Автоколлимационное устройство
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения угловой ориентации отражающих поверхностей. Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение управления ее величиной . Указанная цель достигается тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник 1 света, светоделитель 3, объектив 4, полупрозрачное зеркало 5, отражатель 6 и позиционночувствительный приемник9, дополнительно содержит задающий поляризатор 2, расположенный между источником 1 .света и светоделителем 3, скрещенный с ним поляризатор-анализатор 8, расположенный между светоделителем 3 и поляризационночувствительным фотоприемником 9, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом 5 и отражателем 6 элемент 7 поворота плоскости поляризации на 90° за 2/т проходов излучения во встречных направлениях , где тзаданный порядок повышения чувствительности. При этом элемент 7 поворота плоскости поляризации выполнен либо в виде ячейки Керра, либо в виде ячейки Фарадея, либо в виде фазовращающей пластины , которая установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости поляризации задающего поляризатора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил. СП
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬЭ 4 О У 7 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4841231/10 (22) 10.04.90 (46) 15.04.92. Бюл. N 14 (71) Черновицкий государственный университет (72) В.И. В ащен ко, Л.И. Кон опал ьцева, С.В,Кудрявцев, И.И.Мохупь, Н.С.Подильчук и П.С.Прохорович (53) 535.824.4(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР N. 1157515, кл. G 02 В 27/36, 22.09.83. Афанасьев В.А. Оптические измерения. — M,: Высшая школа, 1981, с. 82, рис. 54. (54) АВТОКОЛЛИ МАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения угловой ориентации отражающих поверхностей. Цель изобретения — повышение чувствительности и обеспечение управления ее величиной. Указанная цель достигается тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник 1 света, ЬЫ, 1727105 А1 светоделитель 3, объектив 4, полупрозрачное зеркало 5, отражатель 6 и позиционночувствительный приемник 9, дополнительно содержит задающий поляризатор 2, расположенный между источником 1,света и светоделителем 3, скрещенный с ним поляризатор-анализатор 8, расположенный между светоделителем 3 и поляризационночувствительным фотоприемником 9, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом 5 и отражателем 6 элемент 7 поворота плоскости поляризации на 90 за 2/m проходов излучения во встречных направлениях, где в — заданный порядок повышения чувствительности. При этом элемент 7 поворота плоскости поляризации выполнен либо в виде ячейки Керра, либо в виде ячейки Фарадея, либо в виде фазовращающей пластины, которая установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45 к плоскости поляризации задающего поляризатора, 5 з,п, ф-лы, 1 ил. 1727105 Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения угловой ориентации отражающих поверхностей. Известно устройство, содержащее источник света, объектив, светоделитель, позиционно-чувствительный фотоприемник. Однако угловое разрешение и поле зрения такого устройства ограничено входным отверстием и величиной фокусного расстояния объектива, вследствие чего и точность измерения таким устройством будет низкая, Известен фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий источник света, марку, объектив, отражатель в виде прямоугольной призмы, два поляризатора со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, которые расположены между объективом и отражателем, светоделитель, установленный между поляризаторами и отражателем, модулятор, фотоприемную и измерительную части. Такое устройство позволяет с высокой точностью измерять отклонение от прямого угла исследуемой призмы. Однако при помощи такого устройства невозможно измерять угловое отклонение отражателя с расположенным на нем контролируемым объектом, Известен топографический светодаль. номер "Кристалл", содержащий два скрещенных поляризатора и пластину il/4, в котором оптическое излучение после прохождения через поляризаторы линейно поляризуется. Полезный сигнал дважды проходит через фазовращающую пластинку il./4 и его плоскость поляризации поворачивается на 90, Вследствие этого сигнал проходит через выходной поляроид практически без снижения интенсивности, в то время как шумовая компонента излучения (блики, рассеянный свет) остается поляризованной в плоскости задающего поляризатора, т.е, практически.