Устройство для определения поперечных смещений объекта

 

.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 зеркальнолинзовый 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СС1Р) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ й

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4918457/28 (22) 13.03.91 (46) 07.02.93. Бюл. ¹ 5 (71) Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии (72) А.В.3ацаринный, С.П.Терехов и К.Э.Точилин (56) Авторское свидетельство СССР

¹- 1455232, кл. G 01 В 9/02, 1969..

Авторское свидетельство СССР

¹ 1432334, кл. G 01 С 15/00, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОПЕРЕЧНЫХ СМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА (57). 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 поступает 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. Ы 1793205 А1 анизотропный клиновой элемент, составленный из двух клиньев, выполненных иэ 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 зеркальнолинзовый 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. (Л оси интерферометра изменяется его толщина в месте прохождения светового пучка, а следовательно, и разность фаэ 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, 1793205

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 электрооптическим модулятором и оптическй связанные анизотроп-. ный клиновой элемент, оптический элемент и приемный блок. Приемный блок и азиму- "0 тальный электрооптический модулятор электрически связаны с электронным блоком.

Недостатком устройства является снижение точности определения линейных смещений с увеличейием расстояния до измеряемого объекта, т.к. она зависит от линейных размеров светового пучка, приходящего на анизотропный клиновой элемент.

Цель — снижение влияния увеличения 20 расстояния до объекта на точность определения eio поперечных смещений за счет сохранения единого состояния поляризации в широком световом пучке на выходе анизотропного клинового элемента. 25

Цель достигается тем, что устройство для определения поперечных смещений снабжено установленными на основании последовательно rio ходу излучения за мо дулятором телескопической системой и за 30 клиновым элементом четвертьволновой пластиной и предназначенным для закрепления на объекте зеркальна-линзовым отражателем, причем айизотропный клиновой элемент выполнен из двух клин ев, изготов- 35 ленных из материала с различной оптической активностью, и составлен так, что вращение плбскости поляризации излучения каждым из клиньев осуществляется в противоположных направлениях. Оптиче- 40 ский элемент выполнен в виде поляризационного светоделителя; установлен между излучателем и модулятором, и связан с при: емным блоком через конденсор.

На фиг.1 изображена схема устройства; "5 на фиг.2 — угловые зависимости поворота вектора Е напряженности электрического поля линейно поляризационной световой волны в оптической системе устройства; -:.

Устройство содержит приемопередат- 50 чик 1, установленные на неподвижном основании и зеркально-линзовый отражатель 2, жестко закрепленный на измеряемом объекте 3. Приемопередатчик содержит оптическую систему и электронный блок, 55 заключенные в едином корпусе, Оптическая система приемопередатчика включает излучатель 4, поляризационный светоделитель

5, азимутальный электрооптический модулятор 6, телескопическую систему 7, анизотропный клиновой элемент 8, составленный из клиньев 9 и 10, выполненных иэ 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 азимутальным электрооптическим модулятором 6.

Зеркально-линзовый отражатель 2 содержит объектив 20 и сферическое зеркало

21, закрепленные в одном корпусе.

Устройство работает следующим образом, Вначале рассмотрим работу устройства с параллельным световым пучком, Излуча-. тель 4 посылает линейно поляризованный световой пучок с азимутом поляризации 0=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 О = О, то параксиальный световой пучок, не отклоняясь, проходит поляризационный светоделитель и поступает на азимутальный электрооптический модулятор 6. Если.на него не подано управляющее напряжение, то азимут линейно поляризованного светового пучка на выходе из модулятора 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 кри1793205 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 р =(а)(б> — dz) (1) где (Q) — удельное вращение плоскости поляризации оптически активного материала клина;

d1 и dz — длина хода пэраксиального 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

d1= dz=d= — т9д, I

2 (2) где I — длина клина; д — угол при вершине клина.

Следовательно, угол rp поворота плоскости поляризации на выходе из анизотропного клинового элемента равен нулю.

Пройдя по центру анизотропного клинового элемента 8, пара ксиальный световой пучок, не меняя азимута поляризации, поступает на фазовую четвертьволновую пластинку 11, главная ось которой расположена под углом р = 0 к оси Х. 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, состоянге поляризации светово го 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 приемопередатчика. 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 состояния поляризации. Далее световой пучок проходит телескопическую систему 7, азимутальный электрооптический модулятор 6 и поступает на поляризационный светоде5

25 литель 5, в обратном ходе выполняющий функцию анализатора, Так как электрический вектор Е линейно поляризованной световой волны направлен вдоль оси Х (фиг.2), то отраженная поляризационным светоделителем компонента Еу равна нулю, Следовательно, сигнала нэ фотоприемнике 13 не будет.

