книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

ции. Различают внешнюю и внутреннюю модуляцию. При внеш­ ней модуляции изменение характера излучения производится устройством, носящим общее название модулятора, отделенного от источника света и работающего независимо. При внутренней модуляции излучение и его модуляция являются функциями од-

Способы

модуляции

света

Внутренняя

Рис. 11.8. Классификация модуляторов света

ной и той же переменной; источник излучения и модулятор пред­ ставляют собой чаще всего единое целое.

При оценке способов модуляции и их применимости для светодальномерной техники исходят из следующего:

1)должна представляться возможность модуляции на высо­ ких (до 100—150 МГц) частотах в непрерывном режиме работы;

2)желательно применение широкополосных модуляторов,

61

т. е. устройств, допускающих модуляцию в плавном диапазоне или на нескольких фиксированных частотах;

3)потерн света при модуляции должны быть малыми;

4)способ модуляции должен быть экономичным по затрате электроэнергии;

5)модулятор должен быть несложен в обращении и легко воспроизводим при серийном изготовлении.

Классификация способов модуляции и модуляторов, исполь­ зуемых в серийных и опытных приборах, приведена на рис. II.8. Наибольшее применение в данное время получили модуляторы,.

основанные на двойном лучепреломлении и среди них — жидкост­ ная ячейка Керра. Основное достоинство ячейки Керра — широкополосность, возможностьмодуляциисходящегося светового по­ тока, малые геометрические размеры, простота в изготовлении и эксплуатации; недостатки — сравнительно большая потребляемая

62

ный прозрачный сосуд (рис. I I . 9, б) с двумя никелевыми электро­ дами, наполненный нитробензолом*. Рабочая часть электродов плоская, полированная до блеска.

Межэлектродное пространство представляет собой щель в ви­ де геометрически правильного прямоугольника или трапеце­ идальной призмы. При наложении на электроды электрического напряжения в промежутке между электродами создается так называемое «поперечное» электрическое поле, силовые линии ко­ торого перпендикулярны к плоскостям электродов и параллельны между собой.

Для того, чтобы одиночную ячейку Керра можно было приме­ нить в качестве светового затвора (модулятора света по ампли­ туде) необходимо следующее расположение ее деталей (рис. I I .

г9, в): поляризатор и анализатор устанавливаются по ходу луча света, а их оси—.взаимно перпендикулярно (ячейка Керра со скрещенными поляроидами; возможно применение ячейки Керра с параллельными поляроидами, но из-за более сложной юстиров­ ки такая ячейка применяется редко). Конденсатор Керра устана­ вливается между поляризатором и анализатором так, чтобы све­ товой поток, прошедший поляризатор, прошел сквозь щель меж­ ду электродами и попал на анализатор. Силовые линии электрического поля в конденсаторе должны составлять с осями поляризатора и анализатора угол 45°.

При отсутствии электрического напряжения на электродах нитробензол, находящийся между электродами, оптически изо­ тропен, так как его биполярные молекулы ориентированы хао­ тично. В этом случае свет, прошедший через поляризатор и име­ ющий колебания в плоскости его оси, пройдет без изменения характера поляризации через конденсатор Керра и погасится анализатором.

При подключении к электродам напряжения нитробензол, на­ ходящийся между электродами, становится оптически анизотроп­ ным; биполярные молекулы нитробензола ориентируются в на­ правлении силовых линий электрического поля. Луч света, про­ шедший поляризатор, расщепляется и распространяется в ани­ зотропной среде в двух взаимноперпендикулярных направлениях (рис. П. 9, г): в плоскости силовых линий поля (обыкновенный луч о) и в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям поля (необыкновенный луч н). Обыкновенный И необыкновенный лучи распространяются с разной скоростью и на выходе из нитробен­ зола, заполняющего щель между электродами, приобретают раз­ ность фаз W колебаний

где В — постоянная Керра (зависит от свойств вещества, его тем­ пературы и длины волны света), / — длина электродов по ходу

* Нитробензол представляет собою оптически прозрачную биполярную жидкость из семейства нитросоединений ароматического ряда.

63

луча, ы; Е— напряжение, подключенное к электродам, В; d — ширина щели между электродами, м.

Поскольку оба луча когерентны, они интерферируют. При разности фаз Чг =180° результирующий вектор колебаний изме­ няет свою ориентировку на 90° по отношению к оси поляризатора (рис. I I . 9, д), т. е. становится параллельным оси анализатора, и свет проходит через анализатор. Если к электродам подключено переменное напряжение, амплитуда которого изменяется от нуля до так называемого критического напряжения * Ет, при котором сдвиг фаз X F=180°, то в такт с переменным напряжением будет изменяться и прозрачность ячейки Керра, и световой поток будет

дно из графика, изменение светового потока при изменении нап­ ряжения сначала происходит медленно. На участке АБ измене­ ние наиболее быстрое и равномерное (линейный участок). В точ­ ке Е/Ет= \ световой поток достигает максимума, а затем быстро

ние больших напряжений отрицательно сказывается на эксплуа-

* Критическое напряжение Ет является важным параметром конденса­ тора Керра.

64

тационных характеристиках ячейки Керра, особенно при исполь­ зовании немонохроматического света.

К особенностям эксплуатации ячейки Керра относится необ­ ходимость подключения к электродам конденсатора постоянного (поляризующего) напряжения Е0. Как видно из формулы (П. 47) модуляция возможна независимо от знака напряжения Е (квадратичная зависимость). Поэтому за один период модулиру­ ющего напряжения происходит два цикла модуляции света. Мо­ лекулы нитробензола при изменении знака напряжения изменяют свою ориентировку на 180°, что приводит к большому выделению тепла. При нагревании же нитробензола уменьшается постоянная

КриВая света- 'Вого потока

2% tot

Модулирующее напряжение E0+Vm<Em

(i>t

Рис. 11.10. Электрооптическая характеристика ячейки Керра со скрещенными поляроидами:

а — статическая; б — при наложении постоянного и переменного напряжений (дина­ мическая)

Керра В и тогда для получения сдвига фаз Чг = 180° нужно увели­ чивать напряжение. Поскольку генератор дает постоянную амп­ литуду модулирующего напряжения, то нагревание приводит к уменьшению сдвига фаз W и, как следствие, уменьшению глуби­ ны модуляции и точности измерений.

При наложении на электроды помимо переменного — постоян­ ного напряжения Е0, значение которого больше, чем амплитуда модулирующего напряжения, в межэлектродном пространстве создается постоянное силовое электрическое поле. Подвижность молекул нитробензола уменьшается, поскольку они ориентирова­ ны в поле однообразно, в связи с этим уменьшается выделение тепла и улучшается оптическая прозрачность нитробензола. Ча­ стота модуляции света уменьшается вдвое, т. е. равна частоте переменного напряжения. На рис. I I . 10, б изображена модуляци­ онная характеристика ячейки Керра при наложении на конденса­ тор модулирующего напряжения, не выходящего за пределы ли­ нейного участка статической характеристики.

Энергетическое действие светового потока, прошедшего ячей­ ку Керра, на светочувствительный элемент пропорционально его среднему суммарному значению за период модуляции

Одиночная ячейка Керра нашла широкое применение в свето­ дальномерах. Она применяется в отечественных фотоэлектриче­ ских светодальномерах ЭОД-1, «Кварц» [11.13] и в зарубежных

ориентировки осей поляризатора, анализатора и конден­ саторов Керра

конденсаторов Керра К\ и Ki- Поляризатор и анализатор уста­ новлены на скрещивание осей (90°). Конденсатор К\ устанавли­ вается так же, как и в одиночной ячейке Керра, а конденсатор Кг— на пути светового потока, вышедшего из конденсатора К\, но развертывается по отношению к нему на 90° так, чтобы сило­ вые линии электрического поля в первом и втором конденсаторах были взаимно перпендикулярны. Расстояние между конденсато­ рами К\ и /Сг по ходу светового луча равно 2Д.

При отсутствии напряжения на электродах через компенса­ ционную ячейку Керра свет не проходит, так как оси поляриза-

66

тора и анализатора скрещены. При наложении на конденсаторы К\ и К2 постоянного напряжения свет также не проходит (рис. I I . 11, б). В конденсаторе К\ между обыкновенным о и необыкновенным н лучами возникает сдвиг фаз Чг . При распро­ странении обоих лучей на пути от К\ до Ко приобретенная раз­ ность фаз сохраняется. Во втором конденсаторе луч, шедший ранее по пути необыкновенного, пойдет по пути обыкновенного, а луч, шедший по пути обыкновенного, пойдет по пути необыкно­ венного. Так как конденсаторы Керра одинаковы по параметру Ет, то приобретенная разность фаз в первом конденсаторе будет компенсирована обратным сдвигом фаз —W во втором конденса­ торе. Следовательно, из конденсатора Кч оба луча выйдут в оди­ наковой фазе, а их интерференция даст составляющую в плоско­ сти оси поляризатора, и световая энергия будет погашена анали­ затором. Заметим, что компенсация сдвига фаз не зависит от расстояния между конденсаторами К\ и К.%.

Иная картина будет при синхронном наложении на оба кон­ денсатора поляризующего и переменного напряжений. В этом случае, так же, как и в одиночной ячейке Керра, свет, вышедший из конденсатора Ki, модулирован на частоте переменного напря­ жения, но не по амплитуде, а по сдвигу фаз W между обыкновен­ ным и необыкновенным лучами, поскольку этот свет не прошел анализатор. За время t прохождения модулированным светом расстояния 2 Д (расстояние между конденсаторами) он получает сдвиг по фазе

где Т — период модулирующего напряжения.

Очевидно, что компенсация сдвига фаз 4х между обыкновен­ ным и необыкновенным лучами будет иметь место, если разность фаз ф модулированного светового потока и опорного напряжения

проходить световая энергия. Практически, в зависимости от не­ равенства параметра Ет обоих конденсаторов, качества полярои­ дов и точности юстировки компенсационной ячейки Керра, при разности фаз, равной целому числу периодов, через ячейку про­ ходит остаточный (минимальный) световой поток. При всех дру­ гих значениях разности фаз ф световой поток больше мини­ мального.

Следовательно, компенсационная ячейка Керра может слу­ жить фазометром, позволяющим по минимуму светового потока определять разность фаз ф, равную целому числу периодов моду­ ляции. Это свойство компенсационной ячейки Керра использо­ вано во всех визуальных светодальномерах. Конденсатор К\ (рис. II - 12), установленный в передающем тракте, несет функции модулятора, а конденсатор К2, отстоящий от первого на расстоя­ нии 2 Д по ходу луча, несет функции фазового детектора и демо-

дулятора света. Оба конденсатора должны питаться одним и тем же напряжением. Сдвиг по фазе модулированного светового по­ тока достигается изменением частоты модулирующего напря­ жения.

Блок

питания

Рис. 11.12. Принципиальная схема светодалыюмера с синхронной демодуляцией светового потока и визу­ альным способом наблюдений

Энергетическое действие, оказываемое световым потоком, про­ шедшим компенсационную ячейку Керра, на светочувствитель­ ный элемент, пропорционально его среднему значению Ф а _1_ за период модуляции и может быть вычислено по формуле

68

69