RU2496098C2 - Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position - Google Patents
Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496098C2 RU2496098C2 RU2011152784/28A RU2011152784A RU2496098C2 RU 2496098 C2 RU2496098 C2 RU 2496098C2 RU 2011152784/28 A RU2011152784/28 A RU 2011152784/28A RU 2011152784 A RU2011152784 A RU 2011152784A RU 2496098 C2 RU2496098 C2 RU 2496098C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pentaprisms
- pentaprism
- axis
- angular deviation
- laser beam
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012216 screening Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- OFHCOWSQAMBJIW-AVJTYSNKSA-N alfacalcidol Chemical compound C1(/[C@@H]2CC[C@@H]([C@]2(CCC1)C)[C@H](C)CCCC(C)C)=C\C=C1\C[C@@H](O)C[C@H](O)C1=C OFHCOWSQAMBJIW-AVJTYSNKSA-N 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 210000000887 face Anatomy 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее - к оптическим призменным системам, предназначенным для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения.The invention relates to the field of optical instrumentation, more specifically to optical prism systems designed to determine the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position.
Оптические оси приемного и передающего каналов лазерных систем должны быть выставлены с необходимой точностью. В некоторых случаях это удается обеспечить на стадии заводской юстировки. К таким системам относятся малогабаритные оптические дальномеры, лазерные системы видения. Они отличаются сравнительно невысокими требованиями по юстировки осей каналов - погрешности выставки могут достигать нескольких угловых минут.The optical axis of the receiving and transmitting channels of the laser systems must be set with the necessary accuracy. In some cases, this can be achieved at the stage of factory adjustment. Such systems include small-sized optical rangefinders, laser vision systems. They are distinguished by relatively low requirements for alignment of the channel axes - exhibition errors can reach several angular minutes.
Для целого ряда современных локационных систем выдвигаются очень высокие требования по точности юстировки приемо-передающих каналов - погрешности их взаимной выставки не должны превышать нескольких угловых секунд. Как правило, такие системы имеют значительные габариты, вес, они могут быть подвержены воздействию внешних механических вибраций и температурным уводам элементов конструкции. Требования по точности юстировки каналов таких систем могут быть выполнены только с использованием систем автоюстировки (САЮ).For a number of modern location systems, very high demands are placed on the accuracy of alignment of the transceiver channels - the errors of their mutual exhibition should not exceed a few angular seconds. As a rule, such systems have significant dimensions, weight, they can be exposed to external mechanical vibrations and thermal withdrawal of structural elements. Requirements for the accuracy of the alignment of the channels of such systems can be fulfilled only with the use of auto-alignment systems (SAU).
Принцип организации подобной САЮ заключается в следующем. Часть пучка излучения рабочего лазера передающего канала на выходе системы формирования с помощью призменной системы (ПС) заводится в приемный канал, меняя направление распространения в точности на обратное. Отведенный пучок в приемном канале является репером пространственного положения оси диаграммы направленности излучения рабочего лазера, сформированного в передающем канале. В приемном канале измеряется его угловое рассогласование с осью приемного канала, которое в реальном масштабе времени отрабатывается корректирующими элементами оптической системы.The principle of organizing a similar SAY is as follows. A part of the radiation beam of the working laser of the transmitting channel at the output of the formation system with the help of a prism system (PS) is brought into the receiving channel, changing the direction of propagation exactly the opposite. The diverted beam in the receiving channel is a reference point for the spatial position of the axis of the radiation pattern of the working laser formed in the transmitting channel. In the receiving channel, its angular mismatch with the axis of the receiving channel is measured, which is processed in real time by the correcting elements of the optical system.
В большинстве случаев в приемный канал целесообразно отводить пучок излучения не рабочего лазера, а дополнительного маркерного источника излучения, имеющего гораздо меньшую мощность и поперечные размеры. Предварительно его ось выставляется на входе оптической системы передающего канала относительно оси пучка излучения рабочего лазера с высокой точностью.In most cases, it is advisable to divert the radiation beam not from the working laser, but from an additional marker radiation source, which has much lower power and transverse dimensions. Previously, its axis is set at the input of the optical system of the transmitting channel relative to the axis of the working laser radiation beam with high accuracy.