Если объект 3 совместно с отражателем

2 сместится вдоль оси Y относительно первоначального положения на величину Л1, то отраженный параксиальный световой пучок сместится относительно оптической оси приемопередатчика на величину 2 Ъ I. 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 ,111=(2(— 2Д() tg д, (3)

dz (>(-2AI) tg д, (4) а угол поворота плоскости поляризации нэ выходе из анизотропного клинового элемента оавны р =-(а )(d< -dz )=4(а )hltg 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 y = р вектор

И

Е, фиг. 2). В этом случае интенсивность

35 отраженного светоделителем проходящего конденсор 12 им поступающего на фотоприемник 13 света не равна нулю и согласно фиг,2 определяется выражением

4р 1 = 1осоэ (90-/) = Iо 81п уг (6) где 1 — интенсивность света на фотоприемнике:

1 — интенсивность линейно поляризованного света, приходящего на поляризационный светоделитель.

Таким образом, сигнал с фотоприемника 13 пропорционален углур поворота пло-! скости поляризации, а следовательно, и величине Д l линейного смещения объекта

50 с отражателем.

В реальных условиях световой пучок обладает конечными размерами, поэтому угол поворота плоскости поляризации при однократном прохождении анизотропного кли55 нового элемента 8 различен по сечению широкого светового пучка.

Рассмотрим прохождение такого пучка

B прямом и обратном ходе через систему анизотропный клиновой элемент 8, фазовая

1793205

10

У1 =й =y =Р .

55 четвертьволновая пластинка 11 и зеркально-линзовый отражатель 2.

На такую систему падает осевой линейно поляризованный световой пучок с азимутом поляризации у=О (вектор Е, фиг.2). На выходе анизотропного клинового элемента

8 образуется пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации для верхнего (вектор Е1, 1 фиг.2) и нижнего (вектор Ег, фиг.2) крайних лучей светового пучка на выходе из анизотропного клинового элемента 8 определяется выражением р1,г — — +(= fa)Dtgд, где D — диаметр падающего на анизотропный клиновой элемент 8 широкого светового пучка. .Пройдя анизотропный клиновой элемент 8, фазовую четвертьвол новую пластинку 11 и расстояние L до измеряемого объекта, широкий световой пучок попадает на отражатель 2. При наличии линейного смещения Ь 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

m1,z = 2h 1 + -2. (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 хоре, азимут поляризации верхнего (вектор Е1, фиг,2) и нижнего (вектор Ez, фиг.2) крайних лучей выходного светового пучка соответственно равен у1,г = (. (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 у1.г =2 а)(2 Л1 — 2 ) tg д =p — +ф,(10) 0

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,г =у1,г+ф1,г = +-(+<р "=(=p . (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 поляризаII ции не изменяется по сечению пучка и аналогичен азимуту поляризации параксиального светового пучка

Исходя из изложенного следует, что установка анизотропного клинового элемента и фазовый четвертьволновой пластинки на выходе приемопередатчика в широком параллельном световом пучке снижает влияние увеличения расстояния до подвижного объекта на точность измерений, выполняе2р мых данным устройством.

В данном устройстве модуляция и компенсация угла поворота плоскости поляризации р 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 = О ) на величину

Лу sin в t, где Ау- девиация вектора;

sin в 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 (р = О), с фотоприемника 13 снимается сигнал с час40 тотой 2 в . В случае наличия смещения отражателя 2 на величину + Л1 вдоль оси

Y относительно первоначального положения угол р поворота плоскости поляриза1

45 ции отраженного светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 будет отличен от нуля и с фотоприемника 13 снимается сигнал с частотой в, фаза которого зависит от направления смещения, а амп5р литуда сигнала — от его величины, Таким образом, интенсивность падающего на фотоприемник света в динамическом режиме можно описать выражением

1= — (1-cos(2 Лу з1пв с+ 8(гт)Л!тцд)). (12)

1о

Сигнал с фотоприемника подается на узкополосный усилитель 14, усиливающий и пропускающий колебание r. ч:.стотой я на

1793205 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 5 источника постоянного смещения напряжение U, пропорциональное углу поворота плоскости поляризации р, подается на азимутальный электрооптический модулятор 6, при этом вектор линейно поляризованного света, выходящего из азимутального электрооптического модуляФормула 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения поперечных смещений удаленных объектов, оно снабжено установленными на основании последовательно по ходу излучения за модулятором телескопической систетора, поворачивается на угол у=-р и комI пенсирует угол поворота плоскос и поляризации, возникающий за счет смещения отоаженного светового пучка по анизотропному клиновому элементу 8. Таким образом, на фотоприемнике 13 появляется сигнал с частотой 2а, а на индикаторе 18, соединенном с другим выходом источника постоянного смещения, появится величина напряжения, пропорциональная смещению обьекта 3, знак которой зависит от направления смещения, т мой 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

r,ðoòèâoïîëoæíûx направлениях, а оптический элемент выполнен в виде поляризационного светоделителя, установлен между излучателем и модулятором и связан с приемным блоком через конденсор.

Составитель К.Точилин

Редактор М,Стрельникова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор 3.Салко

Заказ 493 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1р1