ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для фазовой модуляции поляризованного излучения, и может быть использовано в интерферометрах различного типа, а также в устройствах передачи информации по оптическим каналам связи. Наиболее предпочтительной областью использования полезной модели являются интерферометры, применяемые для измерения различных пространственных характеристик, например, перемещения объекта.
В патентной публикации JP 6235617(A), G01B 11/14, 23.08.1994 раскрыт фазовый модулятор, осуществляющий сдвиг фазы модулируемого луча путем изменения длины его оптического пути. Для этой цели фазовый модулятор снабжен средствами отклонения модулируемого луча в сторону отражателя, состоящего из двух установленных под углом друг к другу зеркал. При совершении возвратно-поступательных перемещений отражателя в направлении падающего на него модулируемого луча изменяется длина оптического пути указанного луча, что вызывает смещение его фазы. Фазовый модулятор снабжен также средствами, обеспечивающими возврат моделируемого луча на его первоначальное направление.
Однако в ряде случаев для обеспечения эффективной фазовой модуляции необходима высокая частота возвратно-поступательных перемещений отражателя, который в известном фазовом модуляторе характеризуется сравнительно большими размерами и массой, поскольку состоит из двух зеркал. Значительная инертная масса отражателя в известном устройстве затрудняет осуществление фазовых сдвигов модулируемого луча с высокой частотой.
Задачей полезной модели является повышение эффективности фазовой модуляции путем увеличения частоты и точности возвратно-поступательных перемещений отражателя фазового модулятора.
Для решения поставленной задачи предложен фазовый модулятор, содержащий светоделительную грань, способную отражать падающий на нее моделируемый луч, имеющий первую поляризацию, и пропускать без изменения направления луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации. При этом на оптическом пути моделируемого луча после его отражения от светоделительной грани расположены четвертьволновая пластинка и первое зеркало. По другую сторону светоделительной грани на линии оптического пути моделируемого луча установлена вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало. По меньшей мере, одно из зеркал выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него моделируемого луча.
Достигаемый в результате использования полезной модели технический результат заключается в снижении массы и размеров подвижного зеркала.
В частном случае полезной модели с возможностью возвратно-поступательного перемещения выполнены первое и второе зеркала. При этом оба зеркала могут совершать возвратно-поступательные перемещения с одинаковой частотой и в противофазе. Возможен также случай, при котором первое и второе зеркала способны совершать возвратно-поступательные перемещения с различными частотами.
Осуществление полезной модели будет представлено на примере ее использования в составе интерферометра, предназначенного для измерения угловых смещений платформы координатной машины, что, однако, не является ограничением в отношении области использования полезной модели.
Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуру с изображением схемы интерферометра для измерения угловых смещений платформы, включающего предложенный фазовый модулятор.
Платформа 1 способна совершать линейное перемещение (далее - смещение) в направлении 2, в процессе совершения которого платформа подвержена случайным угловым смещениям в направлении 3 относительно множества осей, перпендикулярных направлению линейного смещения и плоскости изображения.
Интерферометр, изображенный на фигуре, содержит фотоприемник 4 и источник когерентного излучения 5, поток которого падает со стороны платформы на основную светоделительную грань 6, способную пропускать первый луч, имеющий первую поляризацию, и отражать второй луч, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой. Основная светоделительная грань расположена параллельно оси углового смещения платформы.
Первый луч проходит через основную светоделительную грань без изменения направления и попадает на правое зеркало 7, которое направляет его в автоколлимационном ходе на правый отражатель 8. Отразившись от правого отражателя и правого зеркала, первый луч возвращается на основную светоделительную грань. На линии оптического пути первого луча между основной светоделительной гранью и правым отражателем (в дальнейшем - правая ветвь интерферометра) установлена правая четвертьволновая пластинка 9. Специалисту в данной области ясно, что двойное прохождение линейно поляризованного луча через четвертьволновую пластинку с промежуточным отражением меняет его поляризацию на ортогональную. Поскольку при возвращении на основную светоделительную грань первый луч имеет вторую поляризацию, он отражается в сторону фотоприемника 4.
