СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА РАСХОДИМОСТИ КОЛЛИМИРОВАННОГО ПУЧКА ЛУЧЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области световых измерений, и может быть использовано для контроля угла расходимости.

Известны способы для контроля угла расходимости. По методу фокального пятна способ измерения состоит в том, что пучок лучей длиннофокусной линзой собирают в фокальной плоскости в виде светового пятна /1/. По отношению этого диаметра к фокусному расстоянию линзы рассчитывают угол расходимости. Недостатки такого способа связаны с невозможностью контролировать размер источника, а также знак угла расходимости, поскольку зафокальные и предфокальные пятна подобны друг другу.

В другом способе в фокальную плоскость линзы вводят калиброванные диафрагмы, ограничивающие размер фокального пятна на заданном уровне энергии /2/. По отношению этого диаметра к фокусному расстоянию линзы рассчитывают угол расходимости. Недостатки этого способа связаны с отсутствием возможности контролировать размер источника и знак угла. Последнее связано с тем, что предфокальное и зафокальное пятна подобны.

Наиболее близким по технической сущности является способ, с помощью которого оптической линзой с известным фокусным расстоянием f' собирают излучение в фокальной плоскости в виде светового пятна, измеряют его диаметр d' на известной доле энергии от максимума и рассчитывают угол из соотношения θ = d′/f′ /3/. Недостаток способа связан с невозможностью учитывать влияние размера источника на размер фокального пятна, а также контролировать знак угла, поскольку предфокальные и зафокальные пятна подобны друг другу, что снижает точность измерений и ограничивает функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измеряют размер световой площадки источника и рассчитывают угол из соотношения

после чего непрозрачным экраном перекрывают половину пучка и контролируют форму светового пятна в фокальной плоскости линзы.

На фиг. 2 дана схема изображения источника в положениях I и II, d - диаметр световой площадки источника, R радиус кривизны волнового фронта, O_б линза, f' фокус, -диаметр изображения источника I; Δ11

,Δ12 - расфокусировка, соответствующая
Фиг. 2 световой треугольник, d диаметр световой площадки источника, R радиус кривизны волнового фронта, Δ стрелка прогиба волнового фронта, q угол расходимости.

Фиг. 3 схема измерения угла, d диаметр световой площадки источника, O_б линза, F' фокальная плоскость, d' диаметр фокального пятна, Δ¹ расфокусировка, соответствующая d', 2 и 3 линейки фотоприемников.

Фиг. 4 схема контроля знака угла. q_д дифракционный угол расходимости, θ₁,θ₂ произвольные углы расходимости "положительного" и "отрицательного" по отношению к θ_д F' фокальная плоскость, C₁ - точка пересечения крайнего луча с оптической осью пучка с расходимостью θ₁ C₂ точка пересечения луча с оптической осью пучка с расходимостью.

Фиг. 5 вид А половина линзы О_б закрыта непрозрачным экраном 4.

Фиг. 6 изображение светового пятна в фокальной плоскости при θ_д,θ₁,θ₂
Источники коллимированного пучка лучей, имеющие реальные конечные размеры, используются в коллиматорах, прожекторах и в других оптических приборах (интерферометрах, микроскопах). Поэтому размер таких источников (фиг. 1) влияет на размер изображения фокального пятна в соответствии с геометрическим построением изображения источника в положениях I и II. Поскольку угол расходимости оценивается по наибольшему диаметру фокального пятна (предполагается, что Δ11

,Δ12 малы и близки к фокальной плоскости), то размеры изображения источника могут превзойти размер d' (по фиг. 1).

Рассмотрим световой треугольник (фиг. 2), откуда или Формулу отрезков из фиг. 1 можно представить в виде После подстановки находим Переходя к углу, получаем приближенное

и точное соотношение

Схема измерения угла в соответствии с полученным соотношением приведена на фиг. 3. Измеритель располагается вблизи от источника. В этом случае размер источника мало отличается от размера сечения пучка, в котором располагается линейка фотоприемников 1. Первый параметр размер источника d измеряется на той же доле энергии, на которой контролируется размер фокального пятна. Второй параметр d' измеряется путем контроля размера фокального пятна из анализа доли энергии в фокальной плоскости F' с помощью фотоприемников 2. Доля энергии, на которой производилась оценка пятна, определяет уровень энергии самого угла, рассчитываемого по измеренным d и d'. Возможность измерений на одной и той же доле энергии связана с тем, что оптическая линза в соответствии с не влияет на распределение энергии.

В зависимости от изменения режима работы источника (износа его частей) угол расходимости может приобретать "положительные" углы θ₁, так и "отрицательные" углы θ₂ Изменение знака угла в каждом случае будет приводить к увеличению размера фокального пятна относительно пятна для дифракционного угла θ_д Для оценки знака угла половина пучка перекрывается непрозрачным экраном (фиг. 6). Тогда при дифракционном угле половина оставшегося пучка соберется в фокальной плоскости F' в виде светового пятна. Изменение θ_д до θ₁ и θ₂ приведет к тому, что крайние лучи пересекутся с оптической осью соответственно в точках C₁ и C₂. При этом в фокальной плоскости, в которой контролируется пучок, изобразится световое полупятно либо над осью (при -θ₂ ), или под осью (при +θ₁ ). Следовательно, изменение формы пятна укажет на знак угла расходимости.

Пусть линза измерителя имеет f'= 300 мм, диаметр источника d 40 мм, размер изображения источника (равный максимальному размеру xфотоприемника в линейке) d'=0,02 мм. Тогда по изобретению


Полученные расчетом близкие значения d' в заявленном способе указывают на то, что при больших R≈10⁵ мм влиянием размера источника можно пренебречь.

При переходе на малые R необходимо учитывать размер изображения d'. Пусть R 1000 мм, f'= 300 мм, d 40 мм. Тогда из соотношения находим Если взять R 10000 мм, то при тех же параметрах d 1,2 мм. Полученные значения d' значительно превышают значения d', полученные из соотношения d′ = f′θ Следовательно, при переходе от R=10⁶ мм к R= 10⁴ мм и меньше размер фокального пятна, определенный размером источника, может превзойти размер определяемый расходимостью лучей. Способ позволяет учитывать размер источника и, следовательно, устранить погрешность, вызванную источником.

При измерениях угла расходимости при больших можно пренебречь размером источника и в этом случае расчет угла возможен как в соответствии с известным соотношением d′ = f′θ так и предложенным При малых необходимо учитывать размер источника, что позволяет предложенный способ. Поэтому возможность измерений угла описываемым способом как для больших, так и малых, расширяет функциональные возможности по сравнению с прототипом. Кроме того, при измерениях угла расходимости, в особенности, импульсных источников, возникает неопределенность в определении знака угла. Введение непрозрачной шторки позволяет определить знак угла как непрерывных, так и импульсных источников, что расширяет функциональные возможности способа.

Разработка новых способов контроля угла расходимости необходима при изготовлении оптических приборов со световыми источниками коллиматоров, микроскопов, интерферометров. Создание измерителей угла повышенной точности особенно необходимо в процессе сборки и изготовления этих приборов. Обеспечение такого контроля уже на ранних стадиях позволит выявить погрешности оптических схем и устранить неисправности, что повысит качество выпускаемых промышленностью оптических приборов и даст положительный экономический эффект.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: способ заключается в том, что оптической линзой с фокусным расстоянием f' пучок собирают в фокальной плоскости в виде светового пятна, измеряют его диаметр d' на заданной доле энергии от максимума, измеряют диаметр d световой площадки источника на той же доле энергии от максимума, что и d', и рассчитывают угол из соотношения

после чего половину пучка перекрывают непрозрачным экраном 4 и по форме светового пятна в фокальной плоскости линзы определяют знак угла. 6 ил.

Способ измерения угла расходимости коллимированного пучка лучей, заключающийся в том, что оптической линзой с заданным фокусным расстоянием f' пучок собирают в фокальной плоскости в виде светового пятна, измеряют его диаметр d' на заданной доле энергии от максимума и рассчитывают угол расходимости, отличающийся тем, что измеряют диаметр d световой площадки источника на заданной доле энергии от максимума, аналогичной при измерении d', а угол расходимости рассчитывают из соотношения

после чего половину пучка перекрывают непрозрачным экраном и по форме светового пятна в фокальной плоскости линзы контролируют знак угла.