Автоколлимационное устройство Советский патент 1992 года по МПК G02B27/30 G02B27/28 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения угловой ориентации отражающих поверхностей.

Известно устройство, содержащее источник света, объектив, светоделитель, по- зиционно-чувствительный фотоприемник. Однако угловое разрешение и поле зрения такого устройства ограничено входным отверстием и величиной фокусного расстояния объектива, вследствие чего и точность измерения таким устройством будет низкая.

Известен фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий источник света, марку, объектив, отражатель в виде прямоугольной призмы, два поляризатора со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, которые расположены между объективом и отражателем, светоделитель, установленный между поляризаторами и отражателем, модулятор, фотоприемную и измерительную части. Такое устройство позволяет с высокой точностью измерять отклонение от прямого угла исследуемой призмы. Однако при помощи такого устройства невозможно измерять угловое отклонение отражателя с расположенным на нем контролируемым объектом.

Известен топографический светодаль- номер Кристалл, содержащий два скрещенных поляризатора и пластину А/4, в котором оптическое излучение после прохождения через поляризаторы линейно поляризуется. Полезный сигнал дважды проходит через фазовращающую пластинку А/4 и его плоскость поляризации поворачивается на 90°.

Вследствие этого сигнал проходит через выходной поляроид практически без снижения интенсивности, в то время как шумовая компонента излучения (блики, рассеянный свет) остается поляризованной в плоскости задающего поляризатора, т.е. практически.не пропускается выходным поляризатором.

Таким образом, в выходной плоскости устройства обеспечивается повышение отношения сигнал-шум и тем самым повышается чувствительность устройства. Однако положение центра пятна в зависимости от угла поворота отражателя относительно оптической оси системы остается таким же, как и у традиционного автоколлиматора. Это можно отнести к недостаткам устройства.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее расположенные на оптической оси источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель, фотоприемную и измерительную части. Отражатель этого устройства состоит из неподвижного зеркала и расположенного между ним и объективом контролируемого оптического клина. В этом

устройстве полупрозрачное зеркало образует с отражател емиконтроли руем ымклином ветвь оптической обратной связи. Введение такого элемента позволяет получить в выходной плоскости набор световых пятен,

расположенных на расстоянии

fm 2fm(5, где f - фокусное расстояние объектива;

д - угол падения пучка света на отражатель;

m - порядок увеличения чувствительности

от оптической оси системы. Для такого коллиматора огибающая световых пятен в выходной плоскости сдвинута на некоторую

величину относительно светового пятна в традиционном автоколлиматоре (т.е. без полупрозрачного зеркала), что повышает чувствительность этого устройства.

Однако при этом интенсивность первого пятна всегда выше, чем последующих (интенсивность определяется коэффициентом отражателя полупрозрачного зеркала), а это определяет максимальный вклад этого пятна в огибающую.

Исходя из этого, недостатком такого устройства является недостаточно высокая чувствительность, а также невозможность управлять величиной этой чувствительности.

Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение управления ее величиной. Указанная цель достигается тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света,светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и по- зиционно-чувствительный приемник, дополнительно содержит задающий

поляризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним поляризатор (анализатор), расположенный между светоделителем и поляриза- ционно-чувствительным фотоприемником,

а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем элемент поворота плоскости поляризации на 90° за 2т проходов излучения во встречных направлениях, где m - заданный порядок повышения чувствительности. При этом элемент поворота плоскости поляризации выполнен либо в виде ячейки Керра, либо в виде ячейки Фарадея, либо в виде фазовра- щающей пластины, которая установлена с

возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости поляризации задающего поляризатора.

В известных технических решениях при прохождении излучения через фазовраща- ющую пластину А/4 интенсивность полезного сигнала практически не уменьшается, в то время как шумовая компонента не пропускается выходным поляризатором. Таким образом, за счет повышения отношения сигнал-шум повышается чувствительность известного автоколлиматора, т.е. фазовращающая пластина Л/4 служит для разделения входного и выходного световых пучков (что необходимо для устранения паразитных засветок), в то время как в предлагаемом техническом решении фазовращающая пластина (в составе блока поляризационной селекции) необходима для регулирования и повышения угловой чувствительности.

В известном техническом решении для повышения чувствительности фазовращающая пластина должна иметь толщину только Л/4 (чтобы плоскость поляризации поворачивалась на 90°). В предлагаемом техническом решении толщина пластины должна быть любой, отвечающей соотношению d

-д-ттг- . где А ос-длина волны источчгп По - Пе)

ника света, п0 и пе - коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

В известном техническом решении фазовращающая пластина может быть установлена в любом месте оптической схемы после источника света и задающего поляризатора, в то время как в предлагаемом техническом решении место расположения ффазовращающей пластины строго определено (в ветви оптической обратной связи).

В известном техническом решении фазовращающая пластина для достижения поставленной цели должна быть установлена строго под углом 45° к плоскости задающего поляризатора. При этом чувствительность - величина постоянная. В предлагаемом техническом решении фазовращающая пластина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси. Это позволяет плавно регулировать чувствительность и согласовывать ее с заданной энергетической чувствительностью фотоприемника или необходимым полем зрения.

Кроме того, помимо фазовращающей пластины в предлагаемом техническом решении преобразователем поляризации могут служить и другие элементы, которые могут влиять на поляризацию светового пучка (ячейка Фа радея, ячейка Керра, а также другие элементы, поворачивающие плоскость л

поляризации на угол р 2т 1 где т П°РЯ

док увеличения чувствительности).

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения

заключается в повышении чувствительности и возможности управления ее величиной. Последняя достигается путем размещения преобразователя поляризации в ветви оптической обратной связи. При

этом преобразователем поляризации служит либо устройство, поврачивающее

л плоскость поляризации на угол р -г- ,

где m - порядок увеличения чувствительности, либо фазовращающая пластина с возможностью поворота вокруг оптической оси и толщиной, определяемой из соотношения. .AQC

4т (п0 -пе) ;

где Я ос - длина волны источника света;

По и пе - коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно,

причем с целью оптимизации чувствительности ось фазовращающей пластины расположена под углом 45° к плоскости поляризации.

На чертеже схематически изображено

предлагаемое устройство. Устройство выполнено в виде последовательно расположенных на оптической оси источника 1 излучения, задающего поляризатора 2, светоделителя 3, объектива 4, полупрозрачного зеркала 5, отражателя (зеркала с исследуемым объектом) 6, преобразователя поляризации в виде фазовращающей пластины 7, поляризатора-анализатора 8, скрещенного с задающим

поляризатором 2, позиционно-чувствитель- ного приемника 9.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от точечного источника 1 через задающий поляризатор 2, светоделитель 3 попадает на объектив 4, пройдя через который преобразуется в параллельный пучок. Далее этот пучок, проходя через полупрозрачное зеркало 5 и преобразователь 7

поляризации, попадает на отражатель 6, повернутый относительно плоскости, перпендикулярной оси системы, на контролируемый угол в.

Отразившись от отражателя 6, пучок

снова проходит через преобразователь 7

поляризации и полупрозрачное зеркало 5 и фокусируется с помощью объектива 4 в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9. На пути оптического пучка, попадающего на фотоприемник 9, установ- лен поляризатор-анализатор 8, скрещенный с задающим поляризатором 2. Часть пучка, не прошедшая через полупрозрачное зеркало 5, отражается от него и, вновь пройдя через преобразователь 7 поляризации, попадает на отражатель 6, после чего через элементы 5 и 7 снова возвращается в систему.

Подобный процесс происходит многократно. При этом каждое прохождение сиг- нала через элементы 5-7 приводит к дополнительному увеличению угла между оптической осью системы и реальным направлением распространения пучка. Это приводит к тому, что в выходной плоскости (в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9) точечное изображение источника для каждого из пучков располагается на расстоянии 2 nf в от оптической оси системы, где п - номер пробега пучка, В - угол отклонения отражателя 6 относительно оптической оси системы, f - фокусное расстояние объектива. Наличие элемента 7 приводит к тому, что каждое прохождение сигнала через элементы 5-7 (образующих ветвь оптической обратной связи) характеризуется своим состоянием поляризации. Это выражается в том, что для преобразователя поляризации, выполненного в виде слюдяной пластинки, в зависимости от ее толщины плоско-поляризованный свет преобразуется в эллиптически-поляризован- ный с различными соотношениями полуосей эллипса для каждого пробега излучения. В том случае, если преобразова- тель поляризации выполнен в виде ячейки Керра, ячейки Фарадея, кварцевой пластинки изменение состояния поляризации выражается в повороте плоскости поляризации светового пучка, кратный n-номеру пробега излучения в ветви оптической обратной связи. Причем для малых номеров пробега п- пучков состояние поляризации будет близким к состоянию поляризации исходного пучка, а для определенного номера про- бега Ммакс (при толщине пластины d

т,-7-ч. где Лос длина волны источЧГП По - Ле

ника света, п0 и Пе - коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно) или для элементарного угла поворота плоскости поляризации,

определяемого из выражения р - д- , где

m - порядок увеличения чувствительности) многократное воздействие преобразователя 7 поляризации приводит к повороту плоскости поляризации на 90°.

Соответственно и условия прохождения излучения через поляризатор-анализатор 8 для пучков с малыми номерами пробегов будут неблагоприятными (наблюдается почти полное их гашение), а m-ый пучок выделяется по интенсивности.

Результирующая интенсивность в плоскости позиционно-чувствительного фотоприемника 9 описывается соотношением

J-I в(га). m

(x-20fm)2

(1)

(

где q - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала 5;

D - диаметр входного отверстия объектива 4;

В(т)- коэффициент, определяющий изменение интенсивности за счет поляризационной селекции.

В случае, когда преобразователь поляризации выполнен в виде слюдяной пластинки, коэффициент В(т) приобретает вид

B(m) sin2 f (n0-ne)md.(2)

Таким образом, результирующая интенсивность, определяемая суммой интенсив- ностей отдельных пятен, формируется за счет максимального вклада т-го пятна. Это приводит к тому, что центр результирующего пятна сдвигается относительно оптической оси системы на величину, большую, чем в случае отсутствия элементов 5 и 7, образующих вместе с элементами 6 и 7 ветвь оптической обратной связи, и в случае отсутствия элементов поляризационной селекции. Отсюда следует, что совокупность действия элементов, содержащихся в ветви оптической обратной связи, и элементов, составляющих блок поляризационной селекции, приводит к существенному повышению чувствительности предлагаемого автоколлимационного устройства. Кроме того, если в качестве преобразователя поляризации использована фазовращающая пластинка, то, изменяя ее толщину, можно регулировать величину чувствительности устройства. Регулировать величину чувствительности можно также путем поворота фа- зовращающей пластины в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы. При этом оптимальной установкой пластины будет расположение ее оси под углом 45° к исходной плоскости поляризации пучка. В

этом случае плоскость поляризации т-го пятна повернута строго на 90° и оно максимально выделено по интенсивности на фоне пятен более низкого порядка, для которых состояние поляризации приближается к состоянию поляризации исходного пучка (т.е. наблюдается гашение интенсивности пятен низших порядков).

Пример. Согласно изобретению был изготовлен опытный образец автоколлимационного устройства. В качестве источника излучения был использован полупроводниковый лазер ИЛПИ-27К с длиной волны излучения Я 0,67 мкм. Преобразователем поляризации служила слюдяная пластина. Коэффициент отражения полупрозрачного зеркала порядка 70%. В качестве задающего поляризатора и поляризатора-анализатора были использованы стандартные пленочные поляроиды. Фокусное расстояние используемого объектива 75 мм, диаметр его входного отверстия 10 мм. Контролируемый угол поворота отражателя .

Были проведены испытания опытного образца автоколлимационного устройства, которые показали, что предельная погрешность измерений равна 1, что на порядок лучше, чем у других известных автоколлиматоров с аналогичными параметрами оптических элементов. Кроме того, в предлагаемом автоколлимационном устройстве фокусное расстояние объектива в несколько раз меньше, чем в других известных автоколлиматорах (75 и 250 мм соответственно), вследствие чего существенно уменьшены его габариты и материалоемкость.

Формула изобретения

1. Автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оптической оси луча источник света, светоделитель, объектив, полупрозрачное зеркало, отражатель и позици- онно-чувствительный фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены задающий поляризатор, расположенный между источником света и светоделителем, скрещенный с ним поляризатор-анализатор, расположенный между светоделителем и позиционно-чувствительным фотоприемником, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом и отражателем

элемент поворота плоскости поляризации на 90° за 2т проходов излучения во встреч- ных направлениях, где m - заданный порядок повышения чувствительности.

2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что элемент поворота плоскости

поляризации выполнен в виде ячейки Керра.

3.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что элемент поворота плоскости поляризации выполнен в виде ячейки Фарадея.

4.Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что элемент поворота плоскости поляризации выполнен в виде фазовращающей пластины, толщина d которой определяется из соотношения

. /ОС

4т(П0 - пе) где АОС- длина волны источника света;

п0 и пе - коэффициенты преломления фазовращающей пластины для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

5.Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения управления величиной чувствительности, фазовращающая пластина установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства.

6. Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости

поляризации задающего поляризатора.

45

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения угловой ориентации отражающих поверхностей. Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение управления ее величиной. Указанная цель достигается тем, что автоколлимационное устройство, содержащее последовательно установленные на оп- тической оси луча источник 1 света, светоделитель 3, объектив 4, полупрозрачное зеркало 5, отражатель 6 и позиционно- чувствительный приемник9, дополнительно содержит задающий поляризатор 2, расположенный между источником 1 .света и светоделителем 3, скрещенный с ним поляризатор-анализатор 8, расположенный между светоделителем 3 и поляризационно- чувствительным фотоприемником 9, а также расположенный между полупрозрачным зеркалом 5 и отражателем 6 элемент 7 поворота плоскости поляризации на 90° за 2/т проходов излучения во встречных направлениях, где т- заданный порядок повышения чувствительности. При этом элемент 7 поворота плоскости поляризации выполнен либо в виде ячейки Керра, либо в виде ячейки Фарадея, либо в виде фазовращающей пластины, которая установлена с возможностью поворота вокруг оптической оси устройства, а ось фазовращающей пластины ориентирована под углом 45° к плоскости поляризации задающего поляризатора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил. СП