МЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B26/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения фотометрических и радиометрических приборов различного назначения, а также для амплитудной и широтно-импульсной модуляции непрерывного излучения источников в системах дистанционного контроля и автоматики.

Известно множество типов модуляторов оптического излучения, построенных на основе механических и электро-механических устройств. Например, камертонный модулятор, включающий в себя U-образную пластинку, одна из ножек которой закреплена на корпусе прибора неподвижно, ко второй подвижной прикреплен экранирующий элемент (обычно щель или диафрагма с острым краем). Возвратно-поступательное движение экранирующего элемента обеспечивается за счет возбуждения колебаний в электрических обмотках, установленных на ножках камертона, на резонансной частоте его механических колебаний. При прочих достоинствах основным недостатком такого модулятора является малый диапазон перемещения экранирующего элемента, и, как следствие, необходимость применения оптических элементов линз или зеркал для формирования пучка малого размера в плоскости экранирующего элемента.

Наибольшее распространение получили различные дисковые модуляторы, представляющие собой осесимметричные пластинки с прорезями различной конфигурации.

Пластинка при этом устанавливается на вал, ось вращения которого обычно параллельна оси оптической системы или в отдельных случаях скрещена под требуемым углом.

Основным недостатком модулятора этого типа является то, что для полного перекрытия пучка диаметром d необходимо использовать диск диаметра больше 2d. Это обстоятельство при прочих равных условиях приводит к увеличению габаритов прибора в целом.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и поэтому выбран в качестве прототипа является модулятор барабанного типа (1).

Он представляет собой вращающийся круговой цилиндр, на боковой поверхности которого имеются прорези. Ось вращения такого стакана проходит через центр основания и перпендикулярна оптической оси устройства. Приемник или источник излучения обычно располагается внутри стакана.

Основным недостатком является то, что для 100% амплитудной модуляции диаметр стакана должен заметно превышать размер пучка излучения. Например, в оптимальном случае при наличии всего двух диаметрально расположенных прорезей диаметр внутренней образующей стакана должен не менее, чем в 1,42 раза превышать размер пучка.

Задача изобретения и его технический результат состоят в реализации 100% амплитудной модуляции светового пучка с использованием простого устройства, имеющего минимальные габариты в направлении, перпендикулярном оси пучка излучения или прибора. Решению этой задачи, как правило, способствуют требования обеспечить достаточную частоту модуляции, отсутствие дисбаланса вращающихся деталей и переменных нагрузок в подшипниках.

Минимизация габаритов механического модулятора оптического излучения с одновременным увеличением рабочей апертуры, включающего экранирующий элемент, установленный в оправе, при повороте которого частично или полностью перекрывается отверстие оправы, ограничивающей пучок падающих лучей, решается за счет того, что экранирующий элемент выполнен в виде осесимметричной непрозрачной пластинки минимальной толщины, ось вращения которой параллельна граням и пересекает или скрещена с осью отверстия в оправе, а ее форма повторяет форму отверстия в оправе, или имеет вид, обеспечивающий требуемую зависимость изменения площади перекрытия поперечного сечения оправы или модулируемого пучка проекцией пластинки на плоскость сечения от угла ее поворота, а поверхности пластинки имеют поглощающее или диффузное отражающее покрытие.

На основе теоретического анализа и физического моделирования впервые обнаружен ряд уникальных свойств предлагаемого устройства.

Во-первых, устройство может быть реализовано на основе пластинки, размеры которой равны или незначительно превосходят максимальный размер пучка или входной апертуры прибора. Это позволяет не только минимизировать габариты и массу прибора, но и располагать модулятор до приемного объектива или вдали от плоскости изображения. Это обстоятельство при прочих равных условиях в высокочувствительных ИК приборах позволяет минимизировать периодическое мешающее воздействие собственного излучения модулятора и других элементов конструкции прибора на приемник излучения.

Во-вторых, показано, что модулятор позволяет получить нетрадиционную для механических модуляторов временную зависимость промодулированного излучения при равномерном вращении экранирующей пластинки. Так, при периодическом перекрытии равномерного пучка диаметром D пластинкой такого же диаметра и толщиной L временной ход промодулированного излучения будет описываться формулой:
Φ(t) = Φ_o{1-abs[b/Dsin(ωt)+cos(ωt)]}
где:
Φ_o поток непрерывного излучения на входе модулятора;
ω циклическая частота вращения, а функция abs[. означает модуль выражения, содержащегося в скобках. При толщине пластинки в (15-20) раз меньше ее диаметра, основная мощность сосредоточена на гармонической составляющей 2.

