Устройство для определения поперечных смещений объекта

(ГОСПАТЕНТ ССС ТЕНТ ИЯ Т оси интерфероме на в месте прохо следовательно, и новенным и необ приводит к измен картины, фиксир блоком. ый интерфеых смещений енные послей оси излучаляризатор и ропный клин ческой осью, осью интер- и анизотроп- оптической ка м такого устройства след означное изменение и картины при линейных х объекта,К недостатет отнести неоднтерференционнойугловых смещения ОПИСАНИЕ ИЗОБР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. (72) А.В,Зацаринный, С.П.Терехов и К.Э.Точилин(56) Авторское свидетельство СССР М 1455232, кл. 6 01 В 9/02, 1969.Авторское свидетельство СССР 3 Ф 1432334, кл. 0 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 геодезичес му приборостроению.Известен поляризационнрометр для измерения линейнобъекта, содержащий установлдовательно на одной оптическотель, анизотропный клин, порегистрирующий блок. Анизотизготовлен из кристалла с оптине совпадающей с оптическойферометра, При перемещениного клина перпендикулярно анизотропный клиновой элемент, составленный из двух клиньев, выполненных иэ противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала, имеющих равные углы привершине 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 ли- Я нейно поляризованный световой пучок. На выходе из анизотропного клинового элемента образуется пучок лучей света с переменным по сечению положением плоскостиф 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.ЬЭ тра изменяется его толщи- в,ждения светового пучка, аразность фаэ между обык-ыкновенным лучами. Этоению интерференционнойуемой регистрирующимНаиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для определенияпоперечных смещений объекта, содержащее основание с последовательно установленными на нем излучателем иазимутальным электрооптическим модулятором и оптическй связанные анизотроп-.ный клиновой элемент, оптический элементи приемный блок. Приемный блок и азимутальный электрооптический модуляторэлектрически связаны с электронным блоком.Недостатком устройства является сни-жение точности определения линейных смещений с увеличейием расстояния доизмеряемого объекта, т.к. она зависит отлинейных размеров светового пучка, приходящего на анизотропный клиновой элемент,Цель - снижение влияния увеличения 20расстояния до объекта на точность определения ею поперечных смещений за счет сохранения единого состояния поляризации вшироком световом пучке на выходе анизотропного клинового элемента. 25Цель достигается тем, что устройстводля определения поперечных смещенийснабжено установленными на основаниипоследовательно по ходу излучения за мо дулятором телескопической системой и за 30клиновым элементом четвертьволновойпластиной и предназначенным для закрепления на объекте зеркально-линзовым отражателем, причем айизотропный клиновойэлемент выполнен из двух клин ев, изготовленных из материала с различной оптической активностью, и составлен так, чтовращение плбскости поляризации излуче ния каждым из клиньев осуществляется впротивоположных направлениях. Оптический элементвыполнен в виде поляризационного светоделителя; установлен междуизлучателеми модулятором, и связан с при: емным блоком через конденсор,На фиг.1 изображена схема устройства; 45на фиг.2 - угловые зависимости поворотавектора Е напряженности электрическогополя линейно поляризационной световойволны 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 оптическую систему и электронный блок, 55заключенные в едином корпусе, Оптическаясистема приемопередатчика включает излучатель 4, поляризационный светоделитель5, азимутальный электрооптический модулятор 6, телескопическую систему 7, анизотропный клиновой элемент 8, составленныйиз клиньев 9 и 10, выполненных иэ противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала, фазовуючетвертьволновую пластинку 11, конденсор12 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 11являются общими как для передающего, таки для приемного каналов приемопередатчика.Фотоприемник 13 подключен через узкополосный усилитель 14 к сигнальномувходу фазового детектора 15, выход которого соединен с регулятором смещения 16,подключенным к источнику 17 постоянногонапряжения, один из выходов которого подключен к индикатору 18, а другой - к азимутальному электрооптическому модулятору6. Выходы генератора 9 соединены с опорным выходом фазового детектора 15 и азимутальным электрооптическиммодулятором 6.Зеркально-линзовый отражатель 2 содержит объектив 20 и сферическое зеркало21, закрепленные в одном корпусе.Устройство работает следующим образом,Вначале рассмотрим работу устройствас параллельным световым пучком, Излуча-.тель 4 посылает линейно поляризованныйсветовой пучок с азимутом поляризации 0=0 (вектор Е, фиг,2) на поляризационныйсветоделитель 5, Поляризационный светоделитель установлен так, что он пропускаеткомпоненту проекцию) Ех электрическоговектора Е световой волны и отражает ортогональную компоненту Еу (фиг.2), Так каказимут линейно поляризованного световогопучка О = О, то параксиальный световой пучок,неотклоняясь,проходит поляризационный светоделитель и поступает наазимутальный электрооптический модулятор 6. Если.на него не подано управляющеенапряжение, то азимут линейно поляризованного светового пучка на выходе из модулятора не изменится, Далее, пройдятелескопическую систему 7, параксиальныйсветовой пучок попадаетна анизотропныйклиновой элемент 8, составленный изклиньев 9 и 10, выполненных из противоположно вращающихся модификаций оптически активного материала (например,кристаллический кварц, киноварь, растворвинной кислоты и т,д,), Клинья 9 и 10 имеютравные углы при вершине и образуют кристаллическую 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 выражениемР = а(б - бг) (1) где а - удельное вращение плоскости поляризации оптически активного материала клина;с 1 и бг - 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 равнао 1 = сг = с = - 19 д,2(2) где- длина клина;д - угол при вершине клина.Следовательно, угол у поворота плоскости поляризации на выходе из анизотропного клинового элемента равен нулю,Пройдя по центру анизотропного клинового элемента 8, параксиальный 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 расстояниедо зеркально-линзового отражателя 2, отражается и, пройдя расстояниев 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 светового пучка после прохождения данной пластины не изменится.