Устройство для измерения пространственно-временных характеристик световых пучков

 

Использование: в системах автоматической коррекции фазы световых пучков. Сущность: устройство содержит фокусирующее зеркало, два диска с прорезями, установленные на одной оси, приёмник излучения и устройство обработки информации. При вращении дисков на выходе фотоприемника возникают электрические импульсы, несущие информацию о параметрах светового пучка. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844911/25 (22) 21.05,90 (46) 30,01,93, Бюл, ¹ 4 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт "Альтаир" (72) Ю.Н, Аржаников и А.А, Докторов (56) Измерение энергетических параметров и: характеристик лазерного излучения. Под ред, А.Ф. Котюка. М, Радио и связь, 19 1, с.

266.

Авторское свидетельство СССР

N1220436,,кл. G 01 J 9/02, 1984.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения пространственно-временных характеристик направленного излучения, и может быть использовано при определении характеристик источников излучения и в системах автоматической коррекции фазы световых пучков.

Известно устройство для измерения формы волнового фронта методом Гартмана, представляющее собой линзовый растр с матрицей фотоприемников, расположенных в фокальной плоскости растра. Зная поперечные смещения фокальных пятен относительно оптических осей элементарных лйнз, можно вычислить функцию, аппроксимирующую волновой фронт, а затем, разложив ее, например, по полиномам Цернике, получить параметры фокусировки и астигматизма. Недостатком данного прибора является невысокая точность измерений аберраций низшего порядка, обусловленная влиянием внутренних шумов большого числа измерительных каналов, а также остаточными ошибками юстировки системы.

Известна реализация укаэанного метода в виде одноканальной системы с после. Ж 1791788 Al (я)5 G 02 В 26/00, Н 01 S 3/00 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ (57) Использование: в системах автоматиче- ской коррекции фазы световых пучков, Сущность: устройство содержит фокусирующее зеркало, два диска с прорезями,"установленные на одной оси, приемник излучения и устройство обработки информации. При вращении дисков на выходе фотоприемника воэника от электрические ймпульсы, несущие информацию о параметрах светового пучка. 6 ил. довательным опросом, включающей вращающийся цилиндр с отверстиями и непЬдвижную пластину с прорезями, Недостатками данного устройства явля ются наличие дополнительной погрешности измерений, обусловленной дифракцией светового пучка на двух препятствиях (щель диафрагмы и отверстие в цилиндре), а также ограниченйое быстродействие, вследствие необходимости обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени, Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому. устройству является реализация способа определения среднего радиуса кривизны и дисперсии флуктуаций фазы когерентного излучения. Она включает в себя амплитудный модулятор, фокусирующую систему и фотоприемник с оптической системой, подключенный к блоку обработки информации. Перефокусируя оптическую сйстему фотоприемйика определяют плоскость фокусировки излучения и по расстоянию между этой плоскостью и фокальной. плоскостью фокусирующей системы определяют средний радиус кривизны волнового фронта, 1791788

50

Недостатком данного устройства является низкое бйстродействие, определяемое временем поиска плоскости наилучшей фокусировки (порядка нескольких секунд) и связанные с ним динамические погрешности измерений, а также невозможность измерения астигматизма пучка, Цель изобретения — повышение быстродействия измерения дефокусировки (радиуса крйвизнIi) и обеспечение измерения аститматйзма пучка.

Пос"гавленная цель достигается тем, что в устройстве, включающем фокусирующую систему, модулятор, фотоприемник и устройство обработки информации, подключенное к фотоприемнику модулятор выполнен в виде двух одинаковых дисков, причем каждый диск имеет по крайней мере три прорези, длина каждой из которых "не меньше диаметра светового пучка, а ширина много меньше диаметра, одна прорезь направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляютуглы+/-60 градс радиусами, проходящими через центры прорезей, угол между радиусами, проходящими через внешние края первой и последней прорези, не превышает 180 град и отверстие, выполненное в виде кольцевого сектора, образованного продолжениями радиусов, проходящих через внешние края первой и последней прорези, имеющего ширину, равную длине прорези, направленной вдоль радиуса диска, при этом центры всех прорезей и средний радиус кольцевого сектора расположены на одинаковом расстоянии от центра диска, диски жестко установлены на одной оси, связанной с приводом и развернуты друг отйосительно друга на 180 град, а один из дисков снабжен датчиком положения, соединенным" с устройством обработки информации, причем фокальная плоскость фокусирующей системы расположена между дисками, а оптическая ось устройства параллел ьна оси вращения дисков и проходит через окружности на дисках, проведенные через центры прорезей

