Устройство для дистанционного измерения тепловых деформаций оптических элементов Советский патент 1974 года по МПК G01B11/16 

1

Изобретение относится к оптико-электронным системам и предназначено для измерения изменений углов отклонения отраженного от объекта светового потока при его деформации.

Известные устройства для дистанционного измерения тепловых деформаций оптических элементов содержат осветитель, призму-анализатор с фаской, объектив, модулятор, оптические элементы, служащие для направления световых потоков после разделения на призмеанализаторе на приемник излучения, соединенный с электронной схемой.

В известных устройствах на фотоприемнике сравниваются световые потоки, отраженные от двух граней призмы-анализатора.

Однако эти устройства не позволяют производить измерения тепловых расстройств оптических элементов с углами отклонения, близкими к 180°, приводят к симметричному делению возвращаемого в угломер светового потока, что не дает сигнала рассогласования на выходе электронного тракта. Кроме того, известные устройства обладают недостаточной помехозащищенностью, так как посылаемый па исследуемый элемент световой поток не модулируется, вследствие чего сигнал невозможно отделить от фона, а так как они построены по схеме автоколлиматора, то снижается точность из-за возникновения бликов от линз объектива.

Для повышения точности и автоматизации процесса измерений углов отклонения световых лучей, вызванных деформацией отражающих оптических элементов с четным числом отражающих граней и углами отклонения, близкими к 180°, в предлагаемом устройстве совместно с призмой-анализатором установлен светоделительный блок в виде призмы-куба, перед выходной гранью которого укреплена

диафрагма, причем оптические длины хода от разделительной грани светоделительного блока до диафрагмы и до плоскости фаски призмы-анализатора равны, а одна из поверхностей модулятора выполнена зеркальной. Перед зеркальной поверхностью модулятора в ходе отраженного от нее светового потока в одном из плеч устройства установлен компенсационный приемник излучения.

Кроме того, для приведения сигнала рассогласования к нулю, в ходе прощедщих диафрагму лучей между фотоприемником и модулятором установлен нейтральный ослабитель, выполненный в виде нейтрально-серого денситометрического клина.

На фиг. 1 и 2 изображена оптическая схема описываемого устройства; на фиг. 3 - вид на призму-анализатор в плане; на фиг. 4 - блок-схема электронного тракта.

Осветитель устройства состоит из источника

света 1, линз 2 и 3. Модулятор 4 несущей частоты расположен в плоскости изображения

тела накала источника света 1 конденсором (линзой) 2 и приводится во вращение двигателем 5. Светоделительный блок склеен из трех призм 6, 7, 8 типа АР-90°, причем призмы 7 и 8 склеены своими гипотенузными гранями и образуют известную призму-куб, а призма 6 приклеена катетной гранью к «атетной грани призмы 8. Кроме того, на катетную грань призмы 7 наклеена своей гилотенузной гранью призма-анализатор 9 с фаской 9а (фиг. 2). Катетная грань 9s призмы-анализатора 9 и часть фаски закрыты экраном 10. Экран 10 оставляет на фаске прозрачное для световых лучей квадратное отверстие (фиг. 3). На катетную грань 96 призмы-анализатора нанесено отражательное покрытие. У свободной катетной грани призмы 8 расположена квадратная диафрагма 11, размеры отверстия которой равны размером квадратного отверстия, образуемого экраном 10 на фаске 9а. Расстояние от диафрагмы 10 до грани призмы 8 равно приведенному к воздуху расстоянию между гипотенузной гранью и фаской 9а призмыанализатора 9. Изображение светящегося тела источника света 1 линзами 2 и 3 расположено в плоскости фаски 9а. Показатели преломления стекол призм 7 и 8 и клея подобраны таким образом, чтобы примерно 95% световой энергии проходило через плоскость склейки и 5% отражалось в сторону диафрагмы 11. Линза 12 и зеркало 13 образуют изображение диафрагмы 11 в плоскости модулятора 14, а линза 15 и зеркало 16 - изображение линии пересечения плоскостей фаски 9а и отражательной грани 96 призмы-анализатора 9 в плоскости модулятора 14. На переднюю плоскость 14а модулятора 14 (фиг. 2) нанесено отражательное покрытие, лучи от которого попадают на компенсационный приемник излучения 17. Модулятор 14 приводится во вращение двигателем 18. Генератор опорного напряжения 19 охватывает часть диска модулятора 14. Генератор может быть магнитным, либо фотоэлектрическим. Линзы 20 и 21 обеспечивают равномерную засветку светочувствительной площадки приемника излучения 22. Нейтральный ослабитель 23 светового потока с переменным ослаблением расположен между модулятором 14 и приемником излучения 22 в световом пучке, идущем от диафрагмы 11. Ослабитель может быть выполнен, например, в виде денситометрического клина и перемещаться поперек пучка. Устройство снабжено объективом 24, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фаски 9а. Исследуемый оптический элемент 25 расположен перед объективом устройства таким образом, чтобы ребра, образованные пересечением отражательных плоскостей, были параллельны линии пересечения плоскости фаски 9а и плоскости отражательной грани 96 призмы-анализатора 9.

