МНОГОЗНАЧНАЯ ГАЛОГРАФИЧЕСКАЯ МЕРА ПЛОСКОГО УГЛА Российский патент 2008 года по МПК G01B9/00 

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для воспроизведения (мерам) плоского угла.

Известна многозначная мера плоского угла (М.Г.Богуславский и др. Государственный первичный эталон единицы угла - радиана, Измерительная техника, 1972, № 7, с.9-10), представляющая собой многогранную кварцевую призму (из плавленого кварца), углы которой заданы нормалями к граням. Каждая нормаль воспроизводится физически с помощью луча автоколлиматора при совмещении перекрестия в фокальной плоскости автоколлиматора с его изображением, возникающим в результате отражения луча от грани. Угол между двумя нормалями воспроизводится путем поворота призмы вокруг оси, перпендикулярной измерительной плоскости автоколлиматора. Таким образом, в известном устройстве углы хранятся во взаимном расположении граней однородного кварцевого образца, а воспроизводятся с помощью отражения луча света от его элементов - граней и поворота образца.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип устройством является правильная многогранная эталонная призма по ГОСТ 2875. Призма обеспечивает воспроизведение углов с действительными значениями, близкими к (360/n)°, где n - число граней, и погрешностью, обусловленной неплоскостностью и пирамидальностью граней и составляющей доли угловой секунды. Существенными признаками известного устройства являются: материал, из которого изготовлена призма (кварц); ее форма, включая свойство правильности, т.е. равенства (в нормированных пределах) углов между нормалями к граням.

Недостатками известного устройства являются:

- ограниченные снизу массогабаритные характеристики;

- низкая технологичность (изготовление призмы является принципиально штучным делом и требует длительного времени);

- наличие опасности спонтанного резкого изменения оптических и геометрических характеристик (так называемое «расстекловывание»);

- ограниченная дискретность формируемой круговой шкалы плоского угла.

Вследствие недостатков кварцевой призмы ею может быть оснащено лишь небольшое количество учреждений, осуществляющих контроль углозадающих приборов на стационарных установках, ключевым элементом которых является такая призма. Вместе с тем, существует ряд областей использования этих приборов, для которых чрезвычайно существен был бы оперативный, проводимый на месте контроль их стабильности. В качестве примера можно привести судовождение, геодезические работы, проводимые в удаленных районах, функционирование космической аппаратуры.

Задача, которая решается предлагаемым изобретением, заключается в улучшении массогабаритных характеристик и технологичности устройства с одновременным повышением его надежности, а также дискретности формируемой круговой шкалы.

Задача решается путем изменения материала образца, в котором хранятся углы, и соответственно характера взаимодействия образца с внешним оптическим излучением. В отличие от известного устройства с образцом из плавленого кварца, отражающего луч автоколлиматора, в предлагаемом устройстве используется образец из светочувствительного материала, при воздействии на который референтного лазерного луча индуцируется отклик в виде нескольких образующих плоский веер лучей, возникающих поочередно или одновременно. Углы между лучами-откликами являются аналогами углов между нормалями кварцевой призмы. В предлагаемом устройстве носителем значений угла является система наложенных голограмм, записанная в образце - параллелепипеде из светочувствительного (фотохромного) материала, при этом каждый луч создается одной голограммой, а голограммы могут быть расположены в пространстве равномерно или неравномерно.

Предлагаемое устройство может быть выполнено в двух модификациях. В модификации (А) референтный луч и веер поочередно возникающих дифрагированных лучей расположены в одной плоскости, а углы воспроизводятся при повороте образца вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. Воспроизводимый угол задается соседними положениями образца, в каждом из которых одна из голограмм системы формирует отклик, фиксируемый регистрирующим устройством. В модификации (Б) референтный луч и плоскость, в которой расположен веер дифрагированных лучей, взаимно перпендикулярны. В этом случае в формировании отклика принимают участие все голограммы системы одновременно, и совокупность воспроизводимых углов задается лучами, дифрагированными от отдельных голограмм. Отсчет углов может быть произведен путем поворота образца между положениями, в каждом из которых одна из голограмм системы формирует отклик, фиксируемый регистрирующим устройством. Альтернативный вариант механизма отсчета углов заключается в одновременной фиксации всех лучей неподвижного образца на шкале, в частности круговой. По аналогии с кварцевой призмой образец, содержащий систему голограмм, может быть назван голографической призмой. Ниже рассмотрены условия записи и использования двух описанных выше модификаций голографической призмы.

