научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ПЕНТАПРИЗМ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ПУЧКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Метрология

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ПЕНТАПРИЗМ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ПУЧКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

a = T

s 0

'Е ui (x

-1 V 2 -1 V 2

где < х > = п ^ х,■, < х >=п ^ х ,■.

Так как относительная погрешность измерений силы тока намного меньше относительной погрешности измерений Е, то погрешность определения параметров аппроксимации можно представить как

.2 _ -.2 V „2 ,

°T0 = °21 x 2/-

\2

< x >) ;

2 -г 2

°а = T 30/

Е Ui (xj -<x >) E(x,- -<x >)

4o

Ts0~

°2/Е( x -< x >)

Е Uj (x, -<x>) Z(x,- -<x>)2

Таким образом, экспериментальные исследования зависимости относительной СПЭО от силы тока на фиксированной длине волны позволяют с высокой точностью получить значения эффективной температуры 73 для любого фиксированного значения силы тока излучателя и повысить точность и достоверность спектрорадиометрических работ при воспроизведении и передаче вторичным эталонам спектрорадиометрических единиц.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 22 августа 2014 г. № 14.592.21.0001).

Л и т е р а т у р а

1. Anevsky S., Krutikov V., Minaeva O., Minaev R., Senin D., Hollandt J., Taubert D. Method for the calibration of the spectral irradiance of tungsten filament transfer standard sources traceable to synchrotron radiation // Appl. Opt. 2013. V. 52. Р. 5152—5157.

2. Hollandt J., Jans W., Kühne M., Lindenlauf F., Wende B. A beam line for radiant power measurements of vacuum ultraviolet and ultraviolet sources in the wavelength range 40—400 nm // Rev. Sci. Instrum. 1992. N. 63 (1). Р. 1278—1281.

3. Hollandt J., Becker U., Paustian W., Richter M., Ulm G. New developments in the radiance calibration of deuterium lamps in the UV and VUV spectral range at the PTB // Metrologia. 2000. N. 37. P. 563—566.

4. Richter M., Hollandt J., Kroth U., Paustian W., Rabus H., Thornagel R., Ulm G. Source and detector calibration in the UV and VUV at BESSY II // Metrologia. 2003. N. 40. P. S107—S110.

5. Ojanen M., Karha P., Ikonen E. Spectral irradiance model for tungsten halogen lamps in 340—850 nm wavelength range // Appl. Opt. 2010. V. 40. N. 5. P. 714—721.

Дата принятия 02.12.2014 г.

681.2-2

Исследование точностных характеристик устройства на основе пентапризм для параллельного переноса пучка лазерного излучения

Т. С. ПИСКУНОВ, Н. В. БАРЫШНИКОВ, и. в. животовский

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,

Москва, Россия, e-mail: thedistorted@yandex.ru

Рассмотрены точностные характеристики устройств на основе двух пар пентапризм для параллельного переноса пучка лазерного излучения. Исследована структура погрешности таких устройств. Предложены математическая модель, позволяющая определить требования по точности начальной установки пентапризм, и алгоритм компенсации погрешности параллельного переноса с помощью начальной юстировки системы.

Ключевые слова: лазер, оптико-электронная система, юстировка оптических осей, параллельный перенос пучка излучения.

The accuracy parameters of various laser beam parallel transfer devices based on pentaprizms has been considered. The structure of error of this device has been studied. The mathematical model of the device allowing to determine the accuracy requirements for the pentaprizms initial installation and the error compensating algorithm for parallel transfer by means of initial adjustment of the system have been suggested.

Key words: laser, optical-electronic system, adjustment of optical axes, laser radiation beam parallel transfer.

Современные лазерные оптико-электронные системы позволяют решить широкий круг задач, связанных с измерениями параметров объекта исследования либо непосредственно лазерного излучения. Обоснование точностных характеристик таких систем — важный этап их разработки. Анализ характеристик связан со стремлением разработчика создать такую оригинальную функциональную схему, которая, во-первых, вносит в результаты измерений минимальные собственные погрешности, которые можно оценить, а во-вторых, инвариантна к внешним возмущающим воздей-

ствиям. Это особенно актуально для высокоточных лазерных оптико-электронных систем — лидаров, локационных станций, измеряющих угловые характеристики с погрешностью, не превышающей единицы секунд [1—5].

При разработке, сборке и юстировке многоканальных систем возникает необходимость линейного смещения лазерного пучка на значительные расстояния с запоминанием информации об угловом направлении его оси [6]. Для этого нужно сохранять либо угловое направление оси смещаемого пучка, либо информацию о его угловом направле-

нии в параметрах смещенного пучка. Решить данную задачу позволяют устройства параллельного переноса пучка лазерного излучения (УПП) [7], обеспечивающие согласование углового положения осей передающего и приемного каналов системы.

