Поляризационное устройство для измерения углов скручивания Советский патент 1993 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов скручивания и взаимного разворота объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого устройства. Поляризационное устройство содержит основание (на чертеже не показано), расположенный на нем датчик, выполненный в виде ист чкика излучения 1, объектива 2, поляризатора 3 и светоделительной пластины 4. На контролируемом объекте жестко закреплен призмен- ный уголковый отражатель возвратного действия 5. В качестве приемника отраженного от отражателя излучения используется анализатор 6, установленный на основании в пучке лучей, отраженных от светоделительной пластины.

На фиг. 2 представлен призменный уголковый отражатель 5, выполненный в виде трехгранной пирамиды ОАВС с тремя боковыми отражающими гранями - ОВС - 7, ОАС - 8, ОАВ - 9 и входной фронтальной гранью ABC-10. Боковые ребра имеют равные длины . Двугранные углы между гранями 7 и 9, 8 и 9 равны л /2, а между граням 7 и 8 -я /{2(s+4)j. Показатель преломления материала отражателя равен ,07 (), ,57 или ,45 (), ,45 или ,). Совокупность точек входа

00

ю ел ю XI

и выхода света из отражателя 5 образует его рабочую апертуру 11 (граница рабочей апертуры выделена толстой линией), которая представляет собой вытянутый симметричный шестиугольник DEFGHJ, расположен- ный на фронтальной грани 10. Она получается как общая часть пересечения фронтальной грани 10 и ее зеркзльно-сим- метричного изображения относительно точки входа центрального луча (основание перпендикуляра, опущенного из вершины трехгранного угла на фронтальную грань 10). Рабочая апертура 11 состоит из совокупности 4s+18 секторов, границы между которыми совпадают с проекциями на фрон- тальную грань 10, в направлении перпенди- кулярном к ней, бокоаых ребер ОА, 0В, ОС отражателя и их зеркальных изображений в боковых гранях 7, 8 и 9.

На фиг. 3 показана рабочая апертура 11 в случае экранирования секторов, соответствующих порядку отражения света от боковых граней 7, 8 и 9, в котором грань 9, противолежащая двугранному углу (з+4);нестоит в начале или конце цепоч- ки из 2s+9 отражений. На фиг. 4 показана рабочая апертура 11 в случае экранирования секторов, соответствующих порядку отражения света от боковых граней 7, 8 и 9, в котором грань 9, противолежащая двугран- ному углу л 2(s+4) не стоит в середине цепочки из 2s+9 отражений. На фиг. 3 и 4 в скобках показаны последовательности прохождения светом боковых граней 7.8 и 9 при выходе из соответствующего секто- ра рабочей апертуры. Экранированная часть рабочей апертуры заштрихована. Экранирование может осуществляться, например, посредством механического экрана, расположенного перед фронтальной гранью 10, или путем матирования части самой рабочей апертуры 11.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 с помощью обь- ектива 2 формируется в параллельные пучки, которые проходят через поляризатор 3, В результате этого свет становится линейно-поляризованным, Затем он поступает на призменный уголковый отражатель воз- вратного действия 5, который формирует отраженное излучение в направлении,стррго противоположном падающему, Часть света, отражаясь от светоделительной пластины 4, поступает на анализатор 6, работающий, в качестве приемника.

Линейно-поляризованный свет с произвольным азимутом поляризации падает на фронтальную грань 10 отражателя 5. Пройдя через неэкрэнированные сектора рабочей апертуры 11, свет испытывает 2s+9 полных внутренних отражений от боковых граней 7, 8 и 9 в порядке прохождения по цепочкам 978...78, 78...789, 87...879, 987...87 или 78.,.9.„78, 87...9...87, Выходящий из отражателя свет имеет направление, строго противоположное падающей волне. При полных внутренних отражениях от боковых граней 7, 8 и 9 происходят изменения амплитудно-фазовых характеристик волны. Эти изменения зависят от показателя преломления материала отражателя, состояния поляризации падающего света, набора углов падения волн на отражающие грани (геометрии отражателя), а также от последовательности переотражения волн от граней. Поэтому сектора рабочей апертуры 11 отражателя 5 выступают как отдельные оптические элементы, формирующие волны, в общем случае, с различными состояниями поляризации. Параметры отражателя (выбор геометрии отражателя, рабочих секторов и показателя преломления) оптимизированы таким образом, что падающий на отражатель с произвольным азимутом поляризации линейно-поляризованный свет сохраняет на выходе линейность поляризации, а его азимут поляризации изменяется по закону «вых Овх (прямая 12 на фиг. 5). Азимут поляризации падающего света (%х отсчитывается по часовой стрелке от оси st азимут поляризации выходящего из отражателя света СЈвых отсчитывается против часовой стрелки от оси -it При повороте отражателя 5 вокруг оптической оси датчика изменяется азимут поляризации падающего на него линейно- поляризованного света. Поскольку азимут поляризации выходящего линейно-поляризованного света равен теперь новому значе- нию азимутэ поляризации падающего света, то относительное изменение азимута поляризации выходящего света за время между двумя измерениями равно удвоенному углу поворота объекта вокруг оси скручивания. Алгоритм определения угла поворота с помощью анализатора 6 сводится к нахождению половинного угла между двумя положениями максимального пропускания (или максимального непропускания) анализатора.

В качестве примеров исполнения рассмотрим поляризационное устройство для измерения углов скручивания объекта с использованием призменного уголкового отражателя в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы которой между отражающими гранями равны ( л/2, я/2, JT/10)

(), изготовленной из оптического стекла марки СТ011 (,071082 для А 546,07 нм) и в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы которой между отражающими гранями равны ( л 12, ж /2, п /12) (), изготовленной из оптического стекла марки ТК12 (,568881 для Я 587,56 нм). Для первого отражателя при диапазоне измерения угла скручивания в 360° эллиптичность выходящего излучения не превышает значения с 0,007, а отклонение азимута по- ляризации выходящего излучения от линейной зависимости %ых cfex не превышает величины 5тах 0.0025°. Для второго отражателя эти параметры равны, соответственно. 0.008 и 5тах 0.003°. Для иллюстрации вышесказанного на фиг. 6 приведены зависимости е е (ОвХ) (сплошные кривые) и 6 д (Овх) (штриховые кривые). Первому отражателю отвечают кривые 13, 14, второму - 15. 16. Расчеты, выполненные на ПЭВМ, показывают, что чем ближе показатель преломления материала призменного уголкового отражателя 5 к определенной величине, тем меньше эллиптичность отраженного излучения и отклонение азимута поляризации выходящего излучения от линейной зависимости Оеых -Оех ( 0. (Гах - 0). Такими оптимальными показателями преломления являются значения п 2,066544 (), л 1.566454 () п 1,448594 () и п - 1.453607 (), п 1,420967 ().

Таким образом, в предлагаемом поляризационном угломере не используется модуляция светового потока по поляризации, что и определяет его конструктивную простоту, Применение предлагаемого устройства позволит решить многие метрологические задачи, связанные с изменением пространственного положения объектов и с измерением деформаций различных конструкций и сооружений.

Формула изобретения Поляризационное устройство для измерения углов скручивания объекта, содержащее основание, установленный на нем датчик в виде источника излучения и последовательно расположенных по ходу излучения объектива поляризатора и светоделителькой пластины, установленного в ходе отраженного от пластины излучения анализаторами уголковый отражатель, предназначенный для скрепления с объектом, отличающееся тем. что, с целью повышения точности измерений, уголковый

отражатель выполнен в виде зеркальной трехгранной пирамиды с равной длины боковыми ребрами, два двугранных угла которой между боковыми гранями равны я/2 , третий двухгранный угол составляет

(з+4), где ,2,3, и с частично экранированной по заданному закону гранью, обращенной к проходящему светоделительную пластину излучению.

Изобретение может использоваться в измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Для этого в поляризационном устройстве для измерения углов скручивания объекта. 2 содержащем основание с размещенным на нем датчиком, выполненным в виде источника излучения, объектива, поляризатора, светоделительной пластины, установленных последовательно по ходу излучения, и анализатором, расположенным в пучке лучей, отраженных от светоделительной пластины, а также располагаемый на контролируемом объекте уголковый отражатель, согласно изобретению, отражатель выполнен в виде трехгранной пирамиды с боковыми ребрами равной длины, два двугранных угла которой между боковыми отра- жающими гранями равны л /2, третий двугранный угол равен л 2(s+4). где s 1,2,3, при этом грань, обращенная к проходящему светоделительную пластину излучению, частично экранирована по заданному закону. 6 ил. LO С

-Э

я

s

/

/

Т I

/

W87..

/

(798..78) „ V/ е /(897..87)

х. / f

.

/

(7В... 798) /

/

/(78...789) 1 W...879) /

Фиг.З

/

О)

in см со

L

с., §

iD

«

с

о

aces

0,002

20 40 6C 80 Л 120 HO ihc iBCf

45

Фиг.6.