не пропускается выходным поляризатором. Таким образом, в выходной плоскости устройства обеспечивается повышение отношения сигнал — шум и тем самым повышается чувствительность устройства. Однако положение центра пятна в зависимости от угла поворота отражателя относительно оптической оси системы остается таким же, как и у традиционного автоколлиматора. Это можно отнести к недостаткам устройства. Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее расположенные на оптической оси источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель, фотоприемную и из20 55 мерительную части. Отражатель этого устройства состоит из неподвижного зеркала и расположенного между ним и объективом контролируемого оптического клина. В этом устройстве полупрозрачное зеркало образует с отражателем и контролируемым клином ветвь оптической обратной связи. Введение такого элемента позволяет получить в выходной плоскости набор световых пятен, расположенных на расстоянии (m =2fm6 где f — фокусное расстояние объектива; д — угол падения пучка света на отражатель; m — порядок увеличения чувствительности от оптической оси системы. Для такого коллиматора огибающая световых пятен в выходной плоскости сдвинута на некоторую величину относительно светового пятна в традиционном автоколлиматоре (т.е. без полупрозрачного зеркала), что повышает чувствительность этого устройства, Однако при этом интенсивность первого пятна всегда выше, чем последующих (интенсивность определяется коэффициентом отражателя полупрозрачного зеркала), а это определяет максимальный вклад этого пятна в огибающую. Исходя из этого, недостатком такого устройства является недостаточно высокая чувствительность, а также невозможность управлять величиной этой чувствительности. Цель изобретения — повышение чувствительности и обеспечение управления ее величиной. Указанная цель достигается тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и позиционно-чувствительный приемник, дополнительно содержит задающий поляризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним поляризатор (анализатор), расположенный между светоделителем и поляризационно-чувствительным фотоприемником, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем элемент поворота плоскости поляризации на 90 за 2m проходов излучения во встречных направлениях, где m — заданный порядок повышения чувствительности, При этом элемент поворота плоскости поляризации выполнен либо в виде ячейки Керра, либо в виде ячейки Фарадея, либо в виде фазовращающей пластины, которая установлена с 1727105 возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45 к плоскости поляризации задающего поляризатора. В известных технических решениях при прохождении излучения через фаэовращающую пластину il/4 интенсивность полезного сигнала практически не уменьшается, в то время как шумовая компонента не пропускается выходным поляризатором. Таким 10 образом, за счет повышения отношения сигнал — шум по вы ш а ется чувств ител ь ность известного автоколлиматора, т.е. фазовращающая пластина Я/4 служит для 15 разделения входного и выходного световых пучков (что необходимо для устранения паразитных засветок), в то время как в предлагаемом техническом решении фазовращающая пластина (в составе блока 20 поляризацион ной селекции) необходима для ре гул и рова ния и повы шения угловой чувствительности. В известном техническом решении для повышения чувствительности фазовращаю- 25 щая пластина должна иметь толщину только il/4 (чтобы плоскость поляризации поворачивалась на 90 ). В предлагаемом техническом решении толщина пластины должна быть любой, отвечающей соотношению d = 30 ос, где 1« — длина волны источника света, и и п — коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно. 35 B известном техническом решении фазовращающая пластина может быть установлена в любом месте оптической схемы после источника света и задающего поляризатора, в то время как в предлагаемом тех- 40 ническом решении место расположения ффазовращающей пластины строго определено (в ветви оптической обратной связи), В известном техническом решении фазовращающая пластина для достижения по- 45 ставленной цели должна быть установлена строго под углом 45 к плоскости задающего поляризатора. При этом чувствительность— величина постоянная; В предлагаемом техническом решении фазовращающая пла- 50 стина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси. Это позволяет плавно регулировать чувствительность и согласовывать ее с заданной энергетической чувствительностью фотоприемника 55 или необходимым полем зрения. Кроме того, помимо фазовращающей пластины в предлагаемом техническом решении преобразователем поляризации могут служить и другие элементы, которые могут влиять на поляризацию светового пучка (ячейка Фарадея, ячейка Керра, а также другие элементы, поворачивающие плоскость Л поляризации на угол p = —, где m — порядок увеличения чувствительности). Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении чувствительности и возможности управления ее величиной. Последняя достигается путем размещения преобразователя поляризации в ветви оптической. обратной связи. При этом преобразователем поляризации служит либо устройство, поврачивающее плоскость поляризации на угол р = —, = Л 4п1 где m — порядок увеличения чувствительности, либо фазовращающая пластина с возможностью поворота вокруг оптической оси и толщиной, определяемой из соотношения ) где 2 « — длина волны источника света; пс и ne — коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, причем с целью оптимизации чувствительности ось фазовращающей пластины расположена под углом 45 к плоскости поляризации. На чертеже схематически изображено и редл а гае мое устройство. Устройство выполнено в виде последовательно расположенных на оптической оси источника 1 излучения, задающего поляризатора 2, светоделителя 3, объектива 4, полупрозрачного зеркала 5, отражателя (зеркала с исследуемым объектом) 6, преобразователя поляризации в виде фазовращающей пластины 7, поляризатора-анализатора 8, скрещенного с задающим поляризатором 2, позиционно-чувствительного приемника 9. Устройство работает следующим образом, Излучение от точечного источника 1 через задающий поляризатор 2, светоделитель 3 попадает на объектив 4, пройдя через который преобразуется в параллельный пучок. Далее этот пучок, проходя через полупрозрачное зеркало 5 и преобразователь 7 поляризации, попадает на отражатель 6, повернутый относительно плоскости, перпендикулярной оси системы, на контролируемый угол О. Отразившись от отражателя 6, пучок снова проходит через преобразователь 7 1727105 поляризации и полупрозрачное зеркало 5 и фокусируется с помощью объектива 4 в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9. На пути оптического пучка, попадающего на фотоприемник 9, установ- 5 лен поляризатор-анализатор 8, скрещенный с задающим поляризатором 2. Часть пучка, не прошедшая через полупрозрачное зеркало 5, отражается от него и, вновь пройдя через преобразователь 7 поляризации, 10 попадает на отражатель 6, после чего через элементы 5 и 7 снова возвращается в систему. Подобный процесс происходит многократно. При этом каждое прохождение сиг- 15 нала через элементы 5 — 7 приводит к дополнительному увеличению угла между оптической осью системы и реальным направлением распространения пучка. Это приводит к тому, что в выходной плоскости 20 (в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9) точечное иэображение источника для каждого из пучков располагается на расстоянии 2 nf О от оптической оси системы, где и — номер пробега пучка, 0 — 25 угол отклонения отражателя 6 относительно оптической оси системы, f — фокусное расстояние объектива. Наличие элемента 7 приводит к тому, что каждое прохождение сигнала через элементы 5 — 7 (образующих 30 ветвь оптической обратной связи) характеризуется своим состоянием поляризации. Это выражается в том, что для преобразователя поляризации, выполненного в виде слюдяной пластинки, в зависимости от ее 35 толщины плоско-поляризованный свет преобразуется в эллиптически-поляризованный с различными соотношениями полуосей эллипса для каждого пробега излучения, В том случае, если преобразова- 40 тель поляризации выполнен в виде ячейки Керра, ячейки Фарадея, кварцевой пластинки изменение состояния поляризации выражается в повороте плоскости поляризации светового пучка, кратный и-номеру пробега 45 излучения в ветви оптической обратной связи. Причем для малых номеров пробега ипучков состояние поляризации будет близким к состоянию поляризации исходного пучка, а для определенного номера про- 50 бега Nvaxc (при толщине пластины б ос, где 100 — длина волны источника света, п0 и na — коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного 55 лучей соответственно) или для элементарного угла поворота плоскости поляризации, определяемого из выражения p — —, где Л Ы m — порядок увеличения чувствительности) многократное воздействие преобразователя 7 поляризации приводит к повороту плоскости поляризации на 900. Соответственно.и условия прохождения излучения через поляризатор-анализатор 8 для пучков с малыми номерами пробегов будут неблагоприятными (наблюдается почти полное их гашение), à m-ый пучок выделяется по интенсивности, Результирующая интенсивность в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9 описывается соотношением 00 m 1. 