УСТРОЙСТВО КОЛЛИНЕАРНОГО ПЕРЕНОСА ОСЕЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR COLLINEAR TRANSITION OF AXIS OF OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к оптическим системам лазерной локации и дальнометрии.
Известно устройство для проверки параллельности оптических осей (RU 2422791 C1, G01M 11/02), которое может быть использовано для выверки параллельности оптических осей сложных многоканальных оптико-электронных систем. Устройство содержит систему призм с входным и выходными зрачками и источник излучения. Все призмы соединены между собой в моноблок, у которого грань первой призмы, выполненная в виде прямого двугранного угла, является входным зрачком, а отражающие грани, по меньшей мере, двух других призм являются выходными зрачками. При этом все призмы соединены между собой, по меньшей мере, одной ромбической призмой с одной отражающей и одной полупрозрачной гранью так, что при их соединении между гранями входного и каждого из выходных зрачков образуется прямой трехгранный угол. Луч, направляемый во входной зрачок призменного моноблока от источника излучения, меняет свое первоначальное направление на 180°. Устройство позволяет проверять параллельность оптических осей для двух и более каналов за счет того, что визирная ось одного из проверяемых каналов передается призменным моноблоком одновременно во все проверяемые каналы.
Недостатками данного устройства являются сложность его конструкции, а также наличие, по крайней мере, одного клеевого соединения (в месте расположения светоделительного слоя), которое приводит к нестабильности параллельности осей входного и выходного пучков при длительном использовании устройства, что снижает его точностные характеристики.
Наиболее близкой по технической сущности является зеркально-призменная система (прототип), входящая в состав углоизмерительного звездного прибора (RU 98801 U1, G01B 11/26). Зеркально-призменная система (моноблок призм) содержит призму БкР-180° (уголковый световозвращатель) и призму, которая дополняет зеркально-призменную систему до плоскопараллельной пластины. В месте соединения призм нанесено светоделительное покрытие.
Работа устройства основана на измерении угла между осями излучения, одно из которых прошло через призму БкР-180° (опорное излучение), а второе - через дополняющую призму, светоделительное покрытие и часть призмы БкР-180° (направление на звезду).
Зеркально-призменная система позволяет развернуть излучение, поступающее во входной зрачок призмы БкР-180°, на угол 180°. Точность угла разворота определяется точностью выполнения прямых двугранных углов призмы. Направление оси вышедшего из призмы излучения остается стабильным по отношению к оси излучения, поступающего в ее входной зрачок, и практически не зависит от внешних факторов (температуры, давления, влажности окружающей среды).
Отклонение направления излучения, прошедшего через дополняющую призму, светоделительное покрытие и часть призмы БкР-180°, определяется следующими факторами:
1) точностью изготовления в дополняющей призме ее двугранного угла 45°, где погрешность угла приводит к отклонению направления оси излучения от звезды, но угол отклонения остается стабильным и практически не зависит от внешних факторов;
2) материалом, позволяющим соединить обе призмы.
На практике таким материалом, позволяющим соединить две поверхности с нанесенным на одной из них светоделительным покрытием, является оптический клей. Присутствие клеевой прослойки может привести к нестабильности взаимного расположения соединяемых деталей и, как следствие этого, к дополнительному отклонению оси проходящего излучения. Угол дополнительного отклонения излучения является непредсказуемой переменной величиной и зависит от внешних факторов. Дефекты клеевого соединения ухудшают энергетические характеристики устройства, т.к. излучение обязательно проходит через склеиваемые поверхности.
Таким образом, наличие клеевого соединения в устройстве снижает его точностные и энергетические характеристики и является существенным недостатком.
В устройстве-прототипе излучение опорного канала и канала направления на звезду проходит через материал призм. Оптическая неоднородность и двулучепреломление материала призм может привести к ухудшению оптических характеристик излучения, что приведет к размытию или несимметрии изображений в плоскости фотоприемного устройства в канале регистрации угла отклонения осей. Это также снижает точностные характеристики устройства.
Прохождение излучения через материал призм приводит к энергетическим потерям, связанным с поглощением светового потока, которое сопровождается нагревом и нежелательной деформацией отражающих и преломляющих поверхностей призм и клеевого соединения, и с рассеянием светового потока на воздушных пузырях и непрозрачных включениях внутри материала. Это также является недостатком устройства-прототипа.
Задачей изобретения является создание устройства коллинеарного переноса осей оптического излучения, обеспечивающего минимальные энергетические потери и повышенную стабильность расположения осей излучения.
Технический результат изобретения состоит:
- в улучшении энергетических характеристик за счет использования зеркальных элементов с внешним отражением и минимальным ходом светового потока внутри материала светоделителя;
- в повышении стабильности расположения осей излучения за счет соединения отдельных элементов, например, с помощью глубокого оптического контакта, по участкам поверхностей элементов, через которые излучение не проходит.
Это достигается тем, что в устройстве коллинеарного переноса осей оптического излучения, содержащем зеркально-призменную систему и светоделитель, зеркально-призменная система содержит составленную из отдельных элементов призму-крышу с внешними отражающими поверхностями и монопластину, которые объединены посредством дополнительной призмы, при этом отражающие поверхности призмы-крыши обращены в сторону светоделителя, выполненного на монопластине, причем все элементы зеркально-призменной системы образуют между собой полый трехгранный прямой угол и последовательно соединены друг с другом по участкам вне зон прохождения оптического излучения.
Монопластина может быть выполнена плоскопараллельной.
Монопластина может быть выполнена клиновидной, при этом в устройство дополнительно вводится клиновидный компенсатор, размещенный по направлению выхода лучей из монопластины так, чтобы они в совокупности образовали эквивалентную плоскопараллельную пластину.
Изобретение поясняется чертежами, где изображены на
фиг. 1 - общий вид устройства.
фиг. 2 - призма-крыша и ее составные части.
фиг. 3 - общий вид устройства, в котором монопластина выполнена клиновидной с установленным за ней клиновым компенсатором.
На фиг. 1 показано устройство, в котором монопластина 1, выполнена, например, плоскопараллельной. Монопластина 1 последовательно соединена с дополнительной призмой 2 и составленной из отдельных элементов призмой-крышей 3 с внешними отражающими поверхностями. На поверхности монопластины 1, обращенной в сторону призмы-крыши 3 и вне зоны контакта с поверхностью дополнительной призмы 2, выполнено светоделительное покрытие (светоделитель) 4.
На фиг. 2 показано устройство, когда монопластина 1 выполнена, например, клиновидной, а по направлению выхода лучей из монопластины 1 установлен клиновидный компенсатор 5.
Дополнительная призма 2 выполнена в виде плоскопараллельной пластины со скошенными боковыми полированными поверхностями, которые по отношению к нижней шлифованной поверхности имеют углы 45° и 135°.
Составная призма-крыша 3 выполнена так, что та ее часть, которая контактирует с дополнительной призмой 2, составляет прямые двугранные углы с каждой из двух ее отражающих поверхностей.
Все элементы 1, 2, и 3 последовательно жестко соединены друг с другом по участкам их полированных поверхностей вне зон прохождения оптического излучения. Соединение может быть произведено, например, с помощью глубокого оптического контакта.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Призма-крыша на фиг. 3 состоит из трехгранной призмы ABCABC и прямоугольной призмы DEFDEF. В призме ABCABC плоскости ABC, АВВА и ACCA взаимно перпендикулярны. В призме DEFDEF взаимно перпендикулярны плоскости DEF и DFFD.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Для образования призмы-крыши 3 призма ABCABC боковой гранью ABBA соединена с частью поверхности DFFD прямоугольной призмы DEFDEF. Соединение призм выполнено так, что поверхность, составленная из плоскостей ABC и DEF, представляет собой единую плоскость, что обеспечивается технологическими приемами. Соединение может быть произведено, например, с помощью глубокого оптического контакта. На отражающих поверхностях призмы-крыши нанесено зеркальное покрытие.
1
Длина призмы 2 выбирается исходя из требуемого расстояния Δ между осями оптического излучения, которые требуют коллинеарного переноса.
Устройство работает следующим образом.
В случае, если монопластина 1 выполнена плоскопараллельной, то оптическое излучение направляется под углом, близким к 45°, к нормали поверхности монопластины 1 со светоделителем 4 (фиг. 1), где происходит его деление на два направления.
