SU443250A1 - Устройство дл дистанционного измерени тепловых деформаций оптических элементов - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к оптико-электронным системам и предназначено дл  измерени  изменений углов отклонени  отраженного от объекта светового потока при его деформации .

Известные устройства дл  дистанционного измерени  тепловых деформаций оптических элементов содержат осветитель, призму-анализатор с фаской, объектив, модул тор, оптические элементы, служащие дл  направлени  световых потоков после разделени  на призмеанализаторе на приемник излучени , соединенный с электронной схемой.

В известных устройствах на фотоприемнике сравниваютс  световые потоки, отраженные от двух граней призмы-анализатора.

Однако эти устройства не позвол ют производить измерени  тепловых расстройств оптических элементов с углами отклонени , близкими к 180°, привод т к симметричному делению возвращаемого в угломер светового потока , что не дает сигнала рассогласовани  на выходе электронного тракта. Кроме того, известные устройства обладают недостаточной помехозащищенностью, так как посылаемый па исследуемый элемент световой поток не модулируетс , вследствие чего сигнал невозможно отделить от фона, а так как они построены по схеме автоколлиматора, то снижаетс  точность из-за возникновени  бликов от линз объектива.

Дл  повышени  точности и автоматизации процесса измерений углов отклонени  световых лучей, вызванных деформацией отражающих оптических элементов с четным числом отражающих граней и углами отклонени , близкими к 180°, в предлагаемом устройстве совместно с призмой-анализатором установлен светоделительный блок в виде призмы-куба, перед выходной гранью которого укреплена

диафрагма, причем оптические длины хода от разделительной грани светоделительного блока до диафрагмы и до плоскости фаски призмы-анализатора равны, а одна из поверхностей модул тора выполнена зеркальной. Перед зеркальной поверхностью модул тора в ходе отраженного от нее светового потока в одном из плеч устройства установлен компенсационный приемник излучени .

Кроме того, дл  приведени  сигнала рассогласовани  к нулю, в ходе прощедщих диафрагму лучей между фотоприемником и модул тором установлен нейтральный ослабитель, выполненный в виде нейтрально-серого денситометрического клина.

На фиг. 1 и 2 изображена оптическа  схема описываемого устройства; на фиг. 3 - вид на призму-анализатор в плане; на фиг. 4 - блок-схема электронного тракта.

Осветитель устройства состоит из источника

света 1, линз 2 и 3. Модул тор 4 несущей частоты расположен в плоскости изображени 

тела накала источника света 1 конденсором (линзой) 2 и приводитс  во вращение двигателем 5. Светоделительный блок склеен из трех призм 6, 7, 8 типа АР-90°, причем призмы 7 и 8 склеены своими гипотенузными гран ми и образуют известную призму-куб, а призма 6 приклеена катетной гранью к «атетной грани призмы 8. Кроме того, на катетную грань призмы 7 наклеена своей гилотенузной гранью призма-анализатор 9 с фаской 9а (фиг. 2). Катетна  грань 9s призмы-анализатора 9 и часть фаски закрыты экраном 10. Экран 10 оставл ет на фаске прозрачное дл  световых лучей квадратное отверстие (фиг. 3). На катетную грань 96 призмы-анализатора нанесено отражательное покрытие. У свободной катетной грани призмы 8 расположена квадратна  диафрагма 11, размеры отверсти  которой равны размером квадратного отверсти , образуемого экраном 10 на фаске 9а. Рассто ние от диафрагмы 10 до грани призмы 8 равно приведенному к воздуху рассто нию между гипотенузной гранью и фаской 9а призмыанализатора 9. Изображение свет щегос  тела источника света 1 линзами 2 и 3 расположено в плоскости фаски 9а. Показатели преломлени  стекол призм 7 и 8 и кле  подобраны таким образом, чтобы примерно 95% световой энергии проходило через плоскость склейки и 5% отражалось в сторону диафрагмы 11. Линза 12 и зеркало 13 образуют изображение диафрагмы 11 в плоскости модул тора 14, а линза 15 и зеркало 16 - изображение линии пересечени  плоскостей фаски 9а и отражательной грани 96 призмы-анализатора 9 в плоскости модул тора 14. На переднюю плоскость 14а модул тора 14 (фиг. 2) нанесено отражательное покрытие, лучи от которого попадают на компенсационный приемник излучени  17. Модул тор 14 приводитс  во вращение двигателем 18. Генератор опорного напр жени  19 охватывает часть диска модул тора 14. Генератор может быть магнитным, либо фотоэлектрическим. Линзы 20 и 21 обеспечивают равномерную засветку светочувствительной площадки приемника излучени  22. Нейтральный ослабитель 23 светового потока с переменным ослаблением расположен между модул тором 14 и приемником излучени  22 в световом пучке, идущем от диафрагмы 11. Ослабитель может быть выполнен, например, в виде денситометрического клина и перемещатьс  поперек пучка. Устройство снабжено объективом 24, фокальна  плоскость которого совпадает с плоскостью фаски 9а. Исследуемый оптический элемент 25 расположен перед объективом устройства таким образом, чтобы ребра, образованные пересечением отражательных плоскостей, были параллельны линии пересечени  плоскости фаски 9а и плоскости отражательной грани 96 призмы-анализатора 9.

