ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПУЧКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01B11/27 

Изобретение относится к оптике, а именно к датчикам положения светового пучка, и может быть использовано в устройствах центрирования волоконных световодов.

Известен датчик положения осесимметричного пучка оптического излучения, содержащий задатчик положения светового пучка, оптически связанный с многоэлементным фотоприемником и выполненный на двух бипризмах Френеля с ортогонально расположенными делительными гранями [1]
Недостатком известного устройства является его невысокая чувствительность, обусловленная малой крутизной зависимости выходной величины (фотоотклика) от смещения пучка.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик положения осесимметричного пучка оптического излучения, содержащий задатчик положения светового пучка, оптически связанный с многоэлементным фотоприемником, выходы которого соединены с входами блока обработки сигналов [2] Задатчик положения пучка выполнен в виде линзы, на оптической оси которой расположен центр многоэлементного фотоприемника.

Недостатком прототипа является его невысокая чувствительность, которая определяется малой крутизной преобразования задатчиком положения смещения Δ Х светового пучка на входе в его угловое перемещение Δα на выходе.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике положения осесимметричного пучка оптического излучения, содержащем задатчик положения светового пучка, оптически связанный с многоэлементным фотоприемником, выходы которого соединены с входами блока обработки сигналов, задатчик положения светового пучка выполнен в виде выпуклой отражающей поверхности вращения с нелинейной образующей, а элементы многоэлементного фотоприемника размещены симметрично относительно оси cимметрии выпуклой отражающей поверхности вращения.

Кроме того, выпуклая отражающая поверхность вращения с нелинейной образующей выполнена сферической.

На фиг. 1 изображен датчик положения осесимметричного пучка оптического излучения, используемый для центрирования волоконного световода; на фиг. 2 чертеж, иллюстрирующий вывод коэффициента преобразования (чувствительности) устройства.

Датчик положения содержит осветительный блок, оптический блок, выполненный в виде элемента 1 с выпуклой поверхностью вращения с нелинейной образующей с осью симметрии, совпадающей с оптической осью, и с отражающим покрытием со стороны, обращенной к осветительному блоку 2, фотоприемный блок выполнен в виде двух многоэлементных фотоприемников 3 и 4, расположенных симметрично относительно оси симметрии, совпадающей с оптической осью элемента с выпуклой поверхностью. Кроме того, элемент с выпуклой поверхностью выполнен сферическим.

Многоэлементные фотоприемники 3 и 4 размещены в попарно ортогональных плоскостях, параллельных оси симметрии, совпадающей с оптической осью элемента с выпуклой поверхностью. На чертеже обозначены также ось 5 осесимметричного пучка излучения и ось 6 симметрии элемента 1 с выпуклой поверхностью.

Устройство работает следующим образом. Осесимметричный пучок оптического излучения от осветительного блока 2 отражается выпуклой отражающей поверхностью элемента 1 на две пары фотоприемников 3 и 4. По сигналам с фотоприемников 3 и 4 блок обработки сигналов (не показан) вырабатывает разностный сигнал рассогласования положения пучка относительно оси 5. В случае совпадения оси 5 осесимметричного пучка с осью 6, отраженный поверхностью элемента 1, пучок оптического излучения засвечивает одинаковые участки на фотоприемниках. В результате разностный сигнал с фотоприемников равен нулю.

В случае смещения оси 5 пучка с оси 6 появляется асимметрия в засветке элементов фотоприемника. В результате засвеченный участок на элементе 4 увеличивается, а на элементе 3 уменьшается. Величина и знак разностного сигнала с элементов 3 и 4, выработанного блоком обработки сигналов (не показан), пропорциональны величине и направлению смещения.

Сравнительный анализ чувствительностей предложенного датчика и прототипа может быть проведен по со отношению коэффициентов преобразования смещения ΔXпучков на входах задатчиков положения световых пучков в угловые перемещения лучей Δα на их выходах при прочих равных условиях: равенство расстояний от источника излучения до задатчика положения пучка и равенства расстояний от задатчика до элементов фотоприемников в изобретении и прототипе.

Известно, что в прототипе коэффициент преобразования линзового задатчика положения светового пучка можно определить из хода луча через главную точку линзы, т.е. как:
K ≈
(1)
В заявленном устройстве коэффициент преобразования задатчика положения светового пучка можно определить из хода крайнего луча осесимметричного пучка с апертурным углом θ следующим образом. При смещении пучка на ΔX (см. фиг.2) крайний луч отклоняется на величину Δα=2Δβ (точно так же как, при повороте зеркала на угол Δβ). Приращение угла Δβ можно определить по дуге B как
Δβ ≈
Хорду АВ найдем из решения треугольника АВС по теореме синусов:
и
AB
Из решения треугольника Δ АОD:
R Таким образом:
K ≈ (2)
Сравнивая зависимости (1) и (2) видим, что выбором угла можно получить любое наперед заданное увеличение чувствительности по отношению к прототипу.

Использование: изобретение относится к оптике, а именно к датчикам положения светового пучка, и может быть использовано во всех устройствах с волоконными световодами. Сущность: датчик положения осесимметричного пучка оптического излучения содержит выпуклую отражающую поверхность вращения с нелинейной образующей. Элементы многоэлементного фотоприемника размещены симметрично относительно оси симметрии выпуклой отражающей поверхности в плоскостях, параллельных этой оси. Осесимметричный пучок оптического излучения отражается поверхностью на элементы фотоприемника. К сигналам с элементов блок обработки сигналов вырабатывает разностный сигнал рассогласования положения пучка относительно оси. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПУЧКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий осветительный, оптический и фотоприемный блоки, отличающийся тем, что оптический блок выполнен в виде элемента с выпуклой поверхностью вращения с нелинейной образующей с осью симметрии, совпадающей с оптической осью, и с отражающим покрытием со стороны, обращенной к осветительному блоку, а фотоприемный блок выполнен в виде двух многоэлементных фотоприемников, расположенных симметрично относительно оси симметрии, совпадающей с оптической осью элемента с выпуклой поверхностью. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что элемент с выпуклой поверхностью выполнен сферическим. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что многоэлементные фотоприемники размещены в попарно ортогональных плоскостях, параллельных оси симметрии, совпадающей с оптической осью элемента выпуклой поверхностью.