Устройство для измерения пространственно-временных характеристик световых пучков Советский патент 1993 года по МПК G02B26/00 H01S3/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения пространственно-временных характеристик направленного излучениями может быть использовано при определении характеристик источников излучения и в системах автоматической коррекции фазы световых пучков.

Известно устройство для измерения формы волнового фронта методом Гартма- на, представляющее собой линзовый растр с матрицей фотоприемников, расположенных в фокальной плоскости растра. Зная поперечные смещения фокальных пятен относительно оптических осей элементарных линз, можно вычислить функцию, аппроксимирующую волновой фронт, а затем, разложив ее, например, по полиномам Цернике, получить параметры фокусировки и астигматизма. Недостатком данного прибора является невысокая точность измерений аберраций низшего порядка, обусловленная влиянием внутренних шумов большого числа измерительных каналов, а также остаточными ошибками юстировки системы.

Известна реализация указанного метода в виде одноканальной системы с последовательным опросом, включающей вращающийся цилиндр с отверстиями и неподвижную пластину с прорезями,

Недостатками данного устройства являются наличие дополнительной погрешности измерений, обусловленной дифракцией светового пучка на двух препятствиях (щель диафрагмы и отверстие в цилиндре), а также ограниченное быстродействие, вследствие необходимости обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени.-,,...:.-. - ,,. , ,

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому - устройству является реализация способа определения среднего радиуса кривизны и дисперсии флуктуации фазы когерентного излучения. Она включает в себя амплитудный модулятор, фокусирующую систему и фотоприемник с оптической системой, подключенный к блоку обработки информации. Перефокусируя оптическую систему фотбприемника определяют плоскость фокусировки излучения и по расстоянию между этой плоскостью и фокальной плоскостью фокусирующей системы определяют средний радиус кривизны волнового фронта.

(Л

С

ч о

а XJ

00

оо

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие, определяемое временем поиска плоскости наилучшей фокусировки (порядка нескольких секунд) и связанные с ним динамические погрешности измерений, а та кжё невозможность из- мерен,ия астигматизма пучка.

цель изобретения- повышение быстро- дейЪэдя змерения дефокусировки (радиуса кривизны) и обеспечение измерения асти7 ма зма пучка.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве; включающем фокусирующую систему, модулятор, фотоприемник и устройство обработки информации, подключенное к фотоприемнику модулятор выполнен в виде двух одинаковых дисков, причем каждый диск имеет по крайней мере три прорези, длина каждой из кбторых нё меньше диаметра светового пучка, а ширина много меньше диаметра, одна прорезь направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляют углы +/-60 град с радиусами, проходящими через центры прорезей, угол между радиусами, проходящими через внешние края первой и последней прорези, не превышает 180 град и отверстие, выполненное в виде кольцевого сектора, образр- вакногр продолжениями радиусов, проходящих через внешние края первой и последней прорези, имеющего ширину, равную длине прорези, направленной вдоль радиуса диска, при этом центры всех прорезей и средний радиус кольцевого сектора расположены на одинаковом расстоянии от центра диска, диски жестко установлены на одной реи, связанной с приводом и развернуты друг относительно друга на 180 град, а один из дисков снабжен датчиком положения, соединенным с устройством обработки информации, причем фокальная плоскость фокусирующей системы расположена между дисками, а оптическая ось устройства параллельна оси вращения дисков и проходит через окружности на дисках, проведённые через центры прорезей.,У(:: ..,. -. Vr-;W-r.;-:,.-,.:;

Значения дефокусировки -параметров астигматизма светового пучка выражаются через параметры, эллипсов (длины полу- осей, угол наклона одной из осей эллипса к плоскости устройства), образующихся при пересечении светового пучка дисками устройства. Для расчета трех указанных параметров каждого, эллипса используются значения ширины трех проекций эллипса в направлении нормалей к образующим трех щелей (см. фиг.4 и 6а) диска устройства, представленного на фиг.2.

Восстановление параметров эллипса по отсчетам его проекций представляют собой частный случай инверсного преобразования Радона, наиболее эффективного в

регулярной полярной сетке, типа показанной на фиг. 6.6. Указанная сетка формируется при равномерном заполнении плоскости сечения пучка направлениями проекций, т.е. при углах между нормалями, составляю0 щими 120 град. В системе отсчета, связанной с диском, это соответствует тому, что одна из прорезей направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляют углы плюс и минус 60 град с радиусами диска, проходя5 щими через их центры.

Сопоставительный анализ показывает, что заявленное устройство отличается выполнением узла модулятора - в виде двух жестко установленных на одной оси

0 дисков-модуляторов, снабженных датчиком угла, расположением системы модуляторов и связью датчика угла с устройством обработки информации. Таким образом заявленное устройство соответствует критерию

5 новизна. Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что при таком выполнении модулятора и установлении элементов в указанной связи устройство проявляет новые свойства, а

0 именно уменьшаются динамические ошибки измерения (они определяются частотой вращения дисков) и обеспечивается возможность.измерения астигматизма. Это позволяет сделать вывод о соответствии

5 технического решения критерию существенные отличия.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, где Т-фокусирующее зеркало, 2 - световой пучок, 3 - диски с

0 прорезями, 4 - фотоприемник, 5 -устройство обработки информации, 6 - датчик угла, 7 - двигатель.

На валу двигателя 7 перпендикулярно его оси установлены два диска 3, изготов5 ленные так, как. показано на фиг.2. Диски развернуты на 180 град относительно положения, при котором прорези совпадают (при наблюдении вдоль оси вала двигателя). Фокусирующее зеркало 1 установлено

0 таким образом, что ось проходит через окружности на дисках 3, проходящих через центры прорезей. Фотоприёмйик 4, например, типа МГ-30 размещен на оси пучка, при

5 этом его апертура превышает диаметр пучка в плоскости падения. Выход приемника 4 подключен к устройству обработки информации 5, включающему последовательно со- един ённые усилитель, .пороговое устройство, преобраздватёль длительность импульса-код (АЦЛ), интерфейс и ЭВМ (например, Электроника МС 0507). Светоди- од и фотодиод, образующие оптронную пару 6, размещены по разные стороны одного из дисков 3. На этом же диске на диаметре, соответствующем оси этой пары, и, например, на радиусе, проходящем через среднюю щель, имеется отверстие (см. фиг.2). Выход фотодиода оптронной пары б подключен к формирователю ТТЛ-импульсов, входящему в устройство обработки информации 5, который соединен с одним из регистров интерфейса, Информация с этого регистра используется для идентификации сигналов, поступающих в ЭВ.М с АЦП. ЭВМ запрограммирована на вычисление значений дефокусировки и параметров астигматизма по информации с приемника в реальном масштабе времени в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.З.

В первом блоке алгоритма осуществляется расчет параметров эллипсов, образующихся при пересечении плоскостей дисков с исследуемым пучком.

Он включает расчет значений li, li (i Г..З)

И kn,-. °

I2.3 k Г2.3/СОЗ 60°(1)

(аналогичные соотношения реализуются для другой плоскости), а также определение параметров эллипса а0. bo, po- ао, Ь0 путем решения системы уравнений . - (li/2)2 (sin2 да/а02 + cos2 р, :Ъ°)/

Г COS 2 (ftSin 2 (ft ,

1 j

а0

Ьо

(2)

, sin2y)j cos 2 да

(2)

-- Sobo

- 4 cos2 да sin2 (ft (1 /a.02 - 1 /b02)},

где 1,2,3,

p po, pi - 60°, /)0 + 60°.

Аналогичная система-уравнений решается для второй плоскости. Смысл обозначений понятен из фиг.4; К - постоянная величина, определяемая скоростью вращения дисков и их геометрическими параметрами.

Во втором блоке осуществляется расчет расстояний между фокусирующим зеркалом и плоскостями фокусировки исследуемого пучка Па и Рь в соответствий с соотношениями

Ra Ri + (a0rK)/(ao -a0),. (3) . Rb Ri + (ЬоГк)/(Ьо - bo), где RI - расстояние между фокусирующим зеркалом и первым по ходу пучка диском;

2рк - расстояние между дисками.

Смысл введенных обозначений пояснен на фиг.5.

В третьем блоке вычисляются параметры дефокусировки и астигматизма светово- 5 го пучка Сз, С4 и Сэ стандартного разложений волнового фронта по полиномам Цернике

W(X, Y) (1 /ЯК 3 Сз Г2(Х2 + Y2)-1 +

+ (X2 - Y2) + 2V6 С5 XY}(4) 10 (Я длина световой волны) .

в системе координат, связанной с прибором

C3 (Ra-+Rb). .

C/j (Rb - Ra)/V6 RaRb(2cos2 / 0-1), (5) C5 sin (1 /Ra -1 /Rb)/2 V&,

15 Устройства функционирует следующим образом. После включения двигателя 7 диски 3 приводятся во вращение. Исследуемый световой пучок направляется зеркалом 1 на вращающиеся диски 3. Прорези каждого ди20 ска (см. фиг.2) последовательно пересекают пучок. Через прорези пучок попадает на фотоприемник 4, при этом на его-выходе возникают электрические импульсы, поступающие в устройство обработки ин25 Формации 5, где они оцифровываются и по- падают в ЭВМ. В ЭВМ также поступает синхроимпульс от оптронной пары 6. Момент прихода этого импульса совпадает с моментом пересечения пучка щелью диска

30 (см. фиг.2), условно принятой за первую. В ЭВМ в реальном масштабе времени рассчитываются значения дефокусировки и астигматизма.

Таким образом, измерение дефокуси35 ровки светового пучка осуществляется одним измерительным каналом, что и определяет1 повышение точности измерений по сравнению с устройством-прототипом, имеющим два измерительных канала.

40 При этом быстродействие не снижается, поскольку оба устройства являются устройствами последовательного действия. Одновременно предлагаемое устройство производит измерение параметров астиг45 матизма исследуемого пучка (не реализуемое в устройстве-прототипе), что расширяет область его применения.

Формула изобретения . Устройство для измерения пространст50 венно-временных характеристик световых пучков, включающее фокусирующую систему, модулятор, фотоприемник и устройство обработки информации, подключенное к фотоприемнику, отличающееся тем,

55 что, с целью повышения точности измерения дефокусировки и обеспечения возможности измерения астигматизма, модулятор выполнен в виде двух одинаковых дисков, причем каждый диск имеет по крайней мере

T и прорези, длина каждого из которых не меньше диаметра светового пучка, а ширина много меньше диаметра, одна прорезь направлена вдоль радиуса диска, а две другие составляют углы ±60° с радиусами, проходящими через центры прорезей, угол между радиусами, проходящими через внешние края первой и последней прорези. не превышает 180° и отверстие, выполненное в виде кольцевого сектора, образованного продолжениями радиусов, проходящих через внешние края первой и последней прорези, имеющего ширину, равную длине прорези, направленной вдоль

0

5

радиуса диска, при этом центры всех прорезей и средний радиус кольцевого сектора расположены на одинаковом расстоянии от центра диска, диски жестко установлены на одной оси, связанной с приводом и развернуты друг относительно друга на 180°, а один из дисков снабжен датчиком положения, соединенным с устройством обработки информации, причем фокальная плоскость фокусирующей системы расположена между дисками, а оптическая ось устройства параллельна оси вращения дисков и проходит через окружности на дисках, проведенные через центры прорезей.

Использование: в системах автоматической коррекции фазы световых пучков. Сущность: устройство содержит фокусирующее зеркало, два диска с прорезями, установленные на одной оси, приёмник излучения и устройство обработки информации. При вращении дисков на выходе фотоприемника возникают электрические импульсы, несущие информацию о параметрах светового пучка. 6 ил.

Рис. 2

Длительность сигналов о фотоприёмника

Т Т f Г Т

S t г S

Расчёт параметров

ЭЛЛИПСОВ

Параметры эллипсов

«./...,.. г.

. Pwc. 4.

)