2
В первом направлении излучение проходит через пластину 1 и преломляется на ее поверхностях. На выходе из пластины оптическая ось излучения испытает параллельное смещение Δ относительно оптической оси падающего излучения, определяемое углами падения, показателем преломления материала пластины и ее толщиной, и возможный угловой разворот, зависящий от параллельности поверхностей пластины.
1
Во втором направлении излучение отражается от поверхности светоделителя 4 монопластины 1 и направляется на призму-крышу 3, после чего отражается от ее плоских поверхностей. Действие системы, состоящей из элементов 1, 2 и 3, эквивалентно действию системы, состоящей из трех ортогонально расположенных зеркал, поэтому ось излучения, прошедшего систему, будет развернута на угол 180° по отношению к оси падающего излучения и линейно смещена на расчетное расстояние Δ из-за присутствия дополнительной призмы 2. Возможный дополнительный угловой разворот оси зависит от точности изготовления прямых двугранных углов призмы-крыши 3 и параллельности полированных поверхностей дополнительной призмы 2.
Дополнительный угловой разворот осей может быть сведен к допустимой величине за счет правильно выбранного допуска на параллельность поверхностей монопластины 1, допуска на параллельность полированных поверхностей дополнительной призмы 2 и допуска на прямые двугранные углы призмы-крыши 3 (фиг. 1). Использование для соединения отдельных элементов глубокого оптического контакта позволяет исключить влияние соединения на угловой разворот осей.
Толщина монопластины 1 выбирается такой, при которой световой диаметр излучения, отраженного от второй поверхности монопластины, перекрывает световой диаметр излучения, отраженного от светоделителя 4, на допустимую величину, определяемую условиями эксплуатации устройства.
В случае, если монопластина 2 выполнена клиновидной, то оптическое излучение направляется под углом, близким к 45°, к нормали поверхности монопластины 1 со светоделителем 4 (фиг. 3), где происходит его деление на два направления.
2
В первом направлении излучение проходит через монопластину 1 и преломляется на ее поверхностях. На выходе из пластины оптическая ось излучения испытает параллельное и угловое смещение относительно оптической оси падающего излучения, определяемое углами падения, показателем преломления материала пластины и ее толщиной и углом клина α поверхностей монопластины. Затем излучение проходит через клиновидный компенсатор 5. Его положение, угол клина β и материал выбирается таким, чтобы суммарное действие монопластины 1 и компенсатора 5 было эквивалентно действию плоскопараллельной пластины, обеспечивающей смещение оси прошедшего излучения на величину Δотносительно оптической оси падающего излучения и параллельность этих осей. Угол клина β клиновидного компенсатора может быть выбран равным углу клина α монопластины, при этом соответствующие поверхности этих элементов должны быть установлены в устройстве параллельно друг другу.
Угол клина монопластины 1 и его направление выбирается таким, при котором световой диаметр излучения, отраженного от второй поверхности монопластины, перекрывает световой диаметр излучения, отраженного от светоделителя 4, на допустимую величину, определяемую условиями эксплуатации устройства, а в дальнейшем полностью выводится из системы. Применение данного технического решения позволяет уменьшить толщину монопластины и клиновиднго компенсатора по сравнению с толщиной плоскопараллельной монопластины.
Во втором направлении излучение отражается от поверхности светоделителя 4 монопластины 1 и направляется на призму-крышу 3, после чего отражается от ее плоских поверхностей. В дальнейшем работа устройства аналогична работе устройства в случае, если монопластина 1 выполнена плоскопараллельной.
1
2
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить коллинеарный перенос излучения, направленного в устройство, разделив его на первое направление, соответствующее направлению падающего излучения, и второе направление, развернутое на 180° по отношению к направлению падающего излучения. Оси двух направлений будут линейно смещены на расчетные величины Δ и Δ по отношению к оси падающего излучения. Использование глубокого оптического контакта позволяет сделать устройство монолитным и сохранить направления коллинеарного переноса, при этом поверхности, по которым произведено соединение, выведены из излучения.
В предложенном устройстве минимизирован ход излучения в оптическом материале, т.к. излучение в основном распространяется в воздушной среде. Также в предложенном устройстве уменьшено количество преломляющих поверхностей, с трех до двух (в случае, если монопластина выполнена плоскопараллельной) по сравнению с прототипом. Это улучшает энергетические и оптические характеристики заявляемого устройства.