Введение к работе
Актуальность работы. Поляризационные приборы ,(ПП) заняли прочное место на производстве, в метрологических .: научно-исследовательских лаборатория'", а также в строительстве и при проведении геодезических измерений.
Проблема создания новых оптических и оптико - электронных приборов, обладающих лучшими, по сравнению с известными, характеристиками, заставляет развивать методы расчета свойств оптических элементов и систем для учета влияния таких факторов, которыми в приближенных расчетах можно пренебрегать. К таким факторам можно отнести, влияние поляризационных свойств оптических систем, которые следует учитывать как для приборов, принцип действия которых основан на использовании поляризационных' свойств оптического излучения, так и для приборов, поляризация излучения в которых обусловлена использованием источников поляризованного излучения или возникает в процессе прохождения элементов оптических систем, например, на границах раздела сред.
Известны методы описания состояния поляризации оптического излучения й его гфе'образований в оптических средах, известны исследования поляризационных свойств оптических элементов и систем, однако при этом, как правило, полагалось, что элементы установлены неподвижно и занимают нормальное по отношению к падающему излучению положение. Однако ориентация злементов может отличаться от нормальной, например вследствие погрешности сборки, или изменяться в процессе эксплуатации ПП.
Пренебрежение реальным отклонением ориентации элементов от нормальной не всегда допустимо, поэтому возможность указанных отклонений должна учитквати-я при разработке ПП.
К началу настоящей работы не были развиты методики анализа поляризационных свойств оптическ'гх систем с произвольной и изменяющейся ориентацией элементов е пространстве, .отсутствовали соответствующие исследования свойств элементов.
Одной из важных задач измерительной техники является измерение угловых величин, в частности, определение пространственной угловой ориентации объектов.
В качестве примеров этой задачи можно назвать следующие:.
- измерение угловых деформаций крупногабаритных конструк
ций и сооружений С гидротехнических сооружении, зданий, СУДОЕ.
илавагчих доков, космических аппаратов) и контроль их состоянил
с целью обеспечения безопасности их эксплуатации;
-измерение угловых деформация основания, на котором установлен ряд измерительных приборов или определение деформации корпуса крупногабаритного прибора с целью введения поправок в измеряемые ими величины;
- измерение поворотов объекта относительно трех ортого-
' нальных осей для последующего выставления объекта в необходи
мое' угловое положение;
- передача азимутов горизонтальній направлений на различные высоты в вертикальных стволах горных выработок.
Перечисленные задачи могут быть решены применением оптико--электронных угломеров, блоки которых размещаются на объектах. В поляризационных угломерах (ПУ) мерой углов поворотов объектов является изменение состояния поляризации излучения в оптической системе, что позволяет создавать устройства с меньшими, чем у других типов угломеров диаметрами световых каналов.
Ось, совпадающая с линией, соединяющей базовый и контролируемый объекты, называется осью скручивания, а две .другие -коллимационными осями, а углы поворота относительно указанных осей, соответственно, углами скручивания и коллимационными углами.
Анализ существующие методов расчета поляризационных свойств оптических систем, исследований свойств элементов ПП, а также схем ГШ показал:
отсутствуют методики расчета поляризационных свойств оптических систем при произвольной и изменяющейся ориентации их элементов в пространстве;
отсутствуют исследования поляризационных, свойств' ряда элементов и блоков оптических систем, особенно при отклонении.
' их ориентации от нормальней;
-Lотсутствует печерпьзатале иеоледэЕання и сравнительный ап^лиг известных ПП. построенных по рчзличньм схемам;
-'иаиесткке схемы ПП не обеспечиваю? выполнение всех тре-?обін»:п. пїєї:їя.8д.".нік при решении п.'ахтлческ/.х ?.а:дч, б тем
ЧІ52.Г.Й С&лЗЗКНгГ; С КЄОІЧОІЗіМІСТЬЕ СиоГДННЯ ZbTJXjJUinXZXlZKiSIZ Г.Г..
-5.-
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является всестороннее рассмотрение и развитие методов расчета поляризационных свойств оптических систем и элементов, теоретическое и экспериментальное исследование поляризационных свой, гв оптических систем и элементов, анапз существующих и разработка новых схем ПН, а также их практическая реализация и исследование.
Для достижения указанной цели необходимо:
систематизировать материал по методам описания полностью и частично поляризованного оптического излучения и его преобразований в оптических системах;
разработать методику расчета поляризационных свойств оптических элементов и '.систем при их произвольной и изменяющейся во времени ориентации в пространстве;
разработать программу для расчета поляризационных свойств оптических элементов и систем при их произвольной н изменяющейся ориентации в пространстве;
исс. здовать поляризационные свойства элементо- оптических систем из изотропных и анизотропных материалов, как при их нормальной ориентации, так и при ее изменениях;
исследовать поляризационные свойства типичных блоков оптических систем ПП пои'их нормальной ориентации, а также при ее изменениях;
исследовать оптические системы известных и разработать новые схемы ПП, исследовать их параметры и характеристики, выявить схемы коллиматорных и автоколлимационных ПП. удовлетво-.. ряющих предъявляемым к ним требованиям, зависящим от назначения и условий эксплуатации;
провести экспериментальные исследования по указанным выше вопросам.
