Конструктивные схемы оптико-механического устройства на основе голографической призмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструктивные схемы оптико-механического устройства на основе голографической призмы

Н.К. Кулаченков

Представлены результаты проработки конструкции оптико-механического устройства на основе голографической призмы, предназначенного для использования в составе измерительного комплекса по аттестации качающихся одноосных платформ. Приведены расчетные соотношения для определения положения устройства в пространстве.

При испытаниях гироскопических приборов навигационных комплексов на качающемся основании - платформе необходимо иметь информацию об угловом положении этой платформы во времени. При этом погрешность измерения углового положения должна быть в пределах единиц угловых секунд.

Особая сложность возникает тогда, когда измерения углового положения платформы происходят в динамическом режиме - при имитации качек корабля с амплитудами угловых перемещений от единиц до десятков градусов. измерительный механический устройство

В предложенном докладе представлены результаты разработки устройства для исследования одноосных качающихся платформ в динамическом режиме на основе голографической призмы - кристалла флюорита калия с записанной в нем системой голограмм.

Средства измерения угла

Для калибровки средств измерений угла традиционно используется угловая мера в виде многогранной кварцевой призмы. Специалистами НИУ ИТМО была реализована мера угла на основе совокупности голограмм записанных в кристалле флюорита калия размером 22x10x7 мм и получившей название «Голографическая призма», будучи освещенными лазером с длиной волны 532 нм голограммы генерируют плоский веер лучей, в плоскости перпендикулярной падающему лучу. Углы между лучами веера аналогичны углам кварцевой призмы, и имеют высокую стабильность во времени. При сопоставимой точности, массогабаритные характеристики голографической призмы на два порядка ниже, чем у кварцевой призмы. Это обстоятельство, наряду с возможностью серийного производства позволяет встраивать данный элемент в средства измерения угла.

Для данной разработки использовалась модификация голографической призмы с шестью записанными голограммами, угловое расстояние между лучами в веере порядка 10?. Значения дифракционной эффективности различны для всех голограмм и лежат в диапазоне от 0.01 до 0.1%. Геометрический размер пучка каждой голограммы 2x6 мм.

Для наблюдения веера лучей необходимо осуществить правильную выставку кристалла. При совпадении направления падающего луча с нормалью к плоскости веера можно наблюдать все шесть голограмм системы, такое положение достигается посредством поворота вокруг осей проходящих через меньшие грани кристалла при условии, что большая грань располагается под углом 45є к падающему лучу. В случае отклонения падающего луча от нормали эффективность некоторых голограмм резко падает.

Схема устройства

На рисунке 1 представлена принципиальная схема устройства. На одноосную гироплатформу поз. 1 имеющую металлическое основание устанавливается излучатель с голографической призмой поз.2. Регистрация лучей осуществляется с помощью массива ПЗС-линеек поз.3. установленного на неподвижном основании с возможностью перемещения относительно платформы. Амплитуда перемещения платформы ±30є, частота 2 Гц.

Рис.1. Принципиальная схема устройства.

Регистратор (рис.2) представляет собой массив ПЗС линеек расположенных в шахматном порядке с величиной перекрытия чувствительных зон порядка 3 мм. Количество ПЗС линеек равно 20. Размер чувствительной зоны каждой линейки 28,6x0,7. Длина чувствительной зоны всего массива 515 мм. Размер пикселя 14 мкм.

Рис.2. Схема регистратора.

Рис. 3. Схема излучателя.

Установка излучателя (рис.3) на металлическое основание платформы осуществляется при помощи магнитных держателей поз.6. Юстировочные каретки поз.8 вместе с источниками поз.7 устанавливаются на единое основание поз.2, которое в свою очередь вставляется в нижнюю плиту поз. 1. Для выставки излучателя относительно регистратора в основании реализована ось поз.3, винты поз. 5 являются регулировочными, винты поз.4- фиксирующими. Голографические призмы устанавливаются в юстировочные каретки поз.8, при этом веры лучей повернуты на ~25є вокруг оси совпадающей с лучом каждого из лазеров. Расстояние между плоскостями вееров лучей 65 мм, и совпадает по величине с расстоянием между рядами ПЗС линеек в регистраторе.

Алгоритм расчета

Угловое перемещение платформы определяется положением центра кристалла в пространстве, которое в свою очередь можно определить по трем фиксируемым на ПЗС линейке лучам.

На рисунке 4 представлена модель определения координат центра кристалла. Обработка ведется в системе координат, начало которой совпадает с первым пикселем на ПЗС линейке. Построив две окружности с центрами О1(х1, у1) и О2(х2, у2)

Рис. 4. Модель алгоритма расчета.

соответственно, пересекающими ПЗС линейку в точках A(0,l1), B(0,l2), C(0,l3) можно найти координаты центра кристалла О3(х3, у3) как точку пересечения двух окружностей. Используя несложный математический аппарат можно вывести следующие соотношения:

х1 = (l2 - l1) / [2 tg(2)]; y1 = (l2 + l1) / 2;

х2 = (l3 - l1) / [2 tg(2 + 1)]; y2 = (l3+ l1) / 2;

х3 = ; у3 = li +.

Где k = - (х2 - х1)/(у2 - у1) - коэффициент угла наклона общей хорды двух окружностей.

Угол наклона платформы определяется как разность текущего значения угла наклона прямой, соединяющей два центра О1 и О2 и значения угла наклона данной прямой в исходном положении.

Полученные выражения для координат центра призмы показывают возможность расчета параметров движения качающейся платформы в месте размещения излучателя при засвечиваемых на ПЗС линейках трех лучах.

Заключение

В результате проведенной работы показана возможность создания прецизионного устройства для полномасштабных исследований и аттестации качающихся платформ в динамическом режиме. Конструкция устройства обеспечивает стабильность его характеристик, что позволяет достигнуть предельной (для данного конструктивного варианта) точности с помощью системы юстировки и калибровки.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. Д. Кудрявцев, А. И. Рыскин, А. С. Щеулин Новый оптический элемент - голографическая призма: I. Принцип работы и практическая реализация. - Оптика и спектроскопия, 2009, № 5.

2. А. Е. Ангервакс, М. Д. Кудрявцев, А. И. Рыскин, А. С. Щеулин Новый оптический элемент - голографическая призма: II. Метод измерений воспроизводимых углов. - Оптика и спектроскопия, 2010, № 5

3. А. Е. Ангервакс, М. Д. Кудрявцев, А. И. Рыскин, А. С. Щеулин Новый оптический элемент - "голографическая призма". III. Экспериментальная реализация голографической призмы модификации II. Сравнительная характеристика двух модификаций голографической призмы с точки зрения ее применений Оптика и спектроскопия, 2012, том 112, № 2, с. 343-348.

Размещено на Allbest.ru