ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ Российский патент 2009 года по МПК G01S17/89 G01S3/78 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для определения угловых координат различных объектов, например, в сельском хозяйстве при разметке земельных участков, прокладке дренажных систем и так далее.

Известен угломерный инструмент, называемый астрономическим посохом [1], представляющий собой трость с визиром и с нанесенной вдоль трости шкалой. На трости укреплена с возможностью перемещения вдоль трости поперечная планка с двумя визирами на ее концах. Передвигая поперечную планку вдоль трости, необходимо совместить визир, находящийся на трости у глаза наблюдателя, и визир на левом конце поперечной планки таким образом, чтобы они совпали с направлением на первую звезду, а визир, находящийся у глаза наблюдателя, и визир на правом конце поперечной планки необходимо совместить таким образом, чтобы они совпали с направлением на вторую звезду. Отсчет положения поперечной планки по шкале, нанесенной на трость, дает угловое расстояние между звездами. Недостаток известного технического решения заключается в низкой точности измерений.

Известны также многочисленные варианты угломерных устройств, например теодолиты [2], гониометры [3], секстанты [4], в которых измерение углов осуществляется с помощью угловой шкалы или ее части. Недостатком таких устройств является низкая точность измерений.

Известны различные варианты оптических пеленгаторов, например описанное в [5] техническое решение, в котором малое зеркало телескопа, приводимое в движение электродвигателем, осуществляет круговое движение сфокусированного пятна по матрице фотоприемников. Подсветка объекта осуществляется импульсным лазером. Система обработки осуществляет подсчет числа импульсов на выходе каждого элемента матрицы фотоприемников и рассчитывает угловые координаты объекта. Недостатки описанного пеленгатора заключаются в низком быстродействии, обусловленном необходимостью механического движения малого зеркала телескопа и в сложности обработки сигналов с матрицы фотоприемников.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является описанный в [6] оптический пеленгатор, содержащий фокусирующую приемную оптическую систему, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый фотоприемник, второй фотоприемник, третий фотоприемник, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй усилитель и второй делитель и регистрирующий блок, при этом фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, второй фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя, выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, выход преобразователя соединен с вторым входом регистрирующего блока.

Недостаток известного оптического пеленгатора заключается в низкой достоверности измерений, что обусловлено появлением погрешности измерений при нахождении в поле зрения фокусирующей приемной оптической системы более одного отражающего (или светящегося) объекта.

Задачей изобретения является повышение достоверности измерений.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее фокусирующую приемную оптическую систему, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый фотоприемник, второй фотоприемник, третий фотоприемник, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй усилитель, второй делитель и регистрирующий блок, при этом фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, второй фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя, выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, выход преобразователя соединен с вторым входом регистрирующего блока, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит диафрагму, привод диафрагмы, третий светоделитель и окуляр, причем диафрагма расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы между фокусирующей приемной оптической системой и поглощающим клином, выход привода диафрагмы соединен с управляющим входом диафрагмы, третий светоделитель расположен на оптической оси между ротационным клином и первым фотоприемником, а окуляр расположен на пути отраженного от третьего светоделителя луча.

Такое построение заявляемого оптического пеленгатора обеспечивает повышение достоверности измерений за счет обеспечения возможности выбирать с помощью диафрагмы один объект, угловые координаты которого необходимо измерить. При этом привод диафрагмы обеспечивает ей возможность изменения размера отверстия и положения в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы.

Сущность заявленного оптического пеленгатора поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемым чертежом, на котором приведена схема заявленная устройства.

