Анализатор положения луча при центрировании объекта Советский патент 1984 года по МПК G01B11/27 

11 Изобретение относится к измерительной тбтснике, а именно к технике бесконтактных методов контроля геометрических параметров, и может быть использовано в устройствах для центрирования объектов по лазерному лучу, т.е. при высокоточной разметке, сборке, стыковке деталей, узлов и агрегатов сложных объемных конструкций. Известно устройство для центрирования объекта по лазерному лучу, с держащее в качестве анализатора поло жения луча квадрантные позиционночувствйтельные фотодиоды, представля ющие собой пластины полупроводника с электронно-дырочным переходом. Двумя прорезями под прямым углом пластина разделена на четыре равные квадранта на глубину, превышающую толщину пере хода. На поверхности каждого квадранта имеются электроды для снятия сигнала перемещения светового лучаГО Недостатком этого устройства является низкая точность центрирования, обусловленная нестабильностью характеристик фотодиодов во времени, а также большим уровнем их собственных шумов. Для достижения максимальной точности необходимо вводить модуляцию светового луча, что значительно усложняет устройство. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является анализатор положения луча при центри ровании объекта, содержащий последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел коммутации и расщегшения луча, приемник излучения. В качестве узла коммутации и расщегшения луча в устройстве использован неподвижный двухсекторный поля ризованньш фильтр, состоящий из двух частей, направления поляризации кото рых перпендикулярны друг к другу, и вращающийся поляроид. Если ось лазер ного луча совпадает с осью вращения поляроида, то приемник излучения, активная поверхность которого имеет постоянную чувствительность, дает только постоянную составляющую тока. При смещении оси вращения поляроида от оси луча в цепи приемника излучения возникает переменная составляющая тока, величина и фаза которой содержит информацию Q координатах отклонения С2 . 90 Недостатками известного устройства являются низкая точность центрирования и малое быстродействие, обусловленные необходимостью применения механического вращения оптической детали - поляроида. Быстродействие известного устройства составляет величину 10 с, поскольку частота вращения в таких устройствах обычно не превышает нескольких десятков герц. Возникающие при вращении вибрации не позволяют получить точность центрирования выше 10 рад на расстоянии нескольких сот метров от источника света. Кроме того, применение электрических двигателей существенно усложняет конструкцию устройства, увеличивает его габариты и вес. К тоМу же, поскольку модуляция светового потока ведется на одной частоте, з.аданной частотой вращения поляроида, в информации о координате X всегда присутствует часть информации о координате у, что также снижает точность центрирования. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в анализаторе положения луча при центрировании объекта, содержащем последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновуЪ пластину, узел коммутации и расщепления луча, приемник излучения, узел коммутации и расщепления луча образован двумя ортогонально ориентированными электрооптическими элементами и поляризатором, каждый из электрооптических элементов выполнен в виде квадратной плоскопараллельной пластины, составленной из двух прямоугольных кристаллических пластин, направления кристаллических осей одной пластины ортогональны соответственно осям другой Ш1аст 1ны, а оптическая ось каждой из пластин совпадает с направлением луча. На чертеже изображена принципиальная схема анализатора положения луча при центрировании объекта. Анализатор содержит последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину 1, узел коммутации и расщепления,, состоящий из двух ортогонально ориентированных по осям X и у электрооптических элементов 2 и 3, каждый из которых соетавлен из двух прямоугольных кристал лических пластин, и поляризатора 4, приемник 5 излучения. Прямоугольные кристаллические пластины представляют собой одноосные кристаллы группы дигидрофосфатов. Электрическое поле к пластинам подводится с помощью прозрачных электродов (не показаны) Анализатор работает следую1дим образом. Лазерный луч, проходя четвертьволновую пластину 1, приобретает круговую поляризацию и попадает далее на электрооптический элемент 3, который при приложении переменного электрического поля вдоль оси z крис талла делит луч на две составляющие с эллиптической поляризацией - верхнюю и нижнюю, причем обыкновенная и необыкновенная компоненты этих составляющих распространяются с различной скоростью. Так, если в верхней . составляющей луча обыкновенная компонента обгоняет необыкновенную,то в нижней она отстает. Расположенный далее поляризатор 4 поочередно с частотой приложенного к электрооптическому элементу 2 поля пропускает на приемник 5 излучения сравниваемые составляющие. Смеи:.ение узда коммутации и расщепления относительно оси луча в направлении х приводит к неидентичности сравн| заемьту. составля ющих, т. е. к появлению переменного электрического сигнала в цепи приемника 5 излучения, амплитуда и фаза которого определяют величину смещени Если пропускание оптической систе 1МЫ анализатора с одним электрооптиче ким элементом обозначить через fj то для верхней составляющей Э --o,s(i.s,-n| OS V а для нижней составляющей в силу ор тогональности кристаллографических осей пластинок .5|1- - -ТГинтенсивности состав ляющих на входе анализатора;интенсивности состав ляющих на выходе ана лизатора; разность хода обыкно венного и необыкно10 венного компонентов луча в составляющих; )..t переменное электриftl л ческое напряжение, подаваемое на электроды электрооптического элемента 2; полуволновое напряжение электрооптического кристалла. т.е. пропорционально разности интенсивностей сравниваемых составляю- щих и равно 0,5 при . При смещении узла коммутации и расщепления вверх или вниз относительно оси луча, т.е. при отсутствии одной из составляющих ( или 1 0) , пропускание системы к меняется с частотой л))( в пределах 0,5-0 или 0,5 - 1,0. Расположенный за электрооптическим элементом 2 электрооптический элемент 3 позволяет аналогично анализировать смещение по оси у на частот;е . Таким образом, в цепи приемника 5 излучения в зависимости от положения узла коммутации и расщепления относительно оси луча появляются сигналы двух частот -J и i , пропорциональные смещению объекта по координатам х и у. Применяя далее фазоселективное выпрямление на этих частотах, можно получить соответствующие сигналы обратной связи и осуществить одновременное центрирование объекта по обеим координатам. Выполнение узла коммутации и расщепления описанным образом позволяет значительно упростить устройство поскольку в нем отсутствуют движущиеся оптические детали и тем самым нет необходимости применения громоздких электродвигателей, а также повысить .точность ,что достигается применением независимой регистрации сиг налов, обусловленных смещением анализатора по координатам х и у; повышеи )j до нием частот коммутации V величины Гц, что позволяет исключить влияние на точность центрирования таких факторов, как собственные шумы приемника излучения, нестабиль- ности лазерного излучения, различные низкочастотные вибрации. Точность