Как видно, погрешности определения углового рассогласования определяются погрешностью переноса пучка, поэтому ПС в такой САЮ играет ключевую роль. Схемы их построения должны быть обоснованы с учетом условий функционирования, а точностные характеристики каждой схемы должны быть тщательно исследованы.As can be seen, the errors in determining the angular mismatch are determined by the error in the beam transfer; therefore, the PS in such an SAU plays a key role. The schemes of their construction should be justified taking into account the operating conditions, and the accuracy characteristics of each scheme should be carefully investigated.
Известно, что уголковый отражатель с двугранными углами между отражающими гранями, равными 90°, является идеальным световозвращателем [Барышников Н.В., Карасик В.Е., Степанов P.O. Исследование отражательных характеристик тетраэдрических световозвращателей в ИК диапазоне. Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. «Приборостроение», 2010. №1, С.3-16]. Он отражает падающее на него излучение точно в обратном направлении (см. фиг.1a). Матрица МУО его действия имеет следующий вид:It is known that a corner reflector with dihedral angles between the reflecting faces equal to 90 ° is an ideal retroreflector [Baryshnikov N.V., Karasik V.E., Stepanov PO Study of the reflective characteristics of tetrahedral retroreflectors in the infrared range. Bulletin of MSTU. N.E.Bauman. Ser. "Instrument Engineering", 2010. No. 1, S.3-16]. It reflects the radiation incident on it in exactly the opposite direction (see figa). The matrix M UO of its action has the following form:
Теоретически - это идеальный вариант ПС. Однако расстояние а переноса оси пучка излучения минимально и оно ограничено конструктивными параметрами уголкового отражателя и технологическими возможностями его изготовления.Theoretically, this is an ideal PS option. However, the transfer distance a of the axis of the radiation beam is minimal and it is limited by the design parameters of the corner reflector and the technological capabilities of its manufacture.
Модификация конструкции уголкового отражателя - УО с разнесенными входным и выходным зрачками (см. фиг.1б) обеспечивает несколько большие значения расстояния переноса a - до 100…200 мм. На этом возможности уголкового отражателя ограничиваются.Modification of the design of the corner reflector - UO with spaced entrance and exit pupils (see fig.1b) provides somewhat larger values of the transfer distance a - up to 100 ... 200 mm. On this, the capabilities of the corner reflector are limited.
Известно устройство для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения (см. фиг.2), которое является ближайшим аналогом и включает призменную систему, содержащую оптически связанные ромб призму 1, уголковый отражатель и ромб-призму 2 (Н.В. Барышников, В.В. Карачунский, В.И. Козинцев А.С. Румянцев, Д.В. Худяков, Использование методов полунатурного моделирования для исследования характеристик системы автоюстировки Тезисы докладов IV НТК «Радиооптические технологии в приборостроении», Сочи, 2006 г., с.105-108). Эта система обеспечивает большие значения расстояния переноса a.A device for determining the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position (see figure 2), which is the closest analogue and includes a prism system containing optically coupled rhombus prism 1, corner reflector and rhombus prism 2 (N.V. Baryshnikov, V.V. Karachunsky, V.I. Kozintsev A.S. Rumyantsev, D.V. Khudyakov, Using semi-natural modeling methods to study the characteristics of the auto-alignment system Abstracts of the IV NTK “Radio-optical technologies in instrument engineering”, Sochi, 2006, p. .105-108). This system provides large transport distances a .
Идеально изготовленная ромб-призма осуществляет поперечное смещение оси падающего пучка, не меняя его направления. Матрица ее действия МРП имеет следующий вид:An ideally made rhombus-prism transversely displaces the axis of the incident beam without changing its direction. The matrix of its action M RP has the following form:
Действие рассматриваемой ПС можно описать матрицей M:The action of the considered PS can be described by the matrix M:
Нетрудно заметить, что матрица M соответствует матрице уголкового отражателя (1).It is easy to see that the matrix M corresponds to the matrix of the angular reflector (1).
Каждая из трех оптических деталей схемы при малых собственных угловых смещениях идеально переносит ось пучка, поэтому такая система инвариантна к механическим вибрациям и температурным уводам механических оправ. На качество переноса могут повлиять только собственные температурные деформации уголкового отражателя и ромб-призм, а также погрешности их изготовления.At low intrinsic angular displacements, each of the three optical parts of the circuit ideally transfers the beam axis; therefore, such a system is invariant to mechanical vibrations and thermal displacements of mechanical frames. The transfer quality can be affected only by the own temperature deformations of the corner reflector and rhombus prisms, as well as the errors of their manufacture.
