Автоколлиматор Советский патент 1985 года по МПК G02B27/30 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения углового положения удаленных объектов. Цель изобретения - повьшение точности измерения и чувствительности. На фиг, 1 показана принципиальная схема автоколлиматора; на фиг.2 разрез А-А. на фиг. 1; на фиг. 3 ход лучей в трипель-призме при косом падении световых лучей. Автоколлиматор содержит устанавли ваемые на одном объекте источник 1 излучения, светоделитель 2, объектив 3, поляризационный переключатель 4, выполненный в виде поляризатора, вращающегося с угловой скоростью Ы относительно оптической оси объектива, и регистрирующее устройст во 5, включающее фотоприемное устрой ство 6, выполненное по позиционно- чувствительной схеме (ФППЧС) и двухканальную фазочувствительную измерительную схему, каждьй канал которой состоит из избирательного усилителя 7(8), двух синхродетекторов 9 и 10 (11 и 12) с датчиками опорных сигналов 13(14), связанными с поляри зационным переключателем 4, и дифференциального усилителя 15(16), а на другом объекте - отражающий элемент 17, вьтолненный в виде трипельпризмы с прямыми двухгранными углами между отражающими гранями.Фронтальная грань трипель-призма разделена на четьфе сектора 18 - 21 линиями раздела АВ и CD, проходящими через е,е центр О и ориентированными под углом 45 к коллимационным осям ОХ и ОУ. Перед секторами 18 и 19 установлены соответственно линейные поляризаторы 22 и 23, направления пропускания которых составляют между собой угол 45°, а перед секторами 20 и 21 - четвертьволновые фазовые пластинки 24 и 25, оптические оси которых ориентированы одна к другой под углом 22,5°. Автоколлиматор работает следующим образом. При помощи источника 1 излучения, светоделителя 2, объектива 3 и вращающегося поляризатора 4 формируется коллимированный пучок световых лучей плоскость поляризации которого вращается с угловой скоростьюС, и направляется на отражающий элемент, выполненный в виде трипель-призмы 17, Часть этого пучка предварительно проходит через поляризатор 22, сектор 18, последовательно отражается от трех граней трипель-призмы 17 и покидает ее через сектор 19 и поляризатор 23. В то же время световой поток, падающий на симметричный сектор 19, выходит из сектора 18 через поляризатор 22. Так как направления пропускания поляризаторов 22 и 23 составляют между собой угол 45, то оба отраженных пучка, смодулированных по плоскости поляризации, на выходе из поляризаторов будут модулированными по интенсивности с частотой 2 to и фазой, отличающейся на 90°. Амплитуды этих сигналов зависят от соотношения площадей рабочей апертуры трипнль-призмы, экранированных поляризаторами 22 и 23. При нормальном падении световых лучей на отражатель 17 Центр его рабочей апертуры (на фиг. 2, пунктирные линии), совпадает с центром О фронтальной грани и, следовательно, с точкой пересечения линий раздела АБ и CD поляризаторов и фазовых пластинок . В этом случае поляризаторы 22 и 23 экранируют одинаковые площади рабочей апертуры трипель-призмы 17, поэтому секторы 18 и 19 возвращают одинаковые световые потоки. При поворотах отражателя относительно оси ОУ на угол ©2 центр О рабочей апертуры смещается относительно центра О его фронтальной грани в плоскости ОХ на расстояние где h - высота трипель-призкя 1, jb - угол преломления центрального луча в материале трипель-призмы, связанньй с углом поворота QZ. соотношением sin sin ft, где п - показатель преломпения материала призмы (фиг. 3). . Пропорционально величине смещения d изменяются и площади рабочей апертуры отражателя 17, экранируемые поляризаторами 22 и 23, Например, при поворотах отражателя вокруг оси ОУ по часовой стрелке площадь рабочей апертуры, экранируемая поляризатором 23, увеличивается, а экранируемая поляризатором 22 уменьшается..

Площади рабочей апертуры отражателя, экранируемые фазовыми пластинками, при этом изменяются на одинаковую величину в сторону уменьшения ее

В соответствии с величиной поворота отражателя изменяются и световые потоки, возвращаемые через секторы 18 и 19. При этом разность световых потоков пропорциональна величине угла поворота 0j , а-знак разности указывает на направление поворота, т.е. определяет знак угла б Раз-, ность световых потоков, выходящих через секторы 20 и 21, не будет зависеть от угла 6.

Световые лучи, выходящие, через секторы 18 и 19, распространяются параллельно направлению падающего пучка. Они проходят поляризатор 4, попадают в объектив 3, формируя в ег фокальной плоскости неподвижное автоколлимационное изображение, расположенное на оптический оси коллиматора, и регистрируются фотоприемным устройством 6, которое в этом случае, работает как обычный фотоприемник (центр изображения совпадает с точкой пересечения линий нулевой чувствительности ФППЧС). Сигнал с выхода 6 усиливается избирательным усилителем 8, настроенным на частоту 2w, и поступает в синхродетекторы 11 и 12, где он перемножается с опорными сигналами. Опорные сигналы частотой 2u), сдвинутые по фазе относитель но друг друга на 90, формируются датчиком 14, связанным с поляризатором 4.

Постоянные составляющие выходных сигналов синхродетекторов пропорциональны амплитудам световых потоков, возвращенных трипель-призмой через секторы 18 и 19 соответственно.

Эти сигналы вычитаются дифференциальным усилителем- 16, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный углу поворота контролируемого объекта вокруг оси ОУ, а знак указывает на направление поворота.

Аналогично другая часть светового потока, падающего на трипель-призму, проходит предварительно четвертьволновую фазовую пластинку 24, сектор 20 последовательно отражается от граней трипель-призмы и покидает ее через сектор 21 и фазовую пластинку 25. А световой поток, падающий на симметричный сектор 21, покидает

призмы через сектор 20 и фазовую пластинку 24. Как и в первом случае, амплитуды этих световых потоков являются мерой смещения центра рабочей апертуры отражателя.

Разность световых потоков пропор циональна величине угла поворота 6, а знак разности указьюает на направление поворота.

Плоскости поляризации обоих отраженных пучков после прохождения фазовых пластинок 24 и 25 вращаются с угловой скоростью U), но в направлении, противоположном направлению вращения плоскости поляризации падающего пучка, а их фазы вращения сдвинуты относительно друг друга на 22,5 |

Отраженные пучки возвращаются

на первый объект также в направлении, параллельном направлению падающего пучка. При прохождении враща ющегося поляризатора 4 на выходе из него световые потоки становятся модулированными по интенсивности с частотой фазами, отличающимися на 90°. Далее они улавливаются объективом 3, регистрируются фотоприемньпч устройством. Сигнал с выхода устройства 6 усиливается избирательным усилителем 7, настроенным на частоту 4ш, и поступает на входы синхродетекторов 9 и 10, на выходах которых формируются сигналы, пропорциональные световым потокам, возвращенным трипель-призмой через секторы 20 и 21 соответственно. Далее эти сигналы вычитаются дифференциальным усилителем 15 и на его выходе получают сигнал, пропорциональный величине угла 6,

Знак выходного сигнала указывает на направление поворота объекта.

Опорные сигналы для сиихродетек- торов 9 и 10 частотой 4ши фазами, отличающимися на 90, вырабатываются датчиком 13, связанным с поляри затором 4.

В формировании отраженного светового потока, используемого для определения углов коллимации, в автоколлиматоре участвует вся рабочая апертура трипель-призмы, т.е. она используется с максимальной эффективностью.

Увеличение энергии отраженного потока приводит к увеличению дальности действия прибора и повьипению точности измерений.

АВТОКОЛЛИМАТОР, содержащий источник излучения, поляризационный переключатель и светоделитель, формирующий два оптических канала, причем в первом канале установлены объектив и трипель-призма, жестко связанная с объектом наблюдения,фронтальная грань которой разделена на секторы, а также две фазовые пластины, одна из которых четвертьволновая, первьй и второй линейные поляризаторы, расположенные перед соответствующими секторами фронтальной грани трипель-призмы, а во втором оптическом канале установлено регистрирующее устройство, о т л и ч а ю-, щ и и с я тем, что, с целью повьппения точности измерения и чувствительности, поляризационный переключатель установлен между объективом и трипель-призмой, трипель-призма выполнена прямоугольной, а ее секторы образованы диагоналями фронтальной грани, причем первый и второй линейный поляризаторы установлены перед двумя симметричными относительно центра фронтальной грани секторами, а перед двумя другими секторами установлены фазовые пластины, выполненные четвертьволновыми, при этом оптические оси фазовых пластин составляют между собой угол 22,5 , а оси линейных поляризаторов 45°, регистрирующее устройство выполнено в виде фотоприемного устройства, выходом S подключенного к входам двухканальной (Л фазочувствительной измерительной схемы, каждьй канал которой состоит из избирательного, усилителя, двух синхродетекторов, дифференциального усилителя и датчика опорных сигналов поляризационного переключателя, причем вход избирательного усилителя подключен к выходу фотоприемного 4ib устройства, а выход избирательного 00 00 СП) усилителя - к первым входам синхродетекторов, вторые входы которых подключены к выходам датчика опорных сигналов поляризационного переключателя , а выходы синхродетекторов подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя.