ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК УГЛА Российский патент 2008 года по МПК G01B11/26 

Область техники

Изобретение относится к измерительной и навигационной технике. Более конкретно оно относится к устройствам для определения угловой ориентации объектов в пространстве. Устройство по данному изобретению может быть использовано для определения угловых перемещений объектов в пространстве, в системах наведения и для юстировки взаимного расположения объектов, частей различных устройств и приборов.

Уровень техники

Известно устройство для измерения угла отклонения контролируемой поверхности от заданной базы [патент RU 2142112], содержащее корпус с опорой, выполненной в виде двух центрирующих призм, и стойку, на которой вертикально расположен шток с возможностью вертикального перемещения вдоль стойки с закрепленной на нем стрелкой и измерительной шкалой. Контролируемая деталь устанавливается на центрирующие призмы и поджимается винтом. Стрелка при помощи штока подводится до соприкосновения с контролируемой поверхностью детали. В случае отклонения поверхности детали от базы стрелка показывает на круговой шкале угол отклонения. При помощи пружины шток возвращается в исходное положение.

Недостатком такого устройства является то, что оно позволяет производить угловые измерения только в одной плоскости и для ограниченного перечня деталей. Кроме этого, использование данного устройства предполагает непосредственный контакт с объектом, положение которого определяется. Проведение измерений с помощью данного устройства требует выполнения трудоемких операций.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является оптоэлектронный датчик угла [DE 19937809 А1, 2001], содержащий источник света, фотоприемник, электроды, закрепленные на фотоприемнике с обеспечением электрического контакта с ними, причем верхний электрод выполнен в виде проводящих полосок переменного сечения на поверхности фоточувствительного материала. Источник света создает на поверхности фотоприемника световое пятно. При перемещении пятна по поверхности или изменении его размера дискретно меняется электрический сигнал на выходе фотоприемника. Для угловых измерений используется два верхних электрода, расположенных взаимно перпендикулярно друг другу на поверхности фоточувствительного слоя.

Однако данное устройство является сложным, характеризуется низкой точностью угловых измерений, требует наличия высокопроизводительных средств обработки информации и предназначено для измерения угла отклонения только достаточно близко расположенных объектов.

Сущность изобретения

Задача изобретения - создание достаточно простого и универсального оптоэлектронного устройства для измерения угла (наклона, поворота) как близко расположенных, так и удаленных объектов.

Поставленная задача решается благодаря созданию датчика угла, включающего в себя фотоприемник, выполненный из электропроводящего материала, обладающего свойством оптического выпрямления, двух пар электродов, закрепленных на указанном фотоприемнике с обеспечением электрического контакта с ними, и импульсный источник света.

Предпочтительным вариантом выполнения фотоприемника является использование электропроводящей пленки, материал которой обладает свойством оптического выпрямления, нанесенной по подложку, электропроводность которой существенно ниже, чем электропроводность материала пленки. Электроды при этом целесообразно расположить между пленкой и подложкой.

Оптимальным вариантом пространственного расположения электродов датчика является их параллельное размещение по отношению друг к другу внутри одной пары и перпендикулярное по отношению к электродам другой пары.

Возможно расположение электродов разных пар в различных электрически изолированных или физически разделенных друг от друга частях фотоприемника.

Целесообразной геометрической формой приемной части фотоприемника является форма квадрата.

Целесообразно дополнительное снабжение устройства коллиматором светового пучка, размещенным между источником света и фотоприемником.

Возможно расположение источника света и фотоприемника на двух различных объектах, взаимное пространственное (угловое) положение которых определяется с помощью указанного датчика.

Возможно расположение источника света и фотоприемника на одном из двух объектов, взаимное пространственное положение которых определяется с помощью указанного датчика, при этом фотоприемник регистрирует излучение от источника света после его отражения от поверхности другого из двух указанных объектов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показаны трехмерные изображения устройства по данному изобретению при отклонении поверхности фотоприемника на некоторый угол α_x≠0 вокруг оси ОХ при α_y=0 (фиг.1а) и на угол α_y≠0 вокруг оси OY при α_х=0 (фиг.1b).

На фиг.2 изображены четыре варианта расположения электродов на поверхности фотоприемника:

- в первом и втором вариантах электроды каждой пары параллельны друг другу, а электроды различных пар (а) и (b) расположены взаимно перпендикулярно, причем первая и вторая пары электродов размещены в различных четных (фиг.2а) или нечетных (фиг.2b) квадрантах на поверхности фотоприемника;

- в третьем варианте - электроды расположены по периметру поверхности фотоприемника так, что электроды каждой пары параллельны, а электроды, принадлежащие разным парам, перпендикулярны друг другу (фиг.2с).

