автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Поляризационные приборы

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ ■ .УНИВЕРСИТЕТ)

? Г 5 ОД

На правах рукописи

О !

КОРОТАЕВ Валерий Викторович

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ (МЕТОДЫ РАСЧЕТА, СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ. АНАЛИЗ СХЕМ)

Специальность 05.11.07 оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург 1997

УДК535.8

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническим университет).

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор В.Т.Прокопенко

- доктор технических наук, профессор Ю. Г.Якушенков

- доктор технических наук

ст. на учи. сотр. А. Д. Гальперн

Ведущая организация: АО ЛОМО

Защита диссертации состоится " и^С/^/ 1997 г. в /5 ч. мин. на заседании специализированного совета Д 053.26.01 "Оптические и оптико-электронные приборы" при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (технический университет) по адресу: 197101 г.Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 30" 19Э7 г.

Ваши отзыву н замечаний по автореферату (в двух экземплярах) заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101 г.Саккт-Петербург, ул. Саблинская. 14. секретари специализированного совета.

Учешй секретарь

специализированного совета Д 053.26.01

¡шдаиат технических наук, допек? Е. М. Красавцев

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, слияние 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 преобразований 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 элементов 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 учитывать „'Я при разработке ПП.

К началу настоящей работы не были развиты методики анализа поляризационных свойств оптическ'гх систем с произвольной "и изменяющейся ориентацией элементов э 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 конструкций и сооружений С гидротехнических сооружений, зданий, сулое. главаг'щх доков, космических аппаратов) и контроль их состояния 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 необходимое* угловое положение;

- передача азимутов горизонтальных направлений на различные высоты в вёртикальных стволах горных выработок.

Перечисленные задачи могут быть решены -применением оптикс--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 Г1П. а такке 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;

- стсутстзулт исчерпкЕатале иеоледэЕання и сравнительный шьздкг известных ПЛ. построенных по рчзлгчна* схемам;

- лз^есткке схемы ПЛ не сбесг.ечивают выполнение всех тре-

прегьявлйеиых при решении практических задач, б тем чизлг гааззаайх с кео^ходшетье сдагания аьтс'к^лжзцискгызс ПЛ.

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 колшматорных и автоколлимационннх 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-

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.

Зашиваемые положения. '

1. Методика расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменяющейся во времени ориентацией элементов в пространстве, основанная на применении координатных методов йгонса и Мюллера и описании ориентации элементов с помощью углов Эйлера-Крылова. Принципы выбора системы координат для описания состояния поляризации излучения на выходе оптической системы. ,

2. 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 рходной 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 составляйте погрешности ряда ПЛ. обусловленные указанными поворотами. Уменьшение влияния коллимационных поворотов поляроидов-анализаторов на точность ПП обеспечивается выбором схем ПП с установкой оси пропускания анализаторов в диапазоне от -45" до +45° по отношении к плоскости поляризации падающего ЛЛИ.

3. Результаты исследования свойств пластинок Савара как элементов ПУ. чувствительных к коллимационным поворотам. Показан:, что погрешность НУ с юос;'.и;;р;вань:ог: пластинкой меньше, чем погружать ПУ с обыкновенной плагг;:ккоЯ.

•4. Результаты игслгдоь-акня полярнгазюйкьк своНстн эер-ха'ъно-прязмйгацх систем (ЗЛО лри их исходной и изменяющейся

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.

5. Результаты исследования оптических систем ПП с отражателями устанавливаемыми на промежуточных объектах, ориентация которых может изменяться. Предложена и исследсЕана перископическая оптическая система, состоящая из двух жестко- связанных призм полного внутреннего отражения, которая слабо искажает состояние поляризации пр'оходящего через нее излучения, в том числе и при ее малых поворотах в пространстве.

6. Подтверждение возможности и результаты исследования условий' применения поляризационно чувствительных ПОИ б различных типах ПП. Результата теоретических и экспериментальных исследований поляризационно-чувствительных ПОИ на основе изотропных кристаллов, в которых используется анизотропия границы раздела Воздух-кристалл. Показана высокая эффективность анализа и зависимость погрешности ПП от изменения ориентации ПОИ;

7. 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.

8. Аналитические зависимо ти для расчета поляризационных свойств отражателей автоколлимационных ПП. содержащих зеркало или возвратный отражатель и чувствительный элемент ( поляризатор, фазовую пластинку, пластинку Савара), который заданным образом изменяет состояние поляризации излучения. .

9. 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 диапазоне 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-весовыс параметры и характеристики.

П. Схемы новых автоколлимационных 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.

1. Разработана методика расчета поляризационных, свойств оптических элементов и систем; которая позволяет исследовать погрешность ПЛ. в том числе ее составляющую, обусловленную изменением ориентации элементов н блоков в пространстве.

2. Разработана программа, позволяющая исследовать поляризационные свойства оптических систем и их элементов.

3. 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.

4. Разработан и исследован ряд новых схем автоколлимационных поляризационных угломеров, позволяющих осуществлять диет танцнлшый контроль углового положения объекта с помощью установленного на кбм контрольного элемента и автоксллпматора, установленного на базовом объекте, выполнен анализ их мзтрологи-ческих параметров и характеристик.

6. Разработан к иселедозан ряд новьх схем пслярпзациэшшх углокерог. ясгв&лзкзк кснтротрзвать относительно? ' псло-генле .

двух и более объектов с помощью установленных на них контрольных элементов и базового блока, установленного на третьем объекте.

6. Разработано и 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.

■ Реализёция результат-- -\яботы отражена шестнадцатью актами внедрения методик расчёта, .программ, результатеl 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 излучгшя 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 методы и средства в контрольно-измерительной технике" (Москва, 1991 г. У, научно-технических конференциях профессорскс - преподавательского состава ИТМО (Ленинград, 1979,1980,1936,1995, 1996 г. г.), XII научно-технической конференции молодых специалистов, ^освященной 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ед рве.чйнни обосновывается актуальность работы, формулируются ее цель и задачи, научная ьосизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на ьаюпу.

В первой т'лаве разработана методика расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменяющейся ориентацией элементов в пространстве.

Обоснован выбор координатных кстолл Д:;.онса и Мюллера для расчету поляризационных свойств оптических систем с произвольной и игменякщейся ориентацией с-лчм-.-рлоь ¿. пространства.

обоснован выбор.косрдэтатних методов для списания прсст-уанстееансй ориентации элементов ссп: ^ .и: г гея ПП. г «аст-

г.ОСГ.! с псмоиью УГЛО£5 ЭЙЛере-КрИЛЭ^а.

Разраслдна методика расчета п;.л^рл:-.£цн:гны>: овойггв сг-

- И -

тических систем с произвольной и изменяющейся ориентацией элементов г. пространстве, основанная па применении методов Джонса и Мюллера и описании ориентации элементов с помощью углов Эйлера-Крылова.

Методика включает:

- выбор системы координат, принимаемый за неподвижную, в которой описывается ориентация всех элементов оптической системы, ориентация волновой нормали излучения, и ориентация систем координат, в' которых последовательно описывается состояние по--ляризации излучения;

- выбор ориентации осей системы координат s0p0l„, в которой описывается состояние поляризации излучения на входе оптической системы;

- выбор ориентации системы координат s«pwl,, в которой целесообразно описывать состояние поляризации излучения на выходе оптической системы;

- последовательный расчет ориентации границ раздела сред и осей анизотропных материалов;

- последовательный расчет ориентации орта волновой нормали излучения от входа до выхода оптической системы относительно осей неподвижной системы координат и относительно границ раздела сред и осей анизотропных материалов;

- последовательный расчет ориентации систем координат s3pjlJt в которой описывается состояние поляризации от входа до выхода оптической системы;

- расчет ориентации системы координат 3|смркм1км. в которой будет описываться состояние поляризации излучения на выходе оптической системы относительно системы координат, принятой за неподвижную;

- расчет матрицы Джонса и Мюллера оптической системы или последовательный расчет изменений состояния поляризации излу- ■ чения при прохождении границ раздела сред, изотропных и анизотропных материалов от входной системы координат з0р01„ до описания состояния поляризации излучения в выходной системё координат. Sk+iPic*i1r+i включительно;

- расчет параметров состояния поляризации и энергетических параметров излучеиия в зависимости от параметров излучения на ее входе.

Предложены следующие принципы выбора системы координат для описания состояния поляризации излучения на выходе оптической сптемы.

Если направление распространения излучения на выходе оптической системы остается неизменным по отношению к направлению распространения излучения на ее входе, смещается параллельно ему или изменяется на противоположное, то состояние поляризации излучения на выходе целесообразно описывать в системе координат, оси которой коллинарны соответствующим осям входной системы координат.

Если последним элементом оптической системы является приемник оптического излучения на основе изотропного кристалла, то следует' учитывать влияние границы раздела воздух-кристалл, при этом, как правило, представляет интерес только энергия излучения, прошедшего указанную границу раздела сред, поэтому допустимо описание состояния поляризации излучения в системе координат. связанной с плоскостью падения излучения на кристалл.

Если оптическая система или ее анализируемая часть не содержит приемника оптического излучения, и если направление распространения излучения на выходе оптической системы не совпадает с направлением распространения излучения на ее входе, или, например, изменяется з соответствии с изменением ориентации элементов, то состояние поляризации излучения на выходе такой оптической система целесообразно описывать е системе координат, связанной с оптической осью С„ реального или гипотетического неподвижного в пространстве анизотропного элемента, который следует или может следовать далее по ходу излучения.

Разработана программа для расчета поляризационных свойств оптических систем и их элементов.

Гг- рторр.ч главе исследуется поляризационные свойства эле-мочтс'ч и «¡оков оптических систем при их походной ориентации б прсстгпнстве. а также изменения свойств элементов при измене-, н.".! их ориентации.

И:<*ледовано сжякйс колтдаздоекоэс поворотов плэ-\<опарал-1; .г.. нэ изотропного аатери&лг {&Ш!ТНое стекло)

•••т^дийд.«олярисдцш! ¡1 зкеоглв иолучекля. Получен:- еыг.з:-к-(.ш*!»з»л$>е «грешность Ли. обусловленную поворота«;: гагит-стекло.

Исследованы свойства плоскопараллельных пластинок из не- • магнитных анизотропных одноосных Материалов (фазовых пластинок, пластинок Оавара. поляроидов), при наличии их малых поворотов в пространстве, с учэтим влияния входной и выходной границ раздела сред и анизотропии материала. Получены выражения для расчета матриц Джонса указанных пластинок в зависимости от величины к последовательности поворотов.

Исследованы свойства фазовых пластинок, изготовленных из одноосного двулучепреломляющего материала, в том числе и при наличии их малых коллимационных поворотов. Получены выражения для расчета их матриц Джонса-в зависимости от величины и последовательности поворотов.Рассчитаны эллиптичность е°вм* и азимут а°вых ПИ на выходе фазовых пластинок в их исходном положении в зависимости от азимута аВх ^П'Л на входе пластинок.

Рассчитаны эллиптичность евых и азимут авих ПИ на выходе четвертьволновых и полуволновых фазовых пластинок минимально возможной толщины, изготовленных на стеклянной подложке и без нее, в зависимости от азимута ЛПИ и параметров ориентации, пластинки.

Оценка изменений параметров состояния поляризации прошедшего излучения, обусловленных наличием поворотов элементов в пространстве, осуществлена с помощью функций изменений эллиптичности и азимута поляризованного излучения: Де * еви»- е°внх; Да » а8нх - а%Н1С.

Оценка изменений мощности прошедшего излучения, обусловленных наличием малых поворотов элементов в пространстве, осуществлена с помощью функции относительного изменения коэффициента пропускания: 8Т = (Т - Т0)/Т0. где Т0 и Т - коэффициенты пропускания элемента в исходном положении и при изменении его ориентации.

Исследованы свойства линейных . фазовых четвертьволновых пластинок минимально возможной толщины, в зависимости от ориентации плаитинок. Анализ показал. Зто изменения .эллиптичности и азимута прошедшего излучения, обусловленные поворотами указанных пластинок, миникал! -щ при значениях азимута ГШ на входе равных 0° и 90°, то есть при поляризации падающего излучения в плоскости главного сечения крис алла или перпе. дикулярно ей. Поляризация излучения на выходе пластинок при этом близка

к линейной, а максимальные значения изменений эллиптичности и азимута для заданного значения угла падения е. слабо зависят от то-цикы пластинок.

При значениях азимута ЛПИ на Еходе четвертьволновых пластинок равных ±45° поляризация излучения на выходе близка к циркулярной. Расчеты показали, что при этом изменения эллиптичности и азимута прошедшего излучения, обусловленные коллимационными поворотами пластинок, максимальны.

Исследованы свойства линейных фазовых полуволновых пластинок минимально возможной толщины, изготовленных на стеклянной подложке к без нее, в зависимости от параметров ориентации пластинок. Анализ показал,что изменения эллиптичности Де, обусловленные коллимационными поворотами указанных пластинок пропорциональны толщине пластинок, они минимальны при значениях азимута ЛПИ на входе равных 0° и 90°. Поляризация излучения на выходе при этом остается практически линейной. Максимум изменения эллиптичности имеет место при значениях азимута ЛПИ на входе равных ±45®, однако и в этом случае поляризация излучения на выходе пластинки слабо отличается от линейной.

Показано, что при наличии коллимационных поворотов г.олу-волновых пластинок, максимальные значения изменений азимута ПИ на их выходе определяются углом падения с и слабо зависят от толщины пластинки и от азимута ЛПИ на их входе.

Зависимость изменений вносимой, разноста фаз и поляризационных параметров излучения на выходе четвертьволновых и г.олу-волновых пластинок от угла падения излучения близка к квадратичной.

экспериментально получена зависимость толщины четвертьволновых пластинок изготовленных из слюды от длины волны излучения для блилсней ИК области спектра.

Исследованы свойства пластинок Савара как элеменгсв чувствительных к коллимационным поворотам. Показано, что разность ¡Газ. ьноолкая модифицированной пластинкой Савара. с точностью до. членов, годергэдьч величины коллимационных, поворотов во второй итгпенп.-зависит только от поворота относительно одной оси: йормалм к главному сечению первой пластинки.

Показана зависимость разноота Фаз. вносимой ' оСккковеннсЯ О авара. о: поворота относителен:) второй коллнмада-

онной осп. Указанное различие показывает преимущество модифицированной пластинки Савара-как чувствительного элемента ПП.

Исследованы свойства плоскопараллельных анизотропно поглощающих пластинок, (пленочных поляроидов) при их коллимационных поворотах. Получены выражения для расчета матрицы Джонса поляроида с зависимости от величины и последовательности поворотов.

Показано, что изменения коэффициента пропускания пленочного йодно-поливинилового поляроида, обусловленные его коллимационными поворотами, минимальны для входного ЛПИ с азимутами близкими к 0°, то есть в положении максимального пропускания излучения, и незначительно возрастают в диапазоне ав* от -45° до +45°, но существенно возрастают за пределами указанного диапазона. Следовательно, для уменьшения влияния коллимационных поворотов поляроидов-анализаторов на точность ПП предпочтительны схемы ПП с установкой оси пропускания анализаторов в диапазоне от -45° до +45° по отношению к плоскости поляризации падающего ЛПИ.

