RU2332638C1 - Multivalue holographic plane angle measure - Google Patents
Multivalue holographic plane angle measure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2332638C1 RU2332638C1 RU2006140710/28A RU2006140710A RU2332638C1 RU 2332638 C1 RU2332638 C1 RU 2332638C1 RU 2006140710/28 A RU2006140710/28 A RU 2006140710/28A RU 2006140710 A RU2006140710 A RU 2006140710A RU 2332638 C1 RU2332638 C1 RU 2332638C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- holograms
- plane
- angles
- rays
- diffracted
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для воспроизведения (мерам) плоского угла.The invention relates to metrology, in particular to devices for reproducing (measures) a flat angle.
Известна многозначная мера плоского угла (М.Г.Богуславский и др. Государственный первичный эталон единицы угла - радиана, Измерительная техника, 1972, № 7, с.9-10), представляющая собой многогранную кварцевую призму (из плавленого кварца), углы которой заданы нормалями к граням. Каждая нормаль воспроизводится физически с помощью луча автоколлиматора при совмещении перекрестия в фокальной плоскости автоколлиматора с его изображением, возникающим в результате отражения луча от грани. Угол между двумя нормалями воспроизводится путем поворота призмы вокруг оси, перпендикулярной измерительной плоскости автоколлиматора. Таким образом, в известном устройстве углы хранятся во взаимном расположении граней однородного кварцевого образца, а воспроизводятся с помощью отражения луча света от его элементов - граней и поворота образца.A multi-valued measure of a flat angle is known (M.G. Boguslavsky and others. The state primary standard of the angle unit is radian, Measuring equipment, 1972, No. 7, pp. 9-10), which is a multifaceted quartz prism (from fused quartz), the angles of which defined by the normals to the faces. Each normal is physically reproduced using the beam of the autocollimator when combining a crosshair in the focal plane of the autocollimator with its image resulting from the reflection of the beam from the face. The angle between the two normals is reproduced by rotating the prism around an axis perpendicular to the measuring plane of the autocollimator. Thus, in the known device, the angles are stored in the mutual arrangement of the faces of a homogeneous quartz sample, and are reproduced by reflection of a ray of light from its elements - faces and rotation of the sample.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип устройством является правильная многогранная эталонная призма по ГОСТ 2875. Призма обеспечивает воспроизведение углов с действительными значениями, близкими к (360/n)°, где n - число граней, и погрешностью, обусловленной неплоскостностью и пирамидальностью граней и составляющей доли угловой секунды. Существенными признаками известного устройства являются: материал, из которого изготовлена призма (кварц); ее форма, включая свойство правильности, т.е. равенства (в нормированных пределах) углов между нормалями к граням.The closest in technical essence and adopted for the prototype device is the correct multi-faceted reference prism according to GOST 2875. The prism provides reproduction of angles with real values close to (360 / n) °, where n is the number of faces, and the error due to the non-flatness and pyramidal nature of the faces and a fraction of a second of arc. The essential features of the known device are: the material from which the prism (quartz) is made; its form, including the property of correctness, i.e. equality (within normalized limits) of the angles between the normals to the faces.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- ограниченные снизу массогабаритные характеристики;- limited overall dimensions;
- низкая технологичность (изготовление призмы является принципиально штучным делом и требует длительного времени);- low manufacturability (manufacturing a prism is fundamentally a piece of business and requires a long time);
- наличие опасности спонтанного резкого изменения оптических и геометрических характеристик (так называемое «расстекловывание»);- the danger of spontaneous sharp changes in optical and geometric characteristics (the so-called "devitrification");
- ограниченная дискретность формируемой круговой шкалы плоского угла.- limited discreteness of the formed circular scale of a flat angle.
Вследствие недостатков кварцевой призмы ею может быть оснащено лишь небольшое количество учреждений, осуществляющих контроль углозадающих приборов на стационарных установках, ключевым элементом которых является такая призма. Вместе с тем, существует ряд областей использования этих приборов, для которых чрезвычайно существен был бы оперативный, проводимый на месте контроль их стабильности. В качестве примера можно привести судовождение, геодезические работы, проводимые в удаленных районах, функционирование космической аппаратуры.Due to the shortcomings of the quartz prism, it can only be equipped with a small number of institutions that monitor carbon-fixing devices in stationary installations, the key element of which is such a prism. At the same time, there are a number of areas of use of these devices, for which operational, on-site monitoring of their stability would be extremely essential. As an example, navigation, geodetic work carried out in remote areas, the functioning of space equipment.
