УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ ОБЪЕКТА В ПЛОСКОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения изменения углового положения удаленных объектов.

Известно устройство «Звездный интерферометр Майкельсона», сущность которого заключается в установке его с возможностью поворота вокруг оси, направленной на объект и выполненной в трехканальном варианте, каждый из которых включает отклоняющие зеркала, фокусирующую систему, измеритель контраста и общее регистрирующее устройство. [Патент РФ №2103662, M. Кл. G01B 11/26, 9/02 от 11.11.1996 г.]

Недостатком данного устройства являются большие габариты и сложность исполнения приборной схемы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство для определения изменения угловой координаты объекта в плоскости», включающее точечный источник излучения, два входных плоских зеркала, два интерференционных смесителя и блок регистрации интерференционной картины. [А.С. СССР №1290063, М. Кл. G01B 11/26 от 31.10.1984 г. (прототип).]

Недостатками данного устройства являются также большие габариты и вес устройства.

Целью изобретения является упрощение схемы устройства, уменьшение габаритов, массы и себестоимости прибора.

Указанная цель достигается за счет применения четырех отражающих поверхностей, использующихся обоими каналами устройства. То есть для каждого канала используется своя отдельная часть (зона) общего приемного блока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан геометрический ход лучей в приемном блоке; на фиг. 2 показаны геометрические параметры приемной системы, на фиг. 3 показан приемный блок, выполненный в виде склейки двух призм.

Устройство содержит два входных плоских зеркала -1 и -2, светоделительную поверхность -3 и контрзеркало -4. Осевые лучи пучков излучения, испускаемых точечным источником, обозначены позициями -5, -6, -7 и -8, а осевые лучи проинтерферировавших пучков обозначены позициями -9 и -10.

Приемные поверхности зеркал -1, -2 размером поверхности равным -d₂ (при минимальном размере приемной поверхности d_2min, необходимом для обеспечения устранения неоднозначности отсчета расстояния между двумя базами D₀ и D₁ в проекции на плоскость приемного зеркала) и светоделительная поверхность -3 размером светоделительной поверхности равной d₃ имеют одинаковые габариты. Нормали к этим поверхностям лежат в плоскости контроля, обращены к исследуемому объекту и образуют с направлением на объект угол 45°. Светоделительная поверхность -3 симметрична зеркалу -1 и составляет с ним прямой угол. При этом поверхность -3 параллельна зеркалу -2 и расстояние между ними составляет величину, равную их габаритному размеру. Расстояния между осевыми лучами пучков -5 и -6, -7 и -8 в плоскости измерения относятся друг к другу как иррациональное число. Контрзеркало -4 расположено параллельно плоскости измерения, нормаль к его зеркальной поверхности образует с направлением на исследуемый объект угол 180°. Габаритный размер контрзеркала -4 (D₄) в раз меньше габаритного размера поверхности -3, так как контрзеркало -4 является проекцией светоделительной поверхности -3 на плоскость, параллельную плоскости измерения.

В связи с тем что в плоскости анализа образуются интерференционные полосы бесконечной ширины, то для получения линейной ширины полосы угол между зеркалом -1 и частично пропускающим зеркалом -3 выполняют отличным от 45° на величину φ_cx порядка 30′. Плоскости зеркал -1 и -2 образуют базу приема (расстояние между двумя базами D₀ и D₁ в проекции на плоскость приемного зеркала).

Устройство работает следующим образом.

Отправленный лазером когерентный пучок напрямую или после отражения от объекта возвращается в приемный блок, который состоит из четырех зеркал (-1,-2,-3,-4), два глухих зеркала (-1 и -2) образуют базу приема, а частично пропускающее (светоделительное) -3 и глухое зеркало -4 являются оптическим смесителем. Из-за смещения источника или поворота объекта (отражателя) возникает оптическая разность хода в двух ветвях каждого канала интерферометра: в ветвях, образованных пучками с осевыми лучами пучков -5 и -6, -7 и -8, соответственно. В результате взаимодействия этих пучков на выходе из системы зеркал появляются выходящие пучки с осевыми лучами -9 и -10, образующие две интерференционные картины с шагом полос, не кратным друг другу. По смещению интерференционных полос судят об изменении углового положения объекта. Устройством регистрации служит фотоприемное устройство, например веб-камера.

Излучение источника одновременно засвечивает приемные зеркала -1 и -2. Левая ветвь первого канала, ось которого обозначена как -5, отражаясь от левого зеркала -1, попадает на зеркальную поверхность -3, отражается от нее и попадает на контрзеркало -4, от которого также отражается, возвращается на светоделительную поверхность -3 и проходит через нее в направлении луча -9. Таким образом, в плоскость анализа попадает излучение одного из участков волнового фронта (для первого канала). Правая ветвь первого канала, ось которого обозначена как луч -6, отражаясь от правого зеркала -2, попадает на светоделительную поверхность -3 и отражается от нее в направлении луча -9. В результате в плоскость анализа попадает излучение второго участка волнового фронта. Сразу за частично пропускающим зеркалом -3 пучки первого канала, оси которых обозначены как пучки -5 и -6, взаимодействуют, образуя интерференционную картину. Положение интерференционных полос в этой картине зависит от положения источника относительно приемных зеркал -1 и -2. Если объект смещается от первоначального положения, то в плоскости анализа происходит перемещение интерференционных полос, которое фиксируют и получают информацию об изменении углового положения объекта.

Пучки второго канала, оси которых обозначены как -7 и -8, проходят систему аналогично пучкам первого канала и покидают систему в направлении луча -10. Таким образом, в плоскости анализа образуются и регистрируются две интерференционные картины. Угловая ширина интерференционных полос в каждой из картин определяется расстоянием между осевыми лучами пучков -5 и -6, -7 и -8 соответственно. Так как эти расстояния различны и относятся друг к другу как иррациональное число, то и угловая ширина интерференционных полос для каждой из картин имеет различные значения. Поэтому одному и тому же значению угловой координаты объекта относительно приемных зеркал соответствуют разные значения целой и дробной части интерференционных полос в каждом из каналов, что позволяет устранить неоднозначность интерференционных измерений. По значениям дробной части в каждом из каналов определяется также и целое число полос, и, следовательно, истинное значение угловой величины. Одному и тому же значению дробной части смещения интерференционной полосы одного из каналов соответствуют сразу несколько значений. Значение дробной части, измеренное по второму каналу, тоже дает неоднозначный отсчет. Совпадение происходит только при одном значении абсолютной величины в том случае, когда отношение расстояний между осевыми лучами пучков -5 и -6, -7 и -8 равно иррациональному числу, например квадратному корню из любого числа, не являющегося полным квадратом.

Для обеспечения жесткого взаимного расположения четырех зеркал -1, -2, -3, -4 приемный блок выполнен в виде склейки двух призм с нанесенными на ее грани отражающими и светоделительными поверхностями в соответствии с аналогичными поверхностями устройства для измерения изменения угловой координаты объекта в плоскости.

Геометрические параметры устройства для измерения изменения угловой координаты объекта в плоскости:

D₀ - база приема первого канала;

D₁ - база приема второго канала;

d₂ - размер приемной поверхности зеркал -1 и -2;

d_2min - минимальный размер приемной поверхности, необходимый для обеспечения устранения неоднозначности отсчета (расстояние между двумя базами D₀ и D₁ в проекции на плоскость приемного зеркала);

d₃ - размер светоделительной поверхности -3;

D₄ - размер контрзеркала -4;

А - проекция сечения пучка канала, необходимого для засветки чувствительной площадки приемника излучения.