Показано, что изменения азимута ГШ на выходе указанного поляроида, обусловленные его коллимационными поворотами, слабо зависят от азимута ЛПИ на его входе в диапазогэ авх от -80° до +80°, но существенно возрастают з положениях близких к положению максимального поглощения излучения.

Исследованы поляризационные свойства зеркально-призменных систем (ЗПС).

Показано, что поляризационные свойства ЗПС целесообразно рассматривать по группам, объединенным по направлению распространения излучения на выходе ЗПС по отношению к направлению распространения излучения на их входе. Это обусловлено тем.что параметры состояния поляризацы излучения на входе и выходе ЗПС зависят, в частности, и. от направления распространения излучения и от выбора систем коорди»ат, в которых описываются указанные волны.

. В соответствии с принятым классификационным признаком рассмотрены следующие группы ЗПС.

1. ЗПС сохраняющие направление распространения излучения (АР-0°, П-0°). в том числе ЗПС сдвигающие выходной ^.уч параллельно входному (БС-0°).

2. ЗПС изменяющие направление распространения излучения на противоположное (БР-1800, SP-180®. 3-180°).

?. ЗПС изменяющие направление распространения излучения на угол отличный от 0° и 180° (АР-90°. ЕГ.-ЭО0. АР-60Ь, БУ-450).

Для всех групп одновременно рассматривались эквивалентные 'зеркальные системы.

В качестве исходной ориентации исследуемых ЗПС принята их естественная рабочая'ориентация в оптической системе прибора. При этом входная грань большинства призм ориентирована нормально к падающему излучению. Нормаль к преломляющей входной грани ■призмы АР-0°. а также к отражающим поверхностям одиночного и двойного зеркал составляет угол t «* 45° с направлением падающего излучения. Угол падения излучения на отражающие поверхности углового зеркала (УЗ), воспроизводящего ход луча в пента-призме (БП-90°). равен е= 22.5°.

Для всех рассмотренных ЗПС определена ориентация прошед-ией волны по отношению к падающей, определена ориентация систем координат, в которых описывается состояние поляризации излучения на входе и выходе ЗПС. Рассчитаны матрицы Джонса ЗПС в зависимости от наличия и типа отражающих покрытий (полное внутреннее отракекие (ПВО), серебрение (.kg), алюминированке (А1) и т.д.). а в ряде случаев и от длины волны излучения. Рассчитаны эллиптичность е°ВЫх. азимут а°вих. изменение азимута Да" излучения на выходе ЗПС, а также коэффициент пропускания Г0 указанных ЗПС в зависимости от азимута авх ЛПК на входе ЗПС в их исходном положении.

Выполнены экспериментальные исследования ряда ЗПС. в процессе которых на входе ЗПС формировалось ЛПИ с рядом значений . ацх и определялись значения эллиптичности и азимута Г!П на выходе ЗГ.С. Результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с результатами расчетов.

Исследовано влияние коллимационных поворотов указанных ЗП.С на их пгшригаццонккз свойства, а именно поворотов ЗПС относительно осей Перпендикулярных направлению падающего излучения. ?.;:п это v. за к;.'7.е?:Л азимут оси (гНо принимался азимут оси г.о-ьг.ро т.ч.-пгрЛбпд;:.чу.'прной плоскости г.адения излучения из первую

srpssas-zs» грань.

pivew вычислений й-гобхехикы:; ш: анализа свойств ЗЛ: при

изменении их ориентации столь велик, что такие исследования могут быть выполнены только путем расчета всех перечисленных параметров с помощью ЭВМ. Были рассчитаны эллиптичность евых . азимут авмх излучения на выходе ЗЛС, а также коз'Фициент пропускания Т указанных ЗПС в зависимости от азимута авх ЛПК на входе ЗПС и в зависимости от параметров ориентации ЗПС. Далее были рассчитаны изменения параметров (эллиптичности ■ Де, азимута Да и коэффициента пропускания 6Т) в зависимости от величины поворота е, азимута оси поворота ть а также азимута авх входного ЛПК. Для заданной величины поворота е определены условия экстремальных (максимальных и минимальных) измеке1 ний параметров Де, Да,'. 5Т в зависимости от азимута авх входного ЛПИ и азимута оси поворота т;.

Для ряда ЗПС были рассчитаны их матрицы Мюллера и исследовались коэффициенты их пропускания для неполяризованного излучения в зависимости от параметров ориентации ЗПС.

У большинства рассмотренных ЗПС (АР-0о,БС-0°.П-0о,БР-180о, ВР-1800, АР-ЭО0, БП-900, АР-60°, БУ-450 и эквивалентных им-зеркальных систем),при их исходной ориентации, орты нормалей преломляющих и отражающих граней лежат в одной плоскости. Поэтому изменения амплитуд v фаз излучения происходят „ля двух компонент: перпендикулярной и параллельной плоскости падения излучения. Такие ЗПС описываются диагональной матрицей Джонса и являются типичными фазосдвигающими элементами. Состояние поляризации излучения на выходе этих ЗПС не изменяется только тогда,. когда входное излучение поляризовано линейно перпендикулярно плоскости падения излучения на грани призмы (авх=0) или параллельно ей' (авх=90°). При этом а0вих= авх и е°вих= евж-0. При падении ЛПИ с азимутом авх » ±45° эллиптичность прешедшего излучения е°внх максимальна, а изменение азимута максимально при ав% * ±22.5° и авх « ±67,5°.. Приведенные равенства приближенные. вследствие различия коэффициентов .пропускания для указанных компонент.

• Спектральная зависимость поляризационных свойств ' меньше для ЗПС с покрытием отражающих поверхностей серебром и алюми-. нием и больше для ЗПС с покрытием золотом и медью.

Анализ изменений поляризационных и энергетических параметров излучения.обусловленных изменением'ориентации ЗПС, показал.

что указанные изменения, как правило.минимальны при падении на ЗЛС ЛПИ. с азимутами аих = 0е и авх = 90°.

При исследовании поляризационных свойств ."-¡ПС сохраняющих направление распространения излучения в их исходном положении (АР-0°, П-0°, БС-0"), оси систем координат, в которых описывается состояние поляризации излучения на входе и выходе ЗПС, принимаются параллельными и однонаправленными. Исследуемые в диссертации ЗПС являются Фазосдвигающими элементами, которые можно отнести к одной из следующих групп элементов: вносящих малую разность фаз (АР-0° (ПВО)) или вносящих разность фаз близкую К 90° (АР-0° (Ag. А1), БС-0°(ПВО), n-0°(Ag, А1)) или вносящих разность фаз близкую, к 360° (БС-0° (Ag. AD и эквивалентное двойное зеркало).

Исследования свойств призм АР -0° показали, что изменение параметров ЛПИ в их исходном положении и при наличии поворотов меньше для призм ПВО и больше для призм с металлизацией отражающих граней.

Исследования поляризационных свойств призм БС -0°. и эквивалентного двойного зеркала показали, что изменение параметров ЛПИ в исходном положении ЗПС и при наличии их поворотов меньше для' призм с металлизацией отражающих граней, особенно алюминированием. и больше для призм ПВО. Указанные изменения меньше для излучения с большими длинами волн.

Исследования поляризационных сбойств призм П -0° в их исходном положении и при изменении параметров ЛПИ меньше для призм с серебрением отражающих гранен и больше для призм с элиминированием. •

При исследовании поляризационных свойств ЗПС изменяющих , направление распространения излучения на противоположное ( БР--180°. BP-180°. В-180°),состояние г.слярпзалш'. излучения на входа и выходе ЗПС описывается в системах координат, оси которых кэллииэарны. но ке одноиаярааг.ены.