Схема выделения и регистрации сигнала (фиг. 4) включает приемники излучения 22 и 17, генератор опорного напряжения (ГОН) 19,

компенсационное устройство 26, усилитель несущей частоты 27, детектор 28, усилитель 29, усилитель ГОН 30, демодулятор 31 и автоматический электронный потенциал 32. Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника света 1, промодулированный модулятором несущей частоты, попадает на призму 6 и делится светоделительным блоком, состоящим из призм 7 и 8,

на две части, причем меньшая часть потока (около 5%) отражается от плоскости склейки в сторону диафрагмы 11, большая часть (около 95%) проходит к призме 9. Линзы 2 и 3 строят изображение светящегося тела источника света в плоскости фаски 9а призмы-анализатора 9 и в плоскости диафрагмы И, так как удаление диафрагмы 11 от свободной катетной грани призмы 8 равно приведенному к воздуху расстоянию между гипотенузной гранью и плоскостью фаски 9а призмы-анализатора 9. Изображение светящегося тела источника света 1 несколько превышает размеры свободного квадратного отверстия на фаске 9а и соответственно размеры отверстия в диафрагме 11.

Световой поток, прошедший сквозь призмуанализатор 9, направляется объективом 24 на исследуемый элемент 25. Плоскость фаски 9а расположена в фокальной плоскости объектива 24, вследствие чего лучи выходят из объектива параллельным пучком. Если угол отклонения лучей исследуемым элементом 25 равен 180°, то отраженный от элемента 25 пучок собирается при идеальном качестве объектива строго на фаске 9а и не отражается боковой гранью 96 призмы-анализатора 9. Изменение температурного поля исследуемого элемента 25 приводит к тепловым расстройствам: появляются температурные градиенты в теле элемента, искривляются его грани, вследствие чего угол отклонения лучей элементом 25 изменяется. Отличие угла отклонения от 180° дает двоение отраженного пучка на два пучка 33 и 34 (фиг. ). Оба

пучка собираются объективом 24 на призмеанализаторе 9. Чем больше отличие угла отклонения от 180°, тем большая часть пучков попадает на боковые грани 96 и 9в призмыанализатора 9. Грань 9а закрыта экраном 10 и

потому попадающий на нее пучок 34 поглощается экраном, не отражаясь от грани. Пучок 33 отражается от грани 96 и направляется линзой 15 и зеркалом 16 (измерительный канал) в плоскость модулятора 14, где он сравнивается с опорным пучком, прошедшим через диафрагму 11, линзу 12 и зеркало 13 (канал сравнения). Модулятор 14, вращающийся от двигателя 18, пропускает в каждый момент времени лишь один из двух пучков на приемник излучения 22, что позволяет получить с этого приемника сигнал, амплитуда огибающей которого пропорциональна разности двух световых потоков. В начале измерений до изменения температурного поля исследуемого элемента 25 раз

ность световых потоков сводится перемещением нейтрального ослабителя 23 к нулю, вследствие чего сигнал рассогласования на выходе также равен нулю. Затем производится изменение температурного поля исследуемого элемента 25. Возникающее при этом тепловое расстройство элемента приводит к изменению угла отклонения лучей исследуемым элементом, и пучок 33 перемещается по грани 96 призмы-анализатора 9, вследствие чего увеличивается или уменьшается поток в измерительном канале, а на выходе появляется положительный или отрицательный сигнал рассогласования.

Описанное устройство мало расстраивается при изменениях температуры окружающей среды. Основным видом тепловых расстройств оптических углоизмерительных приборов являются гнутия-поперечные деформации корпуса, приводящие к смещению щели объектива анализатора друг относительно друга. В предлагаемом устройстве щелью является фаска 9а призмы 9, анализатором-сама призма 9. Таким образом перемещение щели относительно анализатора исключено. Направление выходящего из объектива пучка задается линией, соединяющей центр входного зрачка объектива 24 с центром свободного для световых лучей квадратного отверстия (щели), образованного на фаске 9а экраном 10. Пусть в некоторой прямоугольной системе координат это направление совпадает с направлением некоторого орта А. Связь между ортом А падающего на элемент, например, с двумя oj ражательными гранями пучка и ортом А отраженного от элемента пучка описывается формулой:

,

где матрица М определяется только координатами орта линии пересечения отражательных граней элемента и углом между его отражательными гранями. Пусть до изменения температуры ркружающей среды угол между ортами Л и Л имел некоторое значение у. Затем вследствие изменения температуры окружающей среды корпус трубы деформировался, и орт падаюпдего на исследуемый элемент пучка стал Л/. Для оценки только погрешности, вызываемой деформацией корпуса устройства, следует предположить неизменность положения ЛИЕП1И пересечепня отражательных граней и угла между отражательными гранями исследуемого элемента, то есть

М М

тогда

л; : MAi

и, следовательно

Возвращенный в трубу устройства после изменения температуры окружающей среды

пучок попадает на то же место на грани 96 призмы-анализатора 9, что и до изменення температуры. Таким образом, величина светового потока в измерительном канале не изменится. Изменение светового потока в канале сравнения возможно лищь при такпх перемещениях элементов направления светового пучка на приемник излучения, которые нриведут к виньетированию пучка. Но это невозможно

предположить, поскольку все элементы (12, 13, 15 и т. д.) расположены на едином основании, а размеры их выбраны с необходимым запасом. В рассмотренном варианте предлагаемое устройство не рассматривается при изменениях температуры.