Для увеличения расстояния переноса a в схему ПС можно включить дополнительные ромб-призмы. Их максимальное количество определяется только светопропусканием призменной системы, а также массогабаритными ограничениями.To increase the transfer distance a, additional rhombic prisms can be included in the PS scheme. Their maximum number is determined only by the light transmission of the prism system, as well as weight and size restrictions.
Однако существует принципиальный недостаток рассмотренных выше схем. Он связан с тем, что элементы конструкции ПС могут располагаются на выходе формирующей оптической системы передающего канала, в сечении пучка высокоэнергетического рабочего лазера. Это обстоятельство вызывает многочисленные проблемы, связанные с защитой конструкции самой ПС от излучения рабочего лазера, а также с нарушениями пространственной структуры формируемого пучка рабочего лазера, вызванные его экранированием.However, there is a fundamental drawback of the above schemes. It is due to the fact that the structural elements of the PS can be located at the output of the forming optical system of the transmitting channel, in the cross section of the beam of a high-energy working laser. This circumstance causes numerous problems associated with protecting the design of the PS itself from radiation from the working laser, as well as with violations of the spatial structure of the generated beam of the working laser caused by its shielding.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении возможности определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения при использовании высокоэнергетического лазера и с одновременным уменьшением экранирования сечения его пучка в условиях внешних механических воздействий, приводящих к угловым уводам призм призменной системы.The technical result achieved by the implementation of the present invention consists in providing the possibility of determining the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position when using a high-energy laser and at the same time reducing the shielding of the beam cross section under external mechanical stresses leading to angular withdrawals of the prism prism system.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения, содержащем призменную систему, указанная призменная система включает первую пару пентапризм, содержащую первую и вторую пентапризмы, главные сечения которых расположены в одной плоскости Р, оптический клин, склеенный с первой отражающей гранью первой пентапризмы и выполненный так, что его выходная грань параллельна входной грани первой пентапризмы, причем поверхность склейки имеет светоделительное покрытие, вторую пару пентапризм, содержащую третью и четвертую пентапризмы, главные сечения которых расположены в одной плоскости Р', при этом входная грань третьей пентапризмы расположена за выходной гранью оптического клина и параллельна ей, плоскости Р и Р' расположены под углом 2φ друг к другу, а вторая и четвертая пентапризмы оптически связаны с объективом, в фокальной плоскости которого расположен координатно-чувствительный фотоприемник, выход которого связан со входом микропроцессора.The specified technical result is achieved due to the fact that in the device for determining the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position containing the prism system, said prism system includes a first pair of pentaprisms containing the first and second pentaprisms, the main sections of which are located in the same plane P, optical a wedge glued to the first reflecting face of the first pentaprism and made so that its output face is parallel to the input face of the first pentaprism, and the gluing surface there is a beam splitting coating, a second pair of pentaprisms containing the third and fourth pentaprisms, the main sections of which are located in the same plane P ', while the input face of the third pentaprism is located behind the output face of the optical wedge and parallel to it, the plane P and P' are at an angle 2φ each to a friend, and the second and fourth pentaprisms are optically connected to the lens, in the focal plane of which is a coordinate-sensitive photodetector, the output of which is connected to the input of the microprocessor.
При этом микропроцессор может быть выполнен с возможностью вычисления углового отклонения θZ, θY оси контролируемого пучка от номинального положения на входе первой пентапризмы по формулам:In this case, the microprocessor can be configured to calculate the angular deviation θ Z , θ Y of the axis of the controlled beam from the nominal position at the input of the first pentaprism according to the formulas:
θz=(-θy1sinφ+θz1cosφ+θy2sinφ+θz2cosφ)/2cosφ,θ z = (- θ y1 sinφ + θ z1 cosφ + θ y2 sinφ + θ z2 cosφ) / 2cosφ,
θy=(θy2sinφ+θz2cosφ+θy1sinφ-θz1cosφ)/2sinφ,θ y = (θ y2 sinφ + θ z2 cosφ + θ y1 sinφ-θ z1 cosφ) / 2sinφ,
где θy1; θz1 - угловое отклонение от номинального положения оси лазерного пучка, прошедшего первую и вторую пентапризмы;where θ y1 ; θ z1 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam that has passed the first and second pentaprisms;
θy2; θz2 - угловое отклонение от номинального, положения оси лазерного пучка, прошедшего первую, третью и четвертую пентапризмы.θ y2 ; θ z2 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam that has passed the first, third, and fourth pentaprisms.
В предлагаемом устройстве за счет того, что вместо системы призм в виде моноблока, как в ближайшем аналоге, используются отдельные пентапризмы, обеспечивается уменьшение экранирования сечения его пучка. При этом оптические свойства пентапризм позволяет создать призменную систему, обеспечивающую определение углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения в условиях внешних механических воздействий, приводящих к угловым уводам призм призменной системы.In the proposed device due to the fact that instead of a prism system in the form of a monoblock, as in the closest analogue, separate pentaprisms are used, a reduction in the screening of the cross section of its beam is provided. At the same time, the optical properties of the pentaprism make it possible to create a prism system that ensures the determination of the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position under external mechanical influences, which lead to angular withdrawals of the prism of the prism system.
Изобретение более подробно описывается с помощью чертежей.The invention is described in more detail using the drawings.
На фиг.1а, 1б показана призменная система на основе уголкового отражателя.On figa, 1b shows a prism system based on an angular reflector.
На фиг.2 показана призменная система ближайшего аналога на основе уголкового отражателя и двух ромб-призм.Figure 2 shows the prism system of the closest analogue based on a corner reflector and two diamond prisms.
На фиг.3 показано расположение призменной системы устройства для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения в локационной станции.Figure 3 shows the location of the prism system of the device for determining the angular deviation of the axis of the laser beam from the nominal position in the location station.
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая определение углового отклонение от номинального положения оси лазерного пучка с помощью координатно-чувствительного фотоприемника при отсутствии угловых уводов призм призменной системы.Figure 4 shows a diagram illustrating the determination of the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam using a coordinate-sensitive photodetector in the absence of angular withdrawals of the prism of the prism system.
На фиг.5 показана призменная система предлагаемого устройства на основе двух пар пентапризм.Figure 5 shows the prism system of the proposed device based on two pairs of pentaprism.
На фиг.6 показано расположение системы координат XYZ и связанной с ней нормали
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая определение углового отклонение от номинального положения оси лазерного пучка с помощью координатно-чувствительного фотоприемника при отсутствии угловых уводов призм призменной системы.Figure 4 shows a diagram illustrating the determination of the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam using a coordinate-sensitive photodetector in the absence of angular withdrawals of the prism of the prism system.
Система координат XYZ связана с оптической осью системы, образованной объективом и координатно-чувствительным, например, матричным фотоприемником, расположенным в его фокальной плоскости. Центр координат O совпадает с нулевым чувствительным элементом матричного фотоприемника. При этом обычно в качестве нулевого элемента используется элемент, расположенный в центре матрицы чувствительных элементов. Ось OX выбранной системы координат XYZ совпадает с оптической осью системы, образованной объективом и матричным фотоприемником, расположенным в его фокальной плоскости, и проходит через кардинальные точки объектива и нулевой элемент матричного фотоприемника.The XYZ coordinate system is connected with the optical axis of the system formed by the lens and coordinate-sensitive, for example, an array photodetector located in its focal plane. The coordinate center O coincides with the zero sensitive element of the matrix photodetector. In this case, the element located in the center of the matrix of sensitive elements is usually used as the zero element. The OX axis of the selected XYZ coordinate system coincides with the optical axis of the system formed by the lens and the matrix photodetector located in its focal plane and passes through the cardinal points of the lens and the zero element of the matrix photodetector.
Таким образом, для того, чтобы определить угловой отклонение оси пучка по двум координатам, надо измерить линейные координаты Z1 и Y1 зарегистрированного на матричном фотоприемнике, расположенном в фокальной плоскости объектива, пятна распределения от контролируемого пучка излучения лазера. При этом угловое отклонение θY в плоскости XOY может быть определено из математического выраженияThus, in order to determine the angular deviation of the beam axis in two coordinates, it is necessary to measure the linear coordinates Z1 and Y1 recorded on the matrix photodetector located in the focal plane of the lens, the distribution spot from the controlled laser beam. In this case, the angular deviation θ Y in the XOY plane can be determined from the mathematical expression
tg(θY)=Y1/f',tg (θ Y ) = Y1 / f ',
где f' - фокусное расстояние объектива.where f 'is the focal length of the lens.
Аналогично, угловое отклонение θZ в плоскости XOZ (на фиг.4 не показано) может быть определено из математического выраженияSimilarly, the angular deviation θ Z in the XOZ plane (not shown in FIG. 4) can be determined from a mathematical expression
tg(θZ)=Z1/f'.tg (θ Z ) = Z1 / f '.
При этом, как правило, измеряемые угловые отклонения малы, они составляют несколько угловых секунд. Поэтому тангенсом можно пренебречь, т.е. использовать следующие выражения:Moreover, as a rule, the measured angular deviations are small, they amount to several angular seconds. Therefore, the tangent can be neglected, i.e. use the following expressions:
θY=Y1/f', θZ=Z1/f'θ Y = Y1 / f ', θ Z = Z1 / f'
На фиг.5 показана призменная система предлагаемого устройства на основе двух пар пентапризм.Figure 5 shows the prism system of the proposed device based on two pairs of pentaprism.
Как известно, пентапризма изменяет в пространстве вектор направления падающего на нее пучка на 90 градусов по одной оси, причем этот угол инвариантен к малым угловым уводом самой пентапризмы. Используя пару пентапризм, можно обеспечить обратное отражение излучения лазера и измерение в приемном канале углового отклонения, но только по одной оси.As you know, pentaprism changes in space the direction vector of the incident beam by 90 degrees along one axis, and this angle is invariant to the small angular withdrawal of the pentaprism itself. Using a pair of pentaprisms, it is possible to provide a back reflection of the laser radiation and measure the angular deviation in the receiving channel, but only along one axis.
Для измерения угловых отклонений по двум осям в условиях внешних механических воздействий, приводящим к угловым уводам самих призм, предлагается устройство, которое содержит призменную систему, включающую первую пару пентапризм, содержащую первую 1 и вторую 2 пентапризмы. Главные сечения этих пентапризм расположены в одной плоскости Р. Вторая пара пентапризм содержит третью 3 и четвертую 4 пентапризмы, главные сечения которых расположены в одной плоскости Р'. Плоскости Р и Р' расположены под углом 2φ друг к другу. Разделение лазерного пучка между парами призм осуществляется с помощью оптического клина 5, имеющего тот же показатель преломления, что и первая 1 пентапризма, и склеенного с первой отражающей гранью первой 1 пентапризмы, причем поверхность склейки 6 имеет светоделительное полуотражающее покрытие, а выходная грань клина параллельна входной грани первой 1 пентапризмы. Входная грань третьей 3 пентапризмы расположена за выходной гранью оптического клина 5 и параллельна ей. На выходе второй 2 и четвертой 4 пентапризм расположен объектив 7, в фокальной плоскости которого расположен координатно-чувствительный фотоприемник 8, выход которого связан со входом микропроцессора 9.To measure the angular deviations along two axes under external mechanical stresses leading to angular withdrawals of the prisms themselves, a device is proposed that includes a prism system including a first pair of pentaprisms containing the first 1 and second 2 pentaprisms. The main sections of these pentaprisms are located in the same plane P. The second pair of pentaprisms contains the third 3 and fourth 4 pentaprisms, the main sections of which are located in the same plane P '. The planes P and P 'are located at an angle of 2φ to each other. Separation of the laser beam between the pairs of prisms is carried out using an optical wedge 5, having the same refractive index as the first 1 pentaprism, and glued to the first reflecting face of the first 1 pentaprism, the gluing
При этом микропроцессор выполнен с возможностью вычисления углового отклонения θZ, θY оси контролируемого пучка от номинального положения на входе первой 1 пентапризмы по формулам:In this case, the microprocessor is configured to calculate the angular deviation θ Z , θ Y of the axis of the controlled beam from the nominal position at the input of the first 1 pentaprism according to the formulas:
θz=(-θy1sinφ+θz1cosφ+θy2sinφ+θz2cosφ)/2cosφ,θ z = (- θ y1 sinφ + θ z1 cosφ + θ y2 sinφ + θ z2 cosφ) / 2cosφ,
θy=(θy2sinφ+θz2cosφ+θy1sinφ-θz1cosφ)/2sinφ,θ y = (θ y2 sinφ + θ z2 cosφ + θ y1 sinφ-θ z1 cosφ) / 2sinφ,
где θy1; θz1 - угловое отклонение от номинального положения оси лазерного пучка, прошедшего первую 1 и вторую 2 пентапризмы;where θ y1 ; θ z1 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam, passing the first 1 and second 2 pentaprism;
θy2, θz2 - угловое отклонение от номинального положения оси лазерного пучка, прошедшего первую 1, третью 3 и четвертую 4 пентапризмы.θ y2 , θ z2 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam, passing the first 1, third 3 and fourth 4 pentaprism.