Одной из основных характеристик УПП является расстояние параллельного переноса а, достигающее в некоторых случаях 1—2 м. К характеристикам также относятся световые диаметры входного и выходного йвых

вх вых

зрачков, которые зависят от диаметра пучка лазерного излучения й. Другая важная характеристика — погрешность параллельного переноса, она определяет критерии применимости того или иного УПП в конкретном лазерном приборе и влияет на точность всей системы. Данную погрешность можно найти как разность между угловыми координатами входного пучка и прямо или косвенно измеренными на выходе УПП. В простейшем случае к УПП можно отнести уголковый отражатель, призму БКР-1800, различные призменные блоки, состоящие из ромб-призм и уголкового отражателя [5, 7].

Уголковый отражатель (или триппель-призма) при соответствующем качестве изготовления является идеальным световозвращателем и может считаться идеальной схемой построения УПП, он изменяет направление падающего пучка на обратное. Достоинства такого УПП очевидны: инвариантность по отношению к внешним механическим воздействиям и зависимость погрешности параллельного переноса только от точности углов 90° между его отражающими гранями (погрешность составляет единицы секунд). Однако такую схему построения можно применять только в случаях, когда расстояние параллельного переноса а не превышает нескольких десятков миллиметров. К подобным УПП также относятся системы, построенные с использованием призмы БКР-180° — аналога уголкового отражателя [7]. Для увеличения а уголковый отражатель дополняют ромб-призмами. Эта схема построения УПП также остается неизменной при внешних механических воздействиях, однако ее применение ограничено массогаба-ритными характеристиками [7].

Существуют технологии изготовления УПП в виде зеркальных систем, в них используют принцип угла куба, однако все три грани выполняют в виде отдельных зеркал, закрепленных в единой жесткой оправе. Достоинством такого метода построения является значительное снижение массы по сравнению с призменными блоками, а также инвариантность к внешним механическим воздействиям [8]. Необходимость устойчивой юстировки в процессе эксплуатации трех разнесенных в пространстве зеркал значительно усложняет изготовление такой системы.

В [7, 9, 10] рассмотрено УПП в виде призменного мостика, построенного из двух пар пентапризм. Показано, что это устройство измеряет угловые координаты оси лазерного пучка на выходе передающего канала лазерной оптико-электронной системы (рис. 1) по параметрам двух пучков на входе приемного канала. Такое УПП обеспечивает практически неограниченное расстояние переноса а и нечувствительно к внешним механическим воздействиям, связанным с угловым смещением каждой призмы [9].

Для детального изучения точностных характеристик УПП необходимо исследовать все факторы, влияющие на погрешность параллельного переноса. К ним относятся погрешности изготовления оптических деталей, сборки и юстировки,

Рис. 1. Принципиальная схема УПП на основе двух пар пентапризм: 1, 2 — соответственно передающий и приемный каналы; ПП1—ПП4 —

пентапризмы

потенциальная точность алгоритма расчета координат входного пучка, влияние внешних механических воздействий на систему.

В данной статье рассмотрено влияние погрешности сборки и юстировки, алгоритма обработки сигнала и внешних возмущающих воздействий (внешних механических вибраций) на систему, приводящее к угловым смещениям пентапризм. Если угловые смещения пентапризм являются величинами второго порядка малости, то УПП, построенное на их основе, инвариантно к внешним механическим воздействиям [7, 9, 10]. Однако при разработке системы, обеспечивающей погрешность параллельного переноса не более нескольких единиц угловых секунд, угловые смещения второго порядка малости необходимо учитывать, так как они могут влиять на общую погрешность.

Рассмотрим прохождение пучка лучей через УПП, подвергающееся воздействию внешних вибраций. При этом каждая пентапризма поворачивается на некоторые малые углы по отношению к глобальной системе координат. Воспользуемся известной методикой векторного описания прохождения пучка лучей через систему из преломляющих и отражающих поверхностей [7]. Определим координаты пучка лучей, прошедшего пару пентапризм. Для этого запишем вектор Ц0 в системе координат Х0У0г0, связанной с передающим каналом системы:

^ (180° -6Х) ^ (90° -6У) ^ (90° -ег)

^ (180° -еХ)

еУ

ег

(1)

где ех у, г — обусловленные разъюстировками системы углы отклонения осей диаграммы направленности излучения лазера от идеальных направлений.

Далее представим вектор Ц1, соответствующий вектору Ц, но уже в системе координат Х1У1г1, связанной с пен-тапризмой ПП1 (см. рис. 1). Для этого используем известное выражение для матрицы Мф разворота системы координат вокруг оси ОХ на угол ф:

Мф =

10 0 0 cos ф sin ф 0 - sin ф cos ф

(2)

тогда

Li = MфLo =

1 0 0 0 cos ф sin ф 0 - sin ф cos ф

cos ф (180o - 6X) 6У е7

(3)

В системе координат Х1У1г1 вектор луча L/ на выходе пентапризмы ПП1 находим следующим образом:

Ц = Т1Ц1, (4)

где Т1 — матрица

= (МП'М

(5)

' 0 0 -1 ' 0 0 1Л

п' = 0 1 0 , п" = 0 1 0

J 0 0, -1 0 0,

П/(П//) — действия идеальной пентапризмы в прямом (обратном) ходе, в приведенной системе координат

(6)

Нестабильность пространственного положения пента-призмы приводит к п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком