УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ОТСЛЕЖИВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА Российский патент 1994 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптико-электронным устройствам, формирующим и отслеживающим пространственное положение модулированных оптических пучков с равносигнальными зонами (РСЗ), и может быть использовано в оптической промышленности при создании контрольно-измерительных приборов различного назначения.

Известны оптико-электронные устройства, обеспечивающие формирование и пространственное отслеживание модулированного оптического пучка с РСЗ с целью контроля положения управляемого объекта [1], [2]. Все они содержат систему излучения, имеющую источники излучения, конденсоры, объектив, устройство модуляции, а также фоторегистрирующий блок, снабженный объективом, фотоприемником, электронной схемой обработки сигнала. В пучках, формируемых этими устройствами РСЗ создается вдоль оптической оси объектива системы излучения за счет резкого скачка свойств оптического излучения, обеспечиваемого противофазным либо разночастотным излучением в частях пучка, pазделенных плоскостью, в которой лежит оптическая ось.

Основной недостаток этих устройств - механическая система модуляции оптического пучка, которая не может обеспечить высокой стабильности пространственного положения плоскости РСЗ, что отрицательно сказывается на точности отслеживания положения оптического пучка.

Известны устройства свободные от указанного недостатка благодаря использованию в качестве источников излучения светодиодов, модуляции излучения которых осуществляется модуляцией тока питания. Эти устройства комплектуются двумя противофазно излучающими светодиодами, располагаемыми у боковых граней прямоугольной призмы, ребро которой помещается в фокусе передающего объектива. Однако относительно малая мощность излучения существующих светодиодов не позволяет известным конструкциям систем излучения формировать отслеживания последних. Кроме того, в известных конструкциях систем излучения возможна диффузия противофазных излучений вдоль плоскости РЗС, что снижает точность отслеживания модулированного пучка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство , содержащее систему излучения, имеющую два источника излучения, два конденсора, блок противофазного питания источников излучения, систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров. При этом одно из оснований цилиндрического блока выполнено криволинейным и образует объектив, а другое основание содержит двугранный угол-светоделитель, образованный фасками, снятыми с полуцилиндров,напротив отражающих граней которого размещены светодиоды. Кроме того, устройство содержит фоторегистрирующий блок, состоящий из объектива и фотодиода, а также электронную схему обработки сигнала. Работа устройства состоит в том, что его система излучения формирует пучок с РСЗ, образуемой благодаря реализации противофазного излучения светодиодов, который воспринимается фоторегистрирующим блоком, отслеживающим при помощи электронной схемы обработки сигнала пространственное положение модулированного пучка по совпадению его оптической оси с центром фотодиода. Прототипу присущ тот же основной недостаток, что и устройствам-аналогам , а именно невозможность создания высокоэнергетического оптического пучка, что снижает точностные возможности устройства особенно при работе на дальностях, превышающих 50 м, в условиях пониженной пропускной способности тракта передающий объектив - приемный объектив, при работе устройства в составе контрольно-измерительных приборов, когда происходят значительные потери (до 98%) света при отражении от контролируемого объекта.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

