ризованный свет вследствие естественного вращения п. оскостк поляризации кварцем на выходе получит новую ориентировку пло скости поляризации. Угол поворота] плоскости поляризации (рис. 137, б) будет
где к — коэффициент пропорциональности, а / — длина луча в кри сталле.
Если при помощи пластин 1 и 2 в кристалле создать электрическое поле, то появится дополнительный поворот плоскости поляризации на угол ß (рис. 137, б), пропорциональный приложенному напряже нию U
где m — коэффициент пропорциональности. Следовательно, луч бу дет иметь плоскость поляризации, составляющую с плоскостью поляризации анализатора угол
Y = 9 0 ° - ( a + ß).
Проекция амплитуды колебаний на плоскость поляризации ана лизатора будет
Ал = ^cosY = ^sin(a + ß). |
(286> |
Подставив в (286) значения а и ß из (284) и (285), получим
Аа = А sin (kl + mill)
или, переходя к интенсивности света, найдем
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
= Iosin*to0 |
+ BU), |
(287> |
где |
\|)0 и |
ß — некоторые |
постоянные. |
|
|
|
Уравнение (287) и является модуляционной характеристикой |
устройства. |
Если |
на |
пластину |
подавать переменное напряжение |
|
|
|
|
|
|
|
и — Umsm |
(ùt, |
|
то |
световой |
поток |
будет также |
переменным |
|
|
|
|
|
|
I — I0 |
sin2 |
(TJJ0 -f- С sin at), |
|
где |
С — также некоторая |
постоянная величина. |
|
|
Практически заметный эффект удается получить только при резо |
нансных |
колебаниях |
кварцевой |
пластины, когда частота |
электри |
ческого |
напряжения |
равна |
собственной частоте пластины. |
|
|
Эффект |
Фарадея заключается во вращении плоскости |
поляриза |
ции света^при прохождении его через некоторые вещества, помещен ные в магнитное поле. Этот эффект линейный и к нему полностью от носятся все выводы, сделанные в предыдущем случае. В светодаль номерах модуляторы на эффекте Фарадея пока не применяются,.
хотя есть сообщения об исследовании веществ с приемлемыми зна чениями вращения плоскости поляризации при умеренных напряженностях магнитного поля, особенно для света инфракрасного диапазона.
§35. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ
ВСВЕТОДАЛЬНОМЕРАХ
Схемы передающих устройств светодальномеров в принципе мало отличаются друг от друга. Они состоят (рис. 138) из источника све та ИС, модулятора М и оптической системы (на рис. 138 не показана). При внутренней модуляции светового потока (некоторые типы ORT, полупроводниковые светодиоды) модулятор отсутствует, так как модулирующее напряжение с генератора модулирующих колебаний ГМК подается непосредственно на источник света.
от
ИС |
4 |
ЯС |
|
ИС |
M |
|
M |
M |
\гмк |
ФЭП |
ГМК |
|
\гмк\ |
|
2 |
|
|
|
|
_ _!1 |
|
|
|
|
ФЭП |
СП |
ФД |
№ |
|
1 |
|
|
Рис . |
138 |
|
Приемные системы светодальномеров можно разделить, по край ней мере, на три группы, отличающиеся как способом связи с пере дающим устройством, так и способом измерения разности фаз.
В приборах первой группы (см. рис. 138, а) отраженный световой поток поступает на фотоэлектронный преобразователь ФЭП1 (чаще всего фотоэлектронный умножитель—Ф5У), откуда полученный элек трический сигнал поступает на фазометр ФД для сравнения его по фазе с электрическим сигналом, поступающим с генератора модули рующих колебаний. Применяется также схема, в которой связь между передающей и приемной системами осуществляется не элек трическим, а оптическим способом. В этом случае часть световой энергии с помощью зеркала 3 или другим способом подается на фото электронный преобразователь ФЭП2 (см. рис. 138, а), с которого получающийся электрический сигнал подается на фазометр ФД.
,Применение этой схемы возможно только в светодальномерах с фото электрической регистрацией светового потока. Измерение разности
фаз при такой схеме возможно способами, рассмотренными |
в § 13. |
В схеме, изображенной на рис. 138, б, имеется |
фазовый |
детек |
тор ФД (демодулятор), который под воздействием |
модулирующих |
колебаний с ГМК преобразует (демодулирует) световой поток ана логично модулятору. В этом случае свет дважды подвергается пре
образованию — в |
модуляторе и демодуляторе. В качестве фазового |
детектора может, |
в частности, применяться |
устройство, одинаковое |
с модулятором. Схема рис. 138, б пригодна |
в светодальномерах как |
с визуальной, так и с фотоэлектрической регистрацией. В обоих слу чаях светоприемник СП служит для оценки интенсивности света на выходе фазового детектора, характеризующей фазовый сдвиг между напряжением ГМК в момент прохождения света через модулятор и демодулятор. Эта схема является по существу единственно возмож ной для светодальномеров с визуальной регистрацией. Ясно, что в визуальных светодальномерах специальный индикатор отсутствует.
Светодальномеры с фотоэлектрической регистрацией по |
схеме |
рис. 138, б строят редко. Более выгодной для них является |
схема, |
изображенная на рис. 138, в, в которой фазовый детектор |
осуще |
ствляет регистрацию светового потока, преобразуя его в электриче ский ток, и одновременно сравнивает фазу отраженного потока с фа зой напряжения ГМК. В качестве фазовых детекторов в этом случае применяют фотоэлектронные умножители, фототок которых зависит как от величины светового потока, так и от напряжения.
