ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК G01J1/06 

Изобретение относится к оптике и лазерной технике, а более конкретно к конструкции фотометрических устройств, предназначенных для измерения пространственного и пространственно-временного распределения интенсивности в пучках непрерывного излучения большой мощности, в частности в сфокусированных лазерных пучках. Оно может быть использовано при решении задач лазерной технологии, в промышленных лазерных технологических установках и в научных исследованиях.

Известно фотометрическое устройство, описанное в работе В.П. Андронова, Л.М. Иваненко и О.В. Хлопунова. ПТЭ, 1978, N6, с. 130 131. Оно содержит фотоприемник и установленную перед ним диафрагму, выполненную в виде серии точечных отверстий, проделанных по витку спирали на цилиндрической поверхности вращающегося барабана. Выполнение отверстий на поверхности цилиндра усложняет изготовление устройства, ведет к появлению погрешностей в их разметке и, как следствие, вызывает снижение точности измерений, в особенности при необходимости обеспечения высокого пространственного разрешения, от единиц до десятков мкм. Кроме того, при выполнении точных измерений в мощных световых пучках обгорание краев отверстий выводит из строя все устройство в целом и делает его неремонтопригодным. Это снижает долговечность устройства.

Известно также фотометрическое устройство, содержащее фотоприемник и установленную перед ним вращающуюся за счет двигателя диафрагму в виде диска с отверстиями. Между диафрагмой и фотоприемником размещена фокусирующая система, которая может быть выполнена в виде любого оптического элемента или оптического блока, и щелевая диафрагма, причем щелевая диафрагма расположена перед фотоприемником в плоскости изображения диафрагмы (см. книгу Ю.Г. Якушенкова "Оптические системы фотоэлектрических устройств". М. Машиностроение, 1966, с. 140). Из-за неподвижности щелевой диафрагмы устройство позволяет изменять распределение интенсивности в сечении пучка только вдоль одной координаты и не дает полной информации о пространственном распределении интенсивности.

Среди известных фотометрических устройств, измеряющих пространственное распределение интенсивности в световых пучках, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в работе В.В. Завьялова и В.И. Воронина. ПТЭ, 1976, N6, с. 102 104. Это устройство содержит фотоприемник и установленную перед ним диафрагму, выполненную в виде вращающегося за счет двигателя диска с отверстиями, размещенными по спирали Архимеда.

Как и у вышеописанного аналога, обгорание краев отверстий снижает долговечность устройства или требует замены целиком всего диска, изготовление которого в случае обеспечения высокого пространственного разрешения (≈ 10⁰ 10¹ мкм) является сложным и дорогостоящим.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение долговечности устройства путем уменьшения вероятности его обгорания в мощных световых пучках и обеспечения ремонтопригодности в процессе эксплуатации.

Указанная задача достигается тем, что в известном фотометрическом устройстве, включающем фотоприемник и установленную перед ним вращающуюся за счет двигателя диафрагму в виде диска с отверстиями, расположенными по спирали Архимеда, в отверстия вставлены без зазора втулки со сквозными каналами, при этом поверхности втулок и диска, обращенные к источнику света, выполнены зеркальными.

Между точечной диафрагмой и фотоприемником может быть размещена фокусирующая система, которая может быть выполнена в виде любого оптического элемента или оптического блока, и щелевая диафрагма, причем щелевая диафрагма расположена, как в аналоге по книге Ю.Г. Якушенкова, перед фотоприемником в плоскости изображения диафрагмы, но в отличие от аналога диафрагма снабжена механизмом вращения ее вокруг оптической оси.

Поверхности диска и втулок, обращенные к источнику света, могут быть выполнены под углами к оптической оси, например, в виде поверхностей тел вращения.

В устройство может быть введена втулка, закрепленная на валу двигателя, на которую насажена диафрагма в виде кольца с зеркальной поверхностью, обращенной к источнику света.

На чертеже схематически изображен общий вид фотометрического устройства.

Оно содержит кольцевой диск 3 с зеркальной рабочей поверхностью, обращенной к источнику света, с отверстиями, в которые без зазора вставлены втулки 4 со сквозными каналами, и втулку 5, закрепленную на валу 9 вращающегося двигателя (на рисунке двигатель не показан). Кольцо 3 насажено на втулку 5. За зеркалом 3 со вставленной в него втулкой 4 установлен фотоприемник 8. Между зеркалом (3 + 4) и фотоприемником 8 размещены фокусирующая система 6 и щелевая диафрагма 7. Последняя установлена в плоскости изображения торца канала во втулке 4, получаемого с помощью фокусирующего оптического блока 6. Перед зеркалом установлен поглотитель 2, перекрывающий рассеиваемое зеркалом 3 и втулкой 4 падающее излучение 1.

Устройство работает следующим образом. В момент пересечения пучка падающего излучения 1 втулкой 4 часть излучения проходит сквозь канал во втулке 4 и после прохождения фокусирующей системы 6 и щелевой диафрагмы 7, снабженной механизмом вращения вокруг оптической оси (на рисунке этот механизм не показан), поступает на вход фотоприемника 8. Величина сигнала на входе приемника 8 соответствует величине плотности мощности в той части исследуемого светового пучка, которая пересекается каналом "зондирующей" втулки. По мере вращения зеркала 3 в пучок попадает следующая втулка 4 со сквозным каналом, который смещен относительно оси пучка 1 по сравнению с предыдущим. Регистрируемая приемником 8 величина интенсивности света соответствует значению плотности мощности в новом смещенном сечении пучка 1, в том, которое "просматривается" данным вновь подошедшим каналом. И так далее. Таким образом осуществляется сканирование светового пучка по его радиусу (диаметру) и определяется пространственное распределение интенсивности в пучке 1.

Благодаря тому, что поверхности диска и втулок выполнены зеркальными, уменьшается доля световой энергии, поглощаемой этими элементами. Значит, уменьшается обгорание поверхностей и засорение продуктами сгорания зондирующих каналов. Это повышает долговечность устройства. Наличие сменных втулок со сквозными каналами позволяет заменять втулки с дефектными каналами в процессе эксплуатации, не меняя всего устройства в целом. Это тоже повышает долговечность устройства и удешевляет его.

Перемещаясь по пучку 1 при вращении зеркала 3, канал каждой из втулок 4 "просматривает" дугообразную полоску в сечении пучка. Благодаря наличию щелевой диафрагмы 7 на вход приемника поступает излучение не от всей полоски, а лишь от той ее части, изображение которой вырезается щелью в диафрагме 7. Благодаря этому повышается пространственное разрешение устройства и упрощается методика обработки и анализа получаемой информации.

Вращая щелевую диафрагму 7 вокруг оптической оси, можно производить радиальное сканирование исследуемого пучка 1 по разным азимутам. Такой особенностью не обладает известное фотометрическое устройство-прототип и аналог.

Изготовление зеркала с поверхностью, наклонной по отношению к его оси, позволяет избежать возврата излучения 1 или его части обратно в источник (например, лазер) и тем самым не допустить возможного разрушения элементов источника и искажения модовой структуры пучка 1, т.е. улучшить условия эксплуатации.

Благодаря наличию втулок 4 можно, в зависимости от задачи конкретного исследования, управлять величиной достижимого пространственного разрешения, устанавливая наборы втулок 4 с каналами требуемых диаметров.

Использование: в оптике, касается устройств, предназначенных для измерения пространственного распределения интенсивности в пучках непрерывного излучения большой мощности. Сущность изобретения: устройство включает фотоприемник и установленную перед ним вращающуюся диафрагму в виде диска с отверстиями, расположенными по спирали Архимеда. В отверстия вставлены втулки со сквозными каналами. Поверхности втулок и диска, обращенные к источнику света, выполнены зеркальными. Между диафрагмой с точечными отверстиями и фотоприемником размещены фокусирующая система и щелевая диафрагма с возможностью вращения последней вокруг оптической оси, причем щелевая диафрагма перед входом фотоприемника расположена в плоскости изображения точечной диафрагмы. Поверхности диска и втулок могут быть выполнены под углом к оптической оси. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотометрическое устройство, включающее фотоприемник и установленную перед ним вращающуюся с помощью двигателя диафрагму в виде диска с отверстиями, расположенными по спирали Архимеда, отличающееся тем, что в отверстия вставлены без зазора втулки со сквозными каналами, а поверхности втулок и диска, обращенные к источнику света, выполнены зеркальными. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между диафрагмой и фотоприемником установлены фокусирующая система в виде оптического элемента или оптического блока и щелевая диафрагма, расположенная перед фотоприемником в плоскости изображения диафрагмы, при этом щелевая диафрагма снабжена механизмом вращения ее вокруг оптической оси. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхности диска и втулок, обращенные к источнику света, выполнены под углом к оси. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введена втулка, закрепленная на валу двигателя, на которую насажено кольцо с зеркальной поверхностью, обращенной к источнику света.