При отсутствии линейного смещения объекта 3 и зеркально-линзового отражателя 2 вдоль оси У 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 светоде 10 15 20 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 на фотоприемнике 13 не будет.Если объект 3 совместно с отражателем 2 сместится вдоль оси У относительно первоначального положения на величину Ь 1, то отраженный параксиальный световой пучок сместится относительно оптической оси приемопередатчика на величину 2 Ъ . Следовательно, параксиальный световой пучоктакже сместится относительно центра анизотропного клинового элемента 8, При этом длина хода параксиального светового пучка в клиньях 9 и 10 будет соответственно равнаО 1=( - 2) тцд,,г 1: -2 Л) т 9 д, 4) а угол поворота плоскости поляризации на выходе из анизотропного клинового элемента оавныр =-а(01 -сг)=4 аЬтц 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=р вектор - ИЕ, фиг. 2). В этом случае интенсивность 35 отраженного светоделителем проходящегоконденсор 12 им поступающего на фотоприемник 13 света не равна нулю и согласно фиг,2 определяется выражением40= осоз (90-/) = о 3 и ф, (6)где- интенсивность света на фотоприемнике;о - интенсивность линейно поляризованного света, приходящего на поляризационный светоделитель,Таким образом, сигнал с фотоприемника 13 пропорционален углур поворота плоскости поляризации, а следовательно, и величине Ллинейного смещения объекта 50 с отражателем.В реальных условиях световой пучок обладает конечными размерами, поэтому угол поворота плоскости поляризации при однократном прохождении анизотропного кли нового элемента 8 различен по сечениюширокого светового пучка.Рассмотрим прохождение такого пучкав прямом и обратном ходе через систему анизотропный клиновой элемент 8, Фазовая1793205 5 10 55 четвертьволновая пластинка 11 и зеркально-линэовый отражатель 2.На такую систему падает осевой линейно поляризованный световой пучок 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 поляризации. Угол поворота плоскости поляризации для верхнего (вектор Е 1, фиг.2) и нижнего (вектор Ег, фиг.2) крайних лучей светового пучка на выходе из анизотропного клинового элемента 8 определяется выражением рг =+= +(а О ц д,где О - диаметр падающего на анизотропный клиновой элемент 8 широкого светового пучка,.Пройдя анизотропный клиновой элемент 8, фазовую четвертьвол новую пластинку 11 и расстояние 1 до измеряемого объекта, широкий световой пучок попадает на отражатель 2. При наличии линейного смещения Ь объекта 3 вдоль оси У отраженный широкий световой пучок сместится относительно оптической оси приемопередатчика 1. Величина смещения верхнего и нижнего крайних лучей светового пучка относительно оптической оси приемопередатчика соответственно равнае 1,г = 2 Ь 1+ -у (8)0Отраженный смещенный широкий световой пучок, пройдя расстояние 1 в обратном ходе, вторично падает на фазовую четвертьволновую пластинку 11, Учитывая действие фазовой четвертьволновой пластинки в прямом и обратном хоре, азимут поляризации верхнего (вектор Е 1, фиг,2) и нижнего (вектор Ег, фиг.2) крайних лучей выходного светового пучка соответственно равенуи = - Ф (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 д.г = 2 ( а) ( 2 Ь + 2 ) щ д = р + ф, (10) ОТаим образом, из анизотропного клинового элемента выйдетлинейно поляризованный широкий пучок лучей, в котором азимут поляризации для верхнего и нижнего крайних лучей определяется выражением у,г =у,г+ри =+ +р . =р. (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 поляриза -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, выполняемых данным устройством.В данном устройстве модуляция и компенсация угла поворота плоскости поляризации р за счет смещения отраженного светового пучка по анизотропному клиново му элементу 8 осуществляется с помощьюазимутального электрооптического модулятора 6, При подаче на него переменного синусоидального напряжения с генератора 19 происходят колебания азимута линейно 30 поляризованного излучения относительнонулевого положения ( у = 0 ) на величину Ьу з 1 п вт, где Лу- девиация вектора;з 1 п в 1= Я - модулирующий параметр.При этом если линейное смещение объекта 35 3 совместно с отражателем 2 отсутствует, аследовательно, и отсутствует вращение плоскости поляризации светового пучка на анизотропном клиновом элементе 8 ( р = О), с фотоприемника 13 снимается сигнал с час тотой 2 в . В случае наличия смещенияотражателя 2 на величину + Л 1 вдоль оси У относительно первоначального положения угол р поворота плоскости поляриза 145 ции отраженного светового пучка наанизотропном клиновом элементе 8 будет отличен от нуля и с фотоприемника 13 снимается сигнал с частотой в, фаза которого зависит от направления смещения, а амп литуда сигнала - от его величины, Такимобразом, интенсивность падающего на фотоприемник света в динамическом режиме можно описать выражением 1= - 1-соз(2 Лу з 1 пв с+ 8(гс)Лтцд. (12)1 О2Сигнал с фотоприемника подается на узкополосный усилитель 14, усиливающий и пропускающий колебание г. чл;,тетей в на10 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 0 , пропорциональное углу поворота плоскости поляризации р , подается на азимутальный электрооптический модулятор б, 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=-1 р и ком 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 2 со, а на индикаторе 18, соединенном с другим выходом источника постоянного смещения, появится величина напряжения, пропорциональная смещению обьекта 3, знак которой зависит от направления смещения,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 противоположных направлениях, а оптический элемент выполнен в виде поляризационного светоделителя, установлен между излучателем и модулятором и связан с приемным блоком через конденсор.1793205 Составитель К.Точилинактор М.Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор З,Салко Производственно издэтел ий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 493 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5