Методы исследования. Аналитические исследования основаны на координатных методах расчета поляризационных свойств элементов из изотропных и анизотропных материалов для полностью и частично поляризованного излучения,.а также разработанной автором методике расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменившейся ориентацией элементов в пространстве. Методика была реализована в виде программы для IBM PC. Экспериментальные исследование свойств элементов и блоков ПП проводились на эллипсометре ЛЭФ-ЗМ, а также с по-
- «з -
мощью разработанного устройства для исследования поляризационных свойстб анизотропных материалов. Метрологические исследования проводились по общепринятым методикам.
Научная новизна работы. Развитие методов расчета поляризационных свойств оптических систем и их элементов, теоретическое и экспериментальное исследование их свойств, позволившее производить их расчет и реализацию в соответствии с заданными требованиями.
Защищаемые положения. .
-
Методика расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменяющейся во времени ориентацией элементов в пространстве, основанная на применении координатных методов Дагонса и Мюллера и описании ориентации элементов с помощью углов Эйлера-Крылова. Принципы выбора системы координат для описания состояния поляризации излучения на выходе оптической системы. :
-
Результаты исследования поляризационных свойств плоскопараллельных пластинок из изотропных материалов (защитные стекла) и немагнитных анизотропных одноосных материалов (фазовые пластинки, пластинки Савара, поляроиды), при их коллимационных поворотах в пространстве с учетом влияния входной и выходной границ раздела сред и анизотропии материала, в итоге которых получены зависимости изменений поляризационных и энергетических параметров поляризованного излучения (ПИ) на выходе указанных пластинок от азимута линейно-поляризованного излучения (Ш) на их входе и от параметров ориентации пластинок, что позволило определить составляющие погрешности ряда fin, обусловленные указанными поворотами. Уменьшение влияния коллимационных поворотов поляроидов-анализаторов ка точность ПП обеспечивается выбором схем ПП с установкой оси пропускания анализаторов в диапазоне от -45е до +45 по отношении к плоскости поляризации падакчего ЛЛИ.
-
Результаты исследования свойств пластинок Савара как элементов ПУ. чувствительных к коллимационным поворотам. Показан:', что погрешность НУ с мохифицкр:ванной пластинкой меньше. чем погрешность ПУ с обыкновенной плагг;:ккоп.
-
Результаты игследоь-акия поляригаїзісгікьк овойстб зер--халыго-лразмйкних систем (SJIC) яри их исходной и изкєіикщейся
ориентации, сводящиеся к зависимостям поляризационных и энергетических параметров ПИ на выходе ЫС от параметров ПИ на. их входе, а также изменений параметров ПИ, обусловленных малыми изменениями ориентации ЗПС Условия минимизации искажений поляризационных и энергетических параметров излучения, вносимых ЗПС, в том числе и при наличии их коллимационных поворотов.
-
Результаты исследования оптических систем ПП с отражателями устанавливаемыми на промежуточных объектах, ориентация которых может изменяться. Предложена и исследсєана перископическая оптическая система, состоящая из двух жестко- связанных призм полного внутреннего отражения, которая слабо искажает состояние поляризации проходящего через нее излучения, в том числе и при ее малых поворотах в пространстве.
-
Подтверждение возможности и результаты исследования условий' применения поляризащюнно чувствительных ПОИ б различных типах ПП. Результата теоретических и экспериментальных исследований поляризационно-чувствительных ПОИ на основе чзотропных кристаллов, в которых используется анизотропия границы раздела Воздух-кристалл. Показана высокая эффективность анализа и зависимость погрешности ПП от изменения ориентации ПОИ;
-
Аналитические 'зависимости для расчета поляризационных свойств и оценки погрешности ПП, содержащего приемный блок, включающий поляроид-анализатор и ПОИ с учетом влияния анизотропного материала поляроида и границ раздела сред поляроида, защитного стекла и кристалла ПОИ, в том числе при изменениях ориентации указанного приемного блока. Показано, что для ПП, приемный блок которого установлен в двухстепенном подвесе, погрешность меньше тогда, когда ось пропускания поляроида -анализатора перпендикулярна наружной оси подвеса.
-
Аналитические зависимо та для расчета поляризационных сбойств отражателей автоколлимационных ПП, содержащих зеркало или возвратный отражатель и чувствительный элемент ( поляризатор, фазовую пластинку, пластинку Савара), который заданным образом изменяет состояние поляризации излучения. '.