В-третьих, установлено, что временной ход промодулированного излучения может варьироваться за счет изменения формы вращающейся пластинки или соотношения ее размера и величины пучка, то временная область полного перекрытия увеличивается, что необходимо в ряде устройств для фиксации темнового отсчета или гарантированного сброса интегрирующих элементов в измерительной схеме прибора. При направлении в модулятор пучка с размерами значительно меньшими, чем размер экранирующего элемента, формируются импульсы излучения. В зависимости от расстояния между центром пучка и осью вращения пластинки при незначительном изменении формы импульсов в широких пределах будет меняться скважность последовательности, т.е. осуществляться широтно-импульсная модуляция. Данная особенность позволяет использовать модулятор для формирования импульсной последовательности с изменяемой скважностью и в качестве датчика положения пучка в устройствах автоматического контроля положения пучка.

В-четвертых, результаты опробования устройства для модуляции выходного излучения источников и излучения входящего в фотометрическое устройство указывает на существенное снижение влияния мешающего фонового излучения за счет выбора соответствующего покрытия экранирующей пластинки. В ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК-диапазонах следует использовать поглощающее покрытие пластинки и конструкционных элементов оправы, на которые в процессе работы поступает излучение, отраженное экранирующим элементом. Это также относится практически ко всем случаям модуляции выходного излучения источников. При использовании модулятора в составе ИК-приборов среднего диапазона существенную величину может иметь собственное излучение экранирующей пластинки и конструктивных элементов оптической системы, которое тем выше, чем больше их коэффициент поглощения. Поэтому, как правило, в таких случаях используется диффузное покрытие пластинки с максимальным значением полусферического коэффициента отражения минимальным коэффициентом поглощения и излучения соответственно.

Конкретная реализация устройства представляет собой круглую пластинку диаметром 65 мм и толщиной 3 мм, установленную с помощью двух полуосей в оправу с подшипниками. Световой диаметр круглой оправы 68 мм. Пластинка приводится в равномерное вращательное движение с помощью понижающей зубчатой передачи 1:6 маломощным двигателем постоянного тока ДПМ-20. При напряжении питания двигателя 20 В потребляемая мощность составила менее 1 Вт, а частота вращения (10±1) Гц. Несущая частота (частота первой гармоники в спектре) была в два раза выше и составляла около 20 Гц соответственно. Временной ход регистрировался с помощью кремниевого фотодиода, расположенного в фокальной плоскости концентрирующего объектива со световым диаметром 100 мм.

На чертеже представлен временной ход при засветке всей оправы равномерным пучком. В случае модуляции одномодового лазерного пучка диаметром 5 мм по уровню 1/e для расстояний (4-28 мм) от его оси до оси вращения пластинки на выходе формируются импульсы длительностью по уровню 0,5 от 2,5 до 30 мс соответственно. При этом их форма изменяется от колоколообразной до практически прямоугольной с длительностью переднего и заднего фронтов менее 1 мс, а скважность импульсной последовательности от 20 до 1,6.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в фотометрических и радиометрических приборах, а также для амплитудной и широтно-импульсной модуляции непрерывного излучения источников в системах дистанционного контроля и автоматики. Устройство содержит экранирующий элемент, установленный в оправе, который при повороте частично или полностью перекрывает отверстие оправы, ограничивающей пучок падающих лучей. Экранирующий элемент выполнен в виде осесимметричной непрозрачной пластинки минимальной толщины, ось вращения которой параллельна грани и пересекает или скрещена с осью отверстия оправы. Форма пластинки повторяет форму отверстия в оправе, или имеет вид, обеспечивающий требуемую зависимость изменения площади перекрытия пластинки на плоскость сечения от угла ее поворота. В зависимости от применения модулятора поверхности пластинки имеют поглощающее или диффузное отражающее покрытие. В устройстве реализуются минимальные габариты в направлении, перпендикулярном оси пучка излучения для данной апертуры, что позволяет для снижения влияния фонового излучения располагать модулятор вдали от плоскости изображения. За счет изменения соотношения размеров пучка и экранирующего элемента, а также направления его в модулятор на разном расстоянии от оси вращения пластинки осуществляется изменение формы и скважности выходного излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Механический модулятор оптического излучения, включающий оправу и экранирующий элемент, установленный с возможностью поворота для частичного или полного перекрытия отверстия оправы, ограничивающей падающий пучок лучей, отличающийся тем, что экранирующий элемент выполнен в виде тонкой непрозрачной пластинки, ось вращения которой параллельна ее поверхности и пересекает или скрещена с осью отверстия в оправе, а ее форма имеет вид, обеспечивающий требуемую зависимость изменения площади перекрытия сечения оправы или падающего пучка лучей проекцией пластинки на плоскость, перпендикулярную или оси оправы или пучка, от угла поворота, а поверхности пластинки имеют поглощающее или диффузное отражающее покрытие. 2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что форма пластинки повторяет форму отверстия в оправе.