Приведенные рассуждения действительны и для случая разворота всего устройства в целом в горизонтальной плоскости относительно исследуемого элемента 25. Нетрудно видеть,

что подобные развороты не вносят погрешностей в измерения. Объектив 24 и призма-анализатор 9 из-за изменений корпуса могут сместиться друг относительно друга в направлении оптической оси, т. е. произойдет расфокусировка пучка. Тогда возвращенный на призму-анализатор 9 пучок 33 после изменения температуры оказывается в плоскости фаски с каждой стороны на величину Aft щире, чем до изменения, причем

.tgL,

где Aff - расфокусировка от изменения температуры,

и - половина апертурного угла объектива.

Если принять яркость в пределах светового пятна в плоскости фаски 8а после расфокусировки равномерной, то расстройство прибора в угловой мере выразится формулой

АЛ tg и

Aft

У

f

где f-фокусное расстояние объектива. Поскольку величина Af прп небольших колебаниях температуры окружающей среды весьма невелика п к тому же эта величина умножается на величину tg U, которая сама является достаточной тaлoй у объективов нормальной н малой светосилы, то предлагаемое

устройство можно считать прпктическ нерасстраивпющпмся при небольншх колебаниях температуры окружающей среды.

Световое пятно, даваемое возвращенным пучком 33 в плоскости фаски 9а, имеет те же

размеры, что и квадратное отверстие, образуемое экраном 10 на фаске 9а, только в том случае, если объектив обеспечивает идеальное качество изображения. В реальных случаях световое пятно имеет несколько большие размеры из-за аберраций объектива. В результате при угле отклонения лучей элементом 25, строго равном 180°, какая-то часть потока будет отражаться от грани 96 в измерительный канал. Кроме того, в измерительный капал попадает также световой поток, отраженный от

поверхностей объектива (блик). С целью исключения влияния недостаточного качества объектива и влияния блоков в предполагаемом устройстве используется компенсационный приемник излучения 17. Схема, однако отличается тем, что для компенсации используется световой поток, отраженный от зеркальной поверхности 14а модулятора 14, попадающий на компенсационный приемник излучения в фазе с попадающим на приемник 22 световым потоком измерительного канала. Сигнал с приемника 17 при помощи компенсационного устройства 26 (фиг. 4) выставляется но отнощению к сигналу с приемника 22 таким образом, чтобы нри угле отклонения лучей элементом 25, равном 180°, си1-иал на выходе при перекрытом между модулятором 14 и приемником 22 канале сравнения был бы равен пулю.

Для выделения сигнала рассогласования сигнал с выхода комненсацнонного устройства 26 сначала подается на усилитель несущей частоты 27. Модуляция светового потока несущей частотой позволяет исключить влияние посторонних засветок, попадающих в объектив устройства. Усиленный сигнал подается на детектор 28, выделящий огибающую сигнала, амплитуда которой есть рассогласование опорного и измерительного каналов, на усилитель 29 и на демодулятор 31. Демодулятор 31 управляется усиленным усилителе.м 30 сигналом с генератора опорного напряжения 19, который находится в фазе с сигналом от одного из каналов и имеет ту же частоту, что н сигил-п рассогласования, так как снимается с модулятора 14. На выходе демодулятора 31 имеет место постоянный сигнал того или иного знака, регистрируемый автоматическим электронным потенциометром 32, имеющим щкалу с нулем посредине.

Устройство дает возможность повысить точность измерений тепловых расстройств, автоматизировать процесс измерений и обеспечить регистрацию результатов измерений.

Предмет изобретения

1.Устройство для дистанционного измерения тепловых деформаций оптических элементов, содержащее осветитель, в ходе лучей которого установлена призма-анализатор с фаской, служащая для разделения возвращенного отражателем светового потока, сфокусированного объективом, на два канала, на пути которых расположены модулятор и фотоприсмник, соединенный с электронным трактом, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности и автоматизации процесса измереНИИ, оно снабжено склеенным с гипотенузной гранью призмы-анализатора светоделительньш блоком в виде призмы-куба и диафрагмой, установленной в отраженном ходе лучей на таком расстоянии от боковой грани призмы-куба, чтобы оптические длины хода от диафрагмы и от плоскости фаски призмы-аналиазтора до разделительной грани призмы-куба были равны, причем одна из поверхностей модулятора выполнена зеркальной, а в ходе

отраженного от зеркальной поверхности модулятора и прошедшего диафрагму светового потока установлен компенсационный приемник излучения.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью приведения сигнала рассогласования к нулю, в ходе прощедших диафрагму лучей между фотоприемником и модулятором установлен нейтральный ослабитель выполненный в виде нейтрально-серого денс

тометрического клина.

21