Простейшим элементом. кгмекяхда направлен::* распространения излучения на прстиЕюлолжюе. является зеркало нормально о п: е ь ти л о i анк л е по сткохеяпв к падакщ-.уу излучению. Те кое зер-«ло ркооит huzzy комгтгнентз.'л: п:>лл- разность з

6-:?.Эа л сгп:с-аае?сл матрицей Гзонге ск?.;;:-алентноП ysrpime по--•^с-лнгвгй $2зск<й лпготлякп. -Oihskc- сгойс-т-э нормально.

тированного зеркала и полуволновой пластинки существенно различаются следующим.

1. Зеркало изотропно в том смысле, что изменение его ориентации относительно нормали не влияет на состояние поляризации отраженного излучения.

В. Зеркало изменяет ориентацию нормали волнового фронта излучения на противоположную.

3. Системы координат, в которых списываются падающая и отраженная зеркалом волны, различны.

Если перед зеркалом установить жестко связанную с ним чет вертьвслювую пластинку, то такой отражатель вносить разность фаз 6 =360°. описывается единичной, матрицей Джонса, но не является изотропным, так как при его повороте на угол а относительно нормали к зеркалу, плоскость поляризации отраженного Л11И поворачивается на угол 2а.

Следовательно, сеойстеэ всех ЗПС и других типов отражателей. изменяющих направление распространения излучения на противоположное. целесообразно сравнивать со свойствами нормально ориентированного зеркала или нормально ориентированного зеркала с установленной перед ним линейной фаговой четвертьволновой пластинкой.

Исследования свойств призм БР-1800 и эквивалентного ей углового зеркала и призм BP-13G0 показали, что они являются фазо-сдвигающими элементами близкими к зеркалу с установленной перед ним четвертьволновой пластинкой, причем призма БР - 130" и угловое зеркало ближе к указанному отражателю при элиминировании отражающих граней, а призма ВР-1800 ближе к указанному отражателю при серебрении страхззди:. граней. Состояние поляризации излучения на выходе прлз.уь Е? -180° и углового зеркала менее чувствительно к коллимационным поворотам элемента по сравнению с, излучением, на выходе приз>:^ ЕР-13С0.

Исследования спектральных зависимостей гсляри.чациопкых свойств угловых зеркал с различными типбкл металлические покрытий показал.:, что свойства угловых зеркал близэ к свойствам 'г-зркА'а с четвзрпьс'.тнзЕой пластиг-.кой для кзлучвюг з больтами длинами вс-.'н.

лсследо-лки* влияния пуьсротоз указанных -:ПС »л енг .-.сопуокажм для кегхляригоа^о.^-кзлуч-йля тг?

такое влияние существенно меньше, чем для поляризованного, особенно при серебрении отрааающих. граней.

Исследованы свойства призкенннх (В - 180°) и зеркальных уголковых отражателей в зависимости от показателя преломления материала, наличия и типа покрытий и длины волны излучения.Показано,- что уголковые отрааатели с металлизированными отражающими граням! по своим свойствам близки к нормально ориентированному зеркалу. Степень приближения больше для зеркальных уголковых отражателей, чем для призкенных. больше при алюмини-ровании отражающих граней, чем при серебрении.и больше для излучения с большими длинами волн. Показана возможность и условия формирования на выходе призмы В-180" (ПВО) линейно и шр-кулярно поляризованного излучзния.

При исследовании поляризационных свойств ЗПС. изменяющих направление распространения излучения на угол отличный от 0° и 180° (АР-90®, БП-90°, АР-60", БУ-450). системы координат для •описания состояния поляризации излучения на входе и выходе ЗПС непараллельны.

Исследования показали,что призмы АР-90° и АР-60° с металлизированными отражающими гранями и эквивалентные им одиночные зеркала по своим свойствам являются фазосдвигающими элементами, вносящими разность фаз приближающуюся к 180°, причем степень приближения больше для призмы АР-90" с алюминированной отражающей гранью. Призма БП -90° и эквивалентное ей угловое зеркало вносят разность фаз близкую к 360°.

Исследования показали, что максимальные значения изменений азимута Aanax, возникающие при поворотах указанных ЗПС в пространстве, не очень существенно завис»т от величины азимута авх падающего на них ЛПИ, а определяются параметрами ориентации ЗПС .Это связано с тем. что параметры излучения на выходе ЗПС определяются не только Еелйчиной.разности фаз, вносимой ЗПС, но и их пространственной структурой. Показано, что указанные ЗПС не могут быть использованы для передачи ПИ с параметрами не зависящими от параметров ориентации ЗПС.

Рассмотрена возможность иэредачи излучения с заданным состоянием поляризации от одного объекта к другому через перископический оптический канал. Показано, что нежесткая перископическая система, состоящая из двух зеркал или призм, соверша-

ющих малые независимые повороты в пространстве, искапает, состояние поляризации излучения,причем состояние поляризации проведшего излучения зависит от ориентации обоих элементов, поэтому такая система не может быть использована для передачи состояния поляризации излучения. Предложена перископическая оптическая система, состоящая из двух жестко связанных между собой призм полного внутреннего отражения. Показано, что такая перископическая система слабо искажает состояние поляризации прошедшего через нее излучения, в том числе и при ее малых поворотах в пространстве. Исследованы составляющие погрешности состояния поляризации излучения, вносимые указанной системой.

Исследован приемник оптического излучения (ПОИ) как элемент оптической системы.Учтено влияние границы раздела воздух- изотропный кристалл. Показано, чтс чувствительность ПОИ, регистрирующая поверхность которого ориентирована под углом £ к падающей волне, должна характеризоваться двумя величинами:чувствительностью Зр к излучению, поляризованному в плоскости падения, и чувствительностью Ба к излучений, поляризованному перпендикулярно плоскости падения волны на кристалл. Показано, что зависимость чувствительности ПОИ от азимута падающего ЛПИ соответствует обобщенному закону Малюса.

Исследована погрешность измерения, которая возникает в ПП вследствие погрешности установки кристалла ПОИ.

Исследована возможность применения поляризационно -чувствительных ПОИ з ПЛ. Теоретически и экспериментально исследованы ПОИ на основе изотропных кристаллов, в которых используется анизотропия пропускания границы раздела воздух-кристалл. Исследована зависимость чувствительное-.и от угла падения, аз/луга и длины волни ЛОГ для ПОЙ на основе непросветленных кристаллов германия и кремния с учетом .р чияния защитного стекла и бе.ч него а также для серийно выпускаемых Фотодиодов. Показано, что коллимационные повороты приемами ПП, содергащего поляризационно --чувствительный ГЮ'Л на основе изотропного кристалла, приводит к значительной по величине погрешности измерения параметров Г.1!.

МсследоЕан приемный блок ПЛ. еодзркаедй полярояс-анализатор и ПОИ £ учетом влияния входкса псьерхнооть. иперлзла и выходной поверхности поляроид?., защитно! о отылг игоачис» г дела вогдлу>-кризт%лл 1иК. Получено ьщ^луул для т^ас/нт-а и

- —

рассчитана матрица Джонса такого приемного блока с учетом ве личины и последовательности коллимационных поворотов. Исследована энергия сигнапа, прошедшего границу раздела воздух -кристалл ПОИ. в зависимости'от параметров указанных элемента; и параметров ориентации блока. Показано, что погрешность ПЛ. обусловленная возможными изменениями ориентации такого приемного блока, относительно невелика, если азимут ЛПИ на его входе лежит в диапазоне от -45° до +45° по отношению к оси пропускания поляроида, но существенно возрастает за пределами указанного диапазона. Попзано, что для ПП, приемный блок которого установлен в двухстепенном подвесе, погрешность меньше тогда, когда ось пропускания поляроида перпендикулярна наружной оси подвеса (первой оси поворота).

Исследованы отражатели автоколлимационных ПП, содержащие зеркало или возвратный отражатель (зеркально-линзовый, уголковый) и чувствительный элемент (поляризатор, фазовую пластинку, пластинку С-авара), который заданным образом изменяет состояние поляризации излучения. Получены матрицы Джонса указанных отражателей, использованные при анализе ПП.

Исследован отражатель, содержащий зеркало и линейную фазовую четвертьволновую пластинку, в схеме автоколтмащюниогг. ПП с приемным блоком, содержащим поляроид-анализатор и ПОИ. Рассчитаны зависимости изменения энергии сигнала, прошедшего границу раздела воздух-кристалл ПОИ, от азимута ЛПИ падающего на отражатель и параметров ориентации отражателя. Показано, что коллимационные повороты отражателя вызывают относительно небольшие изменения сигнала,, если азимут ЛПИ падающего на приемный блок лежит в диапазоне от -45° \о +45" по отношению к оси пропускания поляроида-анализатора, но изменения сигнала существенно' возрастают за пределами указанного диапазона.

Третья глава посвящена анализу схем ПП.

Дана общая характеристика ПП, рассмотрены основные группы ПП по их назначению, сформулирован ряд проблем, возникающих при разработав ПП.

В соответствии с'целью к задачами работы используются изложенные в первой и второй главах методы, методики и результаты исследований свойств элементов и блоков для анализа некоторых групп ПП. Определено, что основным предметом рассмотрения

являются поляриметры и ПУ. а также ряд приСоров для- измерения других физических величин.

'' " Схемы поляриметров и ПУ для измерения угла скручивания рассматриваются совместно, так как они имеют значительное сходство. Указанное ПП рассматриваются по группам, объединенным по методам модуляции, так как метод модуляции определяет вид сигнала. а тип модулятора определяет глубину модуляции, потери энергии излучения и накладывает существенные ограничения на параметры оптической системы ПП. В результате метод модуляции и тип модулятора.в значительной степени определяют диапазон измерения. погрешность," другие метрологические параметры и характеристики, габаритно-весовые параметрь. ПП.

■ Отдельно рассмотрен ряд схем ПУ. предназначенных для измерения кслликацйонных углов и схем трехкоорданатных ПУ. Это обусловлено тем, что измерение коллимационных углов в ПУ осуществляется с помощью преобразователей, которые преобразуют изменение ориентации падающего на них излучения в изменение состояния поляризации.

Рассмотрены основные источники погрешности ПП.

При анализе каждой из схем ПП получена его функция преобразования и Функции влияния основных факторов. Исследованы основные составляющие погрешности, характерные для данной схемы, рассмотрены способы минимизации составляющих погрешности, дана сравнительная оценка метрологических и ппугих патметров и характеристик ПП.

1. ПП с модуляцией путем колебания азимута ЛПИ.

Исследована схема поляриметра, содержащего коллиматор, включающий источник излучения и поляризатор, и приемник, включающий магпитооптический модулятор (Фарадея), анализатор и ПОИ. Определена амплитуда модуляцп. обеспечивающая максимум чувствительности н минимум погрешности поляриметра. Показано, что одной ¡13 существенных составляющих погрешности является состав лявщая,- обусловленная смещением среднего значения модулируемого параметре. Показано, что для ПП рассматриваемся группы требуются источники излучения большей дошномг-к по сра&неш» с ГЙ с .сругпмл методами модуляции.

Исследссанг схема Г.У для измерения угла скруч^санпя, гос-трсзкная аз основе схемы рассмотренного г.олнркнет?^.' П'Л'.ааако.

что для уменьшения погрешности ПУ, .модулятор целесообразно перенести из приемной части прибора в коллиматорную. Исследована составляющая погрешности ПУ. обусловленная коллимационными поворотами приемника, и получено выражение для оценки указанной составляющей погрешности.

Достоинствами рассмотренных схем являются наличие только одного источника и одного ПОИ. отсутствие необходимости модулировать мощность излучения источника.

На примере ряда схем исследованы возможные методы компенсации угла поворот,- плоскости поляризации используемые в ГИТ: путем поворота поляризатора или анализатора, с использованием двухклинового компенсатора, состоящего из двух клиньев оптически активного вещества, с использове-т.ем ячейки Фарадея, на которую подается компенсирующий сигнал.

На оск вании анализа ряда схем сделан вывод, что среди ПП этой группы предпочтительны схемы указанных поляриметра и угломера.

2. ПП с модуляцией разности Фаз между составляющими ПК.

Исследована схема поляриметра, содержащего коллиматор, включающий источник излучения и поляризатор, и приемник, включающий электрооптический модулятор Шоккельса), анализатор и ПОИ. Определена амплитуда модуляции, обеспечивающая максимум чувствительности и минимум погрешности поляриметра. Показано, что одной из существенных составляющих погрешности является составляющая, обусловленная смещением среднего значения модулируемого параметра.

Исследована схема ПУ, отличающаяся тем. что модулятор перенесен из приемника в коллиматор. Г/ кчзано. что при этом существенно' уменьшается составляющая погрешности, обусловленная .смещением среднего значения 'модулируемого параметра, а также составляющая, обусловленная возможными коллимационными поворотами приемника. Показано, что погрешность такого ПУ может быть меньше, чем погрешность ранее рассмотренных ПП с магнитооптическими модуляторам!.

На основании анализа ряд? схем сделан вывод, что среди ПП этой группы предпочтительна схема п; с одним модулятором.' Указанная схема позволяет разработать- ПП, имеющий лучшие метроло-тчйские и габаритные параметры по сравнению с ПП ранее рас-

смотренной группы ПЛ.

3. ПП с модуляцией путем вращения азимута ЛПИ.

Исследован ПП с вращающимся модулятором, который содержи"?

коллиматор, включающий источник излучения, вращающийся поляризатор, анализатор и опорный ПОИ. и приемник, включающий анали- ' затор и ПОИ основного канала. Разность фаз сигналов, снимаемых с ПОИ основного и опорного каналов, пропорциональна измеряемой величине. Показано, что основными составляющими погрешности является шумовая погрешность и погрешность фазометра. Рассмотрен ряд оптико-механических умножителей частота модуляции.

Общим недостатком устройств с механическими модуляторами является наличие вибраций, сложность конструкции и ограниченный ресурс работы.

Рассмотрено устройство с модуляцией излучения на основе эффекта Зеемана, которое содержит лазер, помещенный в аксиальное магнитное поле. Основные источники погрешности: изменения качества резонатора лазера и погрешность Фазометра.

Предложена схема автоколлимационного ПУ, в котором враща-вщийся поляроид-модулятор выполняет одновременно функцию анализатора. На контролируемом объекте располагается отражатель, содержащий линейную фазовую четвертьволновую пластинку и возвратный отражатель, например, зеркально-линзовый. Схема защищ&-1а авторским свидетельством. Исследованы составляющие погреы-тости указанного ПУ. Показано, что погрешность такого ПУ мекь-ве. чем у рассмотренного ранее за счет увеличения чувствитель-юсти и соответствующего уменьшения шумовой погрешности и. что зсобенно важно, составляющей, обусловленной погрешностью £азо-яетра.

Предложена схема ПП для контроля взаимного полевения двух Солее объектов с помощью брзозого блока располагаемого на 'ретьем объекте. При этом на контролируемых объектах расгллл-^автек только -отражатели, причем обьзкты ксгут быть рдспол:-»-. гы в противоположных направлениях по отношений к базоеому :у. Этот ПП может бытъ использован также для контроля о;ш:<-.онности вращения двух валов. Схема защищена' а&то;с/.лн сегдч-

сЛсОТВС-й. »

4. пп с япдушжа потока излучения системы хъкчтаъ х:гл :оду.'дп;:е2 снгкапсв. енлмаеуьк с сь^тскы ПС;:. НзаСслье уликой

для построения оптической систем является ьнутрчшял »адуда-ция излучения ИСТОЧНИКОВ. В ПП этой группы ОТСУТСТВУЙ? ЭЛе.ЧТр?-оптически»;, магнитооптические или другие модуляторы, которые накладывают существенные ограничения на оптическую систему и требуют применения источников относительно высокого напряжения или большого тока. Отсутствуют подвижные механические элементы, в частности модуляторы.