Проследим преобразование такой призменной системой вектора
Свяжем с оптической осью объектива приемного канала систему координат X0Y0Z0. Ось OX0 направим по оптической оси объектива приемного канала.We connect the coordinate system X 0 Y 0 Z 0 with the optical axis of the lens of the receiving channel. The axis OX 0 is directed along the optical axis of the objective of the receiving channel.
В этой же системе координат будем в дальнейшем определять направление вектора
где θy и θz - углы отклонения оси излучения лазера от идеального направления, вызванные разъюстировками системы. Именно эти углы необходимо измерить в приемном канале.where θ y and θ z are the angles of deviation of the laser radiation axis from the ideal direction, caused by misalignments of the system. These angles must be measured in the receiving channel.
Получим несколько общих выражений для матриц преобразования пентапризмы. Эти выражения в дальнейшем будем использовать для описания преобразования вектора
Рассмотрим систему координат XYZ (см. фиг.6) и связанную с ней нормаль
1. Матрицы П' и П'' действия идеальной пентапризмы соответственно в прямом и в обратном ходе, записанные в приведенной системе координат, определяются известным образом [Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. Под общ. ред. М.М. Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1984, с.110] как:1. The matrices P 'and P' 'of the action of the ideal pentaprism, respectively, in the forward and reverse directions, recorded in the reduced coordinate system, are determined in a known manner [Computational optics: Reference / MM. Rusinov, A.P. Grammatin, P.D. Ivanov and others. Under the general. ed. M.M. Rusinova. - L .: Mechanical engineering. Leningrad branch, 1984, p.110] as:
Нестабильность пространственного положения пентапризмы приводит к повороту вектора
- вокруг оси OZ на угол α;- around the axis OZ at an angle α;
- вокруг новой оси OY' на угол β;- around the new axis OY 'at an angle β;
- вокруг новой оси OX'' на угол γ.- around the new axis OX '' at an angle γ.
Соответствующие этим поворотам матрицы преобразования имеют следующий вид [Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. Под общ. ред. М.М. Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1984, с.121]:The transformation matrices corresponding to these rotations are as follows [Computational Optics: Reference / MM. Rusinov, A.P. Grammatin, P.D. Ivanov and others. Under the general. ed. M.M. Rusinova. - L .: Mechanical engineering. Leningrad branch, 1984, p.121]:
Действие всех трех поворотов на произвольный вектор
Пусть
где: T=M·П'·М-1;where: T = M · P '· M -1 ;
Будем считать, что углы поворота α, β, γ в схеме малы. Тогда с точностью до членов второго порядка малости по углам поворота, с учетом (7) и (8) можно записать выражения для M и M-1:We assume that the rotation angles α, β, γ in the circuit are small. Then, up to terms of the second order of smallness in rotation angles, taking into account (7) and (8), we can write the expressions for M and M -1 :
Отсюда следует, чтоIt follows that
С учетом (9) и (10), на выходе из пентапризмы направление вектора
Этот вектор лежит в плоскости XOZ (т.е. перпендикулярен нормали луча на входе в пентапризму) и угол между осью OZ и этим лучом равен α-γ.This vector lies in the XOZ plane (i.e., it is perpendicular to the normal of the beam at the entrance to the pentaprism) and the angle between the OZ axis and this beam is equal to α-γ.
Используя полученные выражения, можно описать преобразование излучения лазера парой пентапризм, например, первой 1 и второй 2 пентапризмами, каждая из которых имеет свои случайные отклонения от номинального положения.Using the expressions obtained, one can describe the conversion of laser radiation by a pair of pentaprisms, for example, the first 1 and second 2 pentaprisms, each of which has its own random deviations from the nominal position.