Это достигается тем, что в устройстве для формирования и отслеживания оптического пучка, содержащем систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров, соединенных плоскими гранями, одно из оснований которого выполнено криволинейным и образует объектив, систему излучения, состоящую из оптически связанной пары источников излучения, узла конденсоров, светоделителя, имеющего две отражающие грани, образующие прямой двугранный угол, ребро которого перпендикулярно плоскости в которой лежат оптическая ось объектива и совпадающие друг с другом и, кроме того, перпендикулярные оптической оси объектива оптические оси источников излучения, блока противофазного питания, выходы которого подключены к входам источников излучения, а также фоторегистрирующий блок, содержащий объектив и фотоприемник, электронную схему обработки сигнала, система излучения снабжена дополнительными, по крайней мере одной, парами источников излучения, входы которых подключены к входам блока противофазного питания, а узел конденсоров выполнен в виде шаровидного оптически прозрачного блока, состоящего из двух полушарий - конденсоров, соединенных друг с другом плоскими основаниями посредством оптического клея, имеющего показатель преломления, меньший чем у материала шаровидного блока, причем в цилиндрическом блоке второе основание выполнено в виде сферической поверхности, радиус которой равен радиусу шаровидного блока, присоединенному к цилиндрическому блоку со стороны второго основания посредством оптического контакта так, что плоскости соединения полушарий и полуцилиндров совпадают, при этом светоделитель расположен в части шаровидного блока, противоположной зоне его контакта с цилиндрическим блоком, а грани его образованы плоскими фасками, снятыми с каждого полушария под равными углами к плоскости их соединения так, что ребро двугранного угла, образованного снятыми фасками, проходит через центр шаровидного блока, причем источники излучения первой и дополнительных пар веерообразно размещены вдоль поверхностей полушарий-конденсоров на одинаковых расстояниях от них так, что излучающие синфазно источники излучения расположены по одну сторону от плоскости соединения полушарий-конденсоров, при этом источники излучения дополнительных пар заключены в пространствах между соответствующими источниками излучения первой пары и гранями светоделителя, а оптические оси противофазно излучающих источников излучения каждой дополнительной пары лежит в одной плоскости с оптическими осями источников излучения первой пары, пересекаются с ними в центре шаровидного блока так, что оптические оси источников излучения любой дополнительной пары образуют с оптическими осями источников излучения первой пары одинаковые углы неравные аналогичным углам, образованным оптическими осями других пар, причем радиусы полушарий-конденсоров и расстояния от них до источников излучения выбираются такими, чтобы изображения излучающих площадок источников излучения проектировались в центр шаровидного блока.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием дополнительных источников излучения, новым исполнением узла конденсоров и системы передачи изображения, а также их взаимосвязями.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие его от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит систему излучения, систему передачи изображения, фоторегистрирующий блок, электронную схему обработки сигнала.

Система излучения состоит, например, из трех пар источников излучения - светодиодов 1, 1', 2, 2', 3, 3', узла конденсоров, выполненного в виде шаровидного блока, состоящего из двух оптически прозрачных полушарий 4, 4', блока противофазного питания 5. Полушария 4, 4' соединены друг с другом плоскими основаниями при помощи оптического клея, имеющего меньший показатель преломления, чем у материала полушарий. С каждого полушария снято по плоской фаске под равными углами к плоскости их соединения так, что они образуют в узле конденсоров светоделитель в виде прямого двугранного угла, ребро которого проходит через геометрический центр шаровидного блока. Светодиоды 1, 1', 2, 2', 3, 3' попарно размещены вдоль поверхности полушарий 4, 4' так, что их оптические оси лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения полушарий 4, 4' и пересекающей геометрический центр шаровидного блока. При этом источники первой пары 1, 1' расположены на одной прямой, перпендикулярной плоскости соединения полушарий 4, 4', проходящей через центр шара и ребро двугранного угла-светоделителя. Источники 2,2' второй пары ориентированы так, что их оптические оси образуют равные углы α и α ' с осями источников 1, 1'. Оптические оси источников 3, 3' третьей пары образуют равные угла ϕ и ϕ' с осями источников 1, 1'. Источники 1, 2, 3 и 1', 2', 3' присоединены соответственно к противофазным выходам блока противофазного питания 5. Полушария являются конденсорами, поэтому их радиус, а также расстояние от источников до поверхности полушарий выбираются такими, чтобы обеспечивалось проектирование излучающих площадок на ребро светоделителя в центр шаровидного блока.

Система передачи изображения выполнена в виде цилиндрического блока, состоящего из двух оптически прозрачных полуцилиндров 6, 6',примыкающих друг к другу плоскими сторонами и соединенных при помощи оптического клея с показателем преломления меньшим, чем у материала полуцилиндров 6, 6'. Одно из оснований цилиндрического блока является объективом 7 и выполнено в виде сферической или асферической поверхности. Другое основание имеет сферическую поверхность, радиус которой равен радиусу шаровидного блока узла конденсоров. Система передачи изображения примыкает этим основанием к шаровидному блоку посредством оптического контакта так, что плоскости соединения полушарий 4, 4' и полуцилиндров 6, 6' совпадают. Причем расстояние между основаниями цилиндра выбираются такими, чтобы ребро светоделителя оказалось в фокальной плоскости объектива.

