Устройство для определения поперечных смещений объекта Советский патент 1993 года по МПК G01B11/00 

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для определения поперечных смещений объекта, содержащее основание с последовательно установленными на нем излучателем и азимутальным элёктрооптическим модулятором и оптически связанные анизотропный клиновой элемент, оптический элемент и приемный блок. Приемный блок и азимутальный электрооптический модулятор электрически связаны с электронным блоком.

Недостатком устройства является снижение точности определения линейных смещений с увеличением расстояния до измеряемого объекта, т.к. она зависит от линейных размеров Светового пучка, приходящего на анизотропныйХЛИНОБОЙ элемент.

Цель - снижение влияния увеличения расстояния до объекта на точность определения ею поперечных смещений за счёт сохранения единого состояния поляризации в широком световом пучке на выходе анизотропного клинового элемента.

Цель достигается тем, что устройство для определения поперечных смещений снабжено установленными на оснований последовательно rib ходу излучения за модулятором телескопической системой и за клиновым элементом четвертьволновой пластиной и предназначенным для закрепления на объекте зеркально-линзовым отражателем, причем анизотропный клиновой элемент выполнен из двух клит ев, изготовленных из материала с различной оптической активностью, и составлен так, что вращение плбскости поляризации излучения каждым из клиньев осуществляется в противоположных направлениях. Оптический элемент выполнен в виде поляризационного светоделителя, установлен между излучателем и модулятором, и связан с приемным блоком через конденсор.

На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг.2 - угловые зависимости поворота вектора Е напряженности электрического поля линейно поляризационной световой волны в оптической системе устройства.

Устройство содержит приемопередатчик 1, установленные на неподвижном основании и зеркально-линзовый отражатель 2, жестко закрепленный на измеряемом объекте 3. Приемопередатчик содержит оптиче- скую систему и электронный блок, заключенные в едином корпусе. Оптическая система приемопередатчика включает излучатель 4, поляризационный светоделитель 5, азимутальный электрооптический модулятор б, телескопическую систему 7, анизотропный клиновой элемент 8, составленный из клиньев 9 и 10, выполненных из противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала, фазовую четвертьволновую пластинку 11, конденсор 12 и фотоприемник 13.

Поляризационный светоделитель 5 служит для разделения передающего канала, содержащего излучатель 4, и приемного канала, включающего конденсор 12 и фотоприемник 13. При этом элементы 6-8 и 11 являются общими как для передающего, так и для приемного каналов приемопередатчика. ..--.. ..- ; . - - -

Фотоприемник 13 подключен через узкополосный усилитель 14 к сигнальному входу фазового детектора 15, выход которого соединен с регулятором смещения 16, подключенным к источнику 17 постоянного напряжения, один из выходов которого подключен к индикатору 18, а другой - к азимутальному электрооптическому модулятору 6. Выходы генератора 9 соединены с опорным выходом фазового детектора 15 и азимутальнымэлектрооптическиммодулятором 6.

Зеркально-линзовый отражатель 2 содержит объектив 20 и сферическое зеркало 21, закрепленные в одном корпусе.

Устройство работает следующим образом, .;-;..-:,,.л .,.. ; ..- - - .,

Вначале рассмотрим работу устройства с параллельным световым пучком. Излучатель 4 посылает линейно поляризованный 5 световой ny4joK с азимутом поляризации в 0° (вектор Е, фиг.2) на поляризационный светоделитель 5. Поляризационный светоделитель установлен так, что он пропускает компоненту (проекцию) Ех электрического вектора Е световой волны и отражает ортогональную компоненту Еу (фиг.2). Так как азимут линейно поляризованного светового пучка в 0, то параксиальный световой пучок, не отклоняясь, проходит поляризацион- ный светоделитель и поступает на азимутальный электрооптический модулятор 6. Если на него не подано управляющее напряжение, то азимут линейно поляризованного светового пучка на выходе из моду- лятора не изменится, Далее, пройдя телескопическую систему 7, параксиальный световой пучок попадает на анизотропный клиновой элемент 8, составленный из клиньев 9 и 10, выполненных из противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала (например, кристаллический кварц, киноварь, раствор винной кислоты и т.д.). Клинья 9 и 10 имеют равные углы при вершине и образуют кри0

5

0

5

0

0

5

0

5

сталлическую плоскопараллельную пластинку с оптической осью, перпендикулярной ее входной грани.