Значения дефокусировки и параметров астигматиэма светового пучка выражаются через параметры эллипсов (длины полуосей, угол наклона одной из осей эллипса к плоскости устройства), образующихся при пересечении светового пучка дисками устройства. Для расчета трех указанных параметров каждого эллипса используются значения ширины трех проекций эллипса в направлении нормалей к образующим трех щелей (см. фиг.4 и 6а) диска. устройства, представленного на фиг.2, 5

Восстановление параметров эллипса по отсчетам его проекций представляют собой частный случай инверсного преобразования Радона, наиболее .эффективного в регулярной полярной сетке, типа показанной на фиг. 6б. Указанная сетка формируется при равномерном заполнении плоскости сечения пучка направлениями проекций, т.е. при углах между нормалями, составляющими 120 град. В системе отсчета, связанной с диском, это соответствует тому, что одна иэ прорезей направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляют углы плюс и минус 60 град с радиусами диска, проходящими через их центры, Сопоставительный айалиэ показывает, что заявленное устройство отличается выполнением узла модулятора — в виде двух жестко установленных на одной оси дисков-модуляторов, снабженных датчиком угла, расположением системы модуляторов и связью датчика угла с устройством обработки информации. Таким образом заявленное устройство соответствует критерию новизна. Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что при таком выполнении модулятора и установлении элементов в указанной связи устройство проявляет новые свойства, а именно уменьшаются динамические ошибки измерения (они определяются частотой вращения дисков) и обеспечивается возможность.измерения астигматизма. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

Йа чертеже представлена функциональная схема устройства, где 1 — фокусирующее зеркало, 2 — световой пучок, 3 — диски с прорезями, 4 — фотоприемник, 5 — устройство обработки информации, 6 — датчик угла, 7 - двигатель.

На валу двигателя 7 перпендикулярно его оси установлены два диска 3, изготовленные так, как показано на фиг.2. Диски развернуты на 180 град относительно положения, при котором прорези совпадают . (при наблюдении вдоль оси вала двигателя).

Фокусирующее зеркало 1 установлено таким образом; что ось проходит через ок.ружности на дисках 3, проходящих через центры прорезей. Фотоприемник 4, например, типа МГ-30 размещен на оси пучка, при этом его апертура превышаетдиаметр пучка в плоскости падения. Выход приемника 4 подключен к устройству обработки информации 5, включающему последовательно соединенные усилитель, пороговое устройство, преобразователь длительность импульса-код (АЦП), интерфейс и ЭВМ (на1791788 пример, "Электроника МС 0507"). Светодиод и фотодиод, образующие оптронную пару 6, размещены по разные стороны одного из дисков 3, На этом же диске на диаметре, соответствующем оси этой пары, и, например, на радиусе, проходящем через среднюю щель, имеется отверстие (см, фиг,2), Выход фотодиода оптронной пары 6 подключен к формирователю ТТЛ-импульсов, входящему в устройство обработки информации 5, который соединен с одним из регистров интерфейса, Информация с этого регистра используется .для идентификации сигналов, постуйающих в ЭВМ с АЦП. ЭВМ запрограммирована на вычисление значений дефокусировки и параметров астигматизма по информации с приемника в реальном масштабе времени в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.3.

В первом блоке алгоритма осуществляется расчет параметров эллипсов, образующихся при пересечении плоскостей дисков с исследуемым пучком.

Он включает расчет зйачений lb I; (i =

1. ..3)

11= 1т1, о

I2.3 = 4 ò2.3/сов 60 (1) (аналогичные соотношения реализуются для другой плоскости), а также определение параметров эллипса ао, Ьо, <ро, эо, bo путем решения системы уравнений . (l /2) = (sin p>/ao2+ cos р bo)/ с сову Ыо у

2 2 (2) сл у сос у ао Ьо

2 2

- 4 cos2 р sin2 р (1/а 2 - 1/Ь,2)}, где i = 1,2,3, р1 =po,p2=po — 60,рз=po+60 .

Аналогичная система уравнений решается для второй плоскости, Смысл обозначений понятен из фиг.4; К вЂ” постоянная величина, определяемая скоростью вращения дисков и их геометрическими параметрами.

Во втором блоке осуществляется расчет расстоя ний между фокусирующим зеркалом и плоскостями фокусировки исследуемого пучка Я, и Rb в соответствии с соотношениями

Ra = Й1+ (аогк)/(ао эо), . (3)

Рь = Р1+ (Ьогк)/(Ьо Ьо), где Ri — расстояние между фокусирующим зеркалом и первым по ходу пучка диском;

2рк — расстояние между дисками, Смысл введенных обозначений пояснен на фиг.5, В третьем блоке вычисляются параметры дефокусировки и астигматизма светово5 го пучка Сз. С4 и С5 стандартного разложения волнового фронта по полиномам Цернике

W(X, Y) = (1/k)(У3 Сз (2(Х + Y )-1) +

+ VQ С4(Х2- Y )+ 2ч б С5 XY} (4)

10 (А- длина световой волны) в системе координат, связанной с прибором

Сз = (Ra + Rb)/vQ RaRb.

С4 = (Rb Ra)/ /б найь (2 сов <ро 1), (5)

Со = Sin 2 о (1/Яа 1/Rb)/2 V/6.

1- > Устройства функционирует следующим образом. После включения двигателя 7 диски 3 приводятся во вращение. Исследуемый световой пучок направляется зеркалом 1 на вращающиеся диски 3. Прорези каждого ди20 ска (см. фиг,2) последовательно пересекают пучок. Через прорези пучок попадает на фотоприемник 4, при этом на его. выходе возникают электрические импульсы, поступающие в устройство обработки инФормации 5, где они оцифровываются и по- падают в ЭВМ, В ЭВМ также поступает синхроимпульс от оптронной пары 6. Момент прихода этого импульса совпадает с моментом пересечения пучка щелью диска

30 (см. фиг.2), условно принятой за первую. В

ЭВМ в реальном масштабе времени рассчитываются значения дефокусировки и астигматизма.

Таким образом, измерение дефокуси35 ровки светового пучка осуществляется одним измерительным каналом, что и определяет повышение точности измерений по сравнению с устройством-прототипом, имеющим два измерительных канала.

40 При этом быстродействие не снижается, hoскольку оба устройства являются устройствами последовательного действия.

Одновременно предлагаемое устройство производит измерение параметров астиг45 матизма исследуемого пучка {не реализуемое в устройстве-прототипе), что расширяет область его применения.

Формула изобретения

Устройство для измерения пространст50 венно-временных характеристик световых пучков, включающее фокусирующую систему, модулятор, фотоприемник и устройство обработки информации, подключенное к фотоприемнику, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 55 что, с целью повышения точности измерения дефокусировки -и обеспечения возможности измерения астигматизма, модулятор выполнен в виде двух одинаковых дисков, причем каждый диск имеет по крайней мере

1791788

Рис. Z

1, прорези, длина каждого из которых не меньше диаметра светового пучка, а ширина много меньше диаметра, одна прорезь направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляют углы +60 с радиусами, проходящими через центры прорезей, угол между радиусами, проходящими через внешние края первой и последней прорези, не превышает 180 и отверстие, выполненное в виде кольцевого сектора. образованного продолжениями радиусов, проходящих через внешние края первой и последней прорези, имеющего ширину, равную длине прорези, направленной вдоль радиуса диска при этом центры всех прорезей и средний радиус кольцевого сектора расположены на одинаковом расстоянии от центра диска, диски жестко установлены на

5 одной оси, связанной с приводом и развернуты друг относительно друга на 180О, а один иэ дисков снабжен датчиком положения, соединенным с устройством обработки информации, причем фокальная плоскость

10 фокусирующей системы расположена между дисками, а оптическая ось устройства параллельна оси вращения дисков и проходит через окружности на дисках, проведенные через центры прорезей.

179 i 788

БНОСТБ СИГНАЛОВ

НРИОМНЕКЗ

ТРН ЭЛЛИЛСОВ а, 8, У, 1791788 а) Составитель А. Докторов

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Л, Ливринц

Редактор Н, Коляда

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уп Гагарина

Заказ 151 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета rto изобретениям и открытиям при ГКНТ

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5