УСТРОЙСТВО КОЛЛИНЕАРНОГО ПЕРЕНОСА ОСЕЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G02B27/10 G01B11/27 

Изобретение относится к оптическим системам лазерной локации и дальнометрии.

Известно устройство для проверки параллельности оптических осей (RU 2422791 C1, G01M 11/02), которое может быть использовано для выверки параллельности оптических осей сложных многоканальных оптико-электронных систем. Устройство содержит систему призм с входным и выходными зрачками и источник излучения. Все призмы соединены между собой в моноблок, у которого грань первой призмы, выполненная в виде прямого двугранного угла, является входным зрачком, а отражающие грани, по меньшей мере, двух других призм являются выходными зрачками. При этом все призмы соединены между собой, по меньшей мере, одной ромбической призмой с одной отражающей и одной полупрозрачной гранью так, что при их соединении между гранями входного и каждого из выходных зрачков образуется прямой трехгранный угол. Луч, направляемый во входной зрачок призменного моноблока от источника излучения, меняет свое первоначальное направление на 180°. Устройство позволяет проверять параллельность оптических осей для двух и более каналов за счет того, что визирная ось одного из проверяемых каналов передается призменным моноблоком одновременно во все проверяемые каналы.

Недостатками данного устройства являются сложность его конструкции, а также наличие, по крайней мере, одного клеевого соединения (в месте расположения светоделительного слоя), которое приводит к нестабильности параллельности осей входного и выходного пучков при длительном использовании устройства, что снижает его точностные характеристики.

Наиболее близкой по технической сущности является зеркально-призменная система (прототип), входящая в состав углоизмерительного звездного прибора (RU 98801 U1, G01B 11/26). Зеркально-призменная система (моноблок призм) содержит призму БкР-180° (уголковый световозвращатель) и призму, которая дополняет зеркально-призменную систему до плоскопараллельной пластины. В месте соединения призм нанесено светоделительное покрытие.

Работа устройства основана на измерении угла между осями излучения, одно из которых прошло через призму БкР-180° (опорное излучение), а второе - через дополняющую призму, светоделительное покрытие и часть призмы БкР-180° (направление на звезду).

Зеркально-призменная система позволяет развернуть излучение, поступающее во входной зрачок призмы БкР-180°, на угол 180°. Точность угла разворота определяется точностью выполнения прямых двугранных углов призмы. Направление оси вышедшего из призмы излучения остается стабильным по отношению к оси излучения, поступающего в ее входной зрачок, и практически не зависит от внешних факторов (температуры, давления, влажности окружающей среды).

Отклонение направления излучения, прошедшего через дополняющую призму, светоделительное покрытие и часть призмы БкР-180°, определяется следующими факторами:

1) точностью изготовления в дополняющей призме ее двугранного угла 45°, где погрешность угла приводит к отклонению направления оси излучения от звезды, но угол отклонения остается стабильным и практически не зависит от внешних факторов;

2) материалом, позволяющим соединить обе призмы.

На практике таким материалом, позволяющим соединить две поверхности с нанесенным на одной из них светоделительным покрытием, является оптический клей. Присутствие клеевой прослойки может привести к нестабильности взаимного расположения соединяемых деталей и, как следствие этого, к дополнительному отклонению оси проходящего излучения. Угол дополнительного отклонения излучения является непредсказуемой переменной величиной и зависит от внешних факторов. Дефекты клеевого соединения ухудшают энергетические характеристики устройства, т.к. излучение обязательно проходит через склеиваемые поверхности.

Таким образом, наличие клеевого соединения в устройстве снижает его точностные и энергетические характеристики и является существенным недостатком.

В устройстве-прототипе излучение опорного канала и канала направления на звезду проходит через материал призм. Оптическая неоднородность и двулучепреломление материала призм может привести к ухудшению оптических характеристик излучения, что приведет к размытию или несимметрии изображений в плоскости фотоприемного устройства в канале регистрации угла отклонения осей. Это также снижает точностные характеристики устройства.

Прохождение излучения через материал призм приводит к энергетическим потерям, связанным с поглощением светового потока, которое сопровождается нагревом и нежелательной деформацией отражающих и преломляющих поверхностей призм и клеевого соединения, и с рассеянием светового потока на воздушных пузырях и непрозрачных включениях внутри материала. Это также является недостатком устройства-прототипа.

Задачей изобретения является создание устройства коллинеарного переноса осей оптического излучения, обеспечивающего минимальные энергетические потери и повышенную стабильность расположения осей излучения.

Технический результат изобретения состоит:

- в улучшении энергетических характеристик за счет использования зеркальных элементов с внешним отражением и минимальным ходом светового потока внутри материала светоделителя;

- в повышении стабильности расположения осей излучения за счет соединения отдельных элементов, например, с помощью глубокого оптического контакта, по участкам поверхностей элементов, через которые излучение не проходит.