Угол р поворота плоскости поляризации на выходе из анизотропного элемента 8 зависит от разности хода параксиального светового пучка в клиньях 9 и 10 и определяется выражением

p Mdi-d2)(1) где удельное вращение плоскости по- ляризации оптически активного материала клина;

ch и d2 - длина хода параксиального светового пучка в клиньях 9 и 10 соответственно,

При прохождении параксиального светового пучка по центру анизотропного клинового элемента его длина хода в клиньях 9 и 10 одинакова и равна

I

di d2 d Јtgd,(2)

где I - длина клина;

д -угол при вершине клина.

Следовательно, угол р поворота плоскости поляризации на выходе из анизот- ропного клинового элемента равен нулю,

Пройдя по центру анизотропного клинового элемента 8, параксиальный световой пучок, не меняя азимута поляризации, поступает на фазовую четвертьволновую пла- стинку 11, главная ось которой расположена под углом р 0° к оси X. Далее параксиальный световой пучок проходит расстояние L до зеркально-линзового отражателя 2, отражается и, пройдя расстояние L в обратном ходе, вторично попадает на фазовую четвертьволновую пластинку. Действие четвертьволновой фазовой пластинки в прямом и обратном ходе при одинаковой ориентации главных осей эквивалентно действию фазовой полуволновой пластинки с такой же ориентацией главной оси. Следовательно, состояние поляризации светового пучка после прохождения данной пластины не изменится.

При отсутствии линейного смещения объекта 3 и зеркально-линзового отражателя 2 вдоль оси Y отраженный параксиальный световой пучок не смещается относительно оптической оси приемопере- датчика. Следовательно, вышедший из пластинки 11 световой пучок с азимутом поляризации у 0° проходит анизотропный клиновой элемент 8 по центру. Согласно выражению (2) он не изменяет своего состо- яния поляризации. Далее световой пучок проходит телескопическую систему 7, азимутальный электрооптический модулятор 6 и поступает на поляризационный светоделитель 5, в обратном ходе выполняющий функцию анализатора. Так как электрический вектор Е линейно поляризованной световой волны направлен вдоль оси X (фиг.2). то отраженная поляризационным светоделителем компонента Еу равна нулю. Следовательно, сигнала на фотоприемнике 13 не будет.

Если объект 3 совместно с отражателем 2 сместится вдоль оси Y относительно первоначального положения на величину Д|, то отраженный параксиальный световой пучок сместится относительно оптической оси приемопередатчика на величину 2 At. Следовательно, параксиальный световой пучок также сместится относительно центра анизотропного клинового элемента 8. При этом длина хода параксиального светового пучка в клиньях 9 и 10 будет соответственно равна

(3)

(4)

di1 (-2AI) , d21 () tg д,

а угол поворота плоскости поляризации на выходе из анизотропного клинового элемента равны

yf ice Xdi1 - d21) А Itg д. (5) Знак минус в выражении (5) показывает, что свет проходит оптически активный материал в обратном направлении. При этом на поляризационный светоделитель 5 поступает линейно поляризационный световой пучок с азимутом поляризации у1 вектор Е , фиг. 2). В этом случае интенсивность отраженного светоделителем проходящего конденсор 12 им поступающего на фотоприемник 13 света не равна нулю и согласно фиг.2 определяется выражением

l l0cos2(90-y)loSinV.(6) где I - интенсивность света на фотоприемнике;

10 - интенсивность линейно поляризованного света, приходящего на поляризационный светоделитель.

Таким образом, сигнал с фотоприемника 13 пропорционален углур поворота плоскости поляризации, а следовательно, и величине ЛI линейного смещения объекта с отражателем.

