Устройство дистанционного управления излучателем

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марков Алексей Петрович Марукович Евгений Игнатьевич Сергеев Сергей Сергеевич Старовойтов Анатолий Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56) Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. и др. // Под ред. М.М. БУТУСОВА Волоконная оптика и приборостроение. - Ленинград Машиностроение, 1987. - С. 258-265.9202 С 1, 2007.2124747 1, 1999.2049988 1, 1995.1462223 1, 1989.930023, 1982.(57) Устройство дистанционного управления излучателем, содержащее оптически связанные источники монохроматического излучения, микрообъективы, светопроводящие многоканальные элементы, оптически изолированные по каждому источнику излучения,элемент вывода излучения, отличающееся тем, что светопроводящие элементы выполнены в виде индивидуальных жгутов гибких светопроводящих элементарных волокон таким образом, что каждый элементарный оптический канал воспринимает соответствующую ему компоненту излучения, элемент вывода излучения выполнен в виде световодного жгута, образованного объединением случайным образом сгруппированных гибких светопроводящих элементарных волокон индивидуальных жгутов, с выходным торцом которого состыкован микрообъектив-градан. 13837 1 2010.12.30 Изобретение относится к методам и средствам технологического контроля в литейном производстве и металлургии и может быть использовано для контроля методами спектрального анализа в других областях. Известны средства спектрально-энергетического контроля в измерительной технике и приборостроении 1. Наиболее перспективными являются оптико-электронные и оптико-волоконные способы и устройства распределения, регулирования и управления параметрами и положением излучателей 2, 3. Известны излучатели с жестко фиксированными спектрально-энергетическими параметрами (лазеры, светодиоды) 2. Данные устройства мало приспособлены к специфическим условиям и технологиям неразрушающего контроля и дефектоскопии. Особую сложность представляет гибкое управление пространственным положением луча для дефектоскопии внутренних поверхностей. Регулирование излучения путем диафрагмирования и изменения эффективного сечения за счет перекрытия шторкой снижает эффективность использования энергетической мощности источника. Распределение энергии в поперечном сечении луча неравномерно от максимума в центре (по оси) до минимума по краям. И всякое диафрагмирование и перекрытие шторкой не дает особого эффекта регулирования, в том числе и при использовании светофильтров. Высокая чувствительность лазеров на красителях ограничена мощностью излучения и сложностью оперативного управления. Путем введения в структуру отдельного резонатора, интерферометра или дифракционной решетки добиваются полосы генерации меньше 0,0001 нм и за счет поворачивания решетки на некоторый угол плавно изменяют частоту генерируемого излучения в полосе 10-100 нм. С помощью набора из 10-12 растворов различных веществ добиваются широкого спектрального интервала управляемого излучения от 0,3 до 1,2 мкм. На основе таких способов генерации и управления созданы лазеры на красителях со стабилизированной частотой излучения или частотой, управляемой по заданному закону. При этом обеспечивается высокий коэффициент преобразования поглощенной энергии накачки в энергию генерируемого излучения и большая импульсная энергия излучения. Однако в лазерных излучателях оперативное управление излучением и пространственным положением излучателя за счет активных веществ (сред) весьма затруднительно. Известны управляемые оптико-волоконные излучатели с переменной площадью оптического контакта и управляемым показателем преломления среды и оптического элемента 3. В качестве оптического элемента здесь используется управляемый световод, в котором модуляция оптического излучения осуществляется за счет изменения площади оптического контакта между сердцевиной световода и внешней средой, показатель преломления которой может изменяться. При всех своих преимуществах такие устройства отличаются ограниченным быстродействием, сложностью изготовления и нелинейностью световодной системы. Создание управляемого оптического излучателя на базе оголенного (без светоизолирующей оболочки) световода технологически сложно и ограничено по мощности. Наиболее близкими по технической сущности являются электрооптические бесконтактные переключатели, принцип действия которых основан на отклонении луча в результате изменения показателя преломления оптической среды (монокристалла) под действием электрического поля 4. Электрооптические переключатели, содержащие источники монохроматического излучения, объективы, светопроводящие, оптически изолированные многоканальные элементы по каждому источнику излучения, и элемент вывода излучения, разрабатываются для многомодовых и одномодовых световодов. Недостатком данных устройств являются технологические сложности эффективного согласования междугеометрическими и электрическими параметрами (отклонения в толщине пластин и одновременно напряжений управляющих сигналов), при высоком быстродействии требуют высокого управляющего напряжения. Такие способы также 2 13837 1 2010.12.30 ограничены по помехозащищенности и стабильности (перекрестные помехи и оптические потери), особенно в портативных приборах и датчиках. Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение чувствительности и оперативности управления излучателями при одновременном упрощении конструкции устройства. Задача достигается тем, что устройство дистанционного управления излучателем, содержащее оптически связанные источники монохроматического излучения, микрообъективы, светопроводящие многоканальные элементы,оптически изолированные по каждому источнику излучения, элемент вывода излучения,при этом светопроводящие элементы выполнены в виде индивидуальных жгутов гибких светопроводящих элементарных волокон таким образом, что каждый элементарный оптический канал воспринимает соответствующую ему компоненту излучения, элемент вывода излучения выполнен в виде световодного жгута, образованного объединением случайным образом сгруппированных гибких светопроводящих элементарных волокон индивидуальных жгутов, с выходным торцом которого состыкован микрообъектив-градан. В предлагаемом устройстве со стороны излучателя (на выходе) эти оптически изолированные элементы случайным образом объединены в единое комбинированное устройство,где элементы индивидуальных жгутов от источников случайным образом перемешаны в жгуте излучателя. При этом световой поток каждого элемента и всего устройства на выходных торцах равномерно распределен по всей площади, а спектрально-энергетическое перемешивание излучений каждого оптически изолированного элемента на выходе обеспечивается в процессе распространения их по этим случайным образом объединенным светопроводящим элементам. Управляя энергией источников фиксированного по спектру излучения на входе, формируют управляемый спектрально-энергетический излучатель на выходе. Устройство позволяет ориентированно воздействовать излучением в заданном пространстве, в том числе и в труднодоступных внутренних зонах объектов дистанционного контроля, путем гибкого управления энергией, спектром и пространственным положением излучателя, чем повышается оперативность и производительность контроля. На фигуре представлена структурная схема устройства. Устройство содержит структурно взаимосвязанные и конструктивно обособленные источники монохроматического излучения 1, микрообъективы 2 и индивидуальные жгуты 3 светопроводящих волокон с выходными торцами 4, с помощью которых отслеживается изменение интенсивности и спектра источников 1, жгут световодный 5 излучателя, микрообъектив-градан 7, вплотную состыкованный с выходным торцом 6 световодного жгута 5 излучателя. За счет расщепления и формирования входных торцов индивидуальных жгутов создается гибкая оптическая связь через оптически прозрачную среду световодов между источниками монохроматических излучений и излучателем, встроенных в единую систему управления его излучением. В такой структуре световодная система из нерегулярных индивидуальных световодов на входе (со стороны источников) и случайным образом сформированного световодного жгута излучателя, как продолжение оптической связи источника излучения и излучателя,обеспечивает спектрально-энергетическое перемешивание элементарных световых потоков каждого оптического волокна по всему выходному торцу световодного излучателя. Устройство работает следующим образом. Монохроматическое излучение конструктивно обособленных источников 1, например светодиодов, одновременно и направленно через объектив 2 каналируется входными торцами 3 индивидуальных жгутов 4, которые оптически поэлементно связаны со жгутом световодным 5 излучателя, выходы элементарных моноволокон 6 которого через микрообъектив-градан 7 формируют равномерно распределенное по торцу и спектрально-энергетически смешанное за счет эффекта симметризации лучей управляемое излучение 8 излучателя, пространственное положение которого относительно объекта 9 изменяется за счет гибкости элементарных моноволокон,объединенных в жгуты. В процессе исследования объекта 9 (контроль, дефектоскопия,3 13837 1 2010.12.30 наблюдение и т.д.) оператор регулирует мощность одного из источников (поочередно),добавляя в излучение (усиливая или ослабляя), в спектральную компоненту, например,синего, красного, зеленого и др. излучения. Излучение этого источника 1, сформированное и согласованное микрообъективом 2, вводится в соответствующий индивидуальный жгут 4, в котором каждое из множества оптических моноволокон по своей оптической связи переносит элементарный световой пучок на выходной торец 6. При этом выходные торцы всех моноволокон случайным образом перемешаны (т.е. уложены нерегулярно),окрашивая управляемое излучение 8. В специально окрашенном излучении (с учетом характера неоднородности) эффективнее проявляется потенциально ненормальная (дефектная) зона, которая отчетливо воспринимается оператором или фотоприемником. Добавляя одного спектра и мощности и убавляя другого, оператор гибко варьирует спектрально окрашенным излучением и подстраивает спектрально-энергетические параметры излучателя применительно к количественным и качественным параметрам объекта контроля, добиваясь максимальной проявляемости дефекта с учетом особенностей своего зрения или характеристики фотоприемника, при этом каждое моноволокно воспринимает энергию и спектр определенной точки излучения источника и за счет поэлементных оптических связей из множества элементарных микропучков света на выходе образуется многоэлементный излучатель с равномерно распределенной по выходному торцу освещенностью. Таким образом, путем неоднократного случайного смешивания оптических моноволокон обеспечивается высокочувствительное спектрально-энергетическое управление излучателем, а за счет гибкой оптической связи между входными и соответствующими им выходными торцами реализуется эффективная дистанционная управляемость пространственным положением излучателя относительно источников излучения и объекта контроля. Заявленное устройство управления излучателем существенно повышает адаптационные возможности средств оптического контроля, фотометрии и спектроскопии. Источники информации 1. Марукович Е.И., Горбунов Д.А., Марков А.П. и Чичигин Б.А. Визуально-оптическая дефектоскопия и размерный контроль в литейном производстве / Под ред. Е.И. Маруковича. - Минск Белорусская наука, 2007. - С. 14-17, 145-146. 2. Степанов Б.И. Лазеры сегодня. - Минск Вышэйшая школа, 1977. - С. 33-37. 3. Бусурин В.И. Волоконно-оптические датчики физические основы, вопросы расчета и применения. - М. Энергоатомиздат, 1990. - С. 142-160. 4. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. и др. Волоконная оптика и приборостроение / Под общ. ред. М.М. Бутусова. - Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987. - С. 258-260 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4