S1093890«

центрирования предлагаемого анализа-гаемого анализатора теоретически может

тора составляет величину б..быть доведено до .

Кроме того, такое выполнение уэла Предлагаемый анализатор быть

коммутации и расщепления позволяетиспользован для получения высокоточаначительно повысить быстродействие информации от отклонении объекустройства, поскольку работа этого уз-тов от заданного лазерным лучом напла основана на продольном электрооп-равления и может с успехом заменить

тическом эффекте в кристаллах - эффек-существукицие анализаторы в центрируюте Поккельса - практически безынерци-в(их системах технологической оснастонном эффекте изменения рптической оки в машиностроении, в устройствах для

дикатрисы кристалла под действиемгеодезических измерений, а также в

приложенного электрического подя, вследящих системах ориентирования летарезультате чего быстродействие предла-тельных аппаратов.

АНАЛИЗАТОР ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ПРИ ЦЕНТРИРОВАНИИ ОБЪЕКТА, содержащий последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел коммутации и расщепления луча, приемник излучения, отличающийс я тем, что, с целью повьппения точности и быстродействия, узел коммутации и расщепления луча образован двумя ортогонально ориентированными электрооптическими элементами и поляризатором, каждый из злектрооптических элементов выполнен в виде квадратной плоскопараллельной пластины, составленной из двух прямоугольных кристаллических пластин, направления кристаллических осей одной пластины ортогональны соответственно осям дру гой пластины, а оптическая ось каждой из пластин совпадает с направлением луча. (Л со 00 00 со