиновой элемент, оптический элемент и приемный блок. Приемный блок и азимутальный электрооптический модул тор электрически св заны с электронным блоком .

Недостатком устройства  вл етс  снижение точности определени  линейных смещений с увеличением рассто ни  до измер емого объекта, т.к. она зависит от линейных размеров Светового пучка, приход щего на анизотропныйХЛИНОБОЙ элемент.

Цель - снижение вли ни  увеличени  рассто ни  до объекта на точность определени  ею поперечных смещений за счёт сохранени  единого состо ни  пол ризации в широком световом пучке на выходе анизотропного клинового элемента.

Цель достигаетс  тем, что устройство дл  определени  поперечных смещений снабжено установленными на оснований последовательно rib ходу излучени  за модул тором телескопической системой и за клиновым элементом четвертьволновой пластиной и предназначенным дл  закреплени  на объекте зеркально-линзовым отражателем , причем анизотропный клиновой элемент выполнен из двух клит ев, изготовленных из материала с различной оптической активностью, и составлен так, что вращение плбскости пол ризации излучени  каждым из клиньев осуществл етс  в противоположных направлени х. Оптический элемент выполнен в виде пол ризационного светоделител , установлен между излучателем и модул тором, и св зан с приемным блоком через конденсор.

На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг.2 - угловые зависимости поворота вектора Е напр женности электрического пол  линейно пол ризационной световой волны в оптической системе устройства.

Устройство содержит приемопередатчик 1, установленные на неподвижном основании и зеркально-линзовый отражатель 2, жестко закрепленный на измер емом объекте 3. Приемопередатчик содержит оптиче- скую систему и электронный блок, заключенные в едином корпусе. Оптическа  система приемопередатчика включает излучатель 4, пол ризационный светоделитель 5, азимутальный электрооптический модул тор б, телескопическую систему 7, анизотропный клиновой элемент 8, составленный из клиньев 9 и 10, выполненных из противоположно вращающихс  модификаций оптически активного материала, фазовую четвертьволновую пластинку 11, конденсор 12 и фотоприемник 13.

Пол ризационный светоделитель 5 служит дл  разделени  передающего канала, содержащего излучатель 4, и приемного канала , включающего конденсор 12 и фотоприемник 13. При этом элементы 6-8 и 11  вл ютс  общими как дл  передающего, так и дл  приемного каналов приемопередатчика . ..--.. ..- ; . - - -

Фотоприемник 13 подключен через узкополосный усилитель 14 к сигнальному входу фазового детектора 15, выход которого соединен с регул тором смещени  16, подключенным к источнику 17 посто нного напр жени , один из выходов которого подключен к индикатору 18, а другой - к азимутальному электрооптическому модул тору 6. Выходы генератора 9 соединены с опорным выходом фазового детектора 15 и азимутальнымэлектрооптическим модул тором 6.

Зеркально-линзовый отражатель 2 содержит объектив 20 и сферическое зеркало 21, закрепленные в одном корпусе.

Устройство работает следующим образом , .;-;..-:,,.л .,.. ; ..- - - .,

Вначале рассмотрим работу устройства с параллельным световым пучком. Излучатель 4 посылает линейно пол ризованный 5 световой ny4joK с азимутом пол ризации в 0° (вектор Е, фиг.2) на пол ризационный светоделитель 5. Пол ризационный светоделитель установлен так, что он пропускает компоненту (проекцию) Ех электрического вектора Е световой волны и отражает ортогональную компоненту Еу (фиг.2). Так как азимут линейно пол ризованного светового пучка в 0, то параксиальный световой пучок , не отклон  сь, проходит пол ризацион- ный светоделитель и поступает на азимутальный электрооптический модул тор 6. Если на него не подано управл ющее напр жение, то азимут линейно пол ризованного светового пучка на выходе из моду- л тора не изменитс , Далее, пройд  телескопическую систему 7, параксиальный световой пучок попадает на анизотропный клиновой элемент 8, составленный из клиньев 9 и 10, выполненных из противоположно вращающихс  модификаций оптически активного материала (например, кристаллический кварц, киноварь, раствор винной кислоты и т.д.). Клинь  9 и 10 имеют равные углы при вершине и образуют кри0

5

0

5

0

0

5

0

5

сталлическую плоскопараллельную пластинку с оптической осью, перпендикул рной ее входной грани.

Угол р поворота плоскости пол ризации на выходе из анизотропного элемента 8 зависит от разности хода параксиального светового пучка в клинь х 9 и 10 и определ етс  выражением

p Mdi-d2)(1) где удельное вращение плоскости по- л ризации оптически активного материала клина;

ch и d2 - длина хода параксиального светового пучка в клинь х 9 и 10 соответственно ,

При прохождении параксиального светового пучка по центру анизотропного клинового элемента его длина хода в клинь х 9 и 10 одинакова и равна

I

di d2 d Јtgd,(2)

где I - длина клина;

д -угол при вершине клина.