Оптическое устройство для измерения угловых координат содержит фокусирующую приемную оптическую систему 1, первый поляризатор 2, первый светоделитель 3, поглощающий клин 4, ротационный клин 5, второй светоделитель 6, второй поляризатор 7, первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9, третий фотоприемник 10, первый усилитель 11, первый делитель 12, преобразователь 13, второй усилитель 14, второй делитель 15 и регистрирующий блок 16, при этом фокусирующая приемная оптическая система 1, первый поляризатор 2, первый светоделитель 3, поглощающий клин 4, ротационный клин 5, второй светоделитель 6, второй поляризатор 7 и первый фотоприемник 8 расположены последовательно на оптической оси, второй фотоприемник 9 расположен на пути отраженного от второго светоделителя 6 луча, третий фотоприемник 10 расположен на пути отраженного от первого светоделителя 3 луча, выход первого фотоприемника 8 соединен с входом первого усилителя 11, выход первого усилителя 11 соединен с первым входом первого делителя 12, выход первого делителя 12 соединен с входом преобразователя 13, выход второго фотоприемника 9 соединен с первым входом второго делителя 15 и вторым входом первого делителя 12, выход третьего фотоприемника 10 соединен с входом второго усилителя 14, выход второго усилителя 14 соединен с вторым входом второго делителя 15, градиент пропускания поглощающего клина 4 параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, градиент угла поворота ротационного клина 5 параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, выход второго делителя 15 соединен с первым входом регистрирующего блока 16, выход преобразователя 13 соединен с вторым входом регистрирующего блока 16. Оптическое устройство для измерения угловых координат также содержит диафрагму 17, привод 18 диафрагмы 17, третий светоделитель 19 и окуляр 20, причем диафрагма 17 расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 между фокусирующей приемной оптической системой 1 и поглощающим клином 4, выход привода 18 диафрагмы 17 соединен с управляющим входом диафрагмы 17, третий светоделитель 19 расположен на оптической оси между ротационным клином 5 и первым фотоприемником 8 (на фиг. приведен вариант расположения третьего светоделителя 19 на оптической оси между ротационным клином 5 и вторым светоделителем 6), а окуляр 20 расположен на пути отраженного от третьего светоделителя 19 луча. Чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен поглощающий клин 4, то есть чем меньше размер сфокусированного пятна оптического излучения, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через поглощающий клин 4 оптического излучения от координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Кроме того, чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен ротационный клин 5, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения от координаты Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Таким образом, оптимальным является положение поглощающего клина 4 как можно ближе к диафрагме 17, а положение ротационного клина 5 является оптимальным при его установке вплотную к поглощающему клину 4.

Оптическое устройство для измерения угловых координат работает следующим образом. Оптическое излучение от удаленного объекта принимается фокусирующей приемной оптической системой 1, проходит через первый поляризатор 2, отверстие в диафрагме 17, первый светоделитель 3, поглощающий клин 4, ротационный клин 5 и попадает на третий светоделитель 19. Отраженное от третьего светоделителя 19 оптическое излучение проходит через окуляр 20 и наблюдается оператором, который при наличии в поле зрения нескольких объектов выбирает требуемый объект и с помощью привода 18 диафрагмы 17 регулирует положение отверстия диафрагмы 17 в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 и размер отверстия диафрагмы 17 таким образом, чтобы через отверстие диафрагмы 17 проходило оптическое излучение только от требуемого объекта. Эта операция может производиться в ручном, автоматическом или полуавтоматическом режимах, во втором случае анализ изображения, выбор требуемого объекта, а также выбор размера отверстия диафрагмы 17 и положение отверстия диафрагмы 17 в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 осуществляет компьютер. Возможно также осуществление полуавтоматического режима. В полуавтоматическом режиме часть указанных операций выполняет оператор, а остальные операции выполняет компьютер.

Принятое фокусирующей приемной оптической системой 1 оптическое излучение после прохождения через первый поляризатор 2 становится линейно поляризованным. Пусть мощность прошедшего через фокусирующую приемную оптическую систему 1 оптического излучения равна J, тогда после прохождения через первый поляризатор 2 его мощность становится равной K₁J, где K₁ - коэффициент пропускания первого поляризатора 2. Мощность прошедшего через первый светоделитель 3 оптического излучения равна K₁K₂J, где K₁ - коэффициент пропускания первого светоделителя 3, а мощность отраженного от первого светоделителя 3 оптического излучения равна K₁(1-K₂)J. Прошедшее через первый светоделитель 3 оптическое излучение проходит через поглощающий клин 4, градиент пропускания которого направлен вдоль координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть коэффициент пропускания К₃ поглощающего клина 4 можно записать в виде К₃=K₄X, где K₄ - постоянный коэффициент. Тогда мощность оптического излучения на выходе поглощающего клина 4 равна K₁K₂K₄XJ. Мощность прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения будет равна K₁K₂K₄K₅XJ, где K₅ - коэффициент пропускания ротационного клина 5. Ротационный клин 5 осуществляет поворот плоскости поляризации прошедшего через него оптического излучения на угол φ, причем градиент угла поворота φ направлен вдоль оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть угол поворота φ плоскости поляризации оптического излучения в ротационном клине 5 можно записать в виде φ=K₆Y, где K₆ - постоянный коэффициент. После прохождения через третий светоделитель 19 мощность оптического излучения становится равной K₁K₂K₄K₅K₇XJ, где К₇ - коэффициент пропускания третьего светоделителя 19. Мощность оптического излучения, прошедшего через второй светоделитель 6, будет равна K₁K₂К₄К₅К₇K₈XJ, где K₈ - коэффициент пропускания второго светоделителя 6, а мощность отраженного от второго светоделителя 6 оптического излучения будет равна К₁К₂К₄K₅K₇(1-K₈)XJ. После прохождения через второй светоделитель 6 оптическое излучение проходит через второй поляризатор 7. Пусть ось максимального пропускания второго поляризатора 7 параллельна оси максимального пропускания первого поляризатора 2. Тогда в соответствии с законом Малюса [7] мощность прошедшего через второй поляризатор 7 оптического излучения будет равна К₁К₂К₄K₅К₇K₈K₉Xcos²(K₆Y)J, где K₉ - коэффициент пропускания второго поляризатора 7. Электрический сигнал U_1фп на выходе первого фотоприемника 8 будет равен U_1фп=α₁K₁K₂K₄K₅K₇K₈K₉Xcos²(K₅Y)J, где α₁ - крутизна характеристики первого фотоприемника 8. Электрический сигнал U_2фп с выхода второго фотоприемника 9 составляет U_2фп=α₂K₁K₂K₄K₅K₇(1-K₈)XJ, где α₂ - крутизна характеристики второго фотоприемника 9, а электрический сигнал U_3фп с выхода третьего фотоприемника 10 составляет U_3фп=α₃K₁(1-K₂)J, где α₃ - крутизна характеристики третьего фотоприемника 10. Сигнал U_1фп с выхода первого фотоприемника 8 поступает на вход первого усилителя 11, коэффициент ξ усиления которого имеет вид

Сигнал U_1ус с выхода первого усилителя 11 составляет

U_1yc=α₂K₁K₂K₄К₅К₇(1-K₈)cos²(K₆Y).

Этот сигнал поступает на первый вход первого делителя 12. Сигнал U_2фп с выхода второго фотоприемника 9 поступает на первый вход второго делителя 15 и второй вход первого делителя 12. Сигнал U_3фп с выхода третьего фотоприемника 10 поступает на вход второго усилителя 14, коэффициент усиления которого η имеет вид

Сигнал U_2yc с выхода второго усилителя 14 составляет

U_2yc=α₂K₁K₂K₄K₅K₇(1-K₈)J.

Этот сигнал поступает на второй вход первого делителя 12. Сигнал U_1д на выходе первого делителя 12 равен отношению U_1yc к U_2фп

U_1д=cos²(K₆Y).