Показано, что среди указанных ПП наиболее удачной является схема дифференциального ПУ, который содержит коллиматор, включающий два исто'иика излучения и два поляризатора, и приемник, Бхлючамдай анализатор и ПОИ. Оси пропускания поляриза-ripoe установлены взаимно перпендикулярно, а ось пропускания анализатора установлена под углом 45° го отношению к ним. Источники излучения, например, светодиоды, питаются напряжениями сдвинутыми то фазе на 180°, Амплитуда сигнала,снимаемого с ПОИ пропорциональна измеряемому углу у. Этому прибору присущи все достоинства, характерные для ПП этой группы схема проста и надежна, так как содержит относительно небольшое количество элементов. Потеря энергии излучения в оптической системе указанного дифференциального ПУ невелики, поэтому йймз~чо применение относительно маломощных источников излучейк* лри сохранении малой величины шумовой составляющей погрешности. Рассмотрен ряд схемных решений, позволяющих уменьшить величины составляющих погрешности, обусловленных нестабильностью чувствительности, возможным рассогласованием потоков излучения источников и пространственной неоднородностью состояния поляризации излучения коллиматора.

Практически был разработан ряд ПУ, построенных по указанной схеме; основная погрешность которых не превышала 10"... 15" .при диапазоне измерения от -1° до +1° и расстоянии между объектами от 0,5 до 20 м. Использование приборез на ряде предприятий отражено актами- внедрения. -

Предложена схема автоколлимационного НУ. коллиматор, приемник и блок обработки информации которого выполнены аналогично рассмотренному, а на контролируемом объекте располагается отражатель, содержащий зеркало и чеиертьволновую фазовую плас танку. Погрешность этого ПУ определяется, в основном, теми же факторами, что и у рассмотренного ранее. Дополнительная сос-

тавл.чицая погрешности, обусловленная коллимационными погорота-йи отралателн исследована в главе 2. Схема заздщека авторским .свидетельством. Использование разработки отражено актом внедрения.

5. ПП с векторными анализаторами положения изображения.

3 ПП указанного типа используется перемещение светового пятна по секторным анализаторам или модуляторам, которые состоят из двух или четырех частей. Показано, что такие ПП имеют сложную конструкцию, относительно большую погрешность и малый диапазон измерения.

6. ПП с двухклиновкми анализаторами положения изображения.

ПП этого типа содержат преобразователи состояние из двух

одинаковых по форме кварцевых клиньев, правовращающего и лево-вращающего. В центре преобразователя длина хода излучения в обоих клиньях одинакова, поэтому поворот плоскости поляризации прошедшего излучения равен нулю. При смещении пучка лучей изменяется соотношение длин хода излучения в правовращающем и ле-вовращающем клиньях. При этом происходит поворот плоскости поляризации прошедиего излучения. Исследованы составляющие погрешности таких ПП. Показано, что такие ПП могут иметь погрешность не более 10" в диапазоне измерения от -1° до +1°. Рассмотрена схема трехкоординатного ПУ построенного на основе таких преобразователей.

7. ПП с пластинками Савара. .

В указанных ПП в качестве элемента, чувствительного к поворотам относительно коллимационных осей, используются глас-тинки Савара. При этом используется эффект изменения разности фаз мелду составляющими поля излучения прешедшего пластинку, при ее поворотах относительно чувствительной" оси. Достоинством пластинок Савара является то что они чувствительны непосредственно к изменению ориентации излучения. Вызываемый имя эффект не зависит от распределения энергии по полю излучения. Исследован ряд схем одно-, двух- и трехкосрдинатных ПУ с обыкновенными и меди .'ашировакными срэнсоном пластинками Савара. определены условил минимизации составляющих погрешности. ПУ. Показано, что такие ЛУ могут, акеть погрешность порядка едкниц угловых со--к?/нд з диапазона от -1° хо нс. Следовательно. ПУ на сскоке пластинок Самара г.огут быт:-; мсг.олььогакы для рвения горького

круга задач.

8. Перспективным направлением развития ПН является применение б них поляризационно - чувствительных ПОИ. Преимущэство таких ПОИ перед традиционным сочетанием поляроида -анализатора и обычного ПОЙ состоит в том, что однородность ориентации оси максимальной поляризационной чувствительности ПОИ определяется кристаллической структурой чувствительного элемента, что позволяет уменьшить величину соответствующей составляющей погрешности ПП. Исследованы особенности расчета таких ГШ. Показано, что для обеспечения высокой точности ПП такие ПОИ должны иметь большую величину дифференциальной поляризационной чувствительности .43 = Бц-Б!. где Бц и 5) - максимальная и минимальная чувствительности ПОИ к ЛПИ е зависимости от его азимута.

Для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов и ПОИ на их основе было разработано устройство, которое позволяет измерять величины пропускания анизотропных материалов для излучения с различными состояниями поляризации, а также их разность, спектральные и температурные зависимости указанных величин. Кроме того, устройство позволяет измерять поляризационную зависимость чувствительности ПОИ, ее спектральную и температурную зависимость, а также зависимость исследуемых величин от угла падения излучения. Это устройство изготовлено и используется при проведении исследовательских работ, о чем имеется акт внедрения.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении 1 проведен аналитический обзор существующих методов описания состояния поляризации оптического излучения, поляризованного, частично поляризованного и неполяризованного, а также преобразований его параметров в оптических средах и на ,границах их раздела.

В приложении 2 рассмотрены способы списания ориентации элементов и блоков ПП и обоснован выбор описания ориентации с помощью углов Эйлера-Крылова.

В приложении 3 описана программа расчета поляризационных свойств оптических систем и ил элементов.

В приложении 4 описана методик:, экспериментальной проверки результатов исследования поляризационных свойств ЗПС.

В прилоаении 5 представлены акты внедрения, результатов работы на различных предприятиях н в организациях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, изложенных в работе.

1. Разработана методика расчета поляризационных свойств оптических систем с произвольной и изменяющейся во времени ориентацией элементов е пространстве, основанная на применении ко-фдкнатних методов Джонса и Мюллера и описании ориентации эле-«ентпЕ с помощью углов Эйлера-Крылова. Предложены принципы выбора системы координат для описания состояния поляризации изучения на выходе оптической системы.

2. Разработана программа для расчета поляризационных свой-:тв оптических систем- с произвольно}; и изменяющейся во времени фиентацией элементов в пространстве.

3. Исследованы поляризационные свойства плоскопараллель-1ых пластинок из изотропных материалов (защитные стекла) и не-гагнитных анизотропных одноосных материалов (фазовые пластинки, тластинки Савара, поляроиды) при их коллимационных поворотах в тространстве с учетом влияния входной и выходной границ рэзде-ia сред и анизотропии материала. Получены зависимости измене-шй поляризационных и энергетических параметров ПИ на выходе указанных пластинок от азимута ЛПИ на их входе и от параметров >риентации пластинок, что позволило определить составляющие погрешности ПП, обусловленные поворотами указанных элементов.

Показано, что погрешность И, обусловленная коллимацион-шми поворотами поляроидов - анализаторов меньше при установке зси пропускания анализаторов в диапазоне от -45° до +45° по от-юшению к плоскости поляризации падающего ЛПИ, но погрешность ;ущественно возрастает за пределам указанного диапазона.