Задача, которая решается предлагаемым изобретением, заключается в улучшении массогабаритных характеристик и технологичности устройства с одновременным повышением его надежности, а также дискретности формируемой круговой шкалы.The problem that is solved by the invention is to improve the overall dimensions and manufacturability of the device while increasing its reliability, as well as the discreteness of the formed dial.
Задача решается путем изменения материала образца, в котором хранятся углы, и соответственно характера взаимодействия образца с внешним оптическим излучением. В отличие от известного устройства с образцом из плавленого кварца, отражающего луч автоколлиматора, в предлагаемом устройстве используется образец из светочувствительного материала, при воздействии на который референтного лазерного луча индуцируется отклик в виде нескольких образующих плоский веер лучей, возникающих поочередно или одновременно. Углы между лучами-откликами являются аналогами углов между нормалями кварцевой призмы. В предлагаемом устройстве носителем значений угла является система наложенных голограмм, записанная в образце - параллелепипеде из светочувствительного (фотохромного) материала, при этом каждый луч создается одной голограммой, а голограммы могут быть расположены в пространстве равномерно или неравномерно.The problem is solved by changing the material of the sample in which the angles are stored, and, accordingly, the nature of the interaction of the sample with external optical radiation. In contrast to the known device with a fused silica sample reflecting the beam of an autocollimator, the proposed device uses a sample of a photosensitive material, upon exposure to which a reference laser beam, a response is generated in the form of several rays forming a flat fan that arise alternately or simultaneously. The angles between the response rays are analogous to the angles between the normals of a quartz prism. In the proposed device, the carrier of the angle values is a system of superimposed holograms recorded in a parallelepiped made of a photosensitive (photochromic) material, with each beam being created by one hologram, and the holograms can be arranged uniformly or unevenly in space.
Предлагаемое устройство может быть выполнено в двух модификациях. В модификации (А) референтный луч и веер поочередно возникающих дифрагированных лучей расположены в одной плоскости, а углы воспроизводятся при повороте образца вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. Воспроизводимый угол задается соседними положениями образца, в каждом из которых одна из голограмм системы формирует отклик, фиксируемый регистрирующим устройством. В модификации (Б) референтный луч и плоскость, в которой расположен веер дифрагированных лучей, взаимно перпендикулярны. В этом случае в формировании отклика принимают участие все голограммы системы одновременно, и совокупность воспроизводимых углов задается лучами, дифрагированными от отдельных голограмм. Отсчет углов может быть произведен путем поворота образца между положениями, в каждом из которых одна из голограмм системы формирует отклик, фиксируемый регистрирующим устройством. Альтернативный вариант механизма отсчета углов заключается в одновременной фиксации всех лучей неподвижного образца на шкале, в частности круговой. По аналогии с кварцевой призмой образец, содержащий систему голограмм, может быть назван голографической призмой. Ниже рассмотрены условия записи и использования двух описанных выше модификаций голографической призмы.The proposed device can be made in two versions. In modification (A), the reference beam and the fan of successively occurring diffracted rays are located in the same plane, and the angles are reproduced when the sample is rotated around an axis perpendicular to this plane. The reproducible angle is set by the neighboring positions of the sample, in each of which one of the holograms of the system generates a response recorded by the recording device. In modification (B), the reference beam and the plane in which the fan of diffracted rays is located are mutually perpendicular. In this case, all the holograms of the system take part in the formation of the response at the same time, and the totality of the reproduced angles is determined by the rays diffracted from the individual holograms. The angles can be counted by rotating the sample between positions, in each of which one of the holograms of the system generates a response recorded by the recording device. An alternative version of the angle reading mechanism consists in simultaneously fixing all the rays of a stationary sample on a scale, in particular circular. By analogy with a quartz prism, a sample containing a system of holograms can be called a holographic prism. The conditions for recording and using the two modifications of the holographic prism described above are discussed below.