Фоторегистрирующий блок 8 содержит объектив 9 и фотоприемник-фотодиод 10, который подключен на вход электронной схемы обработки сигнала. Чувствительная площадь фотодиода 10 расположена в фокальной плоскости объектива 9.

Электронная схема обработки сигнала состоит из расположенных последовательно усилителя 11, фазового детектора 12, индикатора 13, усилителя мощности 14, имеющего выход к исполнительному приводу (на чертеже не показан). К фазовому детектору 12 подключен один из выходов блока 8 противофазного питания 5.

Устройство работает следующим образом.

Блок 5 обеспечивает излучение светодиодов 1, 2, 3 и 1', 2' 3' в противофазе на одной частоте. Полушария-конденсоры 4, 4' проектируют излучающие площадки светодиодов 1,2 3 и 1', 2',3' соответственно на ребро светоделителя. Объектив 7 системы передачи изображения формирует коллимированный пучок, в котором сформирована равносигнальная зона (РСЗ) за счет резкого скачка свойств оптического излучения вдоль плоскости соединения полуцилиндров 6, 6', реализованного благодаря тому, что группа светодиодов 1, 2, 3 излучает в противофазе к группе светодиодов 1', 2', 3'. Причем благодаря полному внутреннему отражению вдоль плоскостей соединения полушарий 4, 4' и полуцилиндров исключается перемешивание (диффузия) противофазных частей пучка. Сформированный таким образом пучок воспринимается объективом 9 фоторегистрирующего блока 8 и направляется на чувствительную площадку фотодиода 10. При этом если оптические оси передающего объектива 7 и приемного 9 совпадают, на чувствительную площадку фотодиода 10 поступает одинаковые по мощности противофазные световые потоки от светодиодов 1, 2, 3 и 1', 2 ', 3', что обуславливает на выходе фотодиода 10 постоянный сигнал. В случае несовпадения оптических осей объективов 7 и 9 в зрачок объектива 8 и следовательно на фотодиод 10 поступают неодинаковые световые потоки и с выхода фотодиода 10 снимается разностный сигнал, который усиливается в усилителе 11 и поступает в фазовый детектор 12, где по совпадению фазы опорного сигнала от блока 5 с разностным сигналом определяется знак смещения оси объектива 9 относительно объектива 7. Индикатор 13 фиксирует знак и величину разностного сигнала, а усилитель мощности 14 управляет работой исполнительного привода, который смещает фоторегистрирующий блок 8 в положение, при котором оптические оси объектива 9 и объектива 7 совпадут. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает формирование модулированного оптического пучка с РСЗ и обеспечивает отслеживание его пространственного положения.

Предлагаемое устройство может быть использовано для решения разнообразных задач, связанных с управлением различными объектами при помощи оптического пучка, в устройствах стыковки, в контрольно-измерительных устройствах при выполнении линейных и угловых измерений. Введение в устройство дополнительных источников излучения увеличивает мощность формируемого пучка. Кроме того, увеличению мощности каждой из противофазных частей пучка способствует полное внутреннее отражение по плоскостям соединения полушарий 4, 4' и полуцилиндров 6, 6'. Повышение облученности чувствительной площадки фотоприемника обуславливает повышение его чувствительности, а следовательно и чувствительности пространственного отслеживания пучка. Действительно, как известно , величина чувствительности подобных систем, т.е. наименьшее фиксируемое смещение осей приемного и передающего объективов описывается выражением
ΔX = где ΔΦ - пороговый поток фотодиода;
L_о - расстояние от объектива 7 системы передачи изображения до объектива 9 фоторегистрирующего блока;
δϕ_ρ - суммарная аберрация объектива 7 системы передачи изображения;
A_n - апертурный коэффициент фотоприемника;
τ₂ - коэффициент пропускания объектива 9 фоторегистрирующего блока;
S_оn - площадь входного зрачка объектива 9;
Е_о - облученность в плоскости чувствительной площадки фотодиода.