В реальных условиях световой пучок обладает конечными размерами, поэтому угол поворота плоскости поляризации при однократном прохождении анизотропного клинового элемента 8 различен по сечению широкого светового пучка.

Рассмотрим прохождение такого пучка в прямом и обргтном ходе через систему анизотропный клиновой элемент 8. фазовая

четвертьволновая пластинка 11 и зеркально-линзовый отражатель 2.

На такую систему падает осевой линейно поляризованный световой с азимутом поляризации у 0° (вектор Е, фиг,2). На выходе анизотропного клинового элемента 8 образуется пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскости по- ляризации. Угол поворота плоскости поляризации для верхнего (вектор EI, фиг.2) и нижнего (вектор Еа1, фиг.2) крайних лучей светового пучка на выходе из анизотропного клинового элемента 8 определяется выражением

1,2 ±| ,

где D - диаметр падающего на анизотропный клиновой элемент 8 широкого Светового пучка.

Пройдя анизотропный клиновой элемент 8, фазовую четвертьволновую пластинку 11 и расстояние L до измеряемого объекта, широкий световой пучок попадает на отражатель 2. При наличии линейного смещения Д объекта 3 вдоль оси Y отраженный широкий световой пучок сместится относительно оптической оси приемопередатчика 1. Величина смещения верхнего и нижнего крайних лучей светового пучка относительно оптической оси приемопередатчика соответственно равна

mi,2-.2Al (8)

Отраженный смещенный широкий световой пучок, пройдя расстояние L в обратном ходе, вторично падает на фазовую четвертьволновую пластинку 11. Учитывая действие фазовой четвертьволновой пластинки в прямом и обратном ходе, азимут поляризации верхнего (вектор EI , фиг.2) и нижнего (вектор Е21, фиг.2) крайних лучей выходного светового пучка соответственно равен

У1.2 ±|(9) Далее широкий световой пучок поступает на анизотропный клиновой элемент 8. В обратном ходе анизотропный клиновой элемент поворачивает плоскости поляризации верхнего и нижнего крайних лучей на углы

pi.(2Al±Ј).(10)

Таким образом, из анизотропного клинового элемента выйдет линейно поляризованный широкий пучок лучей, в котором азимут поляризации для верхнего и нижнего крайних лучей определяется выражением

У1.2 У1,2 + У1.2 ±Ј (11)

Полученный результат позволяет сделать вывод, что прошедший через представленную систему в прямом и обратном ходе широкий световой пучок линейно поляризован (вектор Е , фиг.2), причем азимут поляризации не изменяется по сечению пучка и аналогичен азимуту поляризации параксиального светового пучка

у.

Исходя из изложенного следует, что уста15 новка анизотропного клинового элемента и фазовый четвертьволновой пластинки на выходе приемопередатчика в широком параллельном световом пучке снижает влия- . ниё увеличения расстояния до подвижного объекта на точность измерений, выполняе20 мых данным устройством.

В данном устройстве модуляция и компенсация угла поворота плоскости поляризации у} за счет смещения отраженного светового пучка по анизотропному клиново25 му элементу 8 осуществляется с помощью азимутального электрооптического модулятора 6. При подаче на него переменного синусоидального напряжения с генератора 19 происходят колебания азимута линейно

30 поляризованного излучения относительно нулевого положения ( у 0°) на величину Ду sin 0)1, где Ду- девиация вектора;

sin о)t S(t)- модулирующий параметр. При этом если линейное смещение объекта

35 3 совместно с отражателем 2 отсутствует, а следовательно, и отсутствует вращение плоскости поляризации светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 ( $ 0), с фотоприемника 13 снимается сигнал с час40 тотой 2 Q) .В случае наличия смещения отражателя 2 на величину ± AI вдоль оси Y относительно первоначального положения угол поворота плоскости поляриза45 ции отраженного светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 будет отличен от нуля и с фотоприемника 13 снимается сигнал с частотой (о , фаза которого зависит от направления смещения, а .амп50 литуда сигнала - от его величины. Таким образом, интенсивность падающего на фотоприемник света в динамическом режиме можно описать выражением