Это достигается тем, что в устройстве коллинеарного переноса осей оптического излучения, содержащем зеркально-призменную систему и светоделитель, зеркально-призменная система содержит составленную из отдельных элементов призму-крышу с внешними отражающими поверхностями и монопластину, которые объединены посредством дополнительной призмы, при этом отражающие поверхности призмы-крыши обращены в сторону светоделителя, выполненного на монопластине, причем все элементы зеркально-призменной системы образуют между собой полый трехгранный прямой угол и последовательно соединены друг с другом по участкам вне зон прохождения оптического излучения.

Монопластина может быть выполнена плоскопараллельной.

Монопластина может быть выполнена клиновидной, при этом в устройство дополнительно вводится клиновидный компенсатор, размещенный по направлению выхода лучей из монопластины так, чтобы они в совокупности образовали эквивалентную плоскопараллельную пластину.

Изобретение поясняется чертежами, где изображены на

фиг. 1 - общий вид устройства.

фиг. 2 - призма-крыша и ее составные части.

фиг. 3 - общий вид устройства, в котором монопластина выполнена клиновидной с установленным за ней клиновым компенсатором.

На фиг. 1 показано устройство, в котором монопластина 1, выполнена, например, плоскопараллельной. Монопластина 1 последовательно соединена с дополнительной призмой 2 и составленной из отдельных элементов призмой-крышей 3 с внешними отражающими поверхностями. На поверхности монопластины 1, обращенной в сторону призмы-крыши 3 и вне зоны контакта с поверхностью дополнительной призмы 2, выполнено светоделительное покрытие (светоделитель) 4.

На фиг. 2 показано устройство, когда монопластина 1 выполнена, например, клиновидной, а по направлению выхода лучей из монопластины 1 установлен клиновидный компенсатор 5.

Дополнительная призма 2 выполнена в виде плоскопараллельной пластины со скошенными боковыми полированными поверхностями, которые по отношению к нижней шлифованной поверхности имеют углы 45° и 135°.

Составная призма-крыша 3 выполнена так, что та ее часть, которая контактирует с дополнительной призмой 2, составляет прямые двугранные углы с каждой из двух ее отражающих поверхностей.

Все элементы 1, 2, и 3 последовательно жестко соединены друг с другом по участкам их полированных поверхностей вне зон прохождения оптического излучения. Соединение может быть произведено, например, с помощью глубокого оптического контакта.

Призма-крыша на фиг. 3 состоит из трехгранной призмы ABCA₁B₁C₁ и прямоугольной призмы DEFD₁E₁F₁. В призме ABCA₁B₁C₁ плоскости ABC, АВВ₁А₁ и ACC₁A₁ взаимно перпендикулярны. В призме DEFD₁E₁F₁ взаимно перпендикулярны плоскости DEF и DFF₁D₁.

Для образования призмы-крыши 3 призма ABCA₁B₁C₁ боковой гранью ABB₁A₁ соединена с частью поверхности DFF₁D₁ прямоугольной призмы DEFD₁E₁F₁. Соединение призм выполнено так, что поверхность, составленная из плоскостей ABC и DEF, представляет собой единую плоскость, что обеспечивается технологическими приемами. Соединение может быть произведено, например, с помощью глубокого оптического контакта. На отражающих поверхностях призмы-крыши нанесено зеркальное покрытие.

Длина призмы 2 выбирается исходя из требуемого расстояния Δ₁ между осями оптического излучения, которые требуют коллинеарного переноса.

Устройство работает следующим образом.

В случае, если монопластина 1 выполнена плоскопараллельной, то оптическое излучение направляется под углом, близким к 45°, к нормали поверхности монопластины 1 со светоделителем 4 (фиг. 1), где происходит его деление на два направления.

В первом направлении излучение проходит через пластину 1 и преломляется на ее поверхностях. На выходе из пластины оптическая ось излучения испытает параллельное смещение Δ₂ относительно оптической оси падающего излучения, определяемое углами падения, показателем преломления материала пластины и ее толщиной, и возможный угловой разворот, зависящий от параллельности поверхностей пластины.

Во втором направлении излучение отражается от поверхности светоделителя 4 монопластины 1 и направляется на призму-крышу 3, после чего отражается от ее плоских поверхностей. Действие системы, состоящей из элементов 1, 2 и 3, эквивалентно действию системы, состоящей из трех ортогонально расположенных зеркал, поэтому ось излучения, прошедшего систему, будет развернута на угол 180° по отношению к оси падающего излучения и линейно смещена на расчетное расстояние Δ₁ из-за присутствия дополнительной призмы 2. Возможный дополнительный угловой разворот оси зависит от точности изготовления прямых двугранных углов призмы-крыши 3 и параллельности полированных поверхностей дополнительной призмы 2.

Дополнительный угловой разворот осей может быть сведен к допустимой величине за счет правильно выбранного допуска на параллельность поверхностей монопластины 1, допуска на параллельность полированных поверхностей дополнительной призмы 2 и допуска на прямые двугранные углы призмы-крыши 3 (фиг. 1). Использование для соединения отдельных элементов глубокого оптического контакта позволяет исключить влияние соединения на угловой разворот осей.

Толщина монопластины 1 выбирается такой, при которой световой диаметр излучения, отраженного от второй поверхности монопластины, перекрывает световой диаметр излучения, отраженного от светоделителя 4, на допустимую величину, определяемую условиями эксплуатации устройства.

В случае, если монопластина 2 выполнена клиновидной, то оптическое излучение направляется под углом, близким к 45°, к нормали поверхности монопластины 1 со светоделителем 4 (фиг. 3), где происходит его деление на два направления.

В первом направлении излучение проходит через монопластину 1 и преломляется на ее поверхностях. На выходе из пластины оптическая ось излучения испытает параллельное и угловое смещение относительно оптической оси падающего излучения, определяемое углами падения, показателем преломления материала пластины и ее толщиной и углом клина α поверхностей монопластины. Затем излучение проходит через клиновидный компенсатор 5. Его положение, угол клина β и материал выбирается таким, чтобы суммарное действие монопластины 1 и компенсатора 5 было эквивалентно действию плоскопараллельной пластины, обеспечивающей смещение оси прошедшего излучения на величину Δ₂ относительно оптической оси падающего излучения и параллельность этих осей. Угол клина β клиновидного компенсатора может быть выбран равным углу клина α монопластины, при этом соответствующие поверхности этих элементов должны быть установлены в устройстве параллельно друг другу.

Угол клина монопластины 1 и его направление выбирается таким, при котором световой диаметр излучения, отраженного от второй поверхности монопластины, перекрывает световой диаметр излучения, отраженного от светоделителя 4, на допустимую величину, определяемую условиями эксплуатации устройства, а в дальнейшем полностью выводится из системы. Применение данного технического решения позволяет уменьшить толщину монопластины и клиновиднго компенсатора по сравнению с толщиной плоскопараллельной монопластины.

Во втором направлении излучение отражается от поверхности светоделителя 4 монопластины 1 и направляется на призму-крышу 3, после чего отражается от ее плоских поверхностей. В дальнейшем работа устройства аналогична работе устройства в случае, если монопластина 1 выполнена плоскопараллельной.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить коллинеарный перенос излучения, направленного в устройство, разделив его на первое направление, соответствующее направлению падающего излучения, и второе направление, развернутое на 180° по отношению к направлению падающего излучения. Оси двух направлений будут линейно смещены на расчетные величины Δ₁ и Δ₂ по отношению к оси падающего излучения. Использование глубокого оптического контакта позволяет сделать устройство монолитным и сохранить направления коллинеарного переноса, при этом поверхности, по которым произведено соединение, выведены из излучения.

В предложенном устройстве минимизирован ход излучения в оптическом материале, т.к. излучение в основном распространяется в воздушной среде. Также в предложенном устройстве уменьшено количество преломляющих поверхностей, с трех до двух (в случае, если монопластина выполнена плоскопараллельной) по сравнению с прототипом. Это улучшает энергетические и оптические характеристики заявляемого устройства.

Устройство содержит зеркально-призменную систему и светоделитель 4. Зеркально-призменная система содержит составленную из отдельных элементов призму-крышу 3 с внешними отражающими поверхностями и монопластину 1, которые объединены посредством дополнительной призмы 2. Отражающие поверхности призмы-крыши обращены в сторону светоделителя 4, выполненного на монопластине 1. Все элементы зеркально-призменной системы образуют между собой полый трехгранный прямой угол и последовательно соединены друг с другом по участкам вне зон прохождения оптического излучения. Составная призма-крыша 3 выполнена так, что та ее часть, которая контактирует с дополнительной призмой 2, составляет прямые двугранные углы с каждой из двух ее отражающих поверхностей. Технический результат - улучшение энергетических характеристик и повышение стабильности расположения осей излучения за счет соединения отдельных элементов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство коллинеарного переноса осей оптического излучения, содержащее зеркально-призменную систему и светоделитель, отличающееся тем, что зеркально-призменная система содержит составленную из отдельных элементов призму-крышу с внешними отражающими поверхностями и монопластину, которые объединены посредством дополнительной призмы, при этом отражающие поверхности призмы-крыши обращены в сторону светоделителя, выполненного на монопластине, причем все элементы зеркально-призменной системы образуют между собой полый трехгранный прямой угол и последовательно соединены друг с другом по участкам вне зон прохождения оптического излучения.

2. Устройство коллинеарного переноса осей оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что монопластина выполнена плоскопараллельной.

3. Устройство коллинеарного переноса осей оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что монопластина выполнена клиновидной, при этом в устройство дополнительно введен клиновидный компенсатор, размещенный по направлению выхода лучей из монопластины так, что они в совокупности образуют эквивалентную плоскопараллельную пластину.