Рассмотрим методы измерения разности фаз в визуальных свето
дальномерах, построенных по схеме рис. 138, б в предположении, |
что фазовый детектор |
и модулятор имеют одинаковое устройство. |
Кроме того, допустим, |
что напряжение на детектор может подаваться |
как |
в фазе с напряжением на модуляторе (синфазный режим), так |
и в |
противофазе (противофазный режим). |
Пусть прозрачности * модулятора и демодулятора (одинакового устройства), на которые синхронно подается напряжение частоты со с ГМК (см. рис. 138, б), выражены уравнениями
Р Р |
Ы и Т У ' , |
|
Рве» |
Р д |
== / (at — |
гея), |
\ ' |
вкоторых / (ш) — закон модуляции света по амплитуде, а п равно нулю при синфазной работе модулятора и демодулятора и единице при противофазном режиме. Разложив периодические функции (288)
вряд Фурье, ограничиваясь при этом только первыми гармониками, получим
Р м |
= |
4 [ l + msin (ѵл + к~)~\ |
I |
|
Р д |
= |
Г |
/ |
я NI I " |
( 2 8 9 ) |
А I |
1 -frei sin tat + пп + к—) j |
|
В выражениях (289) к равно нулю, если первая гармоника выра жается синусом, или единице, если первый член разложения Фурье—
* Под прозрачностью понимается отношение интенсивности света за мо дулятором (или демодулятором) к интенсивности света перед ним,
косинус; под m в (289) понимается отношение амплитуды первой гармоники разложения к постоянному члену разложения А, вынесен ному за скобки. Теперь для светового потока Фи выходящего и з модулятора, можем написать
где В — некоторый коэффициент пропорциональности. Аналогично получим величину Ф2 отраженного светового потока, поступающего на фазовый детектор
Уравнение светового потока, прошедшего демодулятор, будет
ф 3 = |
Р д ф 2 = В3 {і + 2т sin [coi - |
-5-со + |
(п + к) у ] cos |
со + п у ) + |
|
- f -у2 - [cos ( ^ - |
со + п я ) - |
cos (2cof — - ^ - со + |
(л + |
Л) л ] J, (290) |
где |
В3 — некоторая |
постоянная. |
|
|
|
При высокой частоте модуляции глаз будет реагировать на сред |
нее |
интегральное за |
период Т,значение |
светового |
потока, т. е. . |
т
о
где Т — период модулирующего колебания. Подставив в (291) вместо
Ф3 его выражение из (290) и имея в виду, что
Ш= 2л;
т |
|
|
|
J sin (m + фо) dt |
= Ѳ; |
|
о |
|
|
|
т |
|
|
|
J cos (2(ùt - f фо) dt |
= |
0, |
|
о |
|
|
|
получим |
|
|
|
ф0=,В+ С cos ( - ^ w + и л ) = |
5 |
+ С cos ( - ^ со), |
(292) |
где В та. С — коэффициенты, не зависящие от расстояния и частоты со. Знак плюс в формуле (292) относится к синфазному, а минус — к про тивофазному режимам.
Из формулы (292) видно, что при любом периодическом законе модуляции света, с точностью до допущений, сделанных при пере ходе от (288) к (289), средняя интегральная величина светового по тока, прошедшего демодулятор, определяется расстоянием D и ча-
стотой модуляции со и изменяется по гармоническому закону. Пе риод изменения интенсивности при неизменной частоте модуляции будет определяться изменением расстояния на величину
а при неизменном расстоянии, изменением частоты на величину
так как при указанных изменениях расстояния или частоты аргумент — со изменяется на 2л.
V
В светодальномерах рассматриваемого типа в качестве модуля тора и демодулятора используют обычно ячейки Керра. Для этого случая среднее интегральное значение светового потока близко к его величине, выражаемой формулой (292). Однако величина по тока зависит не только от расстояния и частоты модуляции, но и от параметров В и С, которые подвержены значительным, зачастую не поддающимся учету, изменениям. Поэтому по величине Фо опре делить расстояние с достаточной точностью невозможно, за исключе нием тех случаев, когда эта величина принимает экстремальные зна чения, так как положение экстремума не зависит от значения пара метров В и С. При этом отказываются от измерения разности фаз, а устанавливают те значения ее, при которых световой ноток прини мает экстремальные значения. Экстремальные значения получают, либо изменяя частоту модуляции, либо изменяя фазу напряжения, подаваемого на демодулятор. Во втором случае между ГМК и демо дулятором необходимо включить фазовращатель, что усложняет схему по сравнению со схемой с переменной частотой и применяется реже.
По смыслу коэффициенты В я С являются интенсивностями, т. е. величинами положительными, причем должно4 соблюдаться нера
венство |
В 5г С, так как в противном случае появляются |
отрица |
тельные |
значения |
интенсивностей. |
Выражение (292) можно пред |
ставить в виде |
|
|
|
|
0 0 |
= B±Ccos^-f |
-B±Ccos^£-, |
(293) |
откуда видно, что максимумы интенсивности при неизменном рас
стоянии будут наблюдаться |
при |
|
^ |
- = 2nN, |
(294) |
а минимумы — при |
|
|
І* £ - = я(2ЛГ + 1). |
(295) |