Преобразователь 13 последовательно осуществляет следующие операции: извлечение квадратного корня, взятие арккосинуса и усиление с коэффициентом усиления, равным (К₆)^-1, в результате чего с выхода преобразователя на второй вход регистрирующего блока 16 поступает сигнал, равный Y. Сигнал U_2д на выходе второго делителя 15 составляют величину X. Этот сигнал поступает на первый вход регистрирующего блока 16. Регистрирующий блок 16 по величинам Х и Y определяет угловые координаты удаленного объекта.

Реализация заявленного оптического устройства для измерения угловых координат не вызывает затруднений, так как все его блоки, узлы и элементы широко применяются в оптике и электронике. Так, поглощающий клин 4 может быть выполнен из однородного поглощающего материала, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Х, либо в виде плоскопараллельной пластины, концентрация поглощающих частиц в которой линейно изменяется вдоль оси X. Ротационный клин 5 может быть выполнен из однородного материала, обладающего оптической активностью [7] в форме клина, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Y либо в виде плоскопараллельной пластины, концентрация оптически активных частиц, в которой линейно изменяется вдоль оси Y. Ротационный клин 5 может быть также выполнен из материала, обладающего электрооптическим эффектом (эффект Керра [8] или эффект Поккельса [9]) либо магнитооптическим эффектом (эффект Фарадея [10] или эффект Коттона-Мутона [11]). Следует отметить, что линейность зависимости

К₃ от Х и φ от Y не является обязательным требованием, эти зависимости могут иметь более сложный вид, тогда выражения для коэффициентов усиления К₈ первого усилителя 9 и K₉ второго усилителя 14 будут иметь более сложный вид, чем указано выше.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Зигель Ф.Ю. Астрономы наблюдают. М.: Наука, 1985. С.7-8 (рис.2).

2. Соловьев В.А., Яхонтов В.Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. С.78-82.

3. Соловьев В.А., Яхонтов В. Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. С.73-77.

4. Советский энциклопедический словарь / Научно-редакционный совет; А.М.Прохоров (пред.). М.: Сов. энциклопедия, 1981. С.1201.

5. Патент Великобритании №1426745, МПК G01S 3/78.

6. Бурлуцкий С.Г., Саккулин А.Н., Рудой Е.М., Экало А.В., Янов В.Г. Оптический пеленгатор. Патент РФ №2231080 на изобретение, приоритет 24.03.2003, публ. 20.06.2004, МПК7 G01S 3/78.

7. Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971. С.671-673.

8. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М.Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. С.280-281.

9. Там же. С.560.

10. Там же. С.802-803.

11. Там же. С.317.

Оптическое устройство для измерения угловых координат содержит фокусирующую приемную оптическую систему, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый фотоприемник, второй фотоприемник, третий фотоприемник, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй усилитель, второй делитель и регистрирующий блок. Фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси. Второй фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча. Выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя. Выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя. Выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы. Выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, выход преобразователя соединен с вторым входом регистрирующего блока. Оно дополнительно содержит диафрагму, привод диафрагмы, третий светоделитель и окуляр. Диафрагма расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы между фокусирующей приемной оптической системой и поглощающим клином. Выход привода диафрагмы соединен с управляющим входом диафрагмы, третий светоделитель расположен на оптической оси между ротационным клином и первым фотоприемником. Окуляр расположен на пути отраженного от третьего светоделителя луча. Технический результат - повышение достоверности измерений. 1 ил.

Оптическое устройство для измерения угловых координат, содержащее фокусирующую приемную оптическую систему, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый фотоприемник, второй фотоприемник, третий фотоприемник, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй усилитель, второй делитель и регистрирующий блок, при этом фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, второй фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя, выход второго фотоприемника соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, выход преобразователя соединен со вторым входом регистрирующего блока, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит диафрагму, привод диафрагмы, третий светоделитель и окуляр, причем диафрагма расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы между фокусирующей приемной оптической системой и поглощающим клином, выход привода диафрагмы соединен с управляющим входом диафрагмы, третий светоделитель расположен на оптической оси между ротационным клином и первым фотоприемником, а окуляр расположен на пути отраженного от третьего светоделителя луча.