- в четвертом варианте - электроды каждой пары параллельны друг другу, а электроды различных пар (а) и (b) расположены взаимно перпендикулярно, причем первая и вторая пары электродов размещены в различных электрически изолированных или физически разделенных частях фотоприемника (фиг.2d).

На фиг.3 показана зависимость амплитуды сигнала оптического выпрямления от угла наклона α_х при α_y=0 (или от угла наклона α_y при α_х=0).

На фиг.4 показана зависимость амплитуды сигнала оптического выпрямления, возникающего между электродами пары (а) (кривая 1) и между электродами пары (b) (кривая 2) при фиксированных углах α_х≠0, α_y=0, от угла поворота β поверхности фотоприемника вокруг нормали к поверхности фотоприемника.

На фиг.5 представлен график спектральной чувствительности фотоприемника, отнесенной к чувствительности на длине волны λ=1064 нм (9398.5 см^-1).

На фиг.6 изображена схема работы устройства согласно изобретению в системе управления летательным аппаратом.

Раскрытие изобретения

Оптоэлектронный датчик углового положения объекта согласно данному изобретению состоит из импульсного источника света (1), коллиматора (2), фотоприемника (3), жестко закрепленного на самом объекте и выполненного в виде пленки, обладающей свойством оптического выпрямления и нанесенной на подложку (4) с двумя парами (а) и (b) электродов, имеющих электрический контакт с поверхностью пленки (фиг.1). Электроды из каждой пары параллельны друг другу, а электроды из различных пар расположены взаимно перпендикулярно. Электроды могут быть выполнены из любого хорошо проводящего материала, например из металла, и для обеспечения хорошего электрического контакта прижиматься механически к поверхности пленки, обладающей свойством оптического выпрямления, или наноситься на нее в виде тонкого слоя металла. Электроды могут быть также размещены между пленкой, обладающей свойством оптического выпрямления, и подложкой, на которую она наносится. Из возможных вариантов расположения электродов (фиг.2) на поверхности пленки, обладающей свойством оптического выпрямления, предпочтительным является расположение, показанное на фиг.2d, когда первая и вторая пары электродов размещены в различных электрически изолированных или физически разделенных частях фотоприемника. В этом случае, с одной стороны, практически вся мощность оптического излучения, попадающая на фотоприемник, используется для получения импульса электрического напряжения, а с другой стороны, не происходит шунтирования сигнала, возникающего между электродами первой пары, электродами другой пары, как в случае, показанном на фиг.2с. В вариантах расположения электродов, показанных на фиг.2а и фиг.2b чувствительная часть фотоприемника используется только частично, однако при этом импульсные напряжения, возникающие на различных парах электродов одинаковы для одинаковых углов α_x и α_y.

Подложка (4) изготавливается из материала, имеющего существенно более низкую электропроводность по сравнению с материалом пленки, обладающей свойством оптического выпрямления.

Датчик углового положения объекта согласно настоящему изобретению функционирует следующим образом.

Пучок линейно поляризованного импульсного излучения, например, от лазерного источника света (1) проходит через коллиматор пучка (2), который предназначен для увеличения диаметра и уменьшения расходимости пучка. Затем пучок света попадает на фотоприемник (3), закрепленный на контролируемом (управляемом) объекте, с нанесенными на нем двумя парами ((а) и (b)) электродов. Импульсное оптическое излучение достаточной мощности, попадающее на поверхность пленки, наводит статическую нелинейную поляризацию, определяемую квадратичной нелинейной восприимчивостью материала пленки. В результате между параллельными электродами каждой пары (а) или (b) возникает импульсное электрическое напряжение, форма которого повторяет огибающую лазерного импульса, а величина зависит от углового положения объекта относительно пучка лазера. Этот эффект известен как эффект оптического выпрямления [Y.R.Shen, The Principles of Nonlinear Optics, John Wiley & Sons, NY, 1984, p.57-59]. Выберем прямоугольную систему координат XYZ, связанную с поверхностью фотоприемника, и имеющую, например (фиг.1а), ось ОХ, расположенную параллельно электродам (а) и перпендикулярно электродам (b), соответственно. Тогда при повороте плоскости фотоприемника вокруг оси ОХ на угол α_x при α_y=0 импульсный электрический сигнал возникает между электродами пары (а), а при повороте плоскости фотоприемника вокруг оси OY (фиг.1b) на угол α_y при α_x=0, импульсный электрический сигнал возникает между электродами пары (b). Причем величина возникающей разности потенциалов на различных парах электродов соответствует угловому отклонению объекта в перпендикулярных плоскостях. Далее напряжение с электродов поступает на систему обработки сигнала, которая вырабатывает соответствующие управляющие команды или выдает информацию об угловой ориентации объекта.

В качестве источника импульсного излучения может служить достаточно мощная лазерная установка, генерирующая последовательность ультракоротких импульсов. Источник света и фотоприемник могут находиться на двух различных объектах, взаимное угловое положение которых определяется с помощью датчика согласно изобретению. Кроме того, источник света и фотоприемник могут находиться на одном из двух объектов, взаимное угловое положение которых определяется с помощью указанного датчика, при этом фотоприемник регистрирует излучение от источника света после его отражения от поверхности другого из двух указанных объектов.

Пары электродов (а) и (b) могут располагаться как на поверхности, так и под проводящей пленкой фотоприемника (3). Причем, в последнем случае, когда электроды располагаются между пленкой (3) и подложкой (4), исключается возможность попадания света на электроды. Этим устраняется влияние эффектов, маскирующих сигнал или искажающих форму импульса оптического выпрямления и возникающих при попадании лазерного излучения на электроды.

В качестве пленки, обладающей свойством оптического выпрямления, может использоваться пленка из углеродного нанографитного материала, осажденного на подложку из полированного кремния [A.N.Obraztsov, A.A.Zolotukhin, A.O.Ustinov, A.P.Volkov, Yu.P.Svirko, Carbon, 2003, v.41, P.836-839]. Основными структурными элементами такой пленки являются кристаллиты графита, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки с максимальным отклонением не более ±20 градусов. Расстояние между отдельными кристаллитами составляет около 0.5-1 мкм. Средняя толщина такой нанографитной углеродной пленки составляет около 3-4 мкм.

На фиг.3 представлена экспериментально полученная для такой нанографитной пленки при эффекте оптического выпрямления на квадратичной нелинейности зависимость амплитуды импульсного электрического напряжения (U), возникающего на одной из пар электродов ((а) или (b)), от угла α_х (или α_y) между падающим пучком света и плоскостью XOZ (или YOZ) [G.M.Mikheev, R.G.Zonov, A.N.Obraztsov, Yu.P.Svirko, Applied Physics Letters, 2004, V.84, №24, Р.4854-4856]. Полярность электрического сигнала меняется с изменением знака угла α_х (или α_y), а при нормальном падении сигнал полностью отсутствует. Причем при угловом отклонении объекта только относительно одной оси (ОХ или OY), то есть когда α_х≠0, α_y=0 (или α_y≠0, α_х=0), импульсный электрический сигнал возникает только на одной паре электродов ((а) или (b)). При повороте объекта вокруг обеих осей (ОХ и OY) одновременно, когда α_х≠0, α_y≠0, разность потенциалов возникает на обеих парах электродов. Совокупность сигналов, полученных от двух пар электродов, дает информацию об угловой ориентации плоскости фотоприемника, жестко закрепленного на объекте.

На фиг.4 представлена экспериментально измеренная зависимость амплитуды электрического сигнала, возникающего между электродами пар (а) (кривая 1) и (b) (кривая 2) при α_х≠0 и α_y=0, от угла поворота β плоскости фотоприемника с электродами относительно нормали к этой поверхности. Угол β отсчитывается таким образом, что при β=0 и 180° электроды пары (а) перпендикулярны плоскости падения. Из фиг.4 видно, что вращение фотоприемника с электродами вокруг оси, перпендикулярной к его поверхности, приводит к косинусоидальному (кривая 1) и синусоидальному (кривая 2) изменению амплитудного значения сигнала оптического выпрямления между электродами пары (а) и (b), соответственно. Когда электроды пары (а) расположены в плоскостях параллельных плоскости падения (β=90°, 270°), амплитуда сигнала оптического выпрямления между электродами этой пары принимает нулевое значение. Для другой пары электродов (b) соответствующая зависимость (кривая 2) имеет сдвиг фазы на 90 град.

Таким образом, по амплитудам импульсных электрических сигналов, снимаемых с пар электродов (а) и (b), возможно определение угловой ориентации объекта, на котором закреплен фотоприемник, облучаемый импульсным источником света.