Общими требованиями, предъявляемыми к фотохромному материалу, в котором записывается система голограмм, являются его высокая стабильность и устойчивость по отношению к внешним воздействиям. Для записи предлагается использовать кристаллы фторида кальция (минерал флюорит; этот термин общепринят и по отношению к синтетическим кристаллам) с N-центрами окраски, получаемые прокалкой кристаллов, легированных ионами щелочных металлов (литий, натрий), в восстановительной атмосфере паров металла (так называемое аддитивное окрашивание кристаллов). Эти центры состоят из 4-х анионных вакансий с электронгами. При освещении восстановленного кристалла излучением ультрафиолетового диапазона спектра при температуре (100÷200)°С N-центры трансформируются в высокоагрегированные центры окраски, включающие значительное число вакансий. Этот процесс сопровождается изменением оптических постоянных кристалла, его спектра поглощения и показателя преломления. Фотохромная среда на основе кристаллов флюорита с центрами окраски защищена патентом: Королев Н.Е., Мокиенко И.Ю., Полетимов А.Е., Щеулин А.С. Способ регистрации оптического изображения, авт. свид. СССР №1816142, 1990.

Активированные щелочными металлами кристаллы флюорита, являющиеся материалом для записи голограмм, могут быть приготовлены с использованием известных методов, состоящих в выращивании неорганических фторидов методом направленной кристаллизации (метод Бриджмена-Стокбаргера) в вакууме. Аддитивное окрашивание кристаллов производится в известном устройстве, именуемом тепловой трубой, позволяющем производить прогрев кристаллов в парах металла и обеспечивающем раздельное управление температурой окрашиваемого кристалла и давлением восстанавливающего агента - параметалла.

Ввиду устойчивости кристаллов флюорита, сохраняющегося в природе в течение геологических эпох, и специфических условий, при которых происходят фотохромные преобразования в кристаллах флюорита с примесями щелочных металлов (повышенная температура, ультрафиолетовое излучение) записанные в них голограммы при нормальных условиях хранения и эксплуатации (диапазон температур ниже 100°С, естественное освещение) демонстрируют высокую стабильность (сохраняемость). Характеристики голограмм, записанных 15-20 лет тому назад, не претерпели за это время каких-либо заметных изменений. Достигнутая дифракционная эффективность голограмм (порядка 15 процентов) достаточна для их применения в предлагаемом метрологическом устройстве. Голографическая призма из флюорита в виде кубика с размером ребра 1 см имеет массу 3,18 г.

Голографическая призма, имеющая существенно меньшие габариты и массу и доступная серийному производству, является основой для создания малогабаритных калибровочных и контрольных устройств, которые могут использоваться непосредственно в местах эксплуатации углозадающей аппаратуры или даже встраиваться в эту аппаратуру. Эта призма может, таким образом, стать основой построения нового поколения углозадающих и углоизмерительных устройств. Меньшие размеры голографической призмы делают ее менее чувствительной к вибрациям, понижающим точность измерений. Дополнительным преимуществом голографической призмы является возможность реализации неравномерного ряда углов, что позволяет увеличить дискретность калибровки, которая ограничена, в принципе, только наименьшим модулем сравнения всех пар углов ряда.

Исходя из изложенного выше, заявленная совокупность признаков позволяет получить многозначную меру плоского угла, отличающуюся пониженными массогабаритными характеристиками и повышенной технологичностью и надежностью.

Сущность изобретения поясняется представленными чертежами, на которых изображены:

фиг.1 - принципиальная схема расположения составных частей установки для использования устройства [голографической призмы], модификация (А), где введены следующие, единообразные для всех фигур, обозначения: 1 - источник первичного излучения (референтный He-Ne лазер); 2 - референтный луч; 3 - голографическая призма (кристалл с голограммами); 4 - поворотное устройство сопряжения кристалла с углозадающей аппаратурой; 5 - дифрагированный луч, сформированный одной из голограмм; 6 - приемник излучения, индуцированного голограммой (ПЗС-матрица);

фиг.2 - принципиальная схема расположения составных частей установки для использования устройства [голографической призмы], модификация (Б);

фиг.3 - модификация (А), вид сверху;

фиг.4 - сечение А-А для модификации (А);

фиг.5 - модификация (Б), вид сверху;

фиг.6 - сечение А-А для модификации (Б).

В модификации (А) при записи голограмм в призме 3, в которой референтный луч 2 и дифрагированный луч 5 расположены в одной плоскости, последняя задается записывающими голограмму лучами. При этом угол сведения записывающих лучей в объеме кристалла 3 выбирается исходя из конкретных условий работы призмы (диаметр рабочих пучков, фокусное расстояние объектива, используемого для регистрации дифрагированного пучка и т.п.). Формирование системы голограмм производится путем последовательной их записи в одном и том же объеме; после записи каждой голограммы кристалл поворачивается на заданный угол вокруг оси, перпендикулярной плоскости сведения записывающих лучей. Для использования записанной таким образом голографической призмы 3 в качестве меры угла (фиг.1, 3) она также устанавливается на поворотное устройство 4, при этом референтный лазерный луч 2 направляется перпендикулярно оси вращения этого устройства. В качестве референтного лазера 1 может быть использован лазер с любой длиной волны. Каждая голограмма записанной в кристалле 3 системы посылает дифрагированный луч 5 в том случае, когда ее ориентация относительно референтного луча 2 удовлетворяет условию Брэгга. Все голограммы системы дают отклик по одному и тому же направлению, но при различных положениях кристалла 3, определяемых углом его поворота относительно оси вращения. Таким образом, фиксация очередного дифрагированного луча 5 в той же точке отсчетного (индикаторного) устройства приемника 6, что и предыдущего луча, свидетельствует о повороте на один из известных постоянных углов, обусловленных пространственным взаиморасположением голограмм в системе. Значения углов определяют при калибровке призмы 3 с использованием подходящего по точности эталона.

В модификации (Б) при записи голограмм в призме 3, в которой референтный луч 2 перпендикулярен плоскости дифракции, ось вращения кристалла 3 при записи должна быть расположена в плоскости сведения записывающих лучей, а угол сведения лучей должен быть задан надлежащим образом, чтобы обеспечить перпендикулярность дифрагированного луча 5 оси вращения. В свою очередь угол сведения записывающих лучей определяет необходимое отношение длины волны референтного лазера 1 к длине волны записывающего лазера. В отличие от модификации (А) референтный луч 2 индуцирует одновременный отклик от всех голограмм системы. При использовании призмы можно фиксировать углы аналогично (А) путем поворота кристалла 3 до того момента, когда очередной луч 5 займет то же положение, которое до поворота занимал предыдущий луч. Возможен альтернативный вариант, когда одновременно фиксируют все лучи на шкале отсчетного устройства приемника 6, градуированной в угловых единицах.

Примером конкретной реализации является изготовленный опытный образец голографической призмы в модификации (А) из кристалла флюорита с центрами окраски, в котором записаны семь голограмм. Голограммы ориентированы друг относительно друга таким образом, что референтный луч стандартного гелий-неонового лазера (длина волны 632,8 нм, мощность 1 мВт), направленный перпендикулярно оси вращения поворотного устройства, с которым совмещен образец, вызывает отклик в плоскости, перпендикулярной этой оси. При этом угол между соседними положениями кристалла, при которых выполняется условие Брэгга (возникает дифрагированный луч), составляет 10°. В образце достигнута дифракционная эффективность каждой голограммы, равная 0,5%, что обеспечивает мощность сигнала на фотоприемнике порядка 5 мкВт, достаточную для устойчивой регистрации сигнала.

Изобретение относится к метрологии. Устройство представляет собой образец из светочувствительного материала, в котором записаны голограммы, образующие систему наложенных голограмм. При воздействии на образец референтного лазерного луча система голограмм индуцирует отклик в виде нескольких образующих плоский веер лучей, возникающих поочередно или одновременно; при этом каждый луч создается одной голограммой. В одной модификации устройства референтный луч и веер поочередно возникающих дифрагированных лучей расположены в одной плоскости, а углы воспроизводятся при повороте образца вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. В другой модификации референтный луч и плоскость, в которой расположен веер дифрагированных лучей, взаимно перпендикулярны. Отсчет углов может быть произведен путем поворота образца между положениями, в каждом из которых одна из голограмм системы формирует отклик, фиксируемый регистрирующим устройством. Технический результат - повышение точности и дискретности формируемой круговой шкалы. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для воспроизведения углов в одной плоскости (многозначная мера плоского угла), в котором информация о воспроизводимых углах хранится в форме пространственных характеристик его элементов и извлекается под воздействием источника внешнего оптического излучения и поворотного механизма, отличающееся тем, что в качестве элементов устройства служат голограммы, записанные в светочувствительном материале и образующие систему наложенных голограмм с равномерным или неравномерным расположением в пространстве, при этом устройство содержит приемник излучения, обеспечивающий фиксацию дифрагированного луча (лучей).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве светочувствительного материала использован кристалл флюорита с N-центрами окраски.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник внешнего оптического излучения обеспечивает получение референтного луча лазера, который преобразуется системой голограмм в дифрагированный луч (лучи).4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что референтный и дифрагированный лучи расположены в одной плоскости, а ось поворотного механизма перпендикулярна этой плоскости.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дифрагированные лучи, возникающие одновременно, образуют веер лучей в плоскости, перпендикулярной оси референтного луча, а ось поворотного механизма совпадает с осью референтного луча.