4. Исследгьаны пластинки Савара как элементы ПУ, чувствительные к коллимационным пов<"ютам. Показано, что погрешность iV с модифицированной пластинкой меньше, чем погрешность n.v с ¡Сыкновенной пластинкой.

5. Исследована поляризационные свойства ЗПС (призмы АР-Г>°. ?С-0о.П-00,ЕР~180'>,ВР-180°, В-180°, A.P-SQ0, ЕП-90°. АР-£09,ЕУ-45° к жвизалентные им зеркальные системы). Для всех рассмотренных 3ПС /пределена'сгиентзиш проиэдшзЯ волка по отношению к падающей, шределенз ориентация систем координат, е которых опж.ъается юзтояние поляризации излучен;:?, на аходз и ьцходе ЗПС. Рассчита-

НЫ матрицы Даоноа ЗПС в зависимости от наличия и типа отрзлаэ-щпх покрытий (полное внутреннее отражение, серебрение, алюмипи-рование и т.д.), а для ряда ЗПС и от длины волны излучения.Рассчитаны эллиптичность, азимут, изменение азимута про'ледиего излучения, а также коэффициент пропускания ЗПС в зависимости от азимута- Л1Ш на входе ЗПС в их исходном положении. Определены ус ловия минимизации искажений состояния поляризации излучения, вносимых ЗПС.

6. Исследоианы изменения параметров излучения (эллиптичности и азимута) на в"ходе ЗПС и относительные'изменения их коэффициентов пропускания в зависимости от параметров ориентации 3( для различных -типов отражения и видов покрытий при различны) значениях азимута ЛПИ на входе ЗПС. Определены .условия экстремальных (максимальных и минимальных) изменений параметров излучения. Для ряда ЗПС были рассчитаны матрицы Миллера и исследовались свойства ЗПС ло отношению к нелоляризованному излучению.

7. Исследованы оптические системы ПП г отражателями установленными на промежуточных объектах, ориентация которых мохе-изменяться. Предложена и исследована перископическая оптическая система, состоящая из двух жестко связанных призм полного внутреннего отражения, которая слабо лскажает состояние поляризацш проходящего через нее излучения, в том числе и при ее малых поворотах в пространстве.

8. Исследован приемник оптического излучения как элемзн' оптической системы ПП. ИсследоБана погрешность ПП. обусловленная погрешностью установки кристалла ПОИ. Исследована и подтве] едена возможность применения поляризационно-чувствительных ПО! в ПП. Теоретически и экспериментально исследованы ПОИ на основ< изотропных кристаллов, в которых используется анизотропия пропускания границы раздела воздух-кристалл. Доказана высокая эффективность анализа ПИ такими ПОИ.

9. Исследован приемный блок ПП, содержащий поляроид-анализатор и ПОИ. Получена зависимость- сигнала, прошедшеро границ; раздела воздух-кристалл ПОИ от параметров указанных элементов I параметров ориентации приемного блока. Показано, что погрешнос-ПП. обусловленная изменениями'ориентации такого приемного блок относительно невелика при установке оси пропускания анализатор! г диапазоне от -45° до +45° по отношению к плоскости поляризащ

адащего ЛПИ. но погрешность существенно возрастает за "редела-и указанного диапазона. Показано, что для Ш, приемный' блок ко-орого установлен в двухстепенном подвесе, погрешность меньше огда. когда ось пропускания ншшроида-анализатора перпендкку-ярна наружно? оси подвеса спервой оси поворота).

10. Исследованы отражатели шлижоллимационных ГШ. содержа-ие зеркало или возвратный отра-гатедь и чувствительный элемент поляризатор. Фазовую пластинку, пластинку Савара), который за-анным образом изменяет состояние поляризации излучения. Полу-ены матрицы Джонса указанных отражателей.

11. Исследован отражатель, садержаэдгё зеркало и четверть-олновую фазовую пластинку, в схевк автсколлимацконного ПП с риемным блоком, содержащим иащквд-анализатор и ПОИ. Показано, то погрешность ПП. обусловлешая коллимационными поворотами акого отражателя, относительно невелика при устансвке оси.про-ускания анализатора в диапазоне от -45" до +45° по отношению к лоскости поляризации падающего ЯШ. - но погрешность существенно озрастает за пределами указанного диапазона.

12. Проведен сравнительный азакиз параметров и характерис-ик поляриметров и ПУ для измерения угла скручивания, постро-нных по различным схемам. Рассдатрекн способа минимизации ссс-авляющих погрешности. Определены схемы ПП обеспечивающие лучше по сравнения с другими метрологические, габаритно-весовые и ругие параметры и характеристика.

13. Разработаны и исследованы новые автокодпимационние ПУ.

I также ПУ. позволяйте контролировать положение двух и ботее ¡бъектсв с помощью установленных на бих отражателей и базового ¡лока, установленного на третьем ».бъбкте.

14. Разработано и пзготсшгеяэ устройство для иаследмгания [оляризациокных свойств анизтргкшж материалов и голяризацксн-¡о-чувствитешшх ПОИ на их осаоге.

15. Исследованы ПУ для игм^еявя холлиищискньк углов и ■рехксординатные ПУ. Рассмотрены: сггасобц нкнкккззгда состзвляе-их погрешности. Определены сгэян. аСесйе'и!В'Ж>у.е лучгие метро-югичэские и габаритно- ьесовыа в&сэдетри а характера ;т;:нл.

16. Не» основаий*. кревадения шсеа&щ^аша рязрь&?ла:-:и и яз-•07озлены ГЛ. зкс.-ериментальньЕ: зскУйЕоважл которых подтверди-Е! ДОСГОЬерКССТ:. СЩСЕЧЬК Еслоазазв рабстк.

Основные результаты работы отражены с следующих публика

1. Панков Э.Д.. Коротаев В.В. Поляризационные угломеры.

- М.: Недра, 19Э2. - 2*0 с.

2. Коротаев В.В.. Панков Э.Д. Поляризационное оптшсо-эле тронное устройство для измерения скручивания //Применение олт ко-электронных приборов в контрольно- измерительной технике. Материалы семинара. - И.: МДНТП, 1976.- С.59-62.

3.Коротаев В.В., Мусяков Б.Л.. Панков Э.Д. и др. Гюляриз ционное устройство для измерения скручивания // Сборка и юст ровка опт,то - механических и оптико-электронных приборов /Те докл.семинара - М.: ЦКИИТЭИ. 1977. - С. 96 -101.

4. Коротаев В.В.. Панков Э.Д. Српекция фазовых четверть волновых пластинок для определенной длины волны //Сборка и юс тировка оппко-механических и оптико -электронных приборов/ Тез.докл.семинара - М. : ЦНИИТЭИ. 1977. - С.62-64.

5. Коротаев В. В., Мусяков В. Л,, Панкор Э.Д. Прохождение поляризованного излучения через линейную фазовую пластинку \/ и уголковый отражатель // Изв.вузов СССР - Приборостроение. -

- 1977. - Т. 20. - N 2. - С. 123-125.

6. Коротаев В. В., Мусяков В. Л.. Панков э. Д. Дифференциальное поляризационное устройство для измерения скручивания / Изв.вузов СССР -Приборостроение. -1977. -Т. 20,- N8,- С. 95-99

7. Коротаев В.В.. Мусяков В.Л., Панков Э.Д. Оптический у носитель угла поворота плоскости поляризации // Изв. вузов ССС

- Приборостроение. -1977. - Т. 20. -Н 12. -С. 82-84.

8. А.с.587325 СССР. Поляризационное устройство для измер ния углов скручивания объекта / '3. В. Коротаев, В. Л.Мусяш Э.Д.Панков, А.Н.Тимофеев. Опубл. 05.01.78, Бюл.И 1. - 2 с.