Спектральная чувствительность фотоприемника, изготовленного из материала, обладающего свойством оптического выпрямления на квадратичной нелинейности, представлена на фиг.5. Чувствительность возрастает при переходе от инфракрасной к ультрафиолетовой области длин волн и пропорциональна 1/λ. При этом зависимость чувствительности от частоты оптического излучения является линейной. Такая спектральная зависимость чувствительности соответствует известной теории, описывающей явление оптического выпрямления на квадратичной нелинейности, обусловленной квадрупольным вкладом [G.M.Mikheev, R.G.Zonov, A.N.Obraztsov, Yu.P.Svirko, Applied Physics Letters, 2004, V.84, №24, P.4854-4856]. Применение в качестве лазерного источника света импульсного лазерного генератора ультрафиолетового излучения позволяет получать сигнал с фотоприемника в виде электрических импульсов большей амплитуды при меньших мощностях оптического излучения. Однако фотоприемник имеет достаточную чувствительность в широком диапазоне шкалы электромагнитных волн. Это позволяет подобрать лазерный источник нужной длины волны излучения в зависимости от спектральной прозрачности среды измерения.

Амплитуда сигнала оптического выпрямления зависит от мощности, но не зависит от плотности мощности [G.M.Mikheev, R.G.Zonov, A.N.Obraztsov, Yu.P.Svirko, Applied Physics Letters, 2004, V.84, №24, P.4854-4856]. Поэтому снабжение устройства коллиматором, размещенным между лазерным источником и фотоприемником, позволяет уменьшить плотность мощности на поверхности преобразователя света (во избежание его повреждения) без уменьшения чувствительности датчика. Применение коллиматора позволяет получить минимальную расходимость пучка, что, с одной стороны, уменьшает ошибку определения углов, а с другой стороны, позволяет получить оптимальный диаметр пучка на фотоприемнике, размещенном на удаленном объекте.

Для определения взаимной угловой ориентации удаленных объектов может применяться, например, фемтосекундный лазерный источник с длиной волны 625 нм, длительностью импульса 50 фс. С помощью соответствующего коллиматора диаметр пучка можно увеличить до 0.1 м. Фотоприемник должен быть жестко закреплен на объекте.

Оценим импульсную энергию такого лазера необходимую для определения отклонения объекта, например, в одну угловую минуту.

При любых размерах фотоприемника, имеющего, например, вид квадрата и при расположении электродов по фиг.2а и фиг.2b, площадь поверхности, участвующей в преобразовании оптического излучения в электрический сигнал, для каждой пары электродов будет в четыре раза меньше (см. фиг.2) общей площади фотоприемника. Пусть в качестве примера для численных оценок размер фотоприемника, имеющего форму квадрата, составляет 150×150 мм².

Минимальная расходимость лазерного пучка (с гауссовым распределением интенсивности от радиуса) равна 1.22λ/D, где λ - длина волны лазерного излучения, D - начальный диаметр пучка лазера. Минимальная площадь поперечного сечения пучка выбранного лазера на расстоянии L с учетом расходимости будет определяться следующим образом:

S=π·(D+2·L·tg(1.22 ·λ/D))²/4

Т.е. на расстоянии 10 км минимальная площадь сечения составит S=0.05 м².

Зная площадь фотоприемника и учитывая, что только 1/4 ее часть, падающая на фотоприемник, участвует в генерации электрических импульсов, получаем, что только 1/9 часть лазерной мощности преобразуется в импульсное электрическое напряжение, измеряемое между одной из пар электродов.

Как известно из [G.M.Mikheev, R.G.Zonov, A.N.Obraztsov, Yu.P.Svirko, Applied Physics Letters, 2004, V.84, №24, P.4854-4856], при отклонении плоскости фотоприемника на 50 град. относительно направления лазерного луча его чувствительность составляет около 500 мВ/МВт. В диапазоне от 0 до 50 град. сигнал оптического выпрямления монотонно возрастает. Следовательно, угловая чувствительность в среднем составляет примерно 10 мВ/(МВт·град.). Таким образом, при повороте пластины фотоприемника на одну угловую минуту сигнал между электродами изменится на величину в 60 раз меньше, т.е. на 170 мкВ. Это справедливо при условии, что на фотоприемник попадает 1 МВт мощности. Далее выберем детектор импульсного электрического напряжения с чувствительностью около 10 мкВ. Тогда для определения отклонения в 1 угловую минуту необходимо иметь минимальную мощность лазерного излучения на поверхности фотоприемника Р_min в 17 раз меньше (170/10=17), то есть 60 кВт.

