Анализатор положения луча при центрировании объекта

 

АНАЛИЗАТОР ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ПРИ ЦЕНТРИРОВАНИИ ОБЪЕКТА, содержащий последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел коммутации и расщепления луча, приемник излучения, отличающийс я тем, что, с целью повьппения точности и быстродействия, узел коммутации и расщепления луча образован двумя ортогонально ориентированными электрооптическими элементами и поляризатором , каждый из злектрооптических элементов выполнен в виде квадратной плоскопараллельной пластины, составленной из двух прямоугольных кристаллических пластин, направления кристаллических осей одной пластины ортогональны соответственно осям дру гой пластины, а оптическая ось каждой из пластин совпадает с направлением луча. (Л со 00 00 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ К ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и(иу/ (21) 3552882/18-28 (22) 08.02.83 (46) 23.05.84. Бюл. У 19 (72) В.А.Козак, И.С.Ромоданов и

Б.А.Веретенченко (53) 531.7 15.27(088.8) (56) 1. Вагнер Е.Т. и др. Лазерные и оптические методы контроля в самолетостроении. M.,"Ìàøèíoñòðîåíèå", 1977, с. 47.

2. Патент ФРГ У 1915891, кл. G 01 С 5/00, 1972 (прототип) . (54) (57) АНАЛИЗАТОР ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ПРИ

ЦЕНТРИРОВАНИИ ОБЪЕКТА, содержащий последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел

„SU„„1093890 коммутации и расщепления луча, приемник излучения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, узел коммутации и расщепления луча образован двумя ортогонально ориентированными электрооптическими элементами и поляризатором, каждый из электрооптических злементов выполнен в виде квадратной плоскопараллельной пластины, составленной из двух прямоугольных кристаллических пластин, направления кристаллических осей одной пластины ортогональны соответственно осям дру" гой пластины, а оптическая ось каждой из пластин совпадает с направлением луча.

1093890

Изобретение относится к иэмери" тельной технике, а именно к технике бесконтактных методов контроля геометрических параметров, и может быть использовано в устройствах для центрирования объектов по лазерному лучу, т.е. при высокоточной разметке, сборке, стыковке деталей, узлов и агрегатов сложных объемных конструкций, 10

Известно устройство для центрирования объекта по лазерному лучу, содержащее в качестве анализатора положения луча квадрантные позиционночувствительные фотодиоды, представля- 15 ющие собой пластины полупроводника с электронно-дырочным переходом. Двумя прорезями под прямым углом пластина разделена на четыре равные квадранта на глубину, превышающую толщину пере- 20 хода. На поверхности. каждого квадранта имеются электроды для снятия сигнала перемещения светового луча (1 .

Недостатком этого устройства является низкая точность центрирова- 25 ния, обусловленная нестабильностью характеристик фотодиодов во време— ни, а также большим уровнем их собственных шумов. Для достижения максимальной точности необходимо вво30 дить модуляцию светового луча, что значительно усложняет устройство.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является анализатор положения луча при центрировании объекта, содержащий последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел коммутации и расщепления луча, приемник излучения.

В качестве узла коммутации и расщепления луча в устройстве использован неподвижный двухсекторный поля" ризованный фильтр, состоящий из двух

45 частеи, направления поляризации которых перпендикулярны друг к другу, и вращающийся поляроид. Если ось лазерного луча совпадает с осью вращения поляроида, то приемник излучения, активная поверхность которого имеет постоянную чувствительность, дает только постоянную составляющую тока, При смещении оси вращения поляроида от оси луча в цепи приемника излучения возникает переменная составляющая тока, величина и фаза которой содержит информацию q, координатах отклонения 1"2 J.

Недостатками известного устройства являются низкая точность центрирования и малое быстродействие, обусловленные необходимостью применения механического вращения оптической детали — поляроида.

Быстродействие известного устройства составляет величину - 10 " с, поскольку частота вращения в таких устройствах обычно не превышает нескольких десятков герц.

Возникающие при вращении вибрации не позволяют получить точность центрирования выше 10 рад на расстоянии нескольких сот метров от источника света. Кроме того, применение электрических двигателей существенно усложняет конструкцию устройства, увеличивает его габариты и вес.

К тому же, поскольку модуляция светового потока ведется на одной частоте, заданной частотой вращения поляроида, в информации о координате х всегда присутствует часть информации о координате у, что также снижает точность центрирования.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в анализаторе положения луча при центрировании объекта, содержащем последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину, узел. коммутации и расщепления луча, приемник излучения, узел коммутации и расщепления луча образован двумя ортогонально ориентированными электрооптическими элементами и поляризатором, каждый из электрооптических элементов выполнен в виде квадратной плоскопараллельной пластины, составленной из двух прямоугольных кристаллических пластин, направления кристаллических осей одной пластины ортогональны соответственно осям другой пластины, а оптическая ось каждой из пластин совпадает с направлением луча.

На чертеже изображена принципиальная схема анализатора положения луча при центрировании объекта.

Анализатор содержит последовательно расположенные по ходу луча четвертьволновую пластину i, узел коммутации и расщепления, состоящий из двух ортогонально ориентированных по осям х и у электрооптических элементов 2 и 3, каждый из которых сос890

1093 1 н- 05 1-з и н ( он о

I oK

Таа Тн

77 î

3 тавлен из двух прямоугольных кристаллических пластин, и поляризатора 4, приемник 5 излучения. Прямоугольные кристаллические пластины представляют собой одноосные кристаллы группы дигидрофосфатов. Электрическое поле к пластинам подводится с помощью прозрачных электродов (не показаны).

Анализатор работает следующим образом. 10

Лазерный луч, проходя четвертьволновую пластину 1, приобретает круговую поляризацию и попадает далее на электрооптический элемент 3, который при приложении переменного электрического поля вдоль оси z кристалла делит луч на две составляющие с эллиптической поляризацией — верхнюю и нижнюю, причем обыкновенная и необыкновенная компоненты этих составляющих распространяются с различной скоростью. Так, если в верхней . составляющей луча обыкновенная компонента обгоняет необыкновенную,то в нижней она отстает. Расположенный 2 далее поляризатор 4 поочередно с частотой приложенного к электрооптическому элементу 2 лоля пропускает на приемник 5 излучения сравниваемые составляющие. Смещение узла коммутации и расщепления относительно оси луча в направлении х приводит к неидентичности сравниваемьгх составляющих, т. е. к появлению переменного электрического сигнала в цепи приемника 5 излучения, амплитуда и фаза

35 которого определяют величину смещения, Если пропускание оптической систе мы анализатора с одним электрооптическим элементом обозначить через то для верхней составляющей

= 05 (1+заи вЭ 0 а для нижней составляющей в силу ортогональности кристаллографических осей пластинок интенсивности составляющих на входе анализатора; интенсивности составляющих на выходе анализатора; 55 разность хода обыкновенного и необыкновенного компонентов луча в составляющих:

ЧЧ sin4 t - переменное электрих ческое напряжение, подаваемое на электроды электрооптического элемента 2;

V — полуволновое напряжение электрооптического кристалла.

Общее пропускание для всего луча

3 +3 (os анl

=05 1> об+ Он

3 т.е. пропорционально разности интенсивностей сравниваемых составляющих и равно 0 5 при I =I „. При смещении узла коммутации и расщепления вверх или вниз относительно оси луча, т.е . при отсутствии одной из составляющих (I.„=Î или I,„„,,=О), пропускание системы меняется с частотой ) в пределах 0,5 — 0 или

0,5 — 1,0.

Расположенный за электрооптичес ким элементом 2 электрооптический элемент 3 позволяет аналогично анализировать смещение по оси у на часто.те -1 .

Таким образом, в цепи приемника

5 излучения в зависимости от положения узла коммутации и расщепления относительно оси луча появляются сигналы двух частот „ и, пропорциональные смещению объекта по . координатам х и у. Применяя далее фазоселективное выпрямление на этих частотах, можно получить соответствующие сигналы обратной связи и осуществить одновременное центрирование объекта по обеим координатам.

Выполнение узла коммутации и расщепления описанным образом позволяет значительно упростить устройство поскольку в нем отсутствуют движущиеся оптические детали и тем самым нет необходимости применения громоздких электродвигателей, а также повысить точность,что достигается применением независимой регистрации сигналов, обусловленных смещением анализатора по координатам х и у; повышением частот коммутации 1„ и 9 до величины 10в-10> Гц, что позволяет исключить влияние на точность центрирования таких факторов, как собственные шумы приемника излучения, нестабильности лазерного излучения, различные низкочастотные вибрации. Точность

Составитель Л.Лобзова

Редактор О.Черниченко Техред И.Иетелева Корректор Л.Пилипенко

Заказ 3409/32 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб.,д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óçòîðîä, ул.Проектная,4

5 10938 центрирования предлагаемого анализатора составляет величину 6 .10 рад.

Кроме того, такое вы олнение узла коимутации и расщепления позволяет значительно повысить быстродействие устройства, поскольку работа этого ysла основана на продольном электрооптическом эффекте в кристаллах - эффекте Поккельса - практически безынерционном эффекте изменения оптической ин-»tO дикатрисы кристалла под действием приложенного электрического попя, в результате чего быстродействие предлагаемого анализатора теоретически может быть доведено до 1О " с.

Предлагаемый анализатор может быть использован для получения высокоточной информации от отклонении объектов от заданного лазерным лучом направления и может с успехом заменить существующие анализаторы в центрирующих системах технологической оснастки в машиностроении, в устройствах для геодезических измерений, а также в следящих системах ориентирования летательных аппаратов.