9. A.c. 630527 СССР. Устройству для измерения угла скруч: вания объекта/ В.В.Коротаев, В.Л.Мусяков, Е.Д.Панков, А.Н.Тим феев. Опубл. 30.10.78, Бюл. N 40. - 2 с.

10. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Параметры фазовых четверт: волновых пластинок из слюды для ближней ИК. области спектра / Оптико-механическое приборостроение: Межвузовский сборник.-Л. СЗПИ. 1978. - С. 134-136.

11. Коротаев В.В. Метод расчета поляризационных сройств ркально-призменных систем //Тез. докл.XII научн. - техн.- конф. лодых специалистов ГОИ. - Л.,1978. - С.312-313.

1?.. А. с. 655969 СССР. Устройство для измерения, синхроннос-врэщения дпух валов /В. В. Коротаев, В. Л. Мусяков. А.Н. Тимофе-, Э. Д. Панков. Опубл. 05.04.79. Бюл. N 13. - 3 с.

13. Коротаев В.В. Метод расчета состояния поляризации оп-ческого излучения при прохождении зеркальных и призменных стеч//Изв.вугов СССР -Приборостроение.-1979..- Т.22. - N 4,-С.77-82.

14. Коротаев В. В. Поляризационные свойства уголковых от-жателей полного внутреннего отраже: ия // Оптико -электронные иборы в контрольно-измерительной технике /Л.. 1979. - С.62 -69. - (Тр.ЛИТМО)

15. Коротаев В. В. Призма - ромб для поляризационных уст-' Яств // Вопросы исследования и разработки точных систем при-рострсения. - Л.. 4979. - С. 10-13. - (Тр.ЛИТИО).

. 16. Коротаев В.В. О применении уголковых отражателей в ггако-электронных квантовых приборах // Тез.докл.II Всесоюзн. 1учн.- техн.конф."Применение лазеров в приборостроении, маши-ютроении и медицинской технике". - М.,1979. - С.449-450.

17. КоротаеЕ В.В.. Панков Э.Д. О применении поляризацион-1-чувстЕИтельккх Фотоприемников в измерительных приборах//Изв. гзоз СССР - Приборостроение. - 1980,- Т. 23,- N 8. - С.84-87.

18. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Поляризационные свойства 'олковых отражателей // Оптико - механическая промышленность.-.981.- й I. - С.9-12.

19. А. с. 868354 СССР. Опгкко-гиектронное позициоино -чувст-[тельное 'устройство/ В. В.Коротаев, А. Л. Андреев. Опубл. 30.09.81, >л. !1 36. -5 с. .

20. Коротаев В.В., Медведкин Г. А., Панков З.Д.. Рудь 9. В. ;ямой. анализ линейно поляризованного излучения с помощью фо-."лриемкиков на основе Се и // Оптико - механическая лромьтв-¿аность'. - 1931. - I! II. - С. 14-16.

2.1. А: с. 1045004 СССР. Устройство для исследования псляри-шисчшж свойств анизотропных материалов / В. В. Коротг'-в, А. !'5двяд?.;:н, Э.Д. Пакксн, Ю. В. рудь. Опубл. ¿0. 09.Блл.!,' 26.-4 е..

22. Коротаев В.В..Панков Э.Д. Поляризационные оптико-электронные угломеры // Оптико-иехаяическая промышленность. -1985,- НЮ. - С. 51-58.

23. Андреев О.Д.. демчешш В.А..Коротаев В.В., Панков Э.Д. Поляризационный угломер -// Приметшие оптико-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве. Материалы семинара.- М.: МДНТП. 1989. - С. 48-53.

24. Андреев О.Д.. Коротаев В.В.. Панков Э.Д. Методика расчета поляризационных свойств зеркальных и лиизовых оптически? систем. София : Ценпзален институт за научна; и техническа информация. 1990. - Рукопись депонирована ЦИНТИ - ЦНТЕ .

Н НД3592/90, 6 с.

25. Андреев О.Д.. Коротаев В.В.. Пчнков Э.Д. Методика расчета поляризационных свойств зеркальных и линзовых оптических систем. Тез.докл. XII научно - тезш. конф. болг. аспирантов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы современной науки -90"., Москва. 1990.. С.64-65.

26. Демченко В.А.. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Влияние поворотов призм БС-0° и АР-Ов на ш поляризационные свойства// Оптике-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. Материалы семинара.- М.: МЯНТП. 1991. С. 38-43.

27. Демчеако В.А.. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Влияние поворотов призм АР-900, БП-90* и углового зеркала на их полязаци-онные свойства // Оптико -электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. Материалы семинара.- м. : МДНТП. 1991.- С. 44-49.

28. Демченко В.А.. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Поляризационные свойства отражательных ¡щрвзм ш сескал // Оптический кур-нал.- 1993.- N6.- С.23-28.

29. Демченко В.А.. Коротаев В.В.. Панков Э.Д. Влияние поворотов пригменных и зеркаяьзшк элементов на их поляризационные свойства// Оптический журнал.-1933.- N8.- С.49-55.

30. Демченко В.А.. Kopsraes В.В., Панков Э.Д. влияние поворотов призм и зеркального рижба т их поляризационные свойства // Оптический журнал.- 199i - С.30-33.

31. Демченко В.А.. Коротаев В.В.. Панков Э.Д. Влияние поворотов призм БР-180® и ВР-180* на их поляризационные свойства/ Оптический иурнал. -1994.- В4-- СЛ56-159.

32. Андреев А. Л., Коняхин И.А.. Коротаев В. В. и др. Пробны создания оптико -электронных систем для определения взаимно положения разнесенных в пространстве объектов или их эле-1TOB // Оптический журнал.- 1995. - IJ8.- С.8-12.

33. Пат.<050737 Россия. Оптический прогибомер /Панков Э.Д., эотаев В. В.. Тимофеев А.Н.. Енученко С. А., Мусяков З.Л. -/бл. 20.12. 95. Бюл. N 35.

34. Коротаев В. В., Мусяков В. Л.. Панков Э. Д..Тимофеев А.Н. зработка и создание специализированного оптического комплек-дистаниионного зондирования // Изв.вузов - Приборостроение.-1996.- Т. 39 - !J2.~ С. 40 - 43.

35. Коротаев В. В., Панков 3. Д.., Савельев С. В.. Тимофеев А.Н. гико-электронный доковый прогибомер // Тез.докл. Второй Межд. лф. по проблемам физической метрологии " Физмет'96". 17 - 23 ЛЯ 1996 г. - СПб.. 1ЭЭ6. - С. 91 - 92.

30. Витязев A.B.. Демченко В.А.. Коротаев В.В. Поляриза-знные свойства линейных фазовых пластинок при их поворотах в эстранстве//Тез.докл.Второй Международной конференции по проемам физической метрологии "Физмет'96". 17-23 июня 1996 г. -СПб.. 1996. - С. 47.

37. Коротаев В. В. .Панков Э.д. .Савельев С.Ю. .Тимофеев А.Н. гико-электронный доковый прогибомер//В сб: Физическая метро-гия: теоретические и прикладные аспекты/ Под ред. Городецко-

А.Е. и Курбанова В. Г. - С-Пб.: Издательство KN. 19SQ. -С. 184 - 188.

38. Витязев A.B., Демченко В. А. .Коротаев В. В. Поляризаци-иые свойства линейных фазовых пластинок и пленочных поляро-йв при их поворотах в пространстве // В сб.: Физическая мет-логия: теоретические и прикладные аспекты/' Под ред. Городец-го А. Е. и Курбанова В. Г. - С-Пб.: Издательство КН. 1996. -С. 245 - 257.

длисано к печати I6.U4.37, г. Ойъе;: 2,2 и.л.

каз 10 Тираж IGÖ экз. Бесплатно

таприкт, ЯТМО. I9CCGG, Санкт-Петербург. део.Гвгкюьа„_ Ii