1 . B(m) — 2 ОГа) (1) (ym Я где q — коэффициент отражения полупрозрачного зеркала 5; D — диаметр входного отверстия объектива 4; B(m) — коэффициент, определяющий изменение интенсивности за счет поляризацион ной селекции. В случае, когда преобразователь поляризации выполнен в виде слюдяной пластинки, коэффициент B(m) приобретает вид B(m) = sin (- -- — (n0 — na)md). (2) г 2m Таким образом, результирующая интенсивность, определяемая суммой интенсивностей отдельных пятен, формируется за счет максимального вклада m-го пятна. Это приводит к тому, что центр результирующего пятна сдвигается относительно оптической оси системы на величину, большую, чем в случае отсутствия элементов 5 и 7, образующих вместе с элементами 6 и 7 ветвь оптической обратной связи, и в случае отсутствия элементов поляризационной селекции. Отсюда следует, что совокупность действия элементов, содержащихся в ветви оптической обратной связи, и элементов, составляющих блок поляризационной селекции, приводит к существенному повышению чувствительности предлагаемого автоколлимационного устройства. Кроме того, если в качестве преобразователя поляризации использована фазовращающая пластинка, то, изменяя ее толщину, можно регулировать величину чувствительности устройства. Регулировать величину чувствительности можно также путем поворота фазовращающей пластины в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы. При этом оптимальной установкой пластины будет расположение ее оси под углом 45 к исходной плоскости поляризации пучка. В 1727105 50 Составитель Н.Киреева Редактор М.Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор С.Лыжова Заказ 1278 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 этом случае плоскость поляризации m-го пятна повернута строго на 90 и оно максимально выделено по интенсивности на фоне пятен более низкого порядка, для которых состояние поляризации приближается к состоянию поляризации исходного пучка (т.е. наблюдается гашение интенсивности пятен низших порядков). Пример. Согласно изобретению был изготовлен опытный образец автоколлимационного устройства. В качестве источника излучения был использован полупроводниковый лазер ИЛПИ-27К с длиной волны излучения iL = 0,67 мкм. Преобразователем поляризации служила слюдяная пластина. Коэффициент отражения полупрозрачного зеркала порядка 70 . В качестве задающего поляризатора и поляризатора-анализатора были использованы стандартные пленочные поляроиды. Фокусное расстояние используемого объектива 75 мм, диаметр его входного отверстия 10 мм. Контролируемый угол поворота отражателя 5, Были проведены испытания опытного образца автоколлимационного устройства, которые показали, что предельная погрешность измерений равна 1", что на порядок лучше, чем у других известных автоколлиматоров с аналогичными параметрами оптических элементов. Кроме того, в предлагаемом автоколлимационном устройстве фокусное расстояние объектива в несколько раз меньше, чем в других известных автоколлиматорах (75 и 250 мм соответственно), вследствие чего существенно уменьшены его габариты и материалоемкость. Формула изобретения 1. Автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и позиционно-чувствительный фотоприемник, о тл и5 45 ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены задающий поляризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним поляризатор-анализатор, расположенный между светоделителем и позиционно-чувствительным фотоприемником, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем элемент поворота плоскости поляризации на 90 за 2m проходов излучения во встречных направлениях, где m — заданный порядок повышения чувствительности. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что элемент поворота плоскости поляризации выполнен в виде ячейки Керра. 3. Устройство по и. 1, отл ича ю щеес я тем, что элемент поворота плоскости поляризации выполнен в виде ячейки Фарадея. 4. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что элемент поворота плоскости поляризации выполнен в виде фазовращающей пластины, толщина d которой определяется из соотношения ос 4т(по пе) где Я вЂ” длина волны источника света; по и ne — коэффициенты преломления фазовращающей пластины для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно. 5. Устройство поп.4, отл и ч а ю щеес я тем, что, с целью расширения функционал ьн ых возможностей путем обеспечения управления величиной чувствительности, фазовращающая пластина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства. 6. Устройство по и. 4, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45 к плоскости поляризации задающего поляризатора.