Схема выделени  и регистрации сигнала (фиг. 4) включает приемники излучени  22 и 17, генератор опорного напр жени  (ГОН) 19,

компенсационное устройство 26, усилитель несущей частоты 27, детектор 28, усилитель 29, усилитель ГОН 30, демодул тор 31 и автоматический электронный потенциал 32. Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника света 1, промодулированный модул тором несущей частоты, попадает на призму 6 и делитс  светоделительным блоком, состо щим из призм 7 и 8,

на две части, причем меньша  часть потока (около 5%) отражаетс  от плоскости склейки в сторону диафрагмы 11, больша  часть (около 95%) проходит к призме 9. Линзы 2 и 3 стро т изображение свет щегос  тела источника света в плоскости фаски 9а призмы-анализатора 9 и в плоскости диафрагмы И, так как удаление диафрагмы 11 от свободной катетной грани призмы 8 равно приведенному к воздуху рассто нию между гипотенузной гранью и плоскостью фаски 9а призмы-анализатора 9. Изображение свет щегос  тела источника света 1 несколько превышает размеры свободного квадратного отверсти  на фаске 9а и соответственно размеры отверсти  в диафрагме 11.

Световой поток, прошедший сквозь призмуанализатор 9, направл етс  объективом 24 на исследуемый элемент 25. Плоскость фаски 9а расположена в фокальной плоскости объектива 24, вследствие чего лучи выход т из объектива параллельным пучком. Если угол отклонени  лучей исследуемым элементом 25 равен 180°, то отраженный от элемента 25 пучок собираетс  при идеальном качестве объектива строго на фаске 9а и не отражаетс  боковой гранью 96 призмы-анализатора 9. Изменение температурного пол  исследуемого элемента 25 приводит к тепловым расстройствам: по вл ютс  температурные градиенты в теле элемента, искривл ютс  его грани, вследствие чего угол отклонени  лучей элементом 25 измен етс . Отличие угла отклонени  от 180° дает двоение отраженного пучка на два пучка 33 и 34 (фиг. ). Оба

пучка собираютс  объективом 24 на призмеанализаторе 9. Чем больше отличие угла отклонени  от 180°, тем больша  часть пучков попадает на боковые грани 96 и 9в призмыанализатора 9. Грань 9а закрыта экраном 10 и

потому попадающий на нее пучок 34 поглощаетс  экраном, не отража сь от грани. Пучок 33 отражаетс  от грани 96 и направл етс  линзой 15 и зеркалом 16 (измерительный канал ) в плоскость модул тора 14, где он сравниваетс  с опорным пучком, прошедшим через диафрагму 11, линзу 12 и зеркало 13 (канал сравнени ). Модул тор 14, вращающийс  от двигател  18, пропускает в каждый момент времени лишь один из двух пучков на приемник излучени  22, что позвол ет получить с этого приемника сигнал, амплитуда огибающей которого пропорциональна разности двух световых потоков. В начале измерений до изменени  температурного пол  исследуемого элемента 25 раз

ность световых потоков сводитс  перемещением нейтрального ослабител  23 к нулю, вследствие чего сигнал рассогласовани  на выходе также равен нулю. Затем производитс  изменение температурного пол  исследуемого элемента 25. Возникающее при этом тепловое расстройство элемента приводит к изменению угла отклонени  лучей исследуемым элементом, и пучок 33 перемещаетс  по грани 96 призмы-анализатора 9, вследствие чего увеличиваетс  или уменьшаетс  поток в измерительном канале, а на выходе по вл етс  положительный или отрицательный сигнал рассогласовани .

Описанное устройство мало расстраиваетс  при изменени х температуры окружающей среды. Основным видом тепловых расстройств оптических углоизмерительных приборов  вл ютс  гнути -поперечные деформации корпуса , привод щие к смещению щели объектива анализатора друг относительно друга. В предлагаемом устройстве щелью  вл етс  фаска 9а призмы 9, анализатором-сама призма 9. Таким образом перемещение щели относительно анализатора исключено. Направление выход щего из объектива пучка задаетс  линией, соедин ющей центр входного зрачка объектива 24 с центром свободного дл  световых лучей квадратного отверсти  (щели), образованного на фаске 9а экраном 10. Пусть в некоторой пр моугольной системе координат это направление совпадает с направлением некоторого орта А. Св зь между ортом А падающего на элемент, например, с двум  oj ражательными гран ми пучка и ортом А отраженного от элемента пучка описываетс  формулой:

,

где матрица М определ етс  только координатами орта линии пересечени  отражательных граней элемента и углом между его отражательными гран ми. Пусть до изменени  температуры ркружающей среды угол между ортами Л и Л имел некоторое значение у. Затем вследствие изменени  температуры окружающей среды корпус трубы деформировалс , и орт падаюпдего на исследуемый элемент пучка стал Л/. Дл  оценки только погрешности , вызываемой деформацией корпуса устройства , следует предположить неизменность положени  ЛИЕП1И пересечепн  отражательных граней и угла между отражательными гран ми исследуемого элемента, то есть

М М

тогда

л; : MAi

и, следовательно

Возвращенный в трубу устройства после изменени  температуры окружающей среды

пучок попадает на то же место на грани 96 призмы-анализатора 9, что и до измененн  температуры. Таким образом, величина светового потока в измерительном канале не изменитс . Изменение светового потока в канале сравнени  возможно лищь при такпх перемещени х элементов направлени  светового пучка на приемник излучени , которые нриведут к виньетированию пучка. Но это невозможно

предположить, поскольку все элементы (12, 13, 15 и т. д.) расположены на едином основании , а размеры их выбраны с необходимым запасом. В рассмотренном варианте предлагаемое устройство не рассматриваетс  при изменени х температуры.

Приведенные рассуждени  действительны и дл  случа  разворота всего устройства в целом в горизонтальной плоскости относительно исследуемого элемента 25. Нетрудно видеть,

что подобные развороты не внос т погрешностей в измерени . Объектив 24 и призма-анализатор 9 из-за изменений корпуса могут сместитьс  друг относительно друга в направлении оптической оси, т. е. произойдет расфокусировка пучка. Тогда возвращенный на призму-анализатор 9 пучок 33 после изменени  температуры оказываетс  в плоскости фаски с каждой стороны на величину Aft щире, чем до изменени , причем

.tgL,

где Aff - расфокусировка от изменени  температуры ,

и - половина апертурного угла объектива .

Если прин ть  ркость в пределах светового п тна в плоскости фаски 8а после расфокусировки равномерной, то расстройство прибора в угловой мере выразитс  формулой

АЛ tg и

Aft

У

f

где f-фокусное рассто ние объектива. Поскольку величина Af прп небольших колебани х температуры окружающей среды весьма невелика п к тому же эта величина умножаетс  на величину tg U, котора  сама  вл етс  достаточной тaлoй у объективов нормальной н малой светосилы, то предлагаемое

устройство можно считать прпктическ нерасстраивпющпмс  при небольншх колебани х температуры окружающей среды.

Световое п тно, даваемое возвращенным пучком 33 в плоскости фаски 9а, имеет те же

размеры, что и квадратное отверстие, образуемое экраном 10 на фаске 9а, только в том случае, если объектив обеспечивает идеальное качество изображени . В реальных случа х световое п тно имеет несколько большие размеры из-за аберраций объектива. В результате при угле отклонени  лучей элементом 25, строго равном 180°, кака -то часть потока будет отражатьс  от грани 96 в измерительный канал . Кроме того, в измерительный капал попадает также световой поток, отраженный от

поверхностей объектива (блик). С целью исключени  вли ни  недостаточного качества объектива и вли ни  блоков в предполагаемом устройстве используетс  компенсационный приемник излучени  17. Схема, однако отличаетс  тем, что дл  компенсации используетс  световой поток, отраженный от зеркальной поверхности 14а модул тора 14, попадающий на компенсационный приемник излучени  в фазе с попадающим на приемник 22 световым потоком измерительного канала. Сигнал с приемника 17 при помощи компенсационного устройства 26 (фиг. 4) выставл етс  но отнощению к сигналу с приемника 22 таким образом, чтобы нри угле отклонени  лучей элементом 25, равном 180°, си1-иал на выходе при перекрытом между модул тором 14 и приемником 22 канале сравнени  был бы равен пулю.

Дл  выделени  сигнала рассогласовани  сигнал с выхода комненсацнонного устройства 26 сначала подаетс  на усилитель несущей частоты 27. Модул ци  светового потока несущей частотой позвол ет исключить вли ние посторонних засветок, попадающих в объектив устройства. Усиленный сигнал подаетс  на детектор 28, выдел щий огибающую сигнала, амплитуда которой есть рассогласование опорного и измерительного каналов, на усилитель 29 и на демодул тор 31. Демодул тор 31 управл етс  усиленным усилителе.м 30 сигналом с генератора опорного напр жени  19, который находитс  в фазе с сигналом от одного из каналов и имеет ту же частоту, что н сигил-п рассогласовани , так как снимаетс  с модул тора 14. На выходе демодул тора 31 имеет место посто нный сигнал того или иного знака, регистрируемый автоматическим электронным потенциометром 32, имеющим щкалу с нулем посредине.

Устройство дает возможность повысить точность измерений тепловых расстройств, автоматизировать процесс измерений и обеспечить регистрацию результатов измерений.

Предмет изобретени 

Claims (2)

1.Устройство дл  дистанционного измерени  тепловых деформаций оптических элементов , содержащее осветитель, в ходе лучей которого установлена призма-анализатор с фаской , служаща  дл  разделени  возвращенного отражателем светового потока, сфокусированного объективом, на два канала, на пути которых расположены модул тор и фотоприсмник, соединенный с электронным трактом, отличающеес  тем, что, с целью повыщени  точности и автоматизации процесса измереНИИ , оно снабжено склеенным с гипотенузной гранью призмы-анализатора светоделительньш блоком в виде призмы-куба и диафрагмой , установленной в отраженном ходе лучей на таком рассто нии от боковой грани призмы-куба , чтобы оптические длины хода от диафрагмы и от плоскости фаски призмы-аналиазтора до разделительной грани призмы-куба были равны, причем одна из поверхностей модул тора выполнена зеркальной, а в ходе

отраженного от зеркальной поверхности модул тора и прошедшего диафрагму светового потока установлен компенсационный приемник излучени .

2.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что, с целью приведени  сигнала рассогласовани  к нулю, в ходе прощедших диафрагму лучей между фотоприемником и модул тором установлен нейтральный ослабитель выполненный в виде нейтрально-серого денс

тометрического клина.

21