Вектор
В системе координат X1Y1Z1 вектор луча
где: α1, γ1 - углы разворота первой призмы:where: α 1 , γ 1 - the rotation angles of the first prism:
Свяжем со второй 2 пентапризмой систему координат X2Y2Z2 (см. рисунок 3a), ориентированную относительно самой призмы так же, как система координат X1Y1Z1 ориентирована относительно первой 1 пентапризмы. Преобразуем вектор
Преобразование вектора
где: α2, γ2 - углы разворота второй призмы;where: α 2 , γ 2 - the rotation angles of the second prism;
Запишем этот вектор в системе координат X1Y1Z1 (см. рисунок 3a):We write this vector in the coordinate system X 1 Y 1 Z 1 (see Figure 3a):
И, наконец, запишем его в системе координат X0Y0Z0, используя матрицу разворота вокруг оси OX (7) на угол -φ. Таким образом, получаем искомый вектор
где ω=(α1-γ1)+(α2-γ2).where ω = (α 1 -γ 1 ) + (α 2 -γ 2 ).
Анализируя выражение (14), можно заключить, что прямые измерения угловых отклонений θynp и θznp вектора
Обратим внимание, что в выражении (13) присутствует
2. В системе координат X0Y0Z0 измеряются угловые отклонения θynp и θznp вектора
3. Эти значения пересчитываются в систему координат X1X1Z1 с учетом разворота на угол φ, аналогично выражению (12). Получаем вектор
Проделаем аналогичные преобразования для второй пары пентапризм, т.е. для третьей 3 и четвертой 4 пентапризм. Учтем, что для этой пары угол φ имеет отрицательное значение. В результате получаем выражение для
3. Имея эти два измерения, определяем искомые значения θy и θz:3. Having these two measurements, we determine the desired values of θ y and θ z :
Или, с учетом (15) и (16):Or, taking into account (15) and (16):
θy=(θy2sinφ+θz2cosφ+θy1sinφ-θz1cosφ)/2sinφθ y = (θ y2 sinφ + θ z2 cosφ + θ y1 sinφ-θ z1 cosφ) / 2sinφ
Таким образом, полученные выражения (17) показывают, что предлагаемое устройство для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения, содержащее призменную систему, построенную на основе двух пар пентапризм, обеспечивает определение углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения в условиях внешних механических воздействий, приводящих к угловым уводам призм призменной системы. Важно отметить, что при использовании в системе высокоэнергетического рабочего лазера предложенная призменная система позволяет уменьшить и даже практически исключить экранирование сечения его пучка.Thus, the obtained expressions (17) show that the proposed device for determining the angular deviation of the laser beam axis from the nominal position, containing a prism system built on the basis of two pairs of pentaprisms, provides the determination of the angular deviation of the laser beam axis from the nominal position under external mechanical stresses leading to angular withdrawals of prisms of the prism system. It is important to note that when using the high-energy working laser in the system, the proposed prism system makes it possible to reduce and even practically eliminate screening of the beam cross section.
Claims (2)
θz=(-θy1sinφ+θz1cosφ+θy2sinφ+θz2cosφ)/2cosφ,
θy=(θy2sinφ+θz2cosφ+θy1sinφ-θz1cosφ)/2sinφ,
где θy1; θz1 - угловое отклонение от номинального положения оси лазерного пучка, прошедшего первую и вторую пентапризмы;
θy2; θz2 - угловое отклонение от номинального положения оси лазерного пучка, прошедшего первую, третью и четвертую пентапризмы. 2. The device according to claim 1, characterized in that the microprocessor is configured to calculate the angular deviation θ Z , θ Y of the axis of the controlled beam from the nominal position at the input of the first pentaprism according to the formulas:
θ z = (- θ y1 sinφ + θ z1 cosφ + θ y2 sinφ + θ z2 cosφ) / 2cosφ,
θ y = (θ y2 sinφ + θ z2 cosφ + θ y1 sinφ-θ z1 cosφ) / 2sinφ,
where θ y1 ; θ z1 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam that has passed the first and second pentaprisms;
θ y2 ; θ z2 is the angular deviation from the nominal position of the axis of the laser beam that has passed the first, third, and fourth pentaprisms.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152784/28A RU2496098C2 (en) | 2011-12-26 | 2011-12-26 | Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152784/28A RU2496098C2 (en) | 2011-12-26 | 2011-12-26 | Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011152784A RU2011152784A (en) | 2013-07-10 |
| RU2496098C2 true RU2496098C2 (en) | 2013-10-20 |
Family
ID=48787170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011152784/28A RU2496098C2 (en) | 2011-12-26 | 2011-12-26 | Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2496098C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU387210A1 (en) * | 1971-11-05 | 1973-06-21 | DEVICE FOR VERTICAL VISING | |
| SU447551A1 (en) * | 1972-11-04 | 1974-10-25 | Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэрофотосъемки и картографии | Optical method of parallel transfer of the original direction |
| RU2310160C1 (en) * | 2006-06-19 | 2007-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Device for measuring inclination |
| CN101476880A (en) * | 2009-02-05 | 2009-07-08 | 范勇 | Surface shape detection apparatus and method for large-bore plane optical element |
-
2011
- 2011-12-26 RU RU2011152784/28A patent/RU2496098C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU387210A1 (en) * | 1971-11-05 | 1973-06-21 | DEVICE FOR VERTICAL VISING | |
| SU447551A1 (en) * | 1972-11-04 | 1974-10-25 | Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэрофотосъемки и картографии | Optical method of parallel transfer of the original direction |
| RU2310160C1 (en) * | 2006-06-19 | 2007-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Device for measuring inclination |
| CN101476880A (en) * | 2009-02-05 | 2009-07-08 | 范勇 | Surface shape detection apparatus and method for large-bore plane optical element |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Барышников Н.В., Карачунский В.В., Козинцев В.И., Румянцев А.С., Худяков Д.В. Использование методов полунатурного моделирования для исследования характеристик системы автоюстировки. Тезисы докладов IV НТК «Радиооптические технологии в приборостроении». - Сочи, 2006 г., с.105-108. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011152784A (en) | 2013-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Burge et al. | Use of a commercial laser tracker for optical alignment | |
| US6806960B2 (en) | Compact beam re-tracing optics to eliminate beam walk-off in an interferometer | |
| CN107228638B (en) | The method and apparatus that five degree of freedom error based on beam drift compensation measures simultaneously | |
| Li et al. | Cube-corner autocollimator with expanded measurement range | |
| US4732472A (en) | Methods of, and systems for, determining the position of an object | |
| CN109579777B (en) | Double-light-source high-precision anti-interference large-working-distance auto-collimation device and method | |
| CN116222435A (en) | Precision angular displacement measurement device and method for vortex light and plane wave interference | |
| JPH05322911A (en) | Doppler speedometer and displacement-data detecting apparatus | |
| CN104215181A (en) | Large-length laser interferometer measurement system for eliminating Abbe error | |
| KR20150040744A (en) | Optical position measurement apparatus | |
| US20060033931A1 (en) | System and method for three-dimensional measurement | |
| CN110132160A (en) | A bridge deflection measurement method using fiber optic light source | |
| WO2013082247A1 (en) | Interferometer, system, and method of use | |
| CN109579779A (en) | High-precision high-frequency rings anti-interference big working distance autocollimation and method | |
| RU2523736C1 (en) | Measurement of dihedral angles at mirror-prismatic elements and device to this end | |
| RU2496098C2 (en) | Device to define angular deviation of laser beam axis from nominal position | |
| CN108759770A (en) | Spatial angle measuring system and the method for increasing reception signal beams range | |
| Zhai et al. | High-Precision Measurement Method for Small Angles Based on the Defect Spot Mode of the Position-Sensitive Detector | |
| Kalibjian | Output polarization states of a corner cube reflector irradiated at non-normal incidence | |
| Ma et al. | Portable 5-DOF measurement system using a parallel beam generation method for linear axis detection | |
| Konyakhin et al. | Multipurpose optic-electronic autocollimators for measuring deformations of the axle with a millimeter wave range radiotelescope | |
| CN117685906A (en) | A dihedral angle optical measurement device and method | |
| Korotaev et al. | The choice of marks for systems with noncontact position control | |
| Kolosov et al. | Variants of nonmisadjustable optical systems of turning-angle sensors based on a BR-180 prism and a photoelectric autocollimator | |
| Li et al. | Calibration method of the right-angle error of a hollow corner-cube retroreflector based on an independent autocollimator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131227 |