Следовательно, угол р поворота плоскости пол ризации на выходе из анизот- ропного клинового элемента равен нулю,

Пройд  по центру анизотропного клинового элемента 8, параксиальный световой пучок, не мен   азимута пол ризации, поступает на фазовую четвертьволновую пла- стинку 11, главна  ось которой расположена под углом р 0° к оси X. Далее параксиальный световой пучок проходит рассто ние L до зеркально-линзового отражател  2, отражаетс  и, пройд  рассто ние L в обратном ходе, вторично попадает на фазовую четвертьволновую пластинку. Действие четвертьволновой фазовой пластинки в пр мом и обратном ходе при одинаковой ориентации главных осей эквивалентно действию фазовой полуволновой пластинки с такой же ориентацией главной оси. Следовательно , состо ние пол ризации светового пучка после прохождени  данной пластины не изменитс .

При отсутствии линейного смещени  объекта 3 и зеркально-линзового отражател  2 вдоль оси Y отраженный параксиальный световой пучок не смещаетс  относительно оптической оси приемопере- датчика. Следовательно, вышедший из пластинки 11 световой пучок с азимутом пол ризации у 0° проходит анизотропный клиновой элемент 8 по центру. Согласно выражению (2) он не измен ет своего состо-  ни  пол ризации. Далее световой пучок проходит телескопическую систему 7, азимутальный электрооптический модул тор 6 и поступает на пол ризационный светоделитель 5, в обратном ходе выполн ющий функцию анализатора. Так как электрический вектор Е линейно пол ризованной световой волны направлен вдоль оси X (фиг.2). то отраженна  пол ризационным светоделителем компонента Еу равна нулю. Следовательно , сигнала на фотоприемнике 13 не будет.

Если объект 3 совместно с отражателем 2 сместитс  вдоль оси Y относительно первоначального положени  на величину Д|, то отраженный параксиальный световой пучок сместитс  относительно оптической оси приемопередатчика на величину 2 At. Следовательно , параксиальный световой пучок также сместитс  относительно центра анизотропного клинового элемента 8. При этом длина хода параксиального светового пучка в клинь х 9 и 10 будет соответственно равна

(3)

(4)

di1 (-2AI) , d21 () tg д,

а угол поворота плоскости пол ризации на выходе из анизотропного клинового элемента равны

yf ice Xdi1 - d21) А Itg д. (5) Знак минус в выражении (5) показывает, что свет проходит оптически активный материал в обратном направлении. При этом на пол ризационный светоделитель 5 поступает линейно пол ризационный световой пучок с азимутом пол ризации у1 вектор Е , фиг. 2). В этом случае интенсивность отраженного светоделителем проход щего конденсор 12 им поступающего на фотоприемник 13 света не равна нулю и согласно фиг.2 определ етс  выражением

l l0cos2(90-y)loSinV.(6) где I - интенсивность света на фотоприемнике;

10 - интенсивность линейно пол ризованного света, приход щего на пол ризационный светоделитель.

Таким образом, сигнал с фотоприемника 13 пропорционален углур поворота плоскости пол ризации, а следовательно, и величине ЛI линейного смещени  объекта с отражателем.

В реальных услови х световой пучок обладает конечными размерами, поэтому угол поворота плоскости пол ризации при однократном прохождении анизотропного клинового элемента 8 различен по сечению широкого светового пучка.

Рассмотрим прохождение такого пучка в пр мом и обргтном ходе через систему анизотропный клиновой элемент 8. фазова 

четвертьволнова  пластинка 11 и зеркально-линзовый отражатель 2.

На такую систему падает осевой линейно пол ризованный световой с азимутом пол ризации у 0° (вектор Е, фиг,2). На выходе анизотропного клинового элемента 8 образуетс  пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскости по- л ризации. Угол поворота плоскости пол ризации дл  верхнего (вектор EI, фиг.2) и нижнего (вектор Еа1, фиг.2) крайних лучей светового пучка на выходе из анизотропного клинового элемента 8 определ етс  выражением

1,2 ±| ,

где D - диаметр падающего на анизотропный клиновой элемент 8 широкого Светового пучка.

Пройд  анизотропный клиновой элемент 8, фазовую четвертьволновую пластинку 11 и рассто ние L до измер емого объекта, широкий световой пучок попадает на отражатель 2. При наличии линейного смещени  Д объекта 3 вдоль оси Y отраженный широкий световой пучок сместитс  относительно оптической оси приемопередатчика 1. Величина смещени  верхнего и нижнего крайних лучей светового пучка относительно оптической оси приемопередатчика соответственно равна

mi,2-.2Al (8)

Отраженный смещенный широкий световой пучок, пройд  рассто ние L в обратном ходе, вторично падает на фазовую четвертьволновую пластинку 11. Учитыва  действие фазовой четвертьволновой пластинки в пр мом и обратном ходе, азимут пол ризации верхнего (вектор EI , фиг.2) и нижнего (вектор Е21, фиг.2) крайних лучей выходного светового пучка соответственно равен

У1.2 ±|(9) Далее широкий световой пучок поступает на анизотропный клиновой элемент 8. В обратном ходе анизотропный клиновой элемент поворачивает плоскости пол ризации верхнего и нижнего крайних лучей на углы

pi.(2Al±Ј).(10)

Таким образом, из анизотропного клинового элемента выйдет линейно пол ризованный широкий пучок лучей, в котором азимут пол ризации дл  верхнего и нижнего крайних лучей определ етс  выражением

У1.2 У1,2 + У1.2 ±Ј (11)

Полученный результат позвол ет сделать вывод, что прошедший через представленную систему в пр мом и обратном ходе широкий световой пучок линейно пол ризован (вектор Е , фиг.2), причем азимут пол ризации не измен етс  по сечению пучка и аналогичен азимуту пол ризации параксиального светового пучка

у.

Исход  из изложенного следует, что уста15 новка анизотропного клинового элемента и фазовый четвертьволновой пластинки на выходе приемопередатчика в широком параллельном световом пучке снижает вли - . ниё увеличени  рассто ни  до подвижного объекта на точность измерений, выполн е20 мых данным устройством.

В данном устройстве модул ци  и компенсаци  угла поворота плоскости пол ризации у} за счет смещени  отраженного светового пучка по анизотропному клиново25 му элементу 8 осуществл етс  с помощью азимутального электрооптического модул тора 6. При подаче на него переменного синусоидального напр жени  с генератора 19 происход т колебани  азимута линейно

30 пол ризованного излучени  относительно нулевого положени  ( у 0°) на величину Ду sin 0)1, где Ду- девиаци  вектора;

sin о)t S(t)- модулирующий параметр. При этом если линейное смещение объекта

35 3 совместно с отражателем 2 отсутствует, а следовательно, и отсутствует вращение плоскости пол ризации светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 ( $ 0), с фотоприемника 13 снимаетс  сигнал с час40 тотой 2 Q) .В случае наличи  смещени  отражател  2 на величину ± AI вдоль оси Y относительно первоначального положени  угол поворота плоскости пол риза45 ции отраженного светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 будет отличен от нул  и с фотоприемника 13 снимаетс  сигнал с частотой (о , фаза которого зависит от направлени  смещени , а .амп50 литуда сигнала - от его величины. Таким образом, интенсивность падающего на фотоприемник света в динамическом режиме можно описать выражением

55 1-у 1 -cos(2 Ay slruw t+ ). (12)

Сигнал с фотоприемника подаетс  на узкополосный усилитель 14, усиливающий и пропускающий колебание с частотой w на

фазовый детектор 15. Посто нный знакопеременный сигнал с выхода фазового детектора подаетс  на регул тор смещени  16, который управл ет входом источника 17 посто нного смещени , С одного из выходов источника посто нного смещени  напр жение U , пропорциональное углу поворота

плоскости пол ризации $ , подаетс  на азимутальный электрооптический модул тор 6, при этом вектор линейно пол ризованного света, выход щего из азимутального электрооптического модул 0

тора, поворачиваетс  на угол и компенсирует угол поворота плоскости пол ризации , возникающий за счет смещени  отсаженного светового пучка по анизотропному клиновому элементу 8. Таким образом, на фотоприемнике 13 по вл етс  сигнал с частотой 2й), а на индикаторе 18, соединенном с другим выходом источника посто нного смещени , по витс  величина напр жени , пропорциональна  смещению объекта 3, знак которой зависит от направлени  смещени ,

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  определени  поперечных смещений объекта, содержащее основание и последовательно установленные на нем излучатель, азимутальный электрооптический модул тор анизотропный клиновой элемент и оптически св занные оптический элемент и приемный блок, электрически св занный с модул тором, от личающеес  тем, что, с целью повышени  точности определени  поперечных смещений удаленных объектов, оно снабжено установленными на основании последовательно по ходу излучени  за модул тором телескопической системой и за клиновым элементом - четвертьволновой фазовой пластиной и предназначенным дл  закреплени  на объекте зеркально-линзовым отражателем, клиновой элемент выполнен из двух клиньев, изготовленных из материала соответственно с разной оптической активностью и составлен так, что вращение плоскости пол ризации излучени  осуществл етс  в противоположных направлени х, а оптический элемент выполнен в виде пол ризационного светоделител , установлен между излучателем и модул тором и св зан с приемным блоком через конденсор.