Общими требованиями, предъявляемыми к фотохромному материалу, в котором записывается система голограмм, являются его высокая стабильность и устойчивость по отношению к внешним воздействиям. Для записи предлагается использовать кристаллы фторида кальция (минерал флюорит; этот термин общепринят и по отношению к синтетическим кристаллам) с N-центрами окраски, получаемые прокалкой кристаллов, легированных ионами щелочных металлов (литий, натрий), в восстановительной атмосфере паров металла (так называемое аддитивное окрашивание кристаллов). Эти центры состоят из 4-х анионных вакансий с электронгами. При освещении восстановленного кристалла излучением ультрафиолетового диапазона спектра при температуре (100÷200)°С N-центры трансформируются в высокоагрегированные центры окраски, включающие значительное число вакансий. Этот процесс сопровождается изменением оптических постоянных кристалла, его спектра поглощения и показателя преломления. Фотохромная среда на основе кристаллов флюорита с центрами окраски защищена патентом: Королев Н.Е., Мокиенко И.Ю., Полетимов А.Е., Щеулин А.С. Способ регистрации оптического изображения, авт. свид. СССР №1816142, 1990.The general requirements for a photochromic material in which a system of holograms is recorded are its high stability and resistance to external influences. For recording, it is proposed to use crystals of calcium fluoride (mineral fluorite; this term is also common with synthetic crystals) with N-centers of color obtained by calcining crystals doped with alkali metal ions (lithium, sodium) in a reducing atmosphere of metal vapor (the so-called additive dyeing crystals). These centers consist of 4 anion vacancies with electrons. When the reduced crystal is illuminated by the ultraviolet radiation of the spectrum at a temperature of (100 ÷ 200) ° C, N centers are transformed into highly aggregated color centers, including a significant number of vacancies. This process is accompanied by a change in the optical constants of the crystal, its absorption spectrum and refractive index. A photochromic medium based on fluorite crystals with color centers is protected by a patent: Korolev N.E., Mokienko I.Yu., Poletimov A.E., Shcheulin A.S. The method of registering an optical image, ed. testimonial. USSR No. 1816142, 1990.
Активированные щелочными металлами кристаллы флюорита, являющиеся материалом для записи голограмм, могут быть приготовлены с использованием известных методов, состоящих в выращивании неорганических фторидов методом направленной кристаллизации (метод Бриджмена-Стокбаргера) в вакууме. Аддитивное окрашивание кристаллов производится в известном устройстве, именуемом тепловой трубой, позволяющем производить прогрев кристаллов в парах металла и обеспечивающем раздельное управление температурой окрашиваемого кристалла и давлением восстанавливающего агента - параметалла.Fluorite crystals activated by alkali metals, which are the material for recording holograms, can be prepared using known methods consisting in the cultivation of inorganic fluorides by the directed crystallization method (Bridgman-Stockbarger method) in vacuum. Additive coloring of crystals is carried out in a known device called a heat pipe, which allows heating crystals in metal vapor and provides separate control of the temperature of the painted crystal and the pressure of the reducing agent - parametal.
Ввиду устойчивости кристаллов флюорита, сохраняющегося в природе в течение геологических эпох, и специфических условий, при которых происходят фотохромные преобразования в кристаллах флюорита с примесями щелочных металлов (повышенная температура, ультрафиолетовое излучение) записанные в них голограммы при нормальных условиях хранения и эксплуатации (диапазон температур ниже 100°С, естественное освещение) демонстрируют высокую стабильность (сохраняемость). Характеристики голограмм, записанных 15-20 лет тому назад, не претерпели за это время каких-либо заметных изменений. Достигнутая дифракционная эффективность голограмм (порядка 15 процентов) достаточна для их применения в предлагаемом метрологическом устройстве. Голографическая призма из флюорита в виде кубика с размером ребра 1 см имеет массу 3,18 г.Due to the stability of fluorite crystals that persist in nature during geological epochs and the specific conditions under which photochromic transformations in fluorite crystals with impurities of alkali metals occur (elevated temperature, ultraviolet radiation), holograms recorded in them under normal conditions of storage and use (temperature range below 100 ° C, natural light) demonstrate high stability (retention). The characteristics of holograms recorded 15-20 years ago have not undergone any noticeable changes during this time. The achieved diffraction efficiency of holograms (about 15 percent) is sufficient for their use in the proposed metrological device. A holographic fluorite prism in the form of a cube with a rib size of 1 cm has a mass of 3.18 g.
Голографическая призма, имеющая существенно меньшие габариты и массу и доступная серийному производству, является основой для создания малогабаритных калибровочных и контрольных устройств, которые могут использоваться непосредственно в местах эксплуатации углозадающей аппаратуры или даже встраиваться в эту аппаратуру. Эта призма может, таким образом, стать основой построения нового поколения углозадающих и углоизмерительных устройств. Меньшие размеры голографической призмы делают ее менее чувствительной к вибрациям, понижающим точность измерений. Дополнительным преимуществом голографической призмы является возможность реализации неравномерного ряда углов, что позволяет увеличить дискретность калибровки, которая ограничена, в принципе, только наименьшим модулем сравнения всех пар углов ряда.A holographic prism, which has significantly smaller dimensions and mass and is available for mass production, is the basis for the creation of small-sized calibration and control devices that can be used directly in the field of operation of coal-setting equipment or even built into this equipment. This prism can, therefore, become the basis for the construction of a new generation of angle-locking and angle-measuring devices. The smaller size of the holographic prism makes it less sensitive to vibrations, which reduces the accuracy of measurements. An additional advantage of the holographic prism is the possibility of implementing an uneven series of angles, which allows to increase the calibration resolution, which is limited, in principle, only to the smallest module for comparing all pairs of angles of the series.