Учитывая то, что только девятая часть мощности лазерного пучка участвует в образовании импульсного электрического сигнала, получаем, что минимальная требуемая мощность исходного пучка лазера составляет 540 кВт. При длительности лазерного импульса 50 фс для получения мощности в импульсе 540 кВт необходимо иметь энергию в импульсе 27 нДж. Фемтосекундные лазеры с такими параметрами доступны в настоящее время.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить измерения угловых перемещений удаленного объекта с достаточно высокой точностью.

На фиг.6 проиллюстрирован вариант использования изобретения для целей ориентации движущихся объектов (на примере летательного аппарата). В этом случае на объекте (8) жестко закрепляется фотоприемник (3), перпендикулярно оси О¹O¹ объекта. Оптическая ось OO луча лазера будет являться базой, относительно которой будет происходить ориентирование. Сам процесс ориентирования заключается в следующем. При облучении импульсным лазером (1) поверхности фотоприемника (3) между электродами пар (а) и (b), закрепленными на ней, как показано на фиг.1, возникают импульсные напряжения с амплитудой, зависящей от углового положения объекта относительно луча лазера. При нормальном падении луча лазера на поверхность фотоприемника амплитуда импульсов напряжения равна нулю (фиг.3). Это соответствует заданному положению объекта, если, например, требуется сохранять ориентацию его оси О¹O¹ вдоль луча лазера (ось OO). При отклонении плоскости фотоприемника, а следовательно, и самого объекта на угол α определяемый углами α_x и α_y, от положения, считающегося заданным относительно луча лазера, между электродами каждой пары возникает импульс электрического напряжения, полярность и амплитуда которого зависят от знака и величины углов α_х, α_y (см. фиг.3). Это импульсное напряжение поступает на систему обработки сигнала (5). Данная система (5) вырабатывает управляющие сигналы, которые поступают на исполняющие устройства (например, рули вертикального (6) и горизонтального (7) отклонения), ориентирующие объект (8) в заданном направлении. Частота управляющих импульсов может задаваться частотой следования импульсов оптического излучения лазера. Таким образом, можно производить ориентирование и/или определять пространственное положение движущихся объектов.

Изобретение относится к измерительной и навигационной технике, а именно к устройствам для определения угловой ориентации объектов в пространстве. Датчик углового положения объекта включает в себя источник световых импульсов и размещенный на контролируемом объекте фотоприемник, который представляет собой электропроводящую пленку, обладающую свойством оптического выпрямления, и контактирующие электрически с ней две пары электродов. Снимаемые с электродов сигналы используются для индикации и/или управления угловым положением объекта. Техническим результатом является возможность проводить измерения угловых перемещений удаленного объекта с достаточно высокой точностью. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптоэлектронный датчик угла, содержащий источник света, фотоприемник, электроды, закрепленные на указанном фотоприемнике с обеспечением электрического контакта с ним, и схему обработки электрических сигналов, снимаемых с указанных электродов, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде электропроводящей пленки, обладающей свойством оптического выпрямления, нанесенной на подложку с электропроводностью, существенно более низкой, чем электропроводность материала пленки, и содержит две пары электродов, а источник света является импульсным.2. Оптоэлектронный датчик угла по п.1, отличающийся тем, что электроды расположены между пленкой и подложкой.3. Оптоэлектронный датчик угла по п.1, отличающийся тем, что электроды каждой пары параллельны друг другу, а электроды различных пар расположены взаимно перпендикулярно.4. Оптоэлектронный датчик угла по п.3, отличающийся тем, что электроды разных пар расположены в различных электрически изолированных или физически отделенных друг от друга частях фотоприемника.5. Оптоэлектронный датчик угла по п.4, отличающийся тем, что приемная часть фотоприемника имеет форму квадрата.6. Оптоэлектронный датчик угла по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен коллиматором светового пучка, размещенным между импульсным источником света и фотоприемником.7. Оптоэлектронный датчик угла по п.1, отличающийся тем, что источник света и фотоприемник находятся на двух различных объектах, взаимное угловое положение которых определяется с помощью указанного датчика.8. Оптоэлектронный датчик угла по п.1, отличающийся тем, что источник света и фотоприемник находятся на одном из двух объектов, взаимное угловое положение которых определяется с помощью указанного датчика, при этом фотоприемник регистрирует излучение от источника света после его отражения от поверхности другого из двух указанных объектов.