55 1-у 1 -cos(2 Ay slruw t+ ). (12)

Сигнал с фотоприемника подается на узкополосный усилитель 14, усиливающий и пропускающий колебание с частотой w на

фазовый детектор 15. Постоянный знакопеременный сигнал с выхода фазового детектора подается на регулятор смещения 16, который управляет входом источника 17 постоянного смещения, С одного из выходов источника постоянного смещения напряжение U , пропорциональное углу поворота

плоскости поляризации $ , подается на азимутальный электрооптический модулятор 6, при этом вектор линейно поляризованного света, выходящего из азимутального электрооптического модуля0

тора, поворачивается на угол и компенсирует угол поворота плоскости поляризации, возникающий за счет смещения отсаженного светового пучка по анизотропному клиновому элементу 8. Таким образом, на фотоприемнике 13 появляется сигнал с частотой 2й), а на индикаторе 18, соединенном с другим выходом источника постоянного смещения, появится величина напряжения, пропорциональная смещению объекта 3, знак которой зависит от направления смещения,

.Изобретение относится к геодезическому приборостроению. Целью изобретения является повышение точности определения поперечных смещений удаленного объекта. Поляризационный светоделитель установлен так, что он пропускает компоненту электрического вектора световой волны и отражает ортогональную компоненту. Параксиальный световой пучок, не отклоняясь, проходит поляризационный светоделитель и по ступает на азимутальный электрооптический модулятор, пройдя телескопическую систему, этот световой пучок попадает на Изобретение относится к геодезическому приборостроению. Известен поляризационный интерферометр для измерения линейных смещений объекта, содержащий установленные последовательно на одной оптической оси излучатель, анизотропный клин, поляризатор и регистрирующий блок. Анизотропный клин изготовлен из кристалла с оптической осью, не совпадающей с оптической осью интерферометра. При перемещении анизотропного клина перпендикулярно оптической анизотропный клиновой элемент, составленный из двух клиньев, выполненных из противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала, имеющих равные углы при вершине и образующих кристаллическую плоскопараллельную пластинку с оптической осью, перпендикулярной ее входной грани. При отсутствии линейного смещения отраженный параксиальный световой пучок не смещается относительно оптической оси приемопередатчика. При прохождении пучка в прямом и обратном ходе через систему - анизотропный клиновой элемент, фазовая четвертьволновая пластинка и зеркально- линзовый отражатель образуется осевой линейно поляризованный световой пучок. На выходе из анизотропного клинового элемента образуется пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскости поляризации. Прошедший через представленную систему в прямом и обратном ходе широкий световой пучок линейно поляризован, причем азимут поляризации не изменяется по сечению пучка и аналогичен азимуту поляризации параксиального светового пучка.2 ил. оси интерферометра изменяется его толщина в месте прохождения светового пучка, а следовательно, и разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Это приводит к Изменению интерференционной картины, фиксируемой регистрирующим блоком. К недостаткам такого устройства следует отнести неоднозначное изменение интерференционной картины при линейных и угловых смещениях объекта. ел С vj ЧЭ СО 8 Оп

Формула изобретения Устройство для определения поперечных смещений объекта, содержащее основание и последовательно установленные на нем излучатель, азимутальный электрооптический модулятор анизотропный клиновой элемент и оптически связанные оптический элемент и приемный блок, электрически связанный с модулятором, от личающееся тем, что, с целью повышения точности определения поперечных смещений удаленных объектов, оно снабжено установленными на основании последовательно по ходу излучения за модулятором телескопической системой и за клиновым элементом - четвертьволновой фазовой пластиной и предназначенным для закрепления на объекте зеркально-линзовым отражателем, клиновой элемент выполнен из двух клиньев, изготовленных из материала соответственно с разной оптической активностью и составлен так, что вращение плоскости поляризации излучения осуществляется в противоположных направлениях, а оптический элемент выполнен в виде поляризационного светоделителя, установлен между излучателем и модулятором и связан с приемным блоком через конденсор.