-
Результаты исследования отражателя,' содержащего зеркало и четвертьволновую фазовую пластинку, в оптической системе автоколлчмационного ПП с приемным блоком, содержащим поляроид--анализатор и ПОИ, в итоге которых показано, что погрешность
ПП, обусловленная коллимационными поворотами такого отражателя, относительно невелика при установке оси пропускания анализатора в -діапазоне от -45 до +45 по отношению к плоскости поляризации падающего ЛПИ, но погрешность существенно возрастает за пределами указанного диапазона.
10. Результаты сравнительного анализа параметров и характеристик поляриметров и ПУ, которые позволили определить способы минимизации составляющих погрешности указанных ПП и определить схемы ПП. обеспечивающие лучшие по сравнению с другими метрологические и габаритно-весовые параметры и характеристики.
П. Схемы новых автоколлиыационных ПУ. а также ПУ. позволяющих контролировать положение двух и более объектов с помощью установленных'на них отражателей и базового блока, установленного на третьем объекте,а также результаты исследования указанных ПУ.
12. Схема нового устройства для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов и поляризационно -чувствительных ПОИ на их основе.
Практическая ценность.
-
Разработана методика расчета поляризационных свойств оптических элементов и систем; которая позволяет исследовать погрешность ПП. в том числе ее составляющую, обусловленную изменением ориентации элементов и блоков в пространстве.
-
Разработана программа, позволяющая исследовать поляризационные свойства оптических систем и их элементов.
-
Предложена и исследована перископическая оптическая система, состоящая из двух жестко связанных призм полного внутреннего отражения, которая слабо искажает состояние поляризации проходящего через нее излучения, в том числе и при ее малых поворотах в пространстве.
-
Разработан и исследован ряд новых схем автоколлимаци-ояных поляризационных угломеров, позволяющих осуществлять ДИСт танцнлшыЯ контроль углового положения объекта с помощью установленного на кем контрольного элемента и автоксллиматора, ус-таиоБ"ен:іогс на базовом объекте, выполнен анализ их метрологических параметров и характеристик.
6. Разработан к исследован ряд новьх схем пслярпзациошшх углокерсг. псі-воачї^іх контролировать относительно? 'положение.
двух и более объектов с помощью установленных на них контрольных элементов и базового блока, установленного на третьем объекте.
6. Разработано п изготовлено устройство для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов и ПОИ на их основе, с помощью которого осуществлено экспериментальное исследование ряда анизотропных, в том числе полупроводниковых кристаллов, исследованы свойства ряда полупроводниковых ПОИ. обладающих поляризационной зависимостью чувствительности.
Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором разработана методика расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменяющейся ориентацией элементов в пространстве, разработана программа, выполнено большинство расчетов и экспериментов.
Соавторство, в основном, относится к расчету поляризационных свойств некоторых ЗПС, к разработке, испытанию и внедрению конкретных ПП и к проведению экспериментов.
Реализация результат-- ".яботы отражена шестнадцатью актами внедрения методик расчета, .программ, результатеь расчета, а также приборов и устройств от предприятий и организаций, в том числе Государственного оптического института им. С.И.Вавилова, Физико-технического института им. А.Ф.Коффе РАН, АО Мурманский судоремонтный завод, НИИ прикладной геодезии. Московского ин-. ститута инженеров геодезии аэрофотосъемки и картографии. Ленинградского института водного транспорта. Экспериментально-опытного завода ЖТМО и других предприятий. Среди внедренных устройств два защищены авторскими свидетельствами, а одно патентом России.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Второй Международной конференции по проблемам физической метрологии "Физмет'96" (Санкт-Петербург,-1996 г:),II Всесоюзной научно - технической' конференции "Применение лазеров в приборостроении, машиностриении'и медицинской технике" (Москва. 1979 г.), научно-техническом семинаре "Применение оптико-электронных приборов в контрольно-измерительной технике" \ Москва. 1976 г.), семинаре "Сборка и юстировка оптико -механических и
оптико-электронных приборов" (Москва, 1976 г.), научно -техническом семинаре "Фазовые и поляризационные измерения лазерного излучпия и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1978 г.), семинаре "Применение оптико-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Москва, 1989 г.), научно -техническое семинаре "Оптико-электронные методи и средства в контрольно-измерительной технике" (Москва, 1991 г. У, научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава ИТМО (Ленинград, 1979,1960.1936, 1995,1996 Г.г.), XII научно--техническои конференции молодых специалистов, посвященной 60--летию ГОИ. (Ленинград, 1978 г.). XIV научно-технической конференции молодых специалистов НПО "Дальняя связь" (Ленинград , 1978 г.). XII научной конференции болгарских аспирантов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы современной науки --90" (Москва, 1990 г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в монографии и 37 научных трудах, в том числе в 5 авторских свидетельствах. 1 патенте. 31 статье и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из двух частей. Часть первая содержит введение, три главы, заключение, библиографический список из 312 наименований, всего '283 стр. основного текста. 114 стр. рисунков и таблиц. Часть вторая содержит 5 приложений.