Из приведенного выражения видно, что увеличение облученности Е_оприводит к уменьшению наименьшей фиксируемой величины смещения Δ Х оптических осей объективов 7 и 9, что повышает точность устройства.

Использование: изобретение относится к оптической промышленности и решает задачу формирования и последующего отслеживания модулированного оптического пучка. Может быть использовано для метрологических целей и в системах управления различными объектами. Сущность: устройство содержит систему излучения, состоящую из n пар источников излучения, узла конденсоров, выполненного в виде шаровидного оптически прозрачного блока из двух полушарий конденсоров, образующих светоделительный элемент в виде прямого двугранного угла, систему передачи изображения в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, примыкающего к узлу конденсоров и выполненного в виде двух полуцилиндров, при этом основания блока имеют криволинейные поверхности и одно из них образует объектив, а второе, по которому цилиндрический блок прилегает к узлу конденсоров, выполнено сферически с радиусом сферы, равным радиусу шаровидного блока, а также фоторегистрирующий блок с фотоприемником и электронной схемой обработки. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ОТСЛЕЖИВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА, содержащее оптически связанные систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров, соединенных плоскими гранями, одно из оснований которого выполнено плоским, а другое - криволинейным и образует объектив, систему подачи излучения, состоящую из оптически связанной пары источников излучения, конденсатора, светоделителя, имеющего две отражающие грани, образующие прямой двугранный угол, ребро которого перпендикулярно к плоскости, в которой лежат оптическая ось объектива и совпадающие одна с другой и перпендикулярные к оптической оси объектива оптические оси источников излучения, блока противофазного питания, выходы которого подключены к входам источников излучения, а также фоторегистрирующий блок, содержащий объектив и фотоприемник, соединенный с электронной схемой обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности отслеживания оптического пучка, система подачи излучения снабжена по крайней мере одной дополнительной парой источников излучения, входы которых подключены к выходам блока противофазного питания, а конденсатор выполнен в виде шаровидного оптически прозрачного блока, состоящего из двух полушарий-конденсоров, соединенных друг с другом плоскими основаниями посредством оптического клея, имеющего показатель преломления, меньший, чем у материала шаровидного блока, в цилиндрическом блоке второе основание выполнено в виде сферической поверхности, радиус которой равен радиусу шаровидного блока, причем шаровидный блок присоединен к цилиндрическому блоку со стороны плоского основания посредством оптического контакта так, что плоскости соединения полушарий и полуцилиндров совпадают, при этом светоделитель расположен в части шаровидного блока, противоположной зоне его контакта с цилиндрическим блоком, а грани его образованы плоскими фасками, снятыми с каждого из полушарий под равными углами к плоскости их соединения так, что ребро двугранного угла, образованного фасками, проходит через центр шаровидного блока, источники излучения веерообразно размещены вдоль поверхностей полушарий-конденсоров на одинаковых расстояниях от них так, что излучающие синфазно источники излучения расположены по одну сторону от плоскости соединения полушарий-конденсоров, при этом источники излучения дополнительных пар расположены между соответствующими источниками излучения первой пары и гранями светоотделителя, а оптические оси противофазно излучающих источников излучения каждой из дополнительных пар лежат в одной плоскости с оптическими осями источников излучения первой пары и пересекаются в центре шаровидного блока так, что оптические оси источников излучений любой из дополнительных пар образуют с оптическими осями источников излучения первой пары одинаковые углы, не равные аналогичным углам, образованным оптическими осями других пар, причем радиусы полушарий-конденсоров и расстояние от них до источников излучения таковы, что изображения излучающих площадок источников излучения расположены в центре шаровидного блока.