SU1727105A1 - Автоколлимационное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптическому приборостроению и может быть использовано дл  измерени  угловой ориентации отражающих поверхностей. Цель изобретени  - повышение чувствительности и обеспечение управлени  ее величиной . Указанна  цель достигаетс  тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оп- тической оси луча источник 1 света, светоделитель 3, объектив 4, полупрозрачное зеркало 5, отражатель 6 и позиционно- чувствительный приемник9, дополнительно содержит задающий пол ризатор 2, расположенный между источником 1 .света и светоделителем 3, скрещенный с ним пол ризатор-анализатор 8, расположенный между светоделителем 3 и пол ризационно- чувствительным фотоприемником 9, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом 5 и отражателем 6 элемент 7 поворота плоскости пол ризации на 90° за 2/т проходов излучени  во встречных направлени х , где т- заданный пор док повышени  чувствительности. При этом элемент 7 поворота плоскости пол ризации выполнен либо в виде  чейки Керра, либо в виде  чейки Фараде , либо в виде фазовращающей пластины , котора  установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости пол ризации задающего пол ризатора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил. СП

Description

Изобретение относитс  к оптическому приборостроению и может быть использовано дл  измерени  угловой ориентации отражающих поверхностей.

Известно устройство, содержащее источник света, объектив, светоделитель, по- зиционно-чувствительный фотоприемник. Однако угловое разрешение и поле зрени  такого устройства ограничено входным отверстием и величиной фокусного рассто ни  объектива, вследствие чего и точность измерени  таким устройством будет низка .

Известен фотоэлектрический автоколлиматор , содержащий источник света, марку , объектив, отражатель в виде пр моугольной призмы, два пол ризатора со взаимно перпендикул рными плоскост ми пол ризации, которые расположены между объективом и отражателем, светоделитель , установленный между пол ризаторами и отражателем, модул тор, фотоприемную и измерительную части. Такое устройство позвол ет с высокой точностью измер ть отклонение от пр мого угла исследуемой призмы. Однако при помощи такого устройства невозможно измер ть угловое отклонение отражател  с расположенным на нем контролируемым объектом.

Известен топографический светодаль- номер Кристалл, содержащий два скрещенных пол ризатора и пластину А/4, в котором оптическое излучение после прохождени  через пол ризаторы линейно пол ризуетс . Полезный сигнал дважды проходит через фазовращающую пластинку А/4 и его плоскость пол ризации поворачиваетс  на 90°.

Вследствие этого сигнал проходит через выходной пол роид практически без снижени  интенсивности, в то врем  как шумова  компонента излучени  (блики, рассе нный свет) остаетс  пол ризованной в плоскости задающего пол ризатора, т.е. практически.не пропускаетс  выходным пол ризатором .

Таким образом, в выходной плоскости устройства обеспечиваетс  повышение отношени  сигнал-шум и тем самым повышаетс  чувствительность устройства. Однако положение центра п тна в зависимости от угла поворота отражател  относительно оптической оси системы остаетс  таким же, как и у традиционного автоколлиматора. Это можно отнести к недостаткам устройства.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство, содержащее расположенные на оптической оси источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель, фотоприемную и измерительную части. Отражатель этого устройства состоит из неподвижного зеркала и расположенного между ним и объективом контролируемого оптического клина. В этом

устройстве полупрозрачное зеркало образует с отражател емиконтроли руем ымклином ветвь оптической обратной св зи. Введение такого элемента позвол ет получить в выходной плоскости набор световых п тен,

расположенных на рассто нии

fm 2fm(5, где f - фокусное рассто ние объектива;

д - угол падени  пучка света на отражатель;

m - пор док увеличени  чувствительности

от оптической оси системы. Дл  такого коллиматора огибающа  световых п тен в выходной плоскости сдвинута на некоторую

величину относительно светового п тна в традиционном автоколлиматоре (т.е. без полупрозрачного зеркала), что повышает чувствительность этого устройства.

Однако при этом интенсивность первого п тна всегда выше, чем последующих (интенсивность определ етс  коэффициентом отражател  полупрозрачного зеркала), а это определ ет максимальный вклад этого п тна в огибающую.

Исход  из этого, недостатком такого устройства  вл етс  недостаточно высока  чувствительность , а также невозможность управл ть величиной этой чувствительности .

Цель изобретени  - повышение чувствительности и обеспечение управлени  ее величиной. Указанна  цель достигаетс  тем, что автоколлимационное устройство , содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света,светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и по- зиционно-чувствительный приемник, дополнительно содержит задающий

пол ризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним пол ризатор (анализатор), расположенный между светоделителем и пол риза- ционно-чувствительным фотоприемником,

а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем элемент поворота плоскости пол ризации на 90° за 2т проходов излучени  во встречных направлени х , где m - заданный пор док повышени  чувствительности. При этом элемент поворота плоскости пол ризации выполнен либо в виде  чейки Керра, либо в виде  чейки Фараде , либо в виде фазовра- щающей пластины, котора  установлена с

возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости пол ризации задающего пол ризатора.

В известных технических решени х при прохождении излучени  через фазовраща- ющую пластину А/4 интенсивность полезного сигнала практически не уменьшаетс , в то врем  как шумова  компонента не пропускаетс  выходным пол ризатором. Таким образом, за счет повышени  отношени  сигнал-шум повышаетс  чувствительность известного автоколлиматора, т.е. фазовращающа  пластина Л/4 служит дл  разделени  входного и выходного световых пучков (что необходимо дл  устранени  паразитных засветок), в то врем  как в предлагаемом техническом решении фазовращающа  пластина (в составе блока пол ризационной селекции) необходима дл  регулировани  и повышени  угловой чувствительности.

В известном техническом решении дл  повышени  чувствительности фазовращающа  пластина должна иметь толщину только Л/4 (чтобы плоскость пол ризации поворачивалась на 90°). В предлагаемом техническом решении толщина пластины должна быть любой, отвечающей соотношению d

-д-ттг- . где А ос-длина волны источчгп По - Пе)

ника света, п0 и пе - коэффициенты преломлени  обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

В известном техническом решении фазовращающа  пластина может быть установлена в любом месте оптической схемы после источника света и задающего пол ризатора , в то врем  как в предлагаемом техническом решении место расположени  ффазовращающей пластины строго определено (в ветви оптической обратной св зи).

В известном техническом решении фазовращающа  пластина дл  достижени  поставленной цели должна быть установлена строго под углом 45° к плоскости задающего пол ризатора. При этом чувствительность - величина посто нна . В предлагаемом техническом решении фазовращающа  пластина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси. Это позвол ет плавно регулировать чувствительность и согласовывать ее с заданной энергетической чувствительностью фотоприемника или необходимым полем зрени .

Кроме того, помимо фазовращающей пластины в предлагаемом техническом решении преобразователем пол ризации могут служить и другие элементы, которые могут вли ть на пол ризацию светового пучка ( чейка Фа раде ,  чейка Керра, а также другие элементы, поворачивающие плоскость л

пол ризации на угол р 2т 1 где т П°РЯ

док увеличени  чувствительности).

Положительный эффект от использовани  предлагаемого технического решени 

заключаетс  в повышении чувствительности и возможности управлени  ее величиной . Последн   достигаетс  путем размещени  преобразовател  пол ризации в ветви оптической обратной св зи. При

этом преобразователем пол ризации служит либо устройство, поврачивающее

л плоскость пол ризации на угол р -г- ,

где m - пор док увеличени  чувствительности , либо фазовращающа  пластина с возможностью поворота вокруг оптической оси и толщиной, определ емой из соотношени . .AQC

4т (п0 -пе) ;

где Я ос - длина волны источника света;

По и пе - коэффициенты преломлени  обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно,

причем с целью оптимизации чувствительности ось фазовращающей пластины расположена под углом 45° к плоскости пол ризации.

На чертеже схематически изображено

предлагаемое устройство. Устройство выполнено в виде последовательно расположенных на оптической оси источника 1 излучени , задающего пол ризатора 2, светоделител  3, объектива 4, полупрозрачного зеркала 5, отражател  (зеркала с исследуемым объектом) 6, преобразовател  пол ризации в виде фазовращающей пластины 7, пол ризатора-анализатора 8, скрещенного с задающим

пол ризатором 2, позиционно-чувствитель- ного приемника 9.

Устройство работает следующим образом .

Излучение от точечного источника 1 через задающий пол ризатор 2, светоделитель 3 попадает на объектив 4, пройд  через который преобразуетс  в параллельный пучок . Далее этот пучок, проход  через полупрозрачное зеркало 5 и преобразователь 7

пол ризации, попадает на отражатель 6, повернутый относительно плоскости, перпендикул рной оси системы, на контролируемый угол в.

Отразившись от отражател  6, пучок

снова проходит через преобразователь 7

пол ризации и полупрозрачное зеркало 5 и фокусируетс  с помощью объектива 4 в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9. На пути оптического пучка, попадающего на фотоприемник 9, установ- лен пол ризатор-анализатор 8, скрещенный с задающим пол ризатором 2. Часть пучка, не прошедша  через полупрозрачное зеркало 5, отражаетс  от него и, вновь пройд  через преобразователь 7 пол ризации, попадает на отражатель 6, после чего через элементы 5 и 7 снова возвращаетс  в систему .

Подобный процесс происходит многократно . При этом каждое прохождение сиг- нала через элементы 5-7 приводит к дополнительному увеличению угла между оптической осью системы и реальным направлением распространени  пучка. Это приводит к тому, что в выходной плоскости (в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9) точечное изображение источника дл  каждого из пучков располагаетс  на рассто нии 2 nf в от оптической оси системы, где п - номер пробега пучка, В - угол отклонени  отражател  6 относительно оптической оси системы, f - фокусное рассто ние объектива. Наличие элемента 7 приводит к тому, что каждое прохождение сигнала через элементы 5-7 (образующих ветвь оптической обратной св зи) характеризуетс  своим состо нием пол ризации. Это выражаетс  в том, что дл  преобразовател  пол ризации, выполненного в виде слюд ной пластинки, в зависимости от ее толщины плоско-пол ризованный свет преобразуетс  в эллиптически-пол ризован- ный с различными соотношени ми полуосей эллипса дл  каждого пробега излучени . В том случае, если преобразова- тель пол ризации выполнен в виде  чейки Керра,  чейки Фараде , кварцевой пластинки изменение состо ни  пол ризации выражаетс  в повороте плоскости пол ризации светового пучка, кратный n-номеру пробега излучени  в ветви оптической обратной св зи . Причем дл  малых номеров пробега п- пучков состо ние пол ризации будет близким к состо нию пол ризации исходного пучка, а дл  определенного номера про- бега Ммакс (при толщине пластины d

т,-7-ч. где Лос длина волны источЧГП По - Ле

ника света, п0 и Пе - коэффициенты преломлени  обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно) или дл  элементарного угла поворота плоскости пол ризации,

определ емого из выражени  р - д- , где

m - пор док увеличени  чувствительности) многократное воздействие преобразовател  7 пол ризации приводит к повороту плоскости пол ризации на 90°.

Соответственно и услови  прохождени  излучени  через пол ризатор-анализатор 8 дл  пучков с малыми номерами пробегов будут неблагопри тными (наблюдаетс  почти полное их гашение), а m-ый пучок выдел етс  по интенсивности.

Результирующа  интенсивность в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9 описываетс  соотношением

J-I в(га). m

(x-20fm)2

(1)

(

где q - коэффициент отражени  полупрозрачного зеркала 5;

D - диаметр входного отверсти  объектива 4;

В(т)- коэффициент, определ ющий изменение интенсивности за счет пол ризационной селекции.

В случае, когда преобразователь пол ризации выполнен в виде слюд ной пластинки , коэффициент В(т) приобретает вид

B(m) sin2 f (n0-ne)md.(2)

Таким образом, результирующа  интенсивность , определ ема  суммой интенсив- ностей отдельных п тен, формируетс  за счет максимального вклада т-го п тна. Это приводит к тому, что центр результирующего п тна сдвигаетс  относительно оптической оси системы на величину, большую, чем в случае отсутстви  элементов 5 и 7, образующих вместе с элементами 6 и 7 ветвь оптической обратной св зи, и в случае отсутстви  элементов пол ризационной селекции . Отсюда следует, что совокупность действи  элементов, содержащихс  в ветви оптической обратной св зи, и элементов, составл ющих блок пол ризационной селекции , приводит к существенному повышению чувствительности предлагаемого автоколлимационного устройства. Кроме того, если в качестве преобразовател  пол ризации использована фазовращающа  пластинка, то, измен   ее толщину, можно регулировать величину чувствительности устройства. Регулировать величину чувствительности можно также путем поворота фа- зовращающей пластины в плоскости, перпендикул рной оптической оси системы. При этом оптимальной установкой пластины будет расположение ее оси под углом 45° к исходной плоскости пол ризации пучка. В

этом случае плоскость пол ризации т-го п тна повернута строго на 90° и оно максимально выделено по интенсивности на фоне п тен более низкого пор дка, дл  которых состо ние пол ризации приближаетс  к состо нию пол ризации исходного пучка (т.е. наблюдаетс  гашение интенсивности п тен низших пор дков).

Пример. Согласно изобретению был изготовлен опытный образец автоколлимационного устройства. В качестве источника излучени  был использован полупроводниковый лазер ИЛПИ-27К с длиной волны излучени  Я 0,67 мкм. Преобразователем пол ризации служила слюд на  пластина. Коэффициент отражени  полупрозрачного зеркала пор дка 70%. В качестве задающего пол ризатора и пол ризатора-анализатора были использованы стандартные пленочные пол роиды. Фокусное рассто ние используемого объектива 75 мм, диаметр его входного отверсти  10 мм. Контролируемый угол поворота отражател  .

Были проведены испытани  опытного образца автоколлимационного устройства, которые показали, что предельна  погрешность измерений равна 1, что на пор док лучше, чем у других известных автоколлиматоров с аналогичными параметрами оптических элементов. Кроме того, в предлагаемом автоколлимационном устройстве фокусное рассто ние объектива в несколько раз меньше , чем в других известных автоколлиматорах (75 и 250 мм соответственно), вследствие чего существенно уменьшены его габариты и материалоемкость.

Claims (6)

1. Автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и позици- онно-чувствительный фотоприемник, отличающеес  тем, что, с целью повышени  чувствительности, в него введены задающий пол ризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним пол ризатор-анализатор, расположенный между светоделителем и позиционно-чувствительным фотоприемником , а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем

элемент поворота плоскости пол ризации на 90° за 2т проходов излучени  во встреч- ных направлени х, где m - заданный пор док повышени  чувствительности.

2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что элемент поворота плоскости

пол ризации выполнен в виде  чейки Керра.

3.Устройство по п. 1,отличающее- с   тем, что элемент поворота плоскости пол ризации выполнен в виде  чейки Фараде .

4.Устройство поп. 1,отличающее- с   тем, что элемент поворота плоскости пол ризации выполнен в виде фазовращающей пластины, толщина d которой определ етс  из соотношени 

. /ОС

4т(П0 - пе) где АОС- длина волны источника света;

п0 и пе - коэффициенты преломлени  фазовращающей пластины дл  обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно .

5.Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей путем обеспечени  управлени  величиной чувствительности, фазовращающа  пластина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства.

6. Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости

пол ризации задающего пол ризатора.

45