Второй луч отражается от основной светоделительной грани и попадает на левое зеркало 10, направляющего его в автоколлимационном ходе на левый отражатель 11. На линии оптического пути второго луча между основной светоделительной гранью и левым отражателем (в дальнейшем - левая ветвь интерферометра) установлена левая четвертьволновая пластинка 12. Дважды пройдя через левую четвертьволновую пластинку с промежуточным отражением от левого отражателя, второй луч приобретает первую поляризацию, что позволяет ему, не изменяя направления, пройти через основную светоделительную грань в сторону фотоприемника 4.
Первый и второй лучи совместно проходят через анализатор 13, который известным для специалиста в данной области способом выделяет из первого и второго лучей компоненты с однонаправленной поляризацией и совмещает лучи в одном поляризационном направлении. Далее на линии оптического пути совмещенных первого и второго лучей установлены объектив 14 и фотоприемник 4, на котором формируется интерференционная картина.
Регистрируя и интерпретируя известным для специалиста в данной области способом изменение интерференционной картины, можно вычислить относительное смещение двух точек платформы, а значит - и угловое смещение платформы относительно оси, перпендикулярной плоскости, которая определяется линиями оптических путей падающих на объект лучей.
Однако значительное влияние на точность измерений оказывают случайные помехи, вызванные движением воздуха, вибрацией и т.п. Для уменьшения такого влияния и повышения точности измерений используют различные способы модуляции лучей с последующей их демодуляцией.
Одним из указанных способов является фазовая модуляция, заключающаяся в изменении фазы луча с высокой частотой. Для осуществления фазовой модуляции между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой установлен фазовый модулятор 15.
Фазовый модулятор содержит светоделительную грань 16, отражающую в сторону четвертьволновой пластинки 17 и первого зеркала 18 первый луч, падающий со стороны основной светоделительной грани 6 и являющийся в данном случае модулируемым лучом. Светоделительная грань модулятора способна при этом пропускать луч с поляризацией, ортогональной поляризации моделируемого луча.
По другую сторону светоделительной грани 16 на линии оптического пути моделируемого луча, отраженного от первого зеркала и в результате двойного прохождения через четвертьволновую пластинку изменившего свою поляризацию на ортогональную, установлена вторая четвертьволновая пластинка 19 и второе зеркало 20. Отраженный от второго зеркала моделируемый луч попадает на светоделительную грань модулятора с вновь измененной поляризацией, отражается от нее и продолжает путь по левой ветви интерферометра.
По меньшей мере, одно из зеркал модулятора выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении падающего на него моделируемого луча, обеспечивая его фазовую модуляцию. В показанном на фигуре варианте полезной модели подвижным является первое зеркало, что обеспечивается при помощи привода 21, однако, подвижным может быть выполнено второе зеркало или оба зеркала одновременно. Поскольку модулируемый луч направлен на первое и второе зеркала в автоколлимационном ходе, то указанные зеркала могут иметь малый размер и соответственно малую массу. Таким образом, частота модулирующих возвратно-поступательных движений зеркал может быть повышена при заданных характеристиках привода.
В случае выполнения подвижными сразу обоих зеркал может быть повышена амплитуда модулирующих фазовых сдвигов, если зеркала будут колебаться с одинаковой частотой и в противофазе. Кроме того, предложенный фазовый модулятор может обеспечить двухчастотную модуляцию модулируемого луча, если возвратно-поступательные перемещения первого и второго зеркал будут осуществляться с разными частотами. Такие режимы модуляции позволяют более эффективно выделять целевые сигналы на фоне шума, создаваемого случайными помехами, что повышает точность измерений.
В дальнейшем интерпретация интерференционной картины осуществляется с учетом ее демодуляции, т.е. коррекции на модулирующие фазовые изменения.