Исходя из изложенного выше, заявленная совокупность признаков позволяет получить многозначную меру плоского угла, отличающуюся пониженными массогабаритными характеристиками и повышенной технологичностью и надежностью.Based on the foregoing, the claimed combination of features allows to obtain a multi-valued measure of a flat angle, characterized by reduced weight and size characteristics and increased manufacturability and reliability.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by the drawings, which depict:
фиг.1 - принципиальная схема расположения составных частей установки для использования устройства [голографической призмы], модификация (А), где введены следующие, единообразные для всех фигур, обозначения: 1 - источник первичного излучения (референтный He-Ne лазер); 2 - референтный луч; 3 - голографическая призма (кристалл с голограммами); 4 - поворотное устройство сопряжения кристалла с углозадающей аппаратурой; 5 - дифрагированный луч, сформированный одной из голограмм; 6 - приемник излучения, индуцированного голограммой (ПЗС-матрица);figure 1 is a schematic diagram of the location of the components of the installation for using the device [holographic prism], modification (A), where the following designations are introduced, uniform for all figures: 1 - source of primary radiation (reference He-Ne laser); 2 - reference beam; 3 - holographic prism (crystal with holograms); 4 - rotary device for interfacing a crystal with angle-setting equipment; 5 - diffracted beam formed by one of the holograms; 6 - receiver of radiation induced by a hologram (CCD matrix);
фиг.2 - принципиальная схема расположения составных частей установки для использования устройства [голографической призмы], модификация (Б);figure 2 is a schematic diagram of the location of the components of the installation for use of the device [holographic prism], modification (B);
фиг.3 - модификация (А), вид сверху;figure 3 - modification (A), top view;
фиг.4 - сечение А-А для модификации (А);figure 4 - section aa for modification (A);
фиг.5 - модификация (Б), вид сверху;5 is a modification (B), a top view;
фиг.6 - сечение А-А для модификации (Б).6 is a section aa for modification (B).
В модификации (А) при записи голограмм в призме 3, в которой референтный луч 2 и дифрагированный луч 5 расположены в одной плоскости, последняя задается записывающими голограмму лучами. При этом угол сведения записывающих лучей в объеме кристалла 3 выбирается исходя из конкретных условий работы призмы (диаметр рабочих пучков, фокусное расстояние объектива, используемого для регистрации дифрагированного пучка и т.п.). Формирование системы голограмм производится путем последовательной их записи в одном и том же объеме; после записи каждой голограммы кристалл поворачивается на заданный угол вокруг оси, перпендикулярной плоскости сведения записывающих лучей. Для использования записанной таким образом голографической призмы 3 в качестве меры угла (фиг.1, 3) она также устанавливается на поворотное устройство 4, при этом референтный лазерный луч 2 направляется перпендикулярно оси вращения этого устройства. В качестве референтного лазера 1 может быть использован лазер с любой длиной волны. Каждая голограмма записанной в кристалле 3 системы посылает дифрагированный луч 5 в том случае, когда ее ориентация относительно референтного луча 2 удовлетворяет условию Брэгга. Все голограммы системы дают отклик по одному и тому же направлению, но при различных положениях кристалла 3, определяемых углом его поворота относительно оси вращения. Таким образом, фиксация очередного дифрагированного луча 5 в той же точке отсчетного (индикаторного) устройства приемника 6, что и предыдущего луча, свидетельствует о повороте на один из известных постоянных углов, обусловленных пространственным взаиморасположением голограмм в системе. Значения углов определяют при калибровке призмы 3 с использованием подходящего по точности эталона.In modification (A), when recording holograms in a
В модификации (Б) при записи голограмм в призме 3, в которой референтный луч 2 перпендикулярен плоскости дифракции, ось вращения кристалла 3 при записи должна быть расположена в плоскости сведения записывающих лучей, а угол сведения лучей должен быть задан надлежащим образом, чтобы обеспечить перпендикулярность дифрагированного луча 5 оси вращения. В свою очередь угол сведения записывающих лучей определяет необходимое отношение длины волны референтного лазера 1 к длине волны записывающего лазера. В отличие от модификации (А) референтный луч 2 индуцирует одновременный отклик от всех голограмм системы. При использовании призмы можно фиксировать углы аналогично (А) путем поворота кристалла 3 до того момента, когда очередной луч 5 займет то же положение, которое до поворота занимал предыдущий луч. Возможен альтернативный вариант, когда одновременно фиксируют все лучи на шкале отсчетного устройства приемника 6, градуированной в угловых единицах.In modification (B), when recording holograms in
Примером конкретной реализации является изготовленный опытный образец голографической призмы в модификации (А) из кристалла флюорита с центрами окраски, в котором записаны семь голограмм. Голограммы ориентированы друг относительно друга таким образом, что референтный луч стандартного гелий-неонового лазера (длина волны 632,8 нм, мощность 1 мВт), направленный перпендикулярно оси вращения поворотного устройства, с которым совмещен образец, вызывает отклик в плоскости, перпендикулярной этой оси. При этом угол между соседними положениями кристалла, при которых выполняется условие Брэгга (возникает дифрагированный луч), составляет 10°. В образце достигнута дифракционная эффективность каждой голограммы, равная 0,5%, что обеспечивает мощность сигнала на фотоприемнике порядка 5 мкВт, достаточную для устойчивой регистрации сигнала.An example of a specific implementation is a prototype of a holographic prism in modification (A) made of a fluorite crystal with color centers, in which seven holograms are recorded. The holograms are oriented relative to each other in such a way that the reference beam of a standard helium-neon laser (wavelength 632.8 nm,
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006140710/28A RU2332638C1 (en) | 2006-11-14 | 2006-11-14 | Multivalue holographic plane angle measure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006140710/28A RU2332638C1 (en) | 2006-11-14 | 2006-11-14 | Multivalue holographic plane angle measure |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006140710A RU2006140710A (en) | 2008-05-20 |
RU2332638C1 true RU2332638C1 (en) | 2008-08-27 |
Family
ID=39798686
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006140710/28A RU2332638C1 (en) | 2006-11-14 | 2006-11-14 | Multivalue holographic plane angle measure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2332638C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2637727C1 (en) * | 2016-09-21 | 2017-12-06 | ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Standard of unit of straight angle |
-
2006
- 2006-11-14 RU RU2006140710/28A patent/RU2332638C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2637727C1 (en) * | 2016-09-21 | 2017-12-06 | ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Standard of unit of straight angle |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006140710A (en) | 2008-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2003194586A (en) | Optical encoder and scale for encoder | |
CN100405003C (en) | Method and apparatus for correcting conversion coefficient of stripe gauging device and stripe gauging device | |
CN102401630B (en) | Spatial phase shift Fizeau spherical interferometer | |
RU2332638C1 (en) | Multivalue holographic plane angle measure | |
CN112113515B (en) | Phase encoding and decoding method and device for single interference reading phase | |
CN107421464B (en) | High-precision interference-type dibit phase grating displacement sensor for measuring surface form | |
CN114061803A (en) | Circular polarization photoelastic stress measuring system and measuring method | |
Angervaks et al. | A holographic prism based on photo-thermo-refractive glass: requirements and possibilities | |
Granovskiĭ et al. | Holographic prism as a new optical element: I. Principle of operation and experimental implementation | |
Coe | An Investigation of Frequency Scanning Interferometry for the alignment of the ATLAS semiconductor tracker | |
CN207440368U (en) | A kind of prism angle debugging device | |
CN103267573A (en) | adjustable wave plate type polarization interference imaging spectrometer | |
RU2471148C1 (en) | Device for controlling rotation of object | |
Granovskiy et al. | Holographic Prism–The New Plane Angle Measure on Base of Hologram Array in Crystalline Photochromic Nano-material | |
JPH04504471A (en) | Reflex-activated detection device that remotely detects physical quantities | |
CN114414052B (en) | Polarization intensity dual-mode imaging system based on twisted liquid crystal array | |
JPS581743B2 (en) | Refractive index dispersion measuring device | |
CN104535181B (en) | Utilize the device that visible spectrum bore hole is observed and read wavelength by transmission grating and the method observing and reading wavelength based on this device | |
SU1485190A1 (en) | Shadow apparatus | |
CA2320850C (en) | Linear conoscopic holography | |
Okun et al. | Holographic prism on photo-thermo-refractive glass for metrological applications | |
Avanesov et al. | Rotation angle measurement device: Principle of operation and initial calibration results | |
SU1186986A1 (en) | Apparatus for measuring resolution of optical spectral instruments | |
Zhukov et al. | High-accuracy device for measuring the twist angle | |
GB2044444A (en) | Method for remote determination of